用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法

1.本发明属于焊接残余应力热处理技术领域，具体涉及一种用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，适合有针对性调节钢桥面板焊缝不同位置处残余应力。


背景技术：

2.近些年，我国已建成多座大跨径钢结构桥梁，正交异性钢桥面板因其独特的优势成为结构新颖、经济环保、现代桥梁合理的选择，已成功应用到大跨度斜拉桥和悬索桥中，构成其钢箱梁主要承力构件，成为钢箱梁不可替代的一部分。但是正交异性钢桥面板其纵肋与顶板、横隔板与顶板、纵肋与横隔板迅速焊接连接，焊接过程中，焊接区母材被焊接热源急速加热熔化产生不均匀压缩塑性变形，从而引起残余应力。焊接残余应力的存在影响桥梁的安全性和耐久性。为了可以尽可能使焊接残余应力释放、减弱、规避或消除，我们需要根据钢桥面板在各焊缝处不同位置残余应力的空间分布状态，然后有针对性的对拉应力区域施加局部火焰加热，加热区材料随着温度提升降低材料的屈服强度，残余应力得到释放，从而减少或者均匀残余拉应力，以保证正交异性钢桥面板刚度、强度、稳定性及疲劳寿命得到改善。
3.目前为了改善焊接接头的疲劳性能，提出了各种工艺处理方法：退火、局部加热法、tig焊重熔法、激光熔覆、过载法、喷丸法、锤击法、打磨法等。国内外的专家学者对局部热处理技术进行了广泛的研究，采用局部加热源包括火焰、电加热以及感应加热等方式。多点分布式热源焊接残余应力调控方法是采用局部加热法，通过使用局部加热源为多组带移动行走机构的氧乙炔火焰，可以大面积高效率的对所需要加热区域施加相同温度，从而温度具有均匀性。由于其形成一个可移动的加热带，而且温度可以控制可以调节，灵活控制等。


技术实现要素：

4.本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，结合数值模拟计算手段，分析钢桥面板的节点残余应力空间分布状态，然后有针对性的对拉应力区域施加局部氧乙炔火焰加热，加热区材料随着温度提升降低材料的屈服强度，残余应力得到释放，从而减少或者均匀残余拉应力，以保证正交异性钢桥面板刚度、强度、稳定性及疲劳寿命得到改善，为在役桥梁的正常运营提供安全保障。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，包括以下步骤：
7.step1：进行钢桥面板表面预处理，清除钢桥面板表面残留氧化物，并用丙酮等溶液去除表面油脂及污染物，保证待粘贴表面的平整度，并收集钢桥面板焊接参数；
8.step2：根据收集到的钢桥面板焊接参数，建立钢桥面板三维热弹塑性有限元模型，再根据分析结果进行焊接温度场和应力场模拟，并将得出的理论加热温度数据通过
wifi网络传输给智能数据处理中心；
9.step3：通过焊接应力场模拟，初步确定钢桥面板焊接残余应力分布特征，得出距离焊缝不同区域的焊接残余应力变化情况，划定不同的热源调控区域并做好标识；
10.step4：进一步细化热源调控区，结合数值模拟确定主加热区及副加热区，主加热区位于靠近焊缝区域0.6t～1.2t处，t为母材厚度，副加热区位于远离焊缝区域2t～4t处，主、副加热区范围根据实际情况进行调整；
11.step5：采用多组带移动行走机构的氧乙炔火焰，按照设定的热源调控参数对主加热区、副加热区进行加热处理，同时采用红外测温仪实时监测调控区温度，得到实时温度数据；
12.step6：智能数据处理中心对step2的理论加热温度与step5的实时温度数据进行对比，分析结果是否在规定误差范围内；
13.step7：完成一轮热源调控之后，对钢桥面板主、副加热区进行保温处理，确保调控区温度缓慢降低；
14.step8：采用x射线衍射仪对调控后关键部位的剩余残余应力进行检测，评估是否达到调控要求，如未达到，则更新热源调控参数，返回至step3开始新一轮热源调控。
