單龍,付雷,,孫進,盧長煜,,方洪淵

(1.徐州徐工環(huán)境技術(shù)有限公司,江蘇 徐州221001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱150001)

0 前言

葉輪用鋁合金牌號6061-T6,是經(jīng)過熱處理與預(yù)拉伸工藝的高品質(zhì)鋁合金,具有較好的機械加工性能和優(yōu)良的焊接性,并且材料的抗腐蝕能力較強[1],適宜制造在潮濕環(huán)境服役的風(fēng)機產(chǎn)品。

文中風(fēng)機葉輪是由鋁合金蓋板、底板與葉片拼裝焊接而成的離心箱式風(fēng)機葉輪,采用鋁合金制造的風(fēng)機葉輪,與碳鋼葉輪相比,具有美觀、輕便、防銹等優(yōu)點[2],因而受到風(fēng)機行業(yè)從業(yè)者的廣泛關(guān)注。葉輪焊接工藝的研究也不斷深入,制造風(fēng)機葉輪時,葉片與蓋板或者底板之間的角焊縫,多采用焊接成本較低的熔化極惰性氣體保護焊(Metal inert-gas welding,MIG),以半自動送絲的方式填充焊道[3-4]。

葉片兩側(cè)焊接接頭的抗疲勞載荷性能,很大程度上決定了鋁合金葉輪的服役可靠性。這是由于風(fēng)機工作時有較強的噪音和振動,致使葉輪結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷,而其中焊接接頭的焊接應(yīng)力和焊接缺陷對疲勞壽命有較為明顯的弱化影響[5],致使疲勞裂紋萌生早、擴展快,整個葉輪的服役壽命也大幅降低。

在進行葉輪結(jié)構(gòu)的焊接工藝規(guī)范優(yōu)化時,首先需要計算葉輪的工作載荷,校核焊縫的承載能力,給出所需焊道的臨界尺寸,然后對焊接工藝規(guī)范進行優(yōu)化,以提升結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,由于現(xiàn)實條件所限,至今無法有效測量葉片在高速旋轉(zhuǎn)時,其表面及內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變的實時分布情況,因而無法準確獲得葉片的振動疲勞載荷譜。故而文中以定性判斷方式,判定不同焊接規(guī)范條件下的焊接殘余應(yīng)力與焊接缺陷,對構(gòu)件承載能力是否有較明顯的弱化效應(yīng),進而選取結(jié)構(gòu)服役可靠性影響較小的方案,以達到提高葉輪服役壽命的目標。

1 有限元計算模型

以某型號離心箱式鋁合金風(fēng)機葉輪為研究對象,采用有限元仿真計算焊接殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力。

1.1 葉輪模型

鋁合金葉輪由蓋板和底板及6個葉片拼焊而成,葉輪蓋板外徑600 mm、內(nèi)徑250 mm、厚3 mm,底板外徑600 mm、內(nèi)徑60 mm、厚2 mm,葉片呈弧形,其半徑177 mm、弦長255 mm、厚2 mm、高65 mm,均勻分布于蓋板與底板之間,每個葉片上下兩端的左右兩側(cè)各一條焊道,起到連接葉片與蓋板或底板的作用,6個葉片共有24條焊道,焊接采用MIG焊,有限元模型與實際葉輪尺寸均一致,如圖1所示。

在焊縫附近的網(wǎng)格設(shè)置的較為細密[6],最小單元尺寸1 mm,其余位置的網(wǎng)格較為疏松,疏密之間采用尺寸漸變的方法進行過渡[7],整個葉輪模型共有單元97 148個,節(jié)點151 604個。

圖1 風(fēng)機葉輪模型

1.2 焊接仿真參數(shù)

焊道設(shè)置在葉片與蓋板或者底盤的連接處,為角焊縫,為保證葉片旋轉(zhuǎn)時在焊道處無氣流泄露,焊道均需滿焊。若葉片的兩側(cè)采用雙面焊,共需24條焊道；若僅葉片的內(nèi)側(cè)或外側(cè)單面焊,則需12條焊道,所有焊道角焊縫的焊腳尺寸均為4 mm×4 mm,如圖1所示。

對于所選MIG焊,電弧挺度較小,對熔池的電弧沖擊力較小,因此焊接熱源模型選用雙橢球高斯體熱源較為準確[8],熱源分布的計算公式見參考文獻[8]中3.1節(jié)的相關(guān)內(nèi)容,此處不再贅述。電弧電壓為19 V,焊接電流為102 A,熱源有效系數(shù)為0.6,熱源寬為6 mm、深為4 mm、前長3 mm、尾長6 mm,焊接速度為8 mm/s,母材為6061-T6鋁合金,焊材為5183鋁合金焊絲,直徑為1.2 mm,忽略母材與焊材之間的熱力學(xué)物理性能差異,采用文獻[9]中所提供的焊接熱物理參數(shù)的取值進行有限元計算,其中室溫下材料屈服強度為

