中厚板多层多道焊优化技术研究范文

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《焊接技术杂志》2016年第三期

摘要：

大型结构件中厚板的焊接，结构复杂，焊道层数多。进行焊道优化，降低结构件的数值模拟计算量，是该领域研究的关键技术之一。利用MARC软件对中厚板多层多道焊焊接过程进行模拟，为提高工程计算效率，对多层多道焊进行简化，经分析得到了中厚板多层多道焊时取样点的变形计算结果与试验结果吻合较好。结果表明，兼顾计算效率和模拟实际工程的可行性，焊道优化模拟在大型结构件的焊接中是十分必要而且可实现的。

关键词：

多层多道焊；中厚板；焊道优化；数值模拟

中厚板焊接是工程机械领域的一个核心技术工艺。焊接质量的好坏不仅影响后序机加工、装配的精度、工件的使用性能，还影响工程机械产品的使用寿命和可靠性［1］。因此，工程机械制造领域中，应用了多种方法来保证焊缝质量，且会在焊后对焊缝进行全面检测。由于结构件体积庞大，焊接工艺繁杂多变，焊接过程控制困难，目前常用的焊缝质量保证手段往往既费时又费力。随着焊接数值模拟技术日新月异，其在工程机械领域的应用成为必然趋势。然而实际模拟中厚板多层多道焊，前处理工程巨大，后处理计算量大，降低结构件数值模拟计算量、提高计算效率是该领域研究的关键技术之一［2］。结构件尺寸较大，结构复杂，采用多层多道焊模拟实际工况，造成有限元建模网格数在百万级别，无论是从硬件还是软件简化参数设置，都需要数月才能获得分析结果，这在工程实际应用中是不能接受的。壳单元能有效减少计算量，但精度无法保证。鉴于此，笔者提出对中厚板焊道进行等效简化［3］（以下称焊道优化技术），即采用等效的方法近似模拟实际结构件变形。该技术曾用等效热源方式来解决，但并未在大型结构件的模拟中推广应用［4］。在此借助MARC软件，采用双椭球热源模型，考虑焊缝的实际形状，将3层6道焊缝分别处理为2层3道焊和单层单道焊，得到了不同板厚T形焊的熔池热源形貌，将所得结果与实际测量数据对比分析，验证有限元计算的有效性，为进一步研究大型结构件数值模拟提供参考。

1有限元模型建立

大型结构件的分析，限于计算机水平以及实际生产应用，分析应有侧重点，在此对关键位置进行分析。试验截取大型结构件典型T形接头，模拟结构件自由状态下焊接。焊接试样几何尺寸如图1所示。

1．1焊接工艺参数试件材料为Q690D钢，采用CO2气体保护焊方法焊接，焊丝采用SLD－70，钢板开45°坡口，焊接工艺参数见表1。

1．2网格模型建立分别对单层、双层、3层T形接头焊接模型进行网格划分。为有效控制网格数量，减小计算量，网格划分原则按照近焊道网格密，远离焊道位置疏，中间采用过渡网格过渡，获得网格模型如图2所示。

1．3热源模型焊接热源具有不均匀性，稳弧之后呈现局部集中、瞬时等特点，忽略实际焊接中焊接路径、填充量、焊接速度等因素，建立恰当反映实际焊接的热源模型。双椭球热源充分考虑了焊接过程中热源前端温度陡变、后端温度变化比较慢的特点，适合于CO2焊接的热源形式［4］。通过线切割、打磨焊接试样，获得热源熔池形貌，并分别对其焊高、熔宽、熔深及热影响区进行测量，获得其热源参数，并据此对网格模型进行校准，判断其热影响区网格的疏密是否满足计算精度要求。由于无法准确测量每条焊缝的截面尺寸，因而需要修正每条焊缝的热源形状参数。热源加载方式分为功率和温度加载。在焊接时，采用功率加载时，焊接工艺参数匹配与熔池形貌尺寸存在差异性，且会造成效率降低。采用温度加载方式，在引弧和熄弧处未达到稳弧，温度不稳定。在此采用功率加载方式，功率系数取0．8。测试计算模型，反复调整每条焊缝的双椭球热源形状的参数，使获得单层、双层、3层焊接头熔合线与实际T形接头的熔合线一致［6］，如图3所示。同时相应调整功率，使熔合线温度在熔点附近［1］，参数见表2。为与实际相接近，热电偶对稳弧后的熔池温度进行测量。无纸记录仪实时记录数据，并绘制温度随时间变化曲线。通过多次焊接测量试验，获得加载温度。试验多次获得焊接热循环曲线，如图4所示。

