趙嬌玉 陳增有 馬清波 胡永明

摘要： 貨車的端墻是由薄板構(gòu)件組裝而成的，在焊接過程中由于焊縫處收縮力的作用導(dǎo)致端墻板失穩(wěn)，不可避免的產(chǎn)生了波浪變形。過大的變形量不但影響端墻結(jié)構(gòu)的外形美觀，而且影響了貨車的產(chǎn)品質(zhì)量，因此有必要減小焊接變形。根據(jù)端墻結(jié)構(gòu)建立其幾何模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)置熱源參數(shù)，使用焊接專業(yè)軟件Sysweld模擬計算在相同熱輸入下的不同焊接順序的變形量，從而得出焊接順序、焊接方向調(diào)整對變形的改進(jìn)效果，為生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 焊接變形；有限元分析；Sysweld；端墻

中圖分類號： TG404

Abstract： Truck end wall which belongs to thin plate structure often occurs instability easily and produces wave deformations during the welding process. The shrinkage force in the weld is responsible for this defect. Excessive deformation not only affect the appearance of the end wall structure， but also affect the quality， therefore it is necessary to reduce the welding deformation. Based on the structure of the end wall， the geometric model was build and meshed. The parameters of heat source were set according to the welding parameters. The welding deformation of the same line energy under different welding order was simulated by Sysweld. Finally， the influences of welding direction and welding order on the welding deformation were obtained.

Key words： welding distortion；finite element analysis；Sysweld；end wall

采用Sysweld軟件建立網(wǎng)格，在有限元分析中，網(wǎng)格的劃分直接關(guān)系到計算的精度和效率，因此應(yīng)根據(jù)溫度梯度變化情況采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，即在焊縫及其附近區(qū)域用較細(xì)的網(wǎng)格以提高計算精度，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域用較稀疏的網(wǎng)格以減小運算規(guī)模、節(jié)約計算時間[1]。有限元模型全部采用六面體單元，相比較四面體單元可以有效控制網(wǎng)格規(guī)模，提高計算穩(wěn)定性和精度，劃分后的網(wǎng)格模型共有355 934個3D單元，445 828個節(jié)點，約束參考點設(shè)在端墻重心（圖2）。

2 熱源模型的建立

2.1 接頭試樣提取

針對端墻焊縫接頭形式，在接頭試樣上截取小塊部分，經(jīng)打磨拋光后，用腐蝕劑進(jìn)行侵蝕，得到試樣焊縫區(qū)的宏觀金相照片及熔合區(qū)形狀，如圖3所示，為下一步的焊接接頭熱源校核提供參照依據(jù)。

2.2 熱源校核

焊接溫度場的精確描述是進(jìn)行焊接應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，焊接溫度場決定了焊接應(yīng)力場和應(yīng)變場。文中對貨車端墻進(jìn)行熔化極活性氣體保護(hù)焊，焊接過程中熔池是在運動狀態(tài)下結(jié)晶的，熔池是等速隨熱源而移動的，在熔池中金屬的熔化和凝固過程同時進(jìn)行，在熔池的前半部進(jìn)行熔化過程，熔池的后半部進(jìn)行凝固過程。據(jù)此，數(shù)值模擬選擇雙橢球體熱源模型[2]，前、后半部分橢球熱源具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為[3-8]：

為提高計算精度，結(jié)合焊縫剖面的實際尺寸與形狀，利用Sysweld熱源校核程序，輸入具體的焊接結(jié)構(gòu)和尺寸、焊接材料的熱物理性能參數(shù)以及選定的焊接工藝參數(shù)，調(diào)整雙橢球熱源參數(shù)，將計算所得的“熱輸入?yún)?shù)”及“分布參數(shù)”輸入到模擬所需要的熱源宏文件中（*.fct文件），作為溫度載荷進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場的模擬計算。圖4為校核后的熱源模型，從圖4中可以看出，該熱源調(diào)整接近試驗的結(jié)果，可用其進(jìn)行變形計算。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 T形接頭實測、模擬對比試驗

