技术领域
[0001] 本发明涉及焊接残余应力及变形控制领域，尤其涉及一种基于DIC的航发支架轨迹焊的变形控制方法及装置。
相关背景技术
[0002] 直升机涡轴发动机支架，是指用于安装发动机，承受很大静载和动载的重要焊接结构件。随着现代直升机的发展，对发动机支架的要求越来越高，支架的质量如果出现问题，将严重影响发动机的性能，甚至导致整个直升机系统失效。
[0003] 当前，直升机发动机支架的生产仍存在多个问题。首先是由于焊接顺序和焊接参数设计不合理，出现焊接变形大及焊后校形困难等问题，导致生产合格率不高，生产进度慢。其次现有的手工电弧焊由于手工的不稳定性，导致焊接质量差、焊接变形偏大等问题。使得焊后火焰校形工作量大、加热时间长，增大了火焰校形对焊缝微观组织和性能的负面影响，降低了直升机发动机支架的合格率。自动化焊接的兴起可以解决这些问题。自动化焊接的过程中由机器人来完成，减少了人为干扰，提高了焊接速度和效率。如今，自动化焊接已经广泛应用于各个工业领域。自动焊接技术不仅应用于各种复杂环境的管道焊接组装中，还应用于各种船舶生产和各种液化天然气薄膜储罐的焊接中。使用自动轨迹焊代替手工氩弧焊完成发动机支架的焊接可以减少人工干扰，提高发动机支架的成品率和合格率。
但是，发动机支架上应用轨迹焊进行焊接没有前者经验，具体焊接参数和焊接工艺仍需不断试验探索。
具体实施方式
[0044] 本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0045] 轨迹焊不仅提高了焊接效率，还保证了焊接质量。轨迹焊不仅操作简单，一次焊接合格率高，不受人为影响，可以让焊接变形更加稳定，提高产品成品率。同时焊接顺序的不同会导致焊后残余应力与应变的改变，合理的焊接顺序可以有效改善焊接残余应力和变形的产生。焊接变形是焊接过程中不可避免的现象，发动机支架焊接完成后还需要放到特定夹具上对焊接变形进行检验，查看是否符合焊接标准，所以对焊接过程所产生的焊接变形和残余应力变化的预测和控制非常关键。数字图像相关技术(DIC)是一种多维度(2D或3D，根据硬件组成、测量和数据处理技术区分)、全过程、无接触测量其材料物体轮廓、位移、振动、应变的光学测量系统。将其作用在直升机发动机支架焊接过程中，可全过程全区域三维测量焊接变形情况，为控制发动机支架变形起到较大作用。焊接数值模拟对轨迹焊的仿真具有极高的准确性和可靠性。同时3D‑DIC应用于非常小到较大的测量区域，并且其结果可与有限元分析软件进行双向适配，将两者结果进行定量比较。引入该方法进行焊接过程变形测量，有利于仿真结果的精确校验，提高有限元分析结果的准确性，为本发明增加可行性。本发明使用有限元软件结合轨迹焊实际试验，通过3D‑DIC设备对实际试验进行全程、全区域的三维测量，将测量结果和计算机仿真进行全程全域印证，从物理意义上最大限度地修正计算机仿真的模型和计算条件，实现有效提升计算机仿真精度的效果。达到以高精度有限元仿真结果指导实际发动机支架的焊接，降低焊接试验的成本，缩短发动机支架焊接生产试验的时间的发明目的。
[0046] 实施例1
[0047] 本发明公开了一种基于DIC的航发支架轨迹焊的变形控制方法，包括步骤如下：
[0048] 步骤一、采用ABAQUS有限元软件建立发动机支架有限元模型：
[0049] 如图1a所示，发动机支架有限元模型由球形接头模型、支撑杆模型和单叉接头模型三部分拼接而成；球形接头模型、支撑杆模型和单叉接头模型中两两的拼接位置即为待焊接的焊接位置。
[0050] 步骤二、优化焊接顺序：
[0051] 在有限元模型建立完成后，根据经验设置并对比三种不同的焊接参数。具体的，采用ABAQUS软件，数值模拟发动机支架采用三种不同的焊接参整圈焊接产生的温度场及应力场。之后，通过对比焊后温度场、焊后残余应力和变形等，分析最适合发动机支架的轨迹焊焊接参数。