1．4边界条件边界条件主要考虑两个方面：热交换与拘束情况。热交换主要是考虑热辐射和对流方式。在模拟过程中采用等效散热系数进行计算。对拘束条件而言，考虑到现场焊接无工装夹具，因此只对其整体位移较小处进行约束。假设3个方向均采用零位移约束，限制模型的刚体位移，但约束过大。相比较三点约束［7］而言，其模型分析过程中，总会出现一个点位移为0，与实际情况不符，影响局部模型的计算结果。为模拟其自由焊接工况，在此采用以下力学边界条件：宽度方向在对称面下表面选择2个节点，用来限制y向位移，而不影响纵向收缩变形；通过焊缝背面沿焊缝长度方向节点来限制z向位移，而不影响横向收缩。

2仿真结果与试验结果

2．1焊接变形模拟结果与分析在此在相同的约束条件下，通过模拟不同焊道层数模型的焊接过程，研究分析立板和底板的变形量随距离变化情况［8］。（1）沿焊接方向x轴负方向，提取底板AB点之间z方向焊接变形量与测量结果进行对比分析，获得单层、双层、3层焊接模拟结果与实测结果对比曲线，如图5所示。由图5可知，从整体变化趋势来看z方向的变形量、模拟结果与实际焊接相吻合，引弧和熄弧处的焊接变形较大。与熄弧处相比，引弧处由于先焊，相当于增大了该处的刚度，同时其温度最先开始降低，因此引弧处的变形量会更大。单焊道变形量与实际结果偏差较大，误差率达44％；双层焊的误差率约15％；模拟3层焊与实际偏差控制在10％。同时，沿AB方向变形量小于模拟结果。由于测量时选取平面基准与数值模型中理论平面基准不同。实际测量的基准平面因为焊后变形和重力作用，与理论基准平面成负夹角。焊道简化后，焊接变形量明显增大，主要影响因素是焊接热源。实际焊接过程中，熔池在重力作用下流向开坡口一侧，使得开坡口一侧的热影响区大于坡口背面的热影响区。相对3层焊，焊道简化后的双椭球的横截面积在开坡口一侧要大，获得模拟结果偏大。（2）沿着焊接方向x轴负方向，提取底板CD点之间z方向焊接变形量与测量结果进行对比分析，获得对比结果曲线，如图6所示。由图6可知，在z方向的变形量最大位置发生在引弧和熄弧位置，同时起弧位置比收弧位置变形量大。整体变形趋势出现一定震荡，主要与数值结果均偏小有关。单焊道变形量与实际结果偏差较大，误差率为28％左右。双层焊与实际偏差为14％左右。3层焊与实际偏差为9％左右。因为其变形量比AB边变形量明显降低，其误差率对预测焊接变形及指导实际生产的意义不大。（3）沿着焊接方向x轴负方向，提取立板EF点之间y方向焊接变形量与测量结果进行对比分析，获得结果曲线，如图7所示。由图7可知，y方向上的整体变形量均较大，且变形趋势较为平缓，引弧和熄弧处的变形量相差仅为0．15mm。3层焊的变形量与实际偏差较小，误差率在8％左右，单焊道变形量与实际结果偏差较大，误差率达到32％。双层焊的误差率控制在14％左右。该位置的变形也是实际生产中重点关注的位置，通过采用合理工艺和参数的优化，有效控制其变形量是解决生产中问题的关键。同时，沿CD方向和EF方向变形量大于模拟结果。由于实际测量和模拟仿真选取基准不同。因焊后变形和重力作用，与理论基准平面成正夹角。焊道简化后，焊接变形量明显增大，主要影响因素是焊接热源。实际焊接过程中，熔池在重力作用下流向有坡口一侧，使得坡口一侧热影响区小于坡口背侧热影响区。相对于3层焊，焊道简化后的双椭球横截面积在开坡口一侧要小，获得的模拟结果偏小。综上所述，焊接变形最大的位置在立板自由边位置EF处，底板焊接变形最大的位置位于开坡口焊接一侧，变形量明显大于坡口朝向的背侧，在双层和3层焊接过程中，打底焊会预先给模型一个预制刚度，使整个构件向内部收缩，立板相对于底板，其约束较小，变形量较大。引弧位置的焊接变形大于收弧位置的焊接变形。3层焊仿真结果与实际焊接数值误差控制在10％以内。双层焊在变形量较大的位置处，变形误差率控制在15％以内。单道焊与实际焊接结果相差较大，不足以指导现场生产。