15.作为优选的技术方案，step2中的温度场属于标准的三维非线性非稳态的热传导，焊接过程三维热传导控制方程为：
[0016][0017]
其中，ρ为材料密度(kg*m-3
)；c为材料比热容(j/(kg*k))；λ为材料热传导率(w/(m*k))；t为传热时间(s)；t为温度场分布函数；为求解区域中的内热源强度(w/m3)；式中的ρ、c、λ均为温度t的函数。
[0018]
作为优选的技术方案，在对step2中的温度场数值模拟中，采取如下公式计算，若将空间域ω离散为有限个单元体，则某一单元的温度t可以近似通过节点温度ti插值得到，即：t＝nte；
[0019][0020]
式中，n为插值函数，即形函数；te是依赖于时间的节点温度向量；t为节点温度向量；k是热传导矩阵；c是热容矩阵；p是温度载荷列向量；k、c、p均为与温度有关的变量；
[0021]
作为优选的技术方案，step3中的焊接应力场模拟，采取如下式子进行计算：
[0022]
dε＝dεe dε
p
dε
t
[0023]
dσ＝ddε-cdt
[0024][0025][0026][0027]
式中，dε为温度变化引起的应变增量；dεe为弹性应变增量；dε
t
为温度引起的应变
增量；d为热弹塑性矩阵；c为与温度有关的向量；dεe为塑性应变增量；为等效应变增量；dε0为温度变化引起的应力增量；de为弹性矩阵。
[0028]
作为优选的技术方案，step4中主、副加热区的确定方法为：设置距离u肋-盖板接头焊缝0.8t～1.2t处的区域为第一主加热区、距离u肋-盖板接头焊缝2t～4t处的区域为第一副加热区；设置距离盖板-u肋-横隔板接头焊缝0.8t～1.2t处的区域为第二主加热区、距离盖板-u肋-横隔板接头焊缝2t～4t处的区域为第二副加热区；其中，t为焊缝母材厚度，同时布置测温点。
[0029]
作为优选的技术方案，step5中第一主加热区、第一副加热区、第二主加热区、第二副加热区的焊接残余应力可以由以下公式计算得到：
[0030]
δε＝δε
t
δε
δv
δε
trip
；
[0031]
δε
t
＝α(t)δt；
[0032][0033]fm
＝1-exp[-(m
s-)]；
[0034][0035][0036]
式中：δε为焊接残余应力场；δε
t
为热弹性应变；δε
δv
为体积应变；δε
trip
为相变塑性应变；fa与fm分别为奥氏体体积分数与马氏体体积分数，t为当前温度，a
c1
为奥氏体转变温度，a
c3
为奥氏体转变结束温度，a与d为材料相关的系数，ms为马氏体转变温度，c为材料常数，δfk为第k相的体积分数，为完全相变时的体积应变，k为trip系数，s为偏应力，ζ为相变率；α(t)为温度相关的线膨胀系数，δt为温度变化幅度，f
′
(ζ)为饱和函数的导数。
[0037]
作为优选的技术方案，如果满足5％以内误差要求，则对第一、第二主加热区进行加热至保温温度，主加热区开始降温时对对应的副加热区进行加热处理，待主加热区降温至一定温度后副加热区开始降温；如果不满足5％以内误差要求，则对氧乙炔火焰温度进行调整，重新施加氧乙炔火焰，直到满足5％以内误差要求。
[0038]
本发明具有的优点和积极效果是：
[0039]
本发明结合有限元数值模拟计算手段，计算出节点残余应力的空间分布状态，然后有针对性的对拉应力区域施加局部热源加热，加热区材料随着温度提升降低材料的屈服强度，残余应力得到释放，从而减少或者均匀残余拉应力，保证正交异性钢桥面板刚度、强度、稳定性及疲劳寿命得到改善，为在役桥梁的正常运营提供安全保障。
附图说明：
[0040]
图1为本发明的系统图；
[0041]
图2为本发明u肋-盖板接头焊缝残余应力调控示意图；
[0042]
图3为本发明盖板-u肋-横隔板接头焊缝残余应力调控示意图；
[0043]
图4为本发明的步骤图；
[0044]
图5为本发明的流程图。