[0052] 数值模拟发动机支架采用上述的轨迹焊焊接参数多段焊接产生的温度场及应力场，在模拟过程中，采用顺序耦合的方式，先计算分析出焊接温度场，再将结果导入到结构模型中进行应力场的计算。由于改变焊接顺序可以改变焊接残余应力和变形，合理的焊接顺序可以进一步提高发动机支架焊接稳定性和成品率。因此之后，通过对比焊后温度场、焊后残余应力和变形等，分析最适合发动机支架的分段数和该分段数下焊接顺序，焊接顺序如图2a和图2b所示。这里的焊接顺序是指同一连接位置需要多段焊接完成，多段完成时，先进行哪一段后进行哪一段的顺序。同时，三段式分段焊按照焊接顺序有三种方案，本专利优选焊接顺序为123的分段焊顺序。
[0053] 步骤三、引入3D‑DIC对轨迹焊测量修正仿真：
[0054] 开展轨迹焊实际试验。采用步骤二的焊接参数，同时采用3D‑DIC设备对焊接变形进行测量，通过设备配置的双目视觉高分辨摄影机，实时获取母材和焊接过程中焊缝试样的全场、全域的三维图形数据，通过DIC软件将图形数据处理，获得焊接过程支架母材和焊缝附近的全程应变数据。将DIC应变数据和有限元模拟的应变数据进行对比印证，以DIC数据为基准对有限元仿真模型和计算条件进行修正，得到与实际情况相符合的数值模拟模型及计算条件。
[0055] 通过多次的多参数分段焊试验，利用3D‑DIC测量应变数据和有限元仿真应变数据进行多次对比印证，实现有限元模型及其计算条件的多次修正，获得有限元模型及计算条件的高精度优化，可用于进一步指导实际焊接试验。
[0056] 步骤四、基于修正的有限元模型指导实际焊接试验：
[0057] 由于轨迹焊的本质就是TIG焊。焊前先对发动机支架焊缝表面进行清理，再使用点焊固定球形凸台、单叉凸台和支撑杆的位置。然后选择适合发动机支架尺寸的卡环对发动机支架进行装夹和密闭，同时将钨针对准焊缝位置。通过DIC辅助优化的高精度有限元模型及计算条件，分析最佳的焊接参数及分段焊方案，在设备上输入该最佳方案的电流、电压和焊接速度，选择保护气体为氩气。待轨迹焊设备按设定程序工作，等待焊接完成即可。
[0058] 本发明还公开了一种基于DIC的航发支架轨迹焊的变形控制装置，包括：
[0059] 建立模块：用于建立发动机支架有限元模型；发动机支架有限元模型由球形接头模型、支撑杆模型和单叉接头模型三部分拼接而成；
[0060] 模拟模块：用于对球形接头模型、支撑杆模型和单叉接头模型的拼接位置进行多次焊接模拟，选出初始焊接方案，初始焊接方案包括焊接分段数、焊接顺序以及焊接参数；
[0061] 测量模块：用于在采用初始焊接方案进行焊接试验过程中加入3D‑DIC测量设备，获取母材试样和焊接过程中焊缝试样的3D‑DIC测量数据；
[0062] 修正模块：用于根据3D‑DIC测量数据和初始焊接方案的仿真结果，对比仿真过程中与试验中3D‑DIC测量的焊缝附近应变值，实现仿真过程的精度优化并以此修正焊接参数，得到最佳焊接方案；
[0063] 生产模块：用于按照最佳焊接方案生产试验。
[0064] 进一步地，模拟模块选出初始焊接方案具体包括以下步骤：
[0065] 在有限元模型建立完成后，根据预设的三种不同的焊接参数在有限元模型中模拟拼接位置整圈焊接所产生的温度场及应力场；
[0066] 通过对比焊后温度场、焊后残余应力和变形，分析出残余应力和变形都最小的发动机支架的轨迹焊焊接参数；
[0067] 结合轨迹焊实际可用的焊接可调参数范围，在有限元模型中模拟拼接位置分段焊焊接所产生的温度场及应力场；
[0068] 通过对比焊后温度场、焊后残余应力和变形，分析出残余应力和变形都最小的发动机支架的轨迹焊的焊接的分段数及其焊接顺序。
