一种利用高能微弧冷焊对承压结构进行补焊的方法与流程

本发明涉及焊接修补技术领域，特别是一种利用高能微弧冷焊对承压结构进行补焊的方法。

背景技术：

当今工业生产中，许多设备关键零部件在长时间复杂载荷及环境介质的作用下，难免出现因磨损、腐蚀、疲劳、断裂等原因导致的设备失效。传统简单的更换、报废等做法造成严重资源浪费与较高生产成本投入，因此再制造技术得到了迅速发展，再制造技术是指由表面修复技术和其它技术方法构成的一种修复、再制造技术。表面修复是再制造技术的重要组成部分，通过表面修复技术，可以将传统损伤零部件的处理方式由简单的报废、更换变为修复、再利用，通过表面加工工艺对零件缺陷修补或者表面强化，延长设备寿命、利用报废设备剩余价值，达到绿色可持续发展目的。

机械制造中常用的修复方法主要分为两类，一是堆焊修复技术包括传统的电弧焊、气焊；二是以电镀、喷涂为主的表面涂镀技术。前者工艺简单、操作方便但热输入较大，产生较大的焊接残余应力及变形，很有可能出现越焊焊接接头质量越差的情况，并且修复精度较低；而涂镀技术修复效率较低、结合层强度低、修复层较薄且成本较高，因此难以广泛应用。综合以上修复工艺缺点，高能微弧冷焊技术的运用逐渐广泛，但是对于使用高能微弧冷焊进行缺陷修补时的工艺参数怎样设置较为合理的问题仍没有相关的参考。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，利用数值模拟的手段优化承压结构补焊工艺，从而获得较好焊接接头力学性能的高能微弧冷焊焊接修补工艺参数，对承压结构进行良好的焊接修补。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种利用高能微弧冷焊对承压结构进行补焊的方法，包括如下步骤：

(1)利用无损检测技术定位承压结构初始焊缝附近超标缺陷位置，并确定待补焊部位尺寸；

(2)根据无损检测结果对缺陷部位进行挖除，并获得待补焊部分材料以及挖除区域的尺寸参数；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)参数，建立待补焊部位几何模型；

(4)根据材料参数设置、热载荷设置、网格划分以及温度边界条件设置，利用焊接顺次耦合模拟方法建立初始焊接的温度场模型和应力场模型；

(5)设置补焊工艺参数，在步骤(4)初始焊接的温度场模型和应力场模型基础上，采用高能微弧冷焊高斯面热源，建立补焊的温度场模型和应力场模型；

(6)根据步骤(5)应力场模型计算的补焊残余应力分布结果，选择最佳应力分布结果对应的补焊工艺参数，对承压结构进行高能微弧冷焊补焊。

具体地，步骤(3)中，初始焊接的热载荷采用双椭球体热源模型，双椭球热源密度q由q1，q2两部分组成，热源前半部分与后半部分的表达如下：

q(x,y,z)＝q1(x,y,z)+q2(x,y,z)