[0045]
图中，1、u肋-盖板；11、第一主加热区；12、第一副加热区；2、盖板-u肋-横隔板；21、第二主加热区；22、第二副加热区；3、氧乙炔火焰；4、智能数据处理中心；5、红外线测温仪；
6、x射线衍射仪。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
[0047]
如图1-5所示，本发明提供了一种用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，包括以下步骤：
[0048]
step1：进行钢桥面板表面预处理，采用手工和机械处理等方式清除钢桥面板表面残留氧化物，并用丙酮等溶液去除表面油脂及污染物，保证待粘贴表面的平整度，并收集钢桥面板焊接参数；
[0049]
step2：根据收集到的钢桥面板焊接参数，建立钢桥面板三维热弹塑性有限元模型，有限元的建立条件包括：几何模型、材料热物理及力学参数、焊接热源，单元选择，网格划分、边界条件等，再根据以上分析结果进行焊接温度场和应力场模拟；并将得出的理论加热温度数据通过wifi网络传输给智能数据处理中心4；
[0050]
由于温度场属于标准的三维非线性非稳态的热传导，焊接过程三维热传导控制方程为：
[0051][0052]
其中，ρ为材料密度(kg*m-3
)；c为材料比热容(j/(kg*k))；λ为材料热传导率(w/(m*k))；t为传热时间(s)；t为温度场分布函数；为求解区域中的内热源强度(w/m3)；式中的ρ、c、λ均为温度t的函数。
[0053]
在温度场数值模拟中，采取如下公式计算，若将空间域ω离散为有限个单元体，则某一单元的温度t可以近似通过节点温度ti插值得到，即：
[0054]
t＝nte；
[0055][0056]
式中，n为插值函数，即形函数；te是依赖于时间的节点温度向量；t为节点温度向量；k是热传导矩阵；c是热容矩阵；p是温度载荷列向量；k、c、p均为与温度有关的变量；
[0057]
step3：通过应力场模拟，初步确定钢桥面板焊接残余应力分布特征，得出距离焊缝不同区域的焊接残余应力变化情况，划定不同的热源调控区域并做好标识；
[0058]
应力场模拟是通过在已经建有的钢桥面板有限元模型的基础上，对其实施焊接弹塑性有限元分析；在进行焊接应力场模拟中，采取如下式子进行计算：
[0059]
dε＝dεe dε
p
dε
t
[0060]
dσ＝ddε-cdt
[0061][0062]
[0063][0064]
式中，dε为温度变化引起的应变增量；dεe为弹性应变增量；dε
t
为温度引起的应变增量；d为热弹塑性矩阵；c为与温度有关的向量；dεe为塑性应变增量；为等效应变增量；dε0为温度变化引起的应力增量；de为弹性矩阵；
[0065]
step4：进一步细化热源调控区，结合数值模拟确定主加热区及副加热区：设置距离u肋-盖板接头焊缝0.8t～1.2t处的区域为第一主加热区11、距离u肋-盖板接头焊缝2t～4t处的区域为第一副加热区12；设置距离盖板-u肋-横隔板接头焊缝0.8t～1.2t处的区域为第二主加热区21、距离盖板-u肋-横隔板接头焊缝2t～4t处的区域为第二副加热区22；其中，t为焊缝母材厚度，同时布置测温点；第一主加热区11、第一副加热区12、第二主加热区21、第二副加热区22的焊接残余应力可以由以下公式计算得到：
[0066]
δε＝δε
t
δε
δv
δε
trip
；
[0067]
δε
t
＝α(t)δt；
[0068][0069]fm
＝1-exp[-(m
s-)]；
[0070][0071][0072]
式中：δε为焊接残余应力场；δε
t
为热弹性应变；δε
δv
为体积应变；δε
trip
为相变塑性应变；fa与fm分别为奥氏体体积分数与马氏体体积分数，t为当前温度，a
c1
为奥氏体转变温度，a
c3