[0069] 进一步地，测量模块中获取母材试样和焊接过程中焊缝试样的3D‑DIC测量应变数据的具体方法为：采用初始焊接方案对发动机支架的焊接位置进行焊接试验，同时采用3D‑DIC测量设备进行全场全域全程应变测量，获得焊接全过程的三维应变数据。
[0070] 进一步地，修正模块中实现仿真过程的精度优化并以此修正焊接参数，得到最佳焊接方案的具体方法为：用3D‑DIC测量设备的三维应变数据对采用初始焊接方案的有限元模型计算的应变数据进行印证，并对采用初始焊接方案的有限元模型进行全场全域全程修正。
[0071] 为验证有限元仿真指导实际轨迹焊试验的有效性和准确性，使用X射线应力测试仪测量发动机支架焊缝表面的残余应力。测量试验值与对比如图5所示，有限元结果与测量结果吻合良好，两者残余应力趋势一致，实验数据与数值预测值之间存在一定的误差。是由于焊接结果的固有波动和X射线衍射仪的测量误差造成的，六个点测量值与仿真值对比平均误差为8.9％，误差在合理范围之内。
[0072] 实施例2
[0073] 本发明提供了一种基于单道连续焊接的发动机支架轨迹焊方法：
[0074] 步骤一，采用ABAQUS软件，模拟发动机支架采用整圈单道连续焊产生的温度场及应力场。之后，通过对比焊后温度场、焊后残余应力和变形等，分析最适合发动机支架的轨迹焊的焊接参数。
[0075] 步骤二，使用丙酮擦拭两条焊接接头表面一圈，清理焊接接头周围的表面污垢。
[0076] 步骤三，焊缝无需开坡口，直接将球形凸台、单叉凸台和支撑杆在焊接接头处对齐，每个接头使用点焊焊接三点固定位置。
[0077] 步骤四，将固定的发动机支架安装到专用焊接夹具上，即对球形接头和单叉接头完全固定。
[0078] 步骤五，选用半径为10mm的轨迹焊夹具，装夹在第一道焊缝处，将钨针对准焊缝。
[0079] 步骤六，将3D‑DIC测量设备安装在焊接设备附近，收集焊接过程中实时应变的变化值。
[0080] 步骤七，在轨迹焊设备上设置焊接电压10V、电流80A和焊接速度1mm/s。然后启动焊接设备并按照预定程序工作，等待焊接完成。
[0081] 步骤八，待全部焊接完成，将发动机支架取出专用夹具。
[0082] 步骤九，在后续焊缝试样，更换另一组优选参数，重复步骤三‑步骤六。对上述多次试验，用3D‑DIC测量应变数据和有限元仿真应变数据进行对比印证，实现有限元模型及其计算条件的多次修正，获得有限元模型及计算条件的高精度优化。同时，通过有限元仿真的优化计算，进一步筛选并确定最优单焊缝焊接参数为焊接电压10V、电流80A和焊接速度1.5mm/s，用于进一步指导实际焊接试验。
[0083] 实施例3
[0084] 本发明提供了一种基于分段焊的发动机支架轨迹焊方法：
[0085] 步骤一，采用ABAQUS软件，模拟发动机支架采用多段焊试验产生的温度场及应力场。之后，通过对比焊后温度场、焊后残余应力和变形等，分析最适合发动机支架的轨迹焊焊接参数。
[0086] 步骤二，使用丙酮擦拭两条焊接接头表面一圈，清理焊缝周围的表面污垢。
[0087] 步骤三，焊缝无需开坡口，直接将球形凸台、单叉凸台和支撑杆在焊缝处对齐，每个焊缝使用点焊焊接三点固定位置。
[0088] 步骤四，将固定的发动机支架安装到专用焊接夹具上，即对球形接头和单叉接头完全固定。
[0089] 步骤五，选用半径为10mm的轨迹焊夹具，装夹在第一道焊缝处，将钨针对准焊缝。
[0090] 步骤六，将3D‑DIC测量设备安装在焊接设备附近，收集焊接过程中实时应变的变化值。
[0091] 步骤七，在轨迹焊设备上设置电压10V、电流80A和焊接速度1.5mm/s。然后启动焊接设备，等待焊接完成。
[0092] 步骤八，待全部焊接完成，将发动机支架取出专用夹具。
[0093] 步骤九，在后续焊缝试样，通过改变焊接顺序，重复步骤三‑步骤六，实现三段式及四段式两种焊接方式，如图2a和图2b所示。针对上述多次试验，用3D‑DIC设备测量应变数据和有限元仿真应变数据进行对比印证，实现有限元模型及其计算条件的多次修正，获得有限元模型及计算条件的高精度优化。