27 4.4 MPa。

文中有限元仿真的目的在于優(yōu)化焊接工藝,而焊縫承受的載荷僅由葉片提供,而蓋板和底板的旋轉(zhuǎn)對焊縫沒有載荷作用,因此不用考慮蓋板和底板的工作載荷。另外,由于葉輪是通過中心位置周圍的4個螺栓孔穿過螺栓緊固在風(fēng)機軸承基座,與傳動軸旋轉(zhuǎn)的角速度相同,并保持相對靜止?fàn)顟B(tài),而文中僅研究葉片的受力狀況,不考慮蓋板與底板的受力情況,因此僅對葉片施加離心力載荷值,以靜態(tài)計算模擬動態(tài)旋轉(zhuǎn)時的應(yīng)力分布,既可簡化計算量,又可保證計算結(jié)果的準確可靠。

葉片所承受的載荷通過底板傳遞給4個螺栓,而螺栓的剛度較高,不易變形,此處假設(shè)4個螺栓孔周圍的單元節(jié)點不得移動和轉(zhuǎn)動,以模擬螺栓連接的作用效果。

1.3 葉片焊縫承載校核

葉片工作載荷主要是由于旋轉(zhuǎn)而承受的離心力和空氣沖擊力,葉片額定轉(zhuǎn)速為3 300 r/min,據(jù)此可得單個葉片的離心力載荷為2 433.6 N,沿徑向向外；根據(jù)伯努利方程可得單個葉片所承受的風(fēng)壓沖擊載荷為43.1 N,垂直于葉片表面方向,兩者相比較,離心力占據(jù)絕對的主導(dǎo)地位,此處僅校核離心力載荷作用下的焊縫強度。

根據(jù)焊接行業(yè)標準中德國鋼結(jié)構(gòu)標準DIN 18800-1—2008《Steel structures-Part 1：Design and construction》的強度校核方法,此處的焊縫不做焊后檢驗,焊縫的安全系數(shù)為0.8,焊腳尺寸為4 mm×4 mm,為保證焊縫結(jié)構(gòu)服役可靠,假定焊縫最小截面承載,強度校核見式(1)。

式中：kw為焊縫安全系數(shù)；hw為焊縫橫截面高度,取2.83 mm；lc為所需焊接的臨界最小長度；τs為剪切屈服強度,工程應(yīng)用中通常取拉伸屈服強度的0.6倍。

將相關(guān)的數(shù)據(jù)帶入式(1),便獲得所需焊道的臨界長度lc,取值為6.53 mm,其遠小于葉片的長度,這說明單面滿焊與雙面滿焊均滿足葉片旋轉(zhuǎn)時離心力載荷的服役要求。

對于葉片的離心力載荷作用下葉片焊接結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力分布,以葉片雙面焊為例,工作應(yīng)力分布的計算結(jié)果如圖2所示。在葉片外沿區(qū)域的等效應(yīng)力分布較為集中,是離心力載荷作用的主要區(qū)域。應(yīng)力的最大值僅為40.2 MPa,遠小于材料的屈服強度。

圖2 葉片在離心力作用下等效應(yīng)力分布

2 焊接順序和方向的優(yōu)化

根據(jù)《焊接結(jié)構(gòu)學(xué)》相關(guān)知識,焊接方向與順序的改變,焊接殘余應(yīng)力的分布也會變化。

2.1 單面焊與雙面焊

單面焊與雙面焊均從葉片外沿向內(nèi)焊接,如圖1b所示,對于單個葉片,先焊外側(cè)焊道后焊內(nèi)側(cè)焊道,先焊葉片底端焊道后焊頂端焊道,每焊完一個葉片上下兩端的焊道,則順時針選擇臨近的下一個葉片,直至6個葉片全部完成焊接。

首先考察葉輪整體的應(yīng)力分布,以葉片雙面焊為例,全部焊完之后的等效應(yīng)力分布如圖3所示。

由于有限元仿真時并未考慮材料屈服之后的加工硬化,因此計算所得焊接殘余應(yīng)力最大值等于材料屈服強度,如圖3a所示,即使將工作應(yīng)力與焊接應(yīng)力相疊加,最大應(yīng)力依然等于屈服強度,如圖3b所示,這是由于工作應(yīng)力僅增加焊縫金屬的塑性應(yīng)變,并未明顯增加應(yīng)力峰值。明顯地,工作應(yīng)力取值越大,對塑性應(yīng)變的增加程度越大,產(chǎn)生的應(yīng)變越接近材料的極限應(yīng)變,也就是越接近材料失效破壞臨界值,其作用原理如圖4所示。