前椭球热源：

后椭球热源：

其中中，φ为热输入，由下式计算：

φ＝ηui

以上公式中各符号分别代表：

x，y，z为模型中任意一点的坐标；

ff、fr为热源前后端分别占总热源的比例，ff+fr＝2；

a、b、c为热源的形状参数(m)；η为焊接热源热效率取0.77～0.87；u、i分别为焊接所输入的电压(v)与电流(a)。

步骤(3)中，所述的网格划分为焊缝区网格尺寸小，远焊缝区网格尺寸大，采用梯形网格过渡。

步骤(3)中，初始焊接的温度边界条件设置即设置模型的热对流系数和热辐射系数和环境温度值：

对流换热系数按下式计算：

式中，αk为对流换热系数(w/(m²·k))，t为温度(k)；

辐射换热系数按按下式计算：

式中：t为温度(k)，

ε为物体黑体系数，

σ为stefan常数(w/(m²·k⁴))；

补焊的温度边界条件设置与初始焊接相同。

步骤(3)中，初始焊接和补焊的应力场模型建立时，采用的应力边界条件相同，根据待焊部位的实际约束情况进行相应设置。

具体地，步骤(4)中，所述的补焊工艺参数包括脉宽、峰值电流以及电压。

步骤(4)中，补焊采用的高能微弧冷焊高斯面热源方程为：

其中，q为热流密度；

η为焊接热源热效率；

u为焊接电弧电压；

ip为焊接峰值电流；

t为脉宽

r为模型上任一点与热源中心点之间的距离，r²＝(x-x0)²+(y-y0)²+(z-z0)²，其中x，y，z为模型中任意一点坐标，x0，y0，z0为热源中心点的位置坐标；

热流密度周期性间断施加，利用mod函数求取当前工作时间与周期的余数k，并将其与工作脉宽对比，如果余数k小于脉宽，说明此时的焊接状态为焊枪脉冲放电的时刻，对模型施加补焊热冲击，否则不施加热冲击。

有益效果：

利用本发明高能微弧冷焊补焊方法，可以使得高能微弧冷焊的残余应力分布预测可以像传统焊接方法一样利用计算机实现，无需通过高成本的大量实验来获得，在大幅节约成本的同时为高能微弧冷焊焊接修补的可靠性研究和工艺参数优化提供参考。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1a、图1b和图1c是实施例中模拟及实验的cf62钢板具体尺寸图。

图2是实施例中模拟计算用模型图。

图3为高能微弧冷焊补焊的温度云图。

图4a和图4b为初始焊和补焊后s11应力对比云图。

图5a和图5b为初始焊和补焊后s22应力对比云图。

图6a和图6b为模拟及实验结果应力对比取点位置及路径。

图7a和图7b为初始焊模拟及实验结果应力对比图。

图7c和图7d为补焊模拟及实验结果应力对比图。

图8a和图8b为初始焊与高能微弧冷焊补焊后应力结果对比图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

对已采用手工电弧焊进行对接焊的cf62钢进行补焊，该材料在各温度下的物理性能参数如表1，cf62钢对焊平板尺寸规格为250mm×200mm×10mm，尺寸如图1a、图1b和图1c所示。补焊尺寸为60mm×5mm×3mm，如图2所示，补焊道数为3道，高能微弧冷焊设备为中科院研制的jypsd-2高能微弧冷焊机，通过电源内部处理器对补焊参数进行精准控制，电压、频率、脉冲时间等工艺参数可以手动调节，具体参数及性能指标如表2所示。

表3和表4数据为模拟所采用的初始焊和高能微弧冷焊补焊工艺参数方案，下面将基于此补焊工艺方案进行计算，获得本计算模型的热影响区范围及应力分布，并进行与此模型同参数的焊接实验及应力测试，以验证此计算模型的正确性。

表1cf62钢温度相关材料属性

表2高能微弧冷焊机参数及性能指标

表3初始焊工艺参数

表4高能微弧冷焊补焊工艺参数

1、计算高能微弧冷焊残余应力

将步骤(1)～(10)的特征在有限元中进行体现，步骤如下：

(1)有限元建模

按照图1a、图1b和图1c尺寸进行几何三维建模。

(2)材料参数设置

材料参数输入值如表1所示，其中温度场计算所必须的参数为导热系数、密度、比热、热膨胀系数，若考虑熔化潜热时需输入潜热参数，本例中cf62钢熔化潜热取300kj/kg，固液相线的温度分别为1600℃和1640℃。应力场计算所必须参数为弹性模量、泊松比、屈服强度。

(3)热载荷设置

在abaqus软件的load模块中，选择thermal分类下的bodyheatflux载荷类型，载荷分布选择userdefined(即用户自定义子程序)。在dflux子程序编写中，初始焊采用传统常规焊接常采用的双椭球体热源，热流密度分布函数如式(2)(3)，高能微弧冷焊热流密度函数如式(1)，用来还原在役待修复设备的初始状态，初始焊焊道为3道。包括初始手工电弧焊的三道焊和高能微弧冷焊三道补焊，代码中的参数所取单位应与所建模型形成统一，并且代码中热源施加时间应与分析步时间设置相配合。

