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《焊接技術(shù)雜志》2016年第三期

摘要：

大型結(jié)構(gòu)件中厚板的焊接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊道層數(shù)多。進(jìn)行焊道優(yōu)化，降低結(jié)構(gòu)件的數(shù)值模擬計(jì)算量，是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用MARC軟件對(duì)中厚板多層多道焊焊接過程進(jìn)行模擬，為提高工程計(jì)算效率，對(duì)多層多道焊進(jìn)行簡(jiǎn)化，經(jīng)分析得到了中厚板多層多道焊時(shí)取樣點(diǎn)的變形計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。結(jié)果表明，兼顧計(jì)算效率和模擬實(shí)際工程的可行性，焊道優(yōu)化模擬在大型結(jié)構(gòu)件的焊接中是十分必要而且可實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：

多層多道焊；中厚板；焊道優(yōu)化；數(shù)值模擬

中厚板焊接是工程機(jī)械領(lǐng)域的一個(gè)核心技術(shù)工藝。焊接質(zhì)量的好壞不僅影響后序機(jī)加工、裝配的精度、工件的使用性能，還影響工程機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命和可靠性［1］。因此，工程機(jī)械制造領(lǐng)域中，應(yīng)用了多種方法來保證焊縫質(zhì)量，且會(huì)在焊后對(duì)焊縫進(jìn)行全面檢測(cè)。由于結(jié)構(gòu)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(zhì)量保證手段往往既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。隨著焊接數(shù)值模擬技術(shù)日新月異，其在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用成為必然趨勢(shì)。然而實(shí)際模擬中厚板多層多道焊，前處理工程巨大，后處理計(jì)算量大，降低結(jié)構(gòu)件數(shù)值模擬計(jì)算量、提高計(jì)算效率是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］。結(jié)構(gòu)件尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多層多道焊模擬實(shí)際工況，造成有限元建模網(wǎng)格數(shù)在百萬級(jí)別，無論是從硬件還是軟件簡(jiǎn)化參數(shù)設(shè)置，都需要數(shù)月才能獲得分析結(jié)果，這在工程實(shí)際應(yīng)用中是不能接受的。殼單元能有效減少計(jì)算量，但精度無法保證。鑒于此，筆者提出對(duì)中厚板焊道進(jìn)行等效簡(jiǎn)化［3］（以下稱焊道優(yōu)化技術(shù)），即采用等效的方法近似模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)件變形。該技術(shù)曾用等效熱源方式來解決，但并未在大型結(jié)構(gòu)件的模擬中推廣應(yīng)用［4］。在此借助MARC軟件，采用雙橢球熱源模型，考慮焊縫的實(shí)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?zé)嵩葱蚊玻瑢⑺媒Y(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證有限元計(jì)算的有效性，為進(jìn)一步研究大型結(jié)構(gòu)件數(shù)值模擬提供參考。

1有限元模型建立

大型結(jié)構(gòu)件的分析，限于計(jì)算機(jī)水平以及實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，分析應(yīng)有側(cè)重點(diǎn)，在此對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行分析。試驗(yàn)截取大型結(jié)構(gòu)件典型T形接頭，模擬結(jié)構(gòu)件自由狀態(tài)下焊接。焊接試樣幾何尺寸如圖1所示。

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

1．2網(wǎng)格模型建立分別對(duì)單層、雙層、3層T形接頭焊接模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為有效控制網(wǎng)格數(shù)量，減小計(jì)算量，網(wǎng)格劃分原則按照近焊道網(wǎng)格密，遠(yuǎn)離焊道位置疏，中間采用過渡網(wǎng)格過渡，獲得網(wǎng)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(wěn)弧之后呈現(xiàn)局部集中、瞬時(shí)等特點(diǎn)，忽略實(shí)際焊接中焊接路徑、填充量、焊接速度等因素，建立恰當(dāng)反映實(shí)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(diǎn)，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(duì)其焊高、熔寬、熔深及熱影響區(qū)進(jìn)行測(cè)量，獲得其熱源參數(shù)，并據(jù)此對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行校準(zhǔn)，判斷其熱影響區(qū)網(wǎng)格的疏密是否滿足計(jì)算精度要求。由于無法準(zhǔn)確測(cè)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(shù)。熱源加載方式分為功率和溫度加載。在焊接時(shí)，采用功率加載時(shí)，焊接工藝參數(shù)匹配與熔池形貌尺寸存在差異性，且會(huì)造成效率降低。采用溫度加載方式，在引弧和熄弧處未達(dá)到穩(wěn)弧，溫度不穩(wěn)定。在此采用功率加載方式，功率系數(shù)取0．8。測(cè)試計(jì)算模型，反復(fù)調(diào)整每條焊縫的雙橢球熱源形狀的參數(shù)，使獲得單層、雙層、3層焊接頭熔合線與實(shí)際T形接頭的熔合線一致［6］，如圖3所示。同時(shí)相應(yīng)調(diào)整功率，使熔合線溫度在熔點(diǎn)附近［1］，參數(shù)見表2。為與實(shí)際相接近，熱電偶對(duì)穩(wěn)弧后的熔池溫度進(jìn)行測(cè)量。無紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，并繪制溫度隨時(shí)間變化曲線。通過多次焊接測(cè)量試驗(yàn)，獲得加載溫度。試驗(yàn)多次獲得焊接熱循環(huán)曲線，如圖4所示。

