[发明专利]一种薄板焊接变形的模型建构及其矫平方法

权利要求书

1.一种薄板焊接变形的模型建构方法，其特征在于，利用固有应变法获得焊接变形模型，包括以下步骤：

步骤M1.根据现场需要矫平的薄板材质获得相应的材料属性，包括弹性模量、薄板厚度、屈服应力、热膨胀系数；

步骤M2.了解现场焊接工艺相关数据，室温、焊接时最高温度、焊接速度，冷却过程中温度最大变化值、焊缝的横剖面积；

步骤M3.根据相应数据求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值；

步骤M4.将焊接过程中压缩塑性应变和拉伸塑性应变相加得到最终的固有应变:

步骤M5.将所得固有应变进行积分，再根据现场实验取样修正得到最终横向和纵向固有变形数学模型、横向和纵向弯曲变形数学模型；

所述步骤M3中，根据相应数据求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值的步骤包括：

焊接包括两个过程：热源对焊件的加热、热源离开后焊件的冷却；在整个过程中焊件内部的总应变包括弹性应变、塑性应变、热应变和金属相变，如下式表达

ε＝ε_e+ε_p+ε_t+ε_x    (1)

而在焊接过程中固有应变也称之为非弹性应变，即

ε^*＝ε-ε_e＝ε_p+ε_t+ε_x    (2)

其中，ε代表总应变，ε^*是非弹性应变，ε_e是弹性应变，ε_p是塑性应变，ε_t是热应变，ε_x是金属相变；

焊接结束后，焊件恢复到室温，此时热应变可以看作为零；在忽略金属相变的前提条件下，残余的塑性应变就等于固有应变，即

ε^*＝ε_p    (3)

产生拉伸塑性形变，压缩塑性应变和拉伸塑性应变由下式计算，即

ε_p1＝-a(T_max-T₀)    (4)

其中，ε_p1是压缩塑性应变，ε_p2是拉伸塑性应变，a为热膨胀系数，T_max为加热过程所能达到的最高温度，T₀为初始温度，T_2max为冷却过程中的温度最大变化值，σ_y为屈服应力，E为弹性模量，A为焊缝的横剖面积，L为固有应变的宽度，k_z为焊件的弹性系数；

所述步骤M4中，将焊接过程中压缩塑性应变和拉伸塑性应变相加得到最终的固有应变，用下式表示：

在式中T_c为塑性应变区的平均温度之差；

焊接的横、纵向固有应变值由下式计算，即

在式中为横固有应变，为纵向固有应变，T_cx为塑性应变区的横向平均温度之差，T_cy为塑性应变区的纵向平均温度之差。

2.根据权利要求1所述的一种薄板焊接变形的模型建构方法，其特征在于，所述的步骤M5包括以下过程：

用一组焊接变形的数值来表征整个焊缝的焊接变形数学模型；垂直于焊缝的截面的焊接变形数学模型包含横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形四个部分，可以通过固有应变进行积分计算，最后通过现场多次取样实验对所得模型进行修正，具体焊接变形数学模型如下：

在式中，x为垂直焊缝方向，y厚度方向和z焊缝方向，h为板材厚度，c、d、f、g分别为横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形的补偿系数。

3.一种薄板焊接变形的矫平方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建构薄板焊接变形模型：了解矫平工件材料相关属性以及现场焊接工艺相关参数，根据所得的数据与相关公式求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值，并将值相加得到工件最终的固有应变，再根据现场实验取样修正得到最终横向和纵向固有变形数学模型、横向和纵向弯曲变形数学模型；

步骤二、根据所得焊接变形数学模型判断焊接后的变形是属于角变形和纵向弯曲的波浪变形中哪一类，同时根据现场薄板实际情况进行合理的矫平加热线布置；

步骤三、利用金属本身的导磁作用，通过感应电流产生涡流效应，将钢板迅速加热，在钢板的厚度方向产生较大的温度梯度，快速冷却后收缩，以达到消除原有变形的目的，实现电磁感应加热矫平的效果；

