中厚板多層多道焊優化技術研究范文

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《焊接技術雜志》2016年第三期

摘要：

大型結構件中厚板的焊接，結構復雜，焊道層數多。進行焊道優化，降低結構件的數值模擬計算量，是該領域研究的關鍵技術之一。利用MARC軟件對中厚板多層多道焊焊接過程進行模擬，為提高工程計算效率，對多層多道焊進行簡化，經分析得到了中厚板多層多道焊時取樣點的變形計算結果與試驗結果吻合較好。結果表明，兼顧計算效率和模擬實際工程的可行性，焊道優化模擬在大型結構件的焊接中是十分必要而且可實現的。

關鍵詞：

多層多道焊；中厚板；焊道優化；數值模擬

中厚板焊接是工程機械領域的一個核心技術工藝。焊接質量的好壞不僅影響后序機加工、裝配的精度、工件的使用性能，還影響工程機械產品的使用壽命和可靠性［1］。因此，工程機械制造領域中，應用了多種方法來保證焊縫質量，且會在焊后對焊縫進行全面檢測。由于結構件體積龐大，焊接工藝繁雜多變，焊接過程控制困難，目前常用的焊縫質量保證手段往往既費時又費力。隨著焊接數值模擬技術日新月異，其在工程機械領域的應用成為必然趨勢。然而實際模擬中厚板多層多道焊，前處理工程巨大，后處理計算量大，降低結構件數值模擬計算量、提高計算效率是該領域研究的關鍵技術之一［2］。結構件尺寸較大，結構復雜，采用多層多道焊模擬實際工況，造成有限元建模網格數在百萬級別，無論是從硬件還是軟件簡化參數設置，都需要數月才能獲得分析結果，這在工程實際應用中是不能接受的。殼單元能有效減少計算量，但精度無法保證。鑒于此，筆者提出對中厚板焊道進行等效簡化［3］（以下稱焊道優化技術），即采用等效的方法近似模擬實際結構件變形。該技術曾用等效熱源方式來解決，但并未在大型結構件的模擬中推廣應用［4］。在此借助MARC軟件，采用雙橢球熱源模型，考慮焊縫的實際形狀，將3層6道焊縫分別處理為2層3道焊和單層單道焊，得到了不同板厚T形焊的熔池熱源形貌，將所得結果與實際測量數據對比分析，驗證有限元計算的有效性，為進一步研究大型結構件數值模擬提供參考。

1有限元模型建立

大型結構件的分析，限于計算機水平以及實際生產應用，分析應有側重點，在此對關鍵位置進行分析。試驗截取大型結構件典型T形接頭，模擬結構件自由狀態下焊接。焊接試樣幾何尺寸如圖1所示。

1．1焊接工藝參數試件材料為Q690D鋼，采用CO2氣體保護焊方法焊接，焊絲采用SLD－70，鋼板開45°坡口，焊接工藝參數見表1。

1．2網格模型建立分別對單層、雙層、3層T形接頭焊接模型進行網格劃分。為有效控制網格數量，減小計算量，網格劃分原則按照近焊道網格密，遠離焊道位置疏，中間采用過渡網格過渡，獲得網格模型如圖2所示。