[0094] 使用优化后的有限元仿真方法进行分段焊测试，以最佳焊接方案。首先如图1b所示，在发动机支架的有限元模型网格上设立一条垂直于两条焊缝的虚拟路径L1，用于提取轴向方向的应力应变数据，路径L1穿过三段式分段焊的第③段中点，穿过四段式分段焊的第②段起点。
[0095] 采用已确定的最优单焊缝焊接参数进行分段焊仿真。如图3、图4和表1所示，表1为测量点位移大小。
[0096] 表1
[0097]
[0098] 由单道连续焊仿真结果可知，第一道焊缝的支撑杆处的峰值轴向应力为58.5MPa，球形接头处峰值轴向应力为164MPa。在第一道焊缝焊接起点处的轴向应变为0.022。单叉接头上表面圆心点X方向位移为0.185mm，Y方向位移为0.029mm，Z方向位移为0.232mm。
[0099] 由三段式分段焊仿真结果可知，第一道焊缝的支撑杆处的峰值轴向应力为34.7MPa，球形接头处峰值轴向应力为110MPa。在第一道焊缝焊接起点处的轴向应变为
0.012。单叉接头上表面圆心点X方向位移为0.068mm，Y方向位移为0.043mm，Z方向位移为
0.232mm。
[0100] 由四段式分段焊仿真结果可知，第一道焊缝的支撑杆处的峰值轴向应力为46.1MPa，球形接头处峰值轴向应力为128.3MPa。在第一道焊缝焊接起点处的轴向应变为
0.025。单叉接头上表面圆心点X方向位移为0.111mm，Y方向位移为0.119mm，Z方向位移为
0.225mm。
[0101] 由上述数值模拟结果可知，在第一道焊缝支撑杆处三段式分段焊相较于四段式分段焊的峰值轴向应力减小了24.7％，三段式分段焊相较于单道连续焊的峰值轴向应力减小了40.6％；在第一道焊缝球形接头处三段式分段焊相较于四段式分段焊的峰值轴向应力减小了14.3％，三段式分段焊相较于单道连续焊的峰值轴向应力减小了32.9％；第一道焊缝焊接起点处三段式分段焊相较于四段式分段焊的轴向应变减小了52％，三段式分段焊相较于单道连续焊的轴向应变减小了45.5％；在X方向，三段式分段焊较四段式分段焊的位移减少了38.7％，三段式分段焊较单道连续焊的位移减少了63.2％，在Y方向，三段式分段焊较四段式分段焊位移减少了63.8％，三段式分段焊较单道连续焊位移增加了32.6％。在Z方向，三种方案的位移大小相差不大。
[0102] 因此，有限元仿真筛选并确定最佳焊接方案为三段式跳焊形式，焊接电压10V、电流80A和焊接速度1.5mm/s，最佳焊接方案将指导实际焊接试验。
[0103] 综上所述，本发明基于ABAQUS软件对发动机支架焊接进行热弹塑性有限元分析，通过3D‑DIC配合的焊接实验对轨迹焊仿真模型进行验证，突出了仿真模型的合理性与真实性。
[0104] 其次，本专利优选3D‑DIC测量焊接发动机支架的全程全域的实时三维应变，将测量结果和仿真结果进行印证，通过全区域多时间段的测量结果对有限元仿真的指导修正，最大限度解决仿真结果的不准确性和不确定性的固有难题，提升了与实际试验之间的联系，为后续工艺优化提供了有利的高精度数据支撑。
[0105] 并且，本发明通过仿真分析和试验结果的双向对比，优选了最佳焊接参数，并进一步说明三段式分段焊优于四段式以及单道连续焊，对航发支架焊接的残余应力及变形优化高于其他方案，对于航空发动机支架焊接提供有力的理论依据。
[0106] 最后，本研究贴近实际工程应用，为同类型零件焊接参数选取提供理论指导，为焊接变形控制提供技术支撑。
[0107] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明原理的情况下可以对实施例进行多种变化和修改，本发明的范围由所附权利要求书及其等同物限定。