步骤四、对矫平后的薄板进行平整度检测，判断是否需要进一步修正；

在所述的步骤一，建构薄板焊接变形模型，利用固有应变法获得焊接变形模型，包括：

步骤1.1.根据现场需要矫平的薄板材质获得相应的材料属性：弹性模量、薄板厚度、屈服应力、热膨胀系数；

步骤1.2.了解现场焊接工艺相关数据：室温、焊接时最高温度、焊接速度，冷却过程中温度最大变化值、焊缝的横剖面积；

步骤1.3.根据相应数据求取压缩塑性应变和拉伸塑性应变的值:

焊接过程包括两个过程：热源对焊件的加热以及热源离开后焊件的冷却，焊件内部的总应变包括弹性应变、塑性应变、热应变和金属相变，由下公式表达

ε＝ε_e+ε_p+ε_t+ε_x    (13)

而在焊接过程中固有应变也称为非弹性应变，即

ε^*＝ε-ε_e＝ε_p+ε_t+ε_x    (14)

其中ε代表总应变，ε^*是非弹性应变，ε_e是弹性应变，ε_p是塑性应变，ε_t是热应变，ε_x是金属相变；

焊接过程结束后，焊件恢复到室温，此时热应变可以看作为零；在忽略金属相变的前提条件下，残余的塑性应变等于固有应变，即

ε^*＝ε_p    (15)

焊件变形按照焊接方向可以为横向变形和纵向变形；引起横向变形的应变可以看作为横向固有应变，引起纵向变形的应变为纵向固有应变；在焊接过程中，焊件的温度逐渐升高，当温度超过屈服温度时，受到弹性应力的压缩作用，产生压缩塑性形变；降温过程中，焊件受到弹性应力的拉伸作用，产生拉伸塑性形变；压缩塑性应变和拉伸塑性应变由下式计算，即

ε_p1＝-a(T_max-T₀)    (16)

其中，ε_p1是压缩塑性应变，ε_p2是拉伸塑性应变，a为热膨胀系数，T_max为加热过程所能达到的最高温度，T₀为初始温度，T_2max为冷却过程中的温度最大变化值，σ_y为屈服应力，E为弹性模量，A为焊缝的横剖面积，L为固有应变的宽度，k_z为焊件的弹性系数；

步骤1.4.压缩塑性应变和拉伸塑性应变相加得到最终的固有应变，即

T_c为塑性应变区的平均温度之差；

焊接的横、纵向固有应变值由下式计算，即

在式中为横固有应变，为纵向固有应变，T_cx为塑性应变区的横向平均温度之差，T_cy为塑性应变区的纵向平均温度之差；

步骤1.5.将所得固有应变进行积分，再根据现场实验取样修正得到最终横向和纵向固有变形数学模型、横向和纵向弯曲变形数学模型；

在忽略端部效应的前提下，焊接变形在沿着焊缝的各个横截面上基本相同；因此，仅用一组焊接变形的数值可以表征整个焊缝的焊接变形数学模型；垂直于焊缝的截面的焊接变形数学模型包含横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形四个部分，这些变形可以通过固有应变进行积分计算得到，最后通过现场多次取样实验对所得模型进行修正，具体焊接变形数学模型如下：

在式中x为垂直焊缝方向，y厚度方向和z焊缝方向，h为板材厚度，c、d、f、g分别为横向和纵向固有变形、横向和纵向弯曲变形的补偿系数；

在所述的步骤二中，根据焊接变形模型进行矫平加热线布置，其过程包括：

根据所建构的焊接变形数学模型，判断焊接后变形是属于垂直焊缝横向起折的角变形和平行焊缝方向的纵向弯曲的波浪变形中哪一类，同时根据现场薄板厚度情况进行相应合理的矫平加热线布置：在实际生产中，通过焊接变形模型判断加筋板结构的变形并进行相应合理的矫平加热线布置的过程为：

(1)垂直焊缝横向起折的角变形

在加强筋的背面，沿平行于焊缝的方向布置加热线，在焊缝的背面一定距离上对板材进行加热，利用金属在冷却时产生的拉应力，将变形矫平；

(2)平行焊缝方向的纵向弯曲的波浪变形

在波浪变形的波峰波谷处布置加热线多次加热，来达到矫正效果；对于面板厚度较大的，采用双加热线进行矫正，对于面板厚度较小的，则采用单加热线进行加热矫正。