1．3熱源模型焊接熱源具有不均勻性，穩弧之后呈現局部集中、瞬時等特點，忽略實際焊接中焊接路徑、填充量、焊接速度等因素，建立恰當反映實際焊接的熱源模型。雙橢球熱源充分考慮了焊接過程中熱源前端溫度陡變、后端溫度變化比較慢的特點，適合于CO2焊接的熱源形式［4］。通過線切割、打磨焊接試樣，獲得熱源熔池形貌，并分別對其焊高、熔寬、熔深及熱影響區進行測量，獲得其熱源參數，并據此對網格模型進行校準，判斷其熱影響區網格的疏密是否滿足計算精度要求。由于無法準確測量每條焊縫的截面尺寸，因而需要修正每條焊縫的熱源形狀參數。熱源加載方式分為功率和溫度加載。在焊接時，采用功率加載時，焊接工藝參數匹配與熔池形貌尺寸存在差異性，且會造成效率降低。采用溫度加載方式，在引弧和熄弧處未達到穩弧，溫度不穩定。在此采用功率加載方式，功率系數取0．8。測試計算模型，反復調整每條焊縫的雙橢球熱源形狀的參數，使獲得單層、雙層、3層焊接頭熔合線與實際T形接頭的熔合線一致［6］，如圖3所示。同時相應調整功率，使熔合線溫度在熔點附近［1］，參數見表2。為與實際相接近，熱電偶對穩弧后的熔池溫度進行測量。無紙記錄儀實時記錄數據，并繪制溫度隨時間變化曲線。通過多次焊接測量試驗，獲得加載溫度。試驗多次獲得焊接熱循環曲線，如圖4所示。

1．4邊界條件邊界條件主要考慮兩個方面：熱交換與拘束情況。熱交換主要是考慮熱輻射和對流方式。在模擬過程中采用等效散熱系數進行計算。對拘束條件而言，考慮到現場焊接無工裝夾具，因此只對其整體位移較小處進行約束。假設3個方向均采用零位移約束，限制模型的剛體位移，但約束過大。相比較三點約束［7］而言，其模型分析過程中，總會出現一個點位移為0，與實際情況不符，影響局部模型的計算結果。為模擬其自由焊接工況，在此采用以下力學邊界條件：寬度方向在對稱面下表面選擇2個節點，用來限制y向位移，而不影響縱向收縮變形；通過焊縫背面沿焊縫長度方向節點來限制z向位移，而不影響橫向收縮。

2仿真結果與試驗結果

2．1焊接變形模擬結果與分析在此在相同的約束條件下，通過模擬不同焊道層數模型的焊接過程，研究分析立板和底板的變形量隨距離變化情況［8］。（1）沿焊接方向x軸負方向，提取底板AB點之間z方向焊接變形量與測量結果進行對比分析，獲得單層、雙層、3層焊接模擬結果與實測結果對比曲線，如圖5所示。由圖5可知，從整體變化趨勢來看z方向的變形量、模擬結果與實際焊接相吻合，引弧和熄弧處的焊接變形較大。與熄弧處相比，引弧處由于先焊，相當于增大了該處的剛度，同時其溫度最先開始降低，因此引弧處的變形量會更大。單焊道變形量與實際結果偏差較大，誤差率達44％；雙層焊的誤差率約15％；模擬3層焊與實際偏差控制在10％。同時，沿AB方向變形量小于模擬結果。由于測量時選取平面基準與數值模型中理論平面基準不同。實際測量的基準平面因為焊后變形和重力作用，與理論基準平面成負夾角。焊道簡化后，焊接變形量明顯增大，主要影響因素是焊接熱源。實際焊接過程中，熔池在重力作用下流向開坡口一側，使得開坡口一側的熱影響區大于坡口背面的熱影響區。相對3層焊，焊道簡化后的雙橢球的橫截面積在開坡口一側要大，獲得模擬結果偏大。（2）沿著焊接方向x軸負方向，提取底板CD點之間z方向焊接變形量與測量結果進行對比分析，獲得對比結果曲線，如圖6所示。由圖6可知，在z方向的變形量最大位置發生在引弧和熄弧位置，同時起弧位置比收弧位置變形量大。整體變形趨勢出現一定震蕩，主要與數值結果均偏小有關。單焊道變形量與實際結果偏差較大，誤差率為28％左右。雙層焊與實際偏差為14％左右。3層焊與實際偏差為9％左右。因為其變形量比AB邊變形量明顯降低，其誤差率對預測焊接變形及指導實際生產的意義不大。（3）沿著焊接方向x軸負方向，提取立板EF點之間y方向焊接變形量與測量結果進行對比分析，獲得結果曲線，如圖7所示。由圖7可知，y方向上的整體變形量均較大，且變形趨勢較為平緩，引弧和熄弧處的變形量相差僅為0．15mm。3層焊的變形量與實際偏差較小，誤差率在8％左右，單焊道變形量與實際結果偏差較大，誤差率達到32％。雙層焊的誤差率控制在14％左右。該位置的變形也是實際生產中重點關注的位置，通過采用合理工藝和參數的優化，有效控制其變形量是解決生產中問題的關鍵。同時，沿CD方向和EF方向變形量大于模擬結果。由于實際測量和模擬仿真選取基準不同。因焊后變形和重力作用，與理論基準平面成正夾角。焊道簡化后，焊接變形量明顯增大，主要影響因素是焊接熱源。實際焊接過程中，熔池在重力作用下流向有坡口一側，使得坡口一側熱影響區小于坡口背側熱影響區。相對于3層焊，焊道簡化后的雙橢球橫截面積在開坡口一側要小，獲得的模擬結果偏小。綜上所述，焊接變形最大的位置在立板自由邊位置EF處，底板焊接變形最大的位置位于開坡口焊接一側，變形量明顯大于坡口朝向的背側，在雙層和3層焊接過程中，打底焊會預先給模型一個預制剛度，使整個構件向內部收縮，立板相對于底板，其約束較小，變形量較大。引弧位置的焊接變形大于收弧位置的焊接變形。3層焊仿真結果與實際焊接數值誤差控制在10％以內。雙層焊在變形量較大的位置處，變形誤差率控制在15％以內。單道焊與實際焊接結果相差較大，不足以指導現場生產。