为奥氏体转变结束温度，a与d为材料相关的系数，ms为马氏体转变温度，c为材料常数，δfk为第k相的体积分数，为完全相变时的体积应变，k为trip系数，s为偏应力，ζ为相变率；α(t)为温度相关的线膨胀系数，δt为温度变化幅度，f
′
(ζ)为饱和函数的导数；
[0073]
step5：采用多组带移动行走机构的氧乙炔火焰，按照设定的热源调控参数对第一主加热区11、第一副加热区12、第二主加热区21、第二副加热区22进行加热处理，同时使用红外线测温仪5对以上测温点进行实时测温处理，得到实时温度数据；
[0074]
step6：智能数据处理中心对step2的理论加热温度与step5的实时温度数据进行对比，分析结果是否在规定5％误差范围内；
[0075]
如果满足5％以内误差要求，则对第一、第二主加热区进行加热至保温温度，主加热区开始降温时对对应的副加热区进行加热处理，待主加热区降温至一定温度后副加热区开始降温；
[0076]
如果不满足5％以内误差要求，则对氧乙炔火焰温度进行调整，重新施加氧乙炔火焰3，直到满足5％以内误差要求；
[0077]
step7：完成一轮热源调控之后，对钢桥面板主、副加热区进行保温处理，确保调控区温度缓慢降低；
[0078]
step8：采用x射线衍射仪对调控后关键部位的剩余残余应力进行检测，评估是否达到调控要求，如未达到，则更新热源调控参数，返回至step3开始新一轮热源调控。
[0079]
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，
不能被认为限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，其特征在于，包括以下步骤：step1：进行钢桥面板表面预处理，清除钢桥面板表面残留氧化物和表面油脂及污染物，保证待粘贴表面的平整度，并收集钢桥面板焊接参数；step2：根据收集到的钢桥面板焊接参数，建立钢桥面板三维热弹塑性有限元模型，再根据分析结果进行焊接温度场模拟，并将得出的理论加热温度数据通过wifi网络传输给智能数据处理中心；step3：通过焊接应力场模拟，初步确定钢桥面板焊接残余应力分布特征，得出距离焊缝不同区域的焊接残余应力变化情况，划定不同的热源调控区域并做好标识；step4：进一步细化热源调控区，结合数值模拟确定主加热区及副加热区，主加热区位于靠近焊缝区域0.6t～1.2t处，t为母材厚度，副加热区位于远离焊缝区域2t～4t处，主、副加热区范围根据实际情况进行调整；step5：使用氧乙炔火焰对主加热区、副加热区进行加热处理，同时使用红外线测温仪对以上测温点进行实时测温处理，得到实时温度数据；step6：智能数据处理中心对step2的理论加热温度与step5的实时温度数据进行对比，分析结果是否在规定误差范围内。step7：完成一轮热源调控之后，对钢桥面板主、副加热区进行保温处理，确保调控区温度缓慢降低；step8：采用x射线衍射仪对调控后关键部位的剩余残余应力进行检测，评估是否达到调控要求，如未达到，则更新热源调控参数，返回至step3开始新一轮热源调控。2.如权利要求1所述的用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，其特征在于，step2中的温度场属于标准的三维非线性非稳态的热传导，焊接过程三维热传导控制方程为：其中，ρ为材料密度(kg*m-3
)；c为材料比热容(j/(kg*k))；λ为材料热传导率(w/(m*k))；t为传热时间(s)；t为温度场分布函数；为求解区域中的内热源强度(w/m3)；式中的ρ、c、λ均为温度t的函数。3.如权利要求1所述的用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，其特征在于，在对step2中的温度场数值模拟中，采取如下公式计算，若将空间域ω离散为有限个单元体，则某一单元的温度t可以近似通过节点温度t
i