為驗證模擬結(jié)果的可靠性，在對端墻進(jìn)行模擬分析前，做了驗證試驗。取T型接頭進(jìn)行焊接變形模擬計算，接頭均由兩塊150 mm×150 mm×6 mm板材構(gòu)建，焊接電流250 A，焊接電壓23 V，焊接速度6.52 mm/s。模擬過程采用雙橢球熱源對模型進(jìn)行加熱，在施加熱源前對熱源高斯參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過測量對應(yīng)點的變形量對比模擬結(jié)果與實測結(jié)果，得出的變形量對比圖如圖5所示。

由圖5可知，試驗所得焊接變形規(guī)律與模擬所得規(guī)律相似，考慮到數(shù)值模擬計算所涉及的參數(shù)條件均為理想狀態(tài)，得到的結(jié)果會與試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差，而試驗與模擬所得焊接變形分布規(guī)律和變化趨勢較為吻合，表明采用Sysweld軟件對焊接模擬研究準(zhǔn)確度較高，其模擬結(jié)果可用于焊接生產(chǎn)的指導(dǎo)及工藝改進(jìn)。

3.2 貨車端墻焊接順序優(yōu)化模擬

在焊接過程中端墻是處于自由的狀態(tài)，在選取焊接約束情況的時候，為了保證計算收斂，選取端墻重心處三個點約束其X，Y，Z三個方向，認(rèn)為是固定該構(gòu)件的最小約束。根據(jù)實際生產(chǎn)工藝，貨車端墻在實際焊接時，電弧電壓28 V，焊接電流250 A，焊接速度800 mm/min，熔敷效率80%，焊接工藝流程主要為：① 端柱與端板的角焊縫；② 角柱與端板的角焊縫；③上端梁與端板的正面焊；④ 端板的反面拼接焊縫⑤角柱與端板的背面角焊縫；⑥ 上端梁與端板的背面焊，焊接順序及方向參如圖6所示。

焊接結(jié)束后整個端墻冷卻到室溫后整體變形分布如圖7所示，通過仿真分析結(jié)果可以看出端墻焊接后變形較大，變形主要集中在端墻端部，呈現(xiàn)兩端上翹趨勢，最大變形量發(fā)生在角柱上，達(dá)到117.58 mm。這是因為端墻處于自由狀態(tài)，且下部整體剛度較低，焊接過程中沒有任何剛性約束控制變形，使得端墻的邊緣發(fā)生的變形集中在角柱上。

為了使焊接變形得到有效控制，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，文中從焊接順序、焊接方向和剛性固定等方面著手，設(shè)計了4種可行的焊接優(yōu)化方案。

（1） 焊接順序、焊接方向不變，焊接時在角柱上進(jìn)行剛性固定。

（2） 焊接順序調(diào)整為6→1→2→3→4→5→9→7→ 8，焊接方向不變，焊接時在角柱上進(jìn)行剛性固定。

（3） 焊接順序調(diào)整為6→5→4→3→2→1→9→8→7，焊接方向不變，焊接時在角柱上進(jìn)行剛性固定。

（4） 焊接順序與方案3一致，角柱、端柱與端板間焊縫的焊接方向改為由端墻下部向上端梁焊接，焊接時在角柱上進(jìn)行剛性固定。

上述4種方案的模擬結(jié)果都顯示焊后端墻整體上產(chǎn)生了撓曲變形，變形量明顯減小，圖8為方案4變形量放大5倍后的變形分布云圖，可見變形仍集中在端墻的端部，呈下凹趨勢，由于在角柱上采取剛性固定方式控制焊后變形，角柱處變形明顯減小。各方案變形量模擬對比結(jié)果如圖9所示，其中圖9a為端墻下部沿著橫向方向測定的對應(yīng)點變形對比曲線，圖9b為沿著端墻對稱中心測定的對應(yīng)點變形對比曲線。與原始焊接方案相比，無論是端墻橫向變形量還是縱向變形量皆明顯減小，角柱處變形得到有效控制，方案4的焊后變形量最小，其最大變形量為19.05 mm。

4 結(jié)論

（1）建立了貨車端墻焊接有限元數(shù)值分析模型，基于Sysweld軟件平臺實現(xiàn)了大結(jié)構(gòu)多焊縫部件的焊接模擬。

（2）采用Sysweld軟件對貨車端墻4種焊接方式進(jìn)行數(shù)值模擬，其中方案4為最佳焊接方案，為端墻焊接結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計、工藝方法的制定和優(yōu)化、焊接質(zhì)量的提高提供了依據(jù)。

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