式中：φ＝ηui为总热源输入，手工电弧焊热效率η一般取0.77～0.87；

b1，b2分别为前半部分椭球与后半部分椭球y轴半轴长；

a，c分别椭球为x和z轴半轴长，一般的a＝b1＝0.5b2≈0.45熔宽，c≈0.9熔深；

f1，f2分别为前后半部分椭球的能量分配系数，且f1+f2＝2；

d＝vt，v为焊接速度，一般取2～15cm/min，t为焊接时间，根据焊道长度除以焊接时间得到。

补焊采用的高斯面热源方程为：

其中，q为热流密度；

η为焊接热源热效率，取0.2；

u为焊接电弧电压；

ip为焊接峰值电流；

t为脉宽

r为模型上任一点与热源中心点之间的距离，r²＝(x-x0)²+(y-y0)²+(z-z0)²，其中x，y，z为模型中任意一点坐标，x0，y0，z0为热源中心点的位置坐标。

热流密度周期性间断施加，利用mod函数求取当前工作时间与周期的余数k，并将其与工作脉宽对比，如果余数k小于脉宽，说明此时的焊接状态为焊枪脉冲放电的时刻，对模型施加补焊热冲击，否则不施加热冲击。

(4)网格划分

对钢板进行网格划分，焊缝区及近焊缝区单元尺寸为1mm，采用梯形过渡网格划分，远焊缝区单元增大，降低计算成本，划分结果如图2所示。

(5)边界条件设置

对温度场计算模型进行生死单元设置来模拟缺陷清除及补焊焊剂填充过程，首先利用abaqus的interaction模块中的modelchange模块将图2中补焊区单元进行“杀死”(deactive)释放掉该缺陷清除区域的初始焊残余应力，再通过“激活”(reactive)进行单元生成。

对热对流和热辐射边界条件进行设置，对流换热系数按式(4)计算，辐射换热系数按式(5)计算，辐射发射率取0.85，斯蒂芬-玻尔兹曼常数取5.67e-8。

式中：αk为对流换热系数(w/(m²·k))，t为温度(k)

式中：t为温度(k)，

ε为物体黑体系数，

σ为stefan常数(w/(m²·k⁴))；

(6)温度场模型计算

在job模块usersubroutinefile定位到已经编写好的热源子程序的.for或.f文件，inp文件中的执行命令为abaqusjob＝job_(name)user＝sub_(name)，计算输出初始焊接及补焊的各阶段节点温度值。

(7)应力场计算模型建立

应力场几何模型、网格划分以及分析步设置要与温度场计算模型相同，在load模块中的predefinedfield中将温度场计算结果作为预定义温度场施加于应力计算的各分析步，形成温度-应力顺次耦合。

(8)应力边界条件设置

板底部选择三个角点分别约束xyz，yz，z方向的位移自由度，防止钢板刚性位移。

(9)应力场计算

计算获得高能微弧冷焊的应力分布结果。

如图3所示，给出了利用高能微弧冷焊进行第三道补焊过程中一时刻的温度云图，可以看到由于高能微弧冷焊脉冲间断加热的特点，热源相较于传统焊接方法没有明显的“拖尾”，无论横向或纵深方向热影响区都较小，等温线形状趋于圆形。