1．4邊界條件邊界條件主要考慮兩個(gè)方面：熱交換與拘束情況。熱交換主要是考慮熱輻射和對(duì)流方式。在模擬過程中采用等效散熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)拘束條件而言，考慮到現(xiàn)場(chǎng)焊接無工裝夾具，因此只對(duì)其整體位移較小處進(jìn)行約束。假設(shè)3個(gè)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(diǎn)約束［7］而言，其模型分析過程中，總會(huì)出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)位移為0，與實(shí)際情況不符，影響局部模型的計(jì)算結(jié)果。為模擬其自由焊接工況，在此采用以下力學(xué)邊界條件：寬度方向在對(duì)稱面下表面選擇2個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(zhǎng)度方向節(jié)點(diǎn)來限制z向位移，而不影響橫向收縮。

2仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

2．1焊接變形模擬結(jié)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(shù)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(fù)方向，提取底板AB點(diǎn)之間z方向焊接變形量與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得單層、雙層、3層焊接模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線，如圖5所示。由圖5可知，從整體變化趨勢(shì)來看z方向的變形量、模擬結(jié)果與實(shí)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(dāng)于增大了該處的剛度，同時(shí)其溫度最先開始降低，因此引弧處的變形量會(huì)更大。單焊道變形量與實(shí)際結(jié)果偏差較大，誤差率達(dá)44％；雙層焊的誤差率約15％；模擬3層焊與實(shí)際偏差控制在10％。同時(shí)，沿AB方向變形量小于模擬結(jié)果。由于測(cè)量時(shí)選取平面基準(zhǔn)與數(shù)值模型中理論平面基準(zhǔn)不同。實(shí)際測(cè)量的基準(zhǔn)平面因?yàn)楹负笞冃魏椭亓ψ饔茫c理論基準(zhǔn)平面成負(fù)夾角。焊道簡(jiǎn)化后，焊接變形量明顯增大，主要影響因素是焊接熱源。實(shí)際焊接過程中，熔池在重力作用下流向開坡口一側(cè)，使得開坡口一側(cè)的熱影響區(qū)大于坡口背面的熱影響區(qū)。相對(duì)3層焊，焊道簡(jiǎn)化后的雙橢球的橫截面積在開坡口一側(cè)要大，獲得模擬結(jié)果偏大。（2）沿著焊接方向x軸負(fù)方向，提取底板CD點(diǎn)之間z方向焊接變形量與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得對(duì)比結(jié)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(fā)生在引弧和熄弧位置，同時(shí)起弧位置比收弧位置變形量大。整體變形趨勢(shì)出現(xiàn)一定震蕩，主要與數(shù)值結(jié)果均偏小有關(guān)。單焊道變形量與實(shí)際結(jié)果偏差較大，誤差率為28％左右。雙層焊與實(shí)際偏差為14％左右。3層焊與實(shí)際偏差為9％左右。因?yàn)槠渥冃瘟勘華B邊變形量明顯降低，其誤差率對(duì)預(yù)測(cè)焊接變形及指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的意義不大。（3）沿著焊接方向x軸負(fù)方向，提取立板EF點(diǎn)之間y方向焊接變形量與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得結(jié)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(shì)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(shí)際偏差較小，誤差率在8％左右，單焊道變形量與實(shí)際結(jié)果偏差較大，誤差率達(dá)到32％。雙層焊的誤差率控制在14％左右。該位置的變形也是實(shí)際生產(chǎn)中重點(diǎn)關(guān)注的位置，通過采用合理工藝和參數(shù)的優(yōu)化，有效控制其變形量是解決生產(chǎn)中問題的關(guān)鍵。同時(shí)，沿CD方向和EF方向變形量大于模擬結(jié)果。由于實(shí)際測(cè)量和模擬仿真選取基準(zhǔn)不同。因焊后變形和重力作用，與理論基準(zhǔn)平面成正夾角。焊道簡(jiǎn)化后，焊接變形量明顯增大，主要影響因素是焊接熱源。實(shí)際焊接過程中，熔池在重力作用下流向有坡口一側(cè)，使得坡口一側(cè)熱影響區(qū)小于坡口背側(cè)熱影響區(qū)。相對(duì)于3層焊，焊道簡(jiǎn)化后的雙橢球橫截面積在開坡口一側(cè)要小，獲得的模擬結(jié)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(cè)，變形量明顯大于坡口朝向的背側(cè)，在雙層和3層焊接過程中，打底焊會(huì)預(yù)先給模型一個(gè)預(yù)制剛度，使整個(gè)構(gòu)件向內(nèi)部收縮，立板相對(duì)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(jié)果與實(shí)際焊接數(shù)值誤差控制在10％以內(nèi)。雙層焊在變形量較大的位置處，變形誤差率控制在15％以內(nèi)。單道焊與實(shí)際焊接結(jié)果相差較大，不足以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