圖3a中焊接殘余應(yīng)力的峰值主要分布在焊道兩側(cè),原因在于葉片間距足夠大,即使不同葉片之間焊接殘余應(yīng)力會相互影響,但是峰值應(yīng)力分布大致不變。為便于觀察研究,選取某個葉片與蓋板連接處的焊道為研究對象,如圖5所示。

圖3 焊后應(yīng)力分布

圖4 焊后應(yīng)力分布

雙面焊的等效應(yīng)力分布如圖5a所示,葉片內(nèi)側(cè)焊道比外側(cè)焊道在順序上先進行施焊,因此收弧位置位于葉片與蓋板內(nèi)沿的交點附近,該處位置焊接殘余應(yīng)力的集中效應(yīng)最為嚴重。另外,外側(cè)焊道施焊順序較晚,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)拘束增大,焊接殘余應(yīng)力峰值和分布區(qū)域都比內(nèi)側(cè)焊道有明顯的增大效應(yīng),且應(yīng)力分布有大范圍屈服的趨勢。

對于葉片單面焊,外側(cè)焊道的仿真結(jié)果如圖5b所示,內(nèi)側(cè)焊道的結(jié)果如圖5c所示。與雙面焊相比較,單面焊收弧點的屈服范圍明顯減少,且焊接殘余應(yīng)力的峰值主要集中在焊道附近很窄的范圍,并沒有大范圍屈服的趨勢。

前面已經(jīng)對葉片兩側(cè)的焊縫進行了強度校核,證明了單面焊與雙面焊均滿足工作載荷的服役要求。而通過單面焊與雙面焊的焊接殘余應(yīng)力分布的比較,則確認了單面焊在焊接殘余應(yīng)力方面所具有優(yōu)勢,因此將單面焊作為分析重點,著重分析外側(cè)單面焊與內(nèi)側(cè)單面焊的優(yōu)缺點,選擇承載可靠性較高的焊道。

圖5b與圖5c相比較,葉片內(nèi)側(cè)與外側(cè)單面焊的焊接殘余應(yīng)力分布類似,并且焊接變形程度相差很小,外側(cè)單面焊的焊接變形比內(nèi)側(cè)單面焊大1.5%左右,這是由于外側(cè)單面焊的焊道略長,熔敷金屬填充量較多所導(dǎo)致。內(nèi)側(cè)與外側(cè)兩種焊接規(guī)范之間的焊接殘余應(yīng)力幅值差異可忽略,對于從葉片兩端向中間分段焊接,則需后續(xù)的仿真分析。

2.2 兩端向中央分段焊接

從葉片兩端向中間焊接,便是將單道焊縫分成兩次相反方向的焊道,分段焊接完成。此處先焊葉片外沿的半段焊道,隨后焊接葉片內(nèi)沿半段焊道。有限元仿真的等效應(yīng)力分布如圖6所示,其中圖6a為外側(cè)分段單面焊,圖6b為內(nèi)側(cè)分段單面焊。

圖5 焊后局部等效應(yīng)力分布

圖6 分段焊接等效應(yīng)力分布

將圖6a與圖6b分別與圖5b和圖5c中的焊接殘余應(yīng)力分布相比較。對于外側(cè)單面焊,圖6a中分段焊的第二段焊道的應(yīng)力分布與圖5b中相同位置的應(yīng)力分布差別較大,存在塑性變形區(qū)的面積更大；對于內(nèi)側(cè)單面焊也有類似的結(jié)果,只是塑性變形區(qū)略小于外側(cè)單面焊。

總的來說,所有焊道收弧位置的焊接應(yīng)力都會形成較明顯的塑性變形區(qū)域。只是分段焊接的收弧點位于焊道中間,由于焊接第二段時,隨著焊接的繼續(xù),結(jié)構(gòu)的拘束度隨之增加,造成焊接殘余應(yīng)力增加的后果。

雖然分段焊接會造成焊接殘余應(yīng)力峰值增加的不利結(jié)果,但是峰值應(yīng)力分布在焊道中間部分,其結(jié)構(gòu)幾何連續(xù),對于承受工作載荷有利。