如图4a和图4b所示为初始焊及补焊后s11应力云图，图5a和图5b为初始焊及补焊后s22应力分布云图。

2、数值模拟与实验结果对比

将上述过程进行实验验证，取两块与模拟尺寸相同的cf62钢板，采用如表3中的手工电弧焊工艺方法进行初始对接焊，然后将焊缝融合线处假定出现缺陷位置进行了刨除，采用如表4中高能微弧冷焊参数进行焊接修补，并利用压痕仪进行了残余应力测试，在实验焊板和模拟模型上选取如图6a和图6b测试点的残余应力值，将模拟结果与实测结果进行对比发现应力分布趋势较为一致，如图7a和图7b所示为初始焊s11应力和s22应力的模拟与实验对比图，如图7c和图7d所示为初始焊s11应力和s22应力的模拟与实验对比图，证明用此方法进行高能微弧冷焊的残余应力分布预测的合理性。

如图8a和图8b为垂直于补焊方向和平行于补焊方向路径上的补焊后残余应力，可以看到补焊所造成的残余应力的提高仅局限在补焊焊缝非常小的范围内，相较于传统手工电弧焊等补焊方法热影响区更小，也说明了高能微弧冷焊在焊接修补中应用的优势。

3、结论

本实施例中所使用的数值模拟模型可以预测高能微弧冷焊进行焊接修补后的残余应力分布，模型形状、采用的材料、初始焊采用的热源形式、初始焊及补焊焊道数、应力边界条件设置等不局限于本实施例中的cf62钢、双椭球热源、3道焊道、三角点约束的情况，可以根据实际情况及需求进行相应的调整。

4、工艺参数优化

根据上述模拟方法选取高能微弧冷焊工艺参数中影响较大的参数：脉宽、峰值电流以及电压进行正交实验分析，同时对采用相同的实验方案的焊缝进行力学性能测试，得到屈强比和断裂韧性，正交实验设计方案如表5。

表5补焊参数正交实验表

根据模拟及实验值对各工艺参数进行极差分析，表6为模拟实验结果及极差分析结果。

表6极差分析表

从补焊接头综合力学性能考虑，需计算综合加权分值si，计算按下式进行：

si＝ai1si1+ai2si2+ai3si3+...+aijsij

式中aij为第i号试验，第j个指标前的系数；sij为第i号试验，第j个指标的值，本实例中i＝9，j＝3。系数aij的正负由所需该指标的趋势决定，为获得较低的焊后残余应力，较高的屈强比及断裂韧度，因此ai1为负值，ai2，ai3为正值。三个指标对补焊接头的重要程度不同，假设总分值100分，根据实际需要s11应力值指标满分为30分，屈强比满分为30分，断裂韧度满分为40分。aij按aij＝分值/δi计算，式中δi为各指标变化范围(最大指标值与最小指标值的差)，δ1＝267.32，δ2＝18.48，δ3＝41.16。ai1＝30/267.32＝0.11，ai2＝30/18.48＝1.62，ai3＝40/41.16＝0.97。确定系数后可计算每个试验号综合分值，如第1号试验可如下计算：

s1＝-0.11×623.18+1.62×78.9+0.97×253.3＝304.97

按以上计算方法，将各试验综合加权分值求出，并列入综合评分极差分析表7：

表7高能微弧冷焊工艺综合评分

5、优化结果

通过分析计算及实验验证得到结论为：

初始焊缝的应力降低幅度随峰值电流和电压减小而减小，随脉宽的降低先升高后下降。

峰值电流取45a，脉宽取90ms，输出电压取10v时，焊缝焊后残余应力较小。

峰值电流取85a，脉宽取90ms，输出电压取10v时，焊缝材料屈强比较高。

峰值电流取65a，脉宽取90ms，输出电压取10v时，焊缝材料断裂韧性较高。

峰值电流取45a，脉宽取90ms，输出电压取10v时，焊缝材料综合力学性能较高。

采用本实施例中的工艺进行高能微弧冷焊焊接修补可以获得质量较高的补焊焊缝。本实施例采用的材料是cf62钢，设备使用的是中科院研制的jypsd-2高能微弧冷焊机，而本实例中的焊接工艺获取方法应用不局限于此单一材料和单一设备。

本发明提供了一种利用高能微弧冷焊对承压结构进行补焊的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。