2．2焊接模擬計(jì)算時(shí)間分析在保證模擬實(shí)際焊接工況，并得到結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別獲得單層、雙層、3層焊模擬計(jì)算時(shí)間。考慮散熱時(shí)間，單層焊的計(jì)算時(shí)間為19372．85s，雙層焊計(jì)算時(shí)間為21553．3s，3層焊的計(jì)算時(shí)間為26830．86s。從提高計(jì)算效率來考慮，采用焊道優(yōu)化技術(shù)后，雙層焊節(jié)約1/5時(shí)間，單道焊節(jié)約1/4時(shí)間。兼顧計(jì)算精度，雖然單道焊計(jì)算效率很高，但與實(shí)際結(jié)果偏差較大。雙層焊滿足工程機(jī)械領(lǐng)域計(jì)算精度要求，而且節(jié)約了大量的分析時(shí)間。從理論上分析，采用焊道優(yōu)化技術(shù)，在大型結(jié)構(gòu)件上百條焊道模擬計(jì)算時(shí)，節(jié)約時(shí)間將達(dá)40％，對(duì)焊接模擬將帶來重大實(shí)用價(jià)值，極大地提高了模擬效率，在焊接模擬領(lǐng)域具有重大的使用價(jià)值。

3結(jié)論

（1）建立了大型結(jié)構(gòu)件多層多道焊接簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，與工程機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境相貼合，實(shí)現(xiàn)了大型結(jié)構(gòu)件計(jì)算的可能性及有效性，為下一步優(yōu)化工作做準(zhǔn)備。（2）T形接頭焊接變形最大的位置發(fā)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(duì)較小，位于開坡口焊接一側(cè)，變形量明顯大于坡口背側(cè)一邊，在引弧處焊接變形量小于收弧處。（3）3層6道焊簡(jiǎn)化為2層3道焊，焊接變形量的誤差能控制在15％內(nèi)，在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)加工余量，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)大型結(jié)構(gòu)件的焊接；單道焊的計(jì)算誤差較大，不能預(yù)測(cè)焊接變形情況。（4）在工程機(jī)械領(lǐng)域，大型結(jié)構(gòu)件的焊接模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，誤差控制在20％以內(nèi)就可認(rèn)為滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接變形預(yù)測(cè)的要求，因此，中厚板的3道焊優(yōu)化為2道焊進(jìn)行焊接仿真是有效可行的。（5）在滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接變形量預(yù)測(cè)要求的基礎(chǔ)上，從計(jì)算時(shí)間方面分析，采用焊道優(yōu)化技術(shù)后，計(jì)算時(shí)間節(jié)約了20％。在應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)件分析時(shí)，理論上計(jì)算時(shí)間將節(jié)約40％，這對(duì)焊接數(shù)值模擬仿真的推廣應(yīng)用具有重大意義。

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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(jī)械研究院 徐工集團(tuán)道路機(jī)械分公司 南京航空航天大學(xué)