3 焊接缺陷的影響

采用5183焊絲MIG焊接6001-T6鋁合金板材時,焊接缺陷主要有焊根未焊透和焊接熱裂紋及氣孔缺陷[10],其中氣孔的數(shù)目較少,且對承載能力的影響較小[11],故而此處忽略氣孔的作用。另外,焊接應(yīng)力的峰值往往達到屈服強度,文中仿真所采用的本構(gòu)模型并未包含加工硬化部分,所以將工作應(yīng)力與焊接應(yīng)力疊加之后的峰值應(yīng)力總是等于屈服強度,而此處僅為定性分析,無需獲知應(yīng)力疊加之后的準確取值,因此僅采用工作應(yīng)力檢驗焊接缺陷對于葉片內(nèi)外側(cè)焊道選擇的差異。

3.1 焊根未焊透

分別研究葉片內(nèi)外兩側(cè)焊道的根部未焊透對葉片承受工作載荷的差異,以此選定對焊根未焊透缺陷比較不敏感的焊道。

經(jīng)過計算工作載荷以離心力為主,對于單個葉片,其值為2 433.6 N,主要作用在葉片外沿,因此設(shè)定葉片外沿處焊道存在焊根未焊透缺陷,即葉片與蓋板接觸部位靠近蓋板外側(cè)一段長度,其單元節(jié)點設(shè)置為重復(fù)節(jié)點模式,長度為20 mm,分別計算離心力載荷下,外側(cè)焊道與內(nèi)側(cè)焊道的應(yīng)力分布及峰值應(yīng)力幅值,分別對應(yīng)圖7a與圖7b。

含缺陷的模型承受離心力時,葉片外側(cè)焊道與內(nèi)側(cè)焊道的應(yīng)力分布有較大差異。對于外側(cè)焊道,應(yīng)力的峰值主要集中在葉片外側(cè),以焊道處應(yīng)力最為集中,并且越靠近葉片外沿,應(yīng)力幅值越大,在焊道最外側(cè)達到極值,其值為206.2 MPa；對于內(nèi)側(cè)焊道,焊道處的應(yīng)力分布同樣是最為集中,也在焊道最外側(cè)達到極值,只是峰值應(yīng)力僅為115.8 MPa,與外側(cè)焊道相比,有明顯的降低。需要說明的是,此處的應(yīng)力類似于缺口應(yīng)力,取值與網(wǎng)格密度有很大關(guān)聯(lián),文中采用相同的網(wǎng)格模型,對焊道不同所獲得結(jié)果的差異,才有比較的價值。

圖7 未焊透缺陷的等效應(yīng)力分布

以上結(jié)果說明,對于焊根未焊透缺陷,葉片內(nèi)側(cè)焊道相對于外側(cè)焊道具有較好的適應(yīng)性與服役可靠性。另外試驗測試時,發(fā)現(xiàn)在焊道的初始一段距離(大約為30～40 mm),鋁合金MIG焊接時的熔透性不良,容易引起未焊透缺陷。

3.2 焊接熱裂紋

鋁合金的焊接熱裂紋缺陷比較常見,而對于6061-T6鋁合金,其焊接工藝性較好,較少出現(xiàn)焊接熱裂紋缺陷,此處對比考察葉片內(nèi)側(cè)與外側(cè)焊道,承受工作載荷時,如果出現(xiàn)了熱裂紋,選擇影響較小的焊道。

工作載荷以離心力為主,主要作用在葉片外沿,在葉片外沿處焊道設(shè)置裂紋缺陷,裂紋位于焊道中心,裂紋面平行于焊道方向,為表面裂紋,裂紋長度為20 mm,深度為2.8 mm,即裂紋橫穿整個焊道橫向截面,裂紋面單元節(jié)點設(shè)置為重復(fù)節(jié)點模式,分別計算離心力載荷下,外側(cè)焊道與內(nèi)側(cè)焊道的應(yīng)力分布及峰值應(yīng)力幅值,如圖8所示。

對于外側(cè)單面焊,如圖8a所示,其應(yīng)力峰值位于葉片外沿,而不在焊縫裂紋附近,裂紋周圍最大應(yīng)力為73.3 MPa；對于內(nèi)側(cè)單面焊(圖8b),其峰值應(yīng)力分別位于葉片外沿與裂紋尖端附近,裂紋周圍最大應(yīng)力為78.1 MPa,略大于外側(cè)焊縫的應(yīng)力。

圖8 裂尖周圍應(yīng)力及位移分布

上述結(jié)果說明,在熱裂紋的影響下,外側(cè)單面焊比內(nèi)側(cè)單面焊略有承載優(yōu)勢,兩者相差不大。

4 葉片焊接工藝的優(yōu)化

焊道的優(yōu)化需要綜合考慮焊接缺陷與焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)承載能力的影響,其中焊接缺陷包括焊根未焊透和焊接熱裂紋兩種,焊接應(yīng)力則需注意起弧與收弧位置的選擇。