插值得到，即：t＝nt
e
；式中，n为插值函数，即形函数；t
e
是依赖于时间的节点温度向量；t为节点温度向量；k是热传导矩阵；c是热容矩阵；p是温度载荷列向量；k、c、p均为与温度有关的变量。4.如权利要求1所述的用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，其特征在于，step3中的焊接应力场模拟，采取如下式子进行计算：dε＝dε
e
dε
p
dε
t
dσ＝ddε-cdtcdtcdt式中，dε为温度变化引起的应变增量；dε
e
为弹性应变增量；dε
t
为温度引起的应变增量；d为热弹塑性矩阵；c为与温度有关的向量；dε
e
为塑性应变增量；为等效应变增量；dε0为温度变化引起的应力增量；d
e
为弹性矩阵。5.如权利要求1所述的用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，其特征在于，step4中主、副加热区的确定方法为：设置距离u肋-盖板接头焊缝0.8t～1.2t处的区域为第一主加热区、距离u肋-盖板接头焊缝2t～4t处的区域为第一副加热区；设置距离盖板-u肋-横隔板接头焊缝0.8t～1.2t处的区域为第二主加热区、距离盖板-u肋-横隔板接头焊缝2t～4t处的区域为第二副加热区；其中，t为焊缝母材厚度，同时布置测温点。6.如权利要求5所述的用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，其特征在于，step5中第一主加热区、第一副加热区、第二主加热区、第二副加热区的焊接残余应力可以由以下公式计算得到：δε＝δε
t
δε
δv
δε
trip
；δε
t
＝α(t)δt；＝α(t)δt；＝α(t)δt；＝α(t)δt；式中：δε为焊接残余应力场；δε
t
为热弹性应变；δε
δv
为体积应变；δε
trip
为相变塑性应变；f
a
与f
m
分别为奥氏体体积分数与马氏体体积分数，t为当前温度，a
c1
为奥氏体转变温度，a
c3
为奥氏体转变结束温度，a与d为材料相关的系数，m
s
为马氏体转变温度，c为材料常数，δf
k
为第k相的体积分数，为完全相变时的体积应变，k为trip系数，s为偏应力，ζ为相变率；α(t)为温度相关的线膨胀系数，δt为温度变化幅度，f
′
(ζ)为饱和函数的导数。7.如权利要求5所述的用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，其特征在于，如果分析结果满足5％以内误差要求，则对第一、第二主加热区进行加热至保温温度，主加热区开始降温时对对应的副加热区进行加热处理，待主加热区降温至一定温度后副加热区开始降温；如果不满足5％以内误差要求，则对氧乙炔火焰温度进行调整，重新施加氧乙炔火焰，直到满足5％以内误差要求。

技术总结
本发明涉及焊接残余应力热处理技术领域，具体涉及一种用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，建立钢桥面板三维热弹塑性有限元模型，再根据分析结果进行焊接温度场和应力场模拟；将得出的理论加热温度数据传输给智能数据处理中心；根据距离焊缝不同区域的焊接残余应力变化情况划定主、副加热区；使用氧乙炔火焰对主、副加热区进行加热处理，同时对以上测温点进行实时测温处理，得到实时温度数据；智能数据处理中心对理论加热温度与实时温度数据进行对比分析并调控；材料温度提升降低屈服强度，残余应力得到释放，从而达到减少或者均匀残余拉应力的目的，以保证正交异性钢桥面板刚度、强度、稳定性及疲劳寿命得到改善。善。善。


技术研发人员：田亮 徐正 邢守航 赵雪敏 孟俊良 张诚至 刘磊 司志远 王宇宁
受保护的技术使用者：天津城建大学
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25