2．2焊接模拟计算时间分析在保证模拟实际焊接工况，并得到结果的基础上，分别获得单层、双层、3层焊模拟计算时间。考虑散热时间，单层焊的计算时间为19372．85s，双层焊计算时间为21553．3s，3层焊的计算时间为26830．86s。从提高计算效率来考虑，采用焊道优化技术后，双层焊节约1/5时间，单道焊节约1/4时间。兼顾计算精度，虽然单道焊计算效率很高，但与实际结果偏差较大。双层焊满足工程机械领域计算精度要求，而且节约了大量的分析时间。从理论上分析，采用焊道优化技术，在大型结构件上百条焊道模拟计算时，节约时间将达40％，对焊接模拟将带来重大实用价值，极大地提高了模拟效率，在焊接模拟领域具有重大的使用价值。

3结论

（1）建立了大型结构件多层多道焊接简化的数学模型，与工程机械现场生产环境相贴合，实现了大型结构件计算的可能性及有效性，为下一步优化工作做准备。（2）T形接头焊接变形最大的位置发生在带有坡口的立板自由边，未开坡口底板的焊接变形量相对较小，位于开坡口焊接一侧，变形量明显大于坡口背侧一边，在引弧处焊接变形量小于收弧处。（3）3层6道焊简化为2层3道焊，焊接变形量的误差能控制在15％内，在保证生产效率的同时，预测现场加工余量，指导现场大型结构件的焊接；单道焊的计算误差较大，不能预测焊接变形情况。（4）在工程机械领域，大型结构件的焊接模拟结果与实测结果相比，误差控制在20％以内就可认为满足现场焊接变形预测的要求，因此，中厚板的3道焊优化为2道焊进行焊接仿真是有效可行的。（5）在满足现场焊接变形量预测要求的基础上，从计算时间方面分析，采用焊道优化技术后，计算时间节约了20％。在应用大型结构件分析时，理论上计算时间将节约40％，这对焊接数值模拟仿真的推广应用具有重大意义。

参考文献：

［1］田锡唐．焊接结构［M］．北京：机械工业出版社，1982．

［2］蔡志鹏．大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用［D］．北京：清华大学，2001．

［3］陈建波，罗宇，龙哲．大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析［J］．焊接学报，2008，29（4）：69－72．

［4］董志波，魏艳红，刘仁培，等．不锈钢焊接温度场的三维数值模拟［J］．焊接学报，2004，2（25）：9－14．

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

［6］陈家权，肖顺湖，吴刚，等．焊接过程数值模拟热源模式的比较［J］．焊接技术，2006，35（1）：9－11．

［7］邓德安，清岛祥一．焊接顺序对厚板焊接残余应力分布的影响［J］．焊接学报，2011，32（12）：55－58．

［8］汤小红，王琳，陈玉玲，等．焊接层数对焊接残余应力和变形的影响［J］．焊接技术，2014，43（4）：5－8.

作者：房元斌 蹤雪梅 张华清 孙波 占小红 单位：江苏徐州工程机械研究院 徐工集团道路机械分公司 南京航空航天大学