4.1 焊道的局部優(yōu)化

為了降低焊后矯形的難度,同時保證焊道處無氣流滲漏,選擇單道滿焊。另外考慮到焊接缺陷的影響,內(nèi)側(cè)單面焊的可靠性要優(yōu)于外側(cè)單面焊,由此選定葉片的主要焊接方式為內(nèi)側(cè)單面滿焊。

考慮到葉輪結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)位置在葉片兩端,而工作載荷主要作用的位置又位于葉片外端,因此對葉片外端的焊道進行了局部優(yōu)化,如圖9所示。

初始的焊道設(shè)置如圖9a所示,葉輪外側(cè)與葉片外側(cè)重合,在葉輪外側(cè)焊道的端部起弧,焊道外端具有幾何不連續(xù)性,與葉輪葉片的幾何不連續(xù)位置重合,同時也是工作載荷的主要作用區(qū)域,另外,焊道起始端有30～40 mm的未焊透區(qū)域,因此該處為整個葉輪服役的危險點,需要進行焊道優(yōu)化。

圖9 葉片焊道的改進方案

焊道外側(cè)端部優(yōu)化結(jié)果如圖9b和圖9c所示,對葉片外沿的上下兩個拐角區(qū)域進行改良。首先在葉片靠近焊道的區(qū)域設(shè)置半徑為6 mm的半圓形豁口,將工作載荷作用下,應(yīng)力集中的位置從焊道轉(zhuǎn)移至旁邊的圓弧內(nèi)側(cè),降低焊道承載的應(yīng)力峰值。

將焊道的起弧點設(shè)置在葉片外側(cè)距外沿40 mm處,如圖7c所示,焊槍行走到葉片外沿位置時不能熄弧,需要繼續(xù)拐彎至葉片內(nèi)側(cè),繼續(xù)焊接葉片內(nèi)側(cè)焊道。為了保證焊槍順利拐彎,將葉片在豁口外側(cè)位置向內(nèi)縮短10 mm,對于葉片內(nèi)沿的焊道端部,即圖9b中焊道的左側(cè)端部,由于其不是工作載荷的主要作用區(qū)域,便無需開豁口。

4.2 焊道的整體布局

考慮到焊接應(yīng)力的分布特點,即收弧點附近的應(yīng)力最大,將單道直焊改成從兩側(cè)向中間分段焊接。所有焊道分成兩類,其一從葉片外側(cè)距離葉片端部40mm處起弧,從葉片端部拐向葉片內(nèi)側(cè)焊道,如圖10所示；其二,蓋板內(nèi)沿與葉片交點位置的焊道端部,圖9b中左上角的焊道區(qū)域,此處焊道無法拐彎,僅采用雙面焊的方式,以保證焊道起始端的葉片熔透,不發(fā)生焊根未焊透的焊接缺陷。

圖10 葉輪焊接順序的整體布局

為了防止焊接變形導(dǎo)致葉片無法裝配,需要預(yù)先將葉片點焊固定在風(fēng)機的蓋板與底板之間的相應(yīng)位置,為了防止先焊焊道的收縮效應(yīng)累積,導(dǎo)致點焊的焊縫撕裂,使用對稱的焊接順序設(shè)置,盡量使焊道收縮變形均勻,葉片的焊接順序如圖10所示,依次是I-IIIII-IV-V-VI,每個葉片的上下兩側(cè)共兩條焊道,按照先少后多、先外后內(nèi)的原則,首先焊接蓋板與葉片連接靠近外沿的半個焊道,然后焊蓋板與葉片連接靠近軸線的半個焊道,最后焊接底板與葉片連接的焊道。

5 結(jié)論

(1)分析了焊接方向及焊接順序?qū)θ~輪焊接殘余應(yīng)力的影響,證明了收弧區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)。

(2)對比分析了葉片內(nèi)側(cè)與外側(cè)焊道的焊根未焊透缺陷對承載工作載荷的影響,確定了內(nèi)側(cè)焊道比外側(cè)焊道有更好的服役可靠性。

(3)分別計算了葉片內(nèi)側(cè)與外側(cè)焊道的焊接熱裂紋缺陷對承載工作載荷的影響,證明外側(cè)焊道承載能力比內(nèi)側(cè)焊道略強,但差別不大。

(4)給出了優(yōu)化之后的焊道規(guī)范,在葉片外沿的局部進行了改進,焊接方向與順序均按照降低應(yīng)力集中和增加服役壽命的目的進行改良。