[发明专利]一种基于数值模拟的降低气阀焊接残余应力的堆焊方法

说明书

本发明涉及一种基于数值模拟的降低气阀焊接残余应力的堆焊方法，具体为数值模拟分析一种在柴油机气阀密封面U型焊槽内堆焊一层316L不锈钢合金作为过渡层、在此基础上堆焊司太立合金的堆焊方法，包括：确定焊接条件；在材料性能模拟软件Jmatpro上模拟材料的热物性参数；建立三维有限元模型，划分六面体网格；根据实际焊接工艺确定热源参数模型；通过ABAQUS中的生死单元技术模拟仿真焊接过程。结果表明，该降低柴油机气阀密封面残余应力的堆焊方法，能够有效降低整体焊接件残余应力，特别是焊缝及结合处高拉应力区；该方法不需要对焊件进行预热就能得到合理的残余应力分布结果。利用数值模拟技术分析，避免了大量的工艺试验，大大降低了成本、提高了效率。

技术领域

本发明涉及一种堆焊方法，具体的说是一种基于数值模拟的降低气阀焊接残余应力的堆焊方法，属于焊接加工技术领域。

背景技术

随着柴油机载荷强度的不断提高，气阀的工作条件更加恶劣，气阀头部底面直接与缸内高温燃气接触，特别是排气阀还受到高温燃气的高速冲刷作用，在气阀开启瞬间，燃气温度高达800-900℃，流速也很快；且气阀落座频繁、冲击力相当大，极易发生掉块等事故。一旦发生故障，不仅会影响整个动力装置的工作，造成经济损失，甚至会危及人身安全等严重后果。

目前市面上，柴油机气阀密封面的加工方式往往是直接在环形U型焊槽内直接堆焊高硬度合金，用这种方式加工出来的产品，其密封面结合处的局部残余应力过大，而且应力分布梯度很大，容易产生缺陷隐患。由于柴油机气阀的工作环境十分恶劣，经过长时间的使用后，极易在密封面结合处及应力梯度大的地方产生裂纹，造成掉块等事故。为解决这些问题，因此，我们提出了一种全新的降低柴油机气阀密封面残余应力的堆焊方法。目前常规焊接前都需要焊前预热200℃左右，耗时耗能源，而本发明可以在常温下焊接不发生因应力过大而破裂的状况；而目前通过大量试验不仅费力费时，成本高，同时也无法准确测量出焊后工件内部的残余应力值，目前最先进的X射线衍射法也只能测量工件表面的残余应力。通过数值模拟的方式，对比得到的两种不同焊接工艺下各个位置的残余应力场分布，进而有效验证了本发明的实用性和科学性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是克服现有技术的缺点，对原有等离子弧焊焊接柴油机气阀密封面加工方法进行改进，提供一种能够提高产品质量的柴油机气阀密封面的加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于数值模拟的降低气阀焊接残余应力的堆焊方法，其特征在于，具体为数值模拟分析一种在柴油机气阀密封面U型焊槽内堆焊一层316L不锈钢合金作为过渡层、在此基础上堆焊司太立合金的堆焊方法，该方法不需要进行繁琐的工艺试验、不需要焊前预热，在常温下焊接就能得到合理的残余应力分布。具体包括以下步骤：

步骤一、确定气阀焊接的各项条件，包括：首先根据质保书确定母材及焊粉材料成份配比；根据焊件确定焊缝形状及焊道方向；然后根据工艺要求在焊槽内堆焊一层2-3mm的焊接过渡层，再在此基础上继续堆焊其他不同焊粉的焊接工艺，焊粉和过渡层的焊粉材料不同即可，常用的镍基、钴基等均可；其中，质保书是按照不同的客户要求定制的不同的质保书，由于不同的客户对气阀的材料有不同的要求，导致所需材料的成分不同。焊缝形状及焊道方向根据焊件的具体情况而定，焊缝形状可为更具代表力的U形焊缝；焊道方向可为直向焊道或环向焊道，相对于直焊道，环形焊道的焊接残余应力分布更为复杂，更具有代表性，但所有的焊缝形状及焊道方向均可用本发明降低其焊接残余应力。

步骤二、建立三维有限元模型，通过ABAQUS软件对模型划分网格，相对而言，在焊接模拟中，六面体网格模拟计算时间更短，结果更精确，因此将模型划分8节点的六面体网格，并通过生死单元实现焊料的逐步填充，填充量根据建模时建立的焊料高度决定；焊接模拟时采用热力直接耦合分析步；