2．2焊接模擬計算時間分析在保證模擬實際焊接工況，并得到結果的基礎上，分別獲得單層、雙層、3層焊模擬計算時間。考慮散熱時間，單層焊的計算時間為19372．85s，雙層焊計算時間為21553．3s，3層焊的計算時間為26830．86s。從提高計算效率來考慮，采用焊道優化技術后，雙層焊節約1/5時間，單道焊節約1/4時間。兼顧計算精度，雖然單道焊計算效率很高，但與實際結果偏差較大。雙層焊滿足工程機械領域計算精度要求，而且節約了大量的分析時間。從理論上分析，采用焊道優化技術，在大型結構件上百條焊道模擬計算時，節約時間將達40％，對焊接模擬將帶來重大實用價值，極大地提高了模擬效率，在焊接模擬領域具有重大的使用價值。

3結論

（1）建立了大型結構件多層多道焊接簡化的數學模型，與工程機械現場生產環境相貼合，實現了大型結構件計算的可能性及有效性，為下一步優化工作做準備。（2）T形接頭焊接變形最大的位置發生在帶有坡口的立板自由邊，未開坡口底板的焊接變形量相對較小，位于開坡口焊接一側，變形量明顯大于坡口背側一邊，在引弧處焊接變形量小于收弧處。（3）3層6道焊簡化為2層3道焊，焊接變形量的誤差能控制在15％內，在保證生產效率的同時，預測現場加工余量，指導現場大型結構件的焊接；單道焊的計算誤差較大，不能預測焊接變形情況。（4）在工程機械領域，大型結構件的焊接模擬結果與實測結果相比，誤差控制在20％以內就可認為滿足現場焊接變形預測的要求，因此，中厚板的3道焊優化為2道焊進行焊接仿真是有效可行的。（5）在滿足現場焊接變形量預測要求的基礎上，從計算時間方面分析，采用焊道優化技術后，計算時間節約了20％。在應用大型結構件分析時，理論上計算時間將節約40％，這對焊接數值模擬仿真的推廣應用具有重大意義。

參考文獻：

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［5］MSC．MarcUser’sManual［Z］.VolumeA，Chapter6．

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［8］湯小紅，王琳，陳玉玲，等．焊接層數對焊接殘余應力和變形的影響［J］．焊接技術，2014，43（4）：5－8.

作者：房元斌 蹤雪梅 張華清 孫波 占小紅 單位：江蘇徐州工程機械研究院 徐工集團道路機械分公司 南京航空航天大學