基于有限元方法的壓縮機(jī)氣缸焊接變形分析

任麗萍，胡余生，孔令超，徐 嘉

(國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海519070)

1 引言

隨著旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)發(fā)展的不斷成熟，行業(yè)內(nèi)對傳統(tǒng)壓縮機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，尤其是對各種工藝的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，成為行業(yè)中各廠家的發(fā)展重點方向。焊接是壓縮機(jī)部件連接中最主要的方式，因此設(shè)法解決焊接帶來的各種缺陷一直是行業(yè)內(nèi)的研究重點。

在產(chǎn)品開發(fā)中，焊接工藝對產(chǎn)品變形導(dǎo)致的質(zhì)量問題一直存在，并備受大家的關(guān)注，但如何去分析和改善這些問題，一直困擾著產(chǎn)品開發(fā)人員，又因壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，是一個封閉容器，同時壓縮機(jī)零件精度和裝配精度又很高，要通過一些試驗手段來摸清焊接對焊件變形的影響比較困難，往往因為測試拆分壓縮機(jī)帶來較大的誤差，所以要得到一組準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)難度很大，因此建立一套可直觀描述焊接變形的分析方法意義重大。

旋轉(zhuǎn)式變頻壓縮機(jī)中泵體通過焊接方式固定在殼體上。因被焊件氣缸是泵體組件中關(guān)鍵零件，氣缸焊接后易出現(xiàn)氣缸內(nèi)圓變形、滑片槽變形，甚至影響到整個泵體軸向的偏移 (如圖1)，如此易造成關(guān)鍵尺寸的公差超過設(shè)計公差，定子和轉(zhuǎn)子間隙不良，從而使壓縮機(jī)機(jī)械損失大，振動噪聲異常，性能降低等系列問題，以致威脅到整機(jī)的可靠性。

焊接變形除由焊接本身的產(chǎn)熱及焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生之外，與被焊件的結(jié)構(gòu)特點也有密切關(guān)系，尤其是焊點周邊氣缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式對氣缸內(nèi)圓和滑片槽的變形量影響較大。本文重點介紹了一種基于雙橢球移動熱源的熱彈塑性有限元分析方法，通過該方法，可得到焊接件在焊接過程中的應(yīng)力場、溫度場及變形情況，使產(chǎn)品焊接過程和焊后結(jié)果可視化，并展示了應(yīng)用該方法進(jìn)行焊接件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的改善結(jié)果。

圖1 軸偏轉(zhuǎn)示意圖

2 熱彈塑性有限元分析方法

將要介紹的雙橢球移動熱源的熱彈塑性有限元分析方法，可以指導(dǎo)氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少裝機(jī)驗證次數(shù)，縮短開發(fā)周期，大大節(jié)約成本。

2.1 建模

模型選用氣缸和厚度為3mm的殼體。為提高計算速度，減少單元數(shù)量，將模型進(jìn)行了一些簡化，殼體關(guān)于焊點布置面對稱，高度為64mm。計算過程包括起弧、焊接、收弧、在焊機(jī)上冷卻、在空氣中冷卻幾個過程。焊接工藝:焊接電壓26V，焊接電流230A，起弧時間0.3s，焊接時間1.1s，收弧時間0.3s，第一次冷卻時間50s，最終冷卻時間150s。

氣缸采用10節(jié)點的四面體單元，焊點和殼體采用六面體單元。

2.2 材料屬性

因焊接過程中材料受焊接熱的影響會達(dá)到一個很高的溫度，局部最高甚至達(dá)到1400℃以上的高溫，基本處于熔融狀態(tài)，所以材料性能參數(shù)變化較大，尤其是接近焊料附近的母料。因此這里的材料屬性中楊氏模量、屈服應(yīng)力、熱導(dǎo)率、比熱等參數(shù)設(shè)置是隨溫度變化的曲線，如圖2和3。密度、泊松比、熱膨脹系數(shù)等采用常數(shù)。

圖2 楊氏模量和屈服強(qiáng)度變化曲線

圖3 熱導(dǎo)率和比熱容變化曲線

2.3 定義邊界約束

這里邊界定義包括熱力兩種邊界條件，邊界條件的設(shè)置基本與實際焊接過程的涉及工裝定位和環(huán)境條件設(shè)置一致，其包括三個階段:焊接時是一種邊界條件，第一階段冷卻時采用一種邊界條件，最終冷卻時采用另一種邊界條件。

2.4 定義接觸體

焊點與殼體和氣缸在焊接過程中存在熱傳導(dǎo)和約束作用，所以它們之間存在互相作用的影響，所以這里應(yīng)將焊點與殼體和氣缸分別定義為粘接。

2.5 載荷

載荷采用雙橢球移動熱源，對橢球熱源進(jìn)行定義，給定熱輸入和移動速度等參數(shù)。如圖4為雙橢球熱源示意圖。

2.6 結(jié)果分析

焊接變形分析中，最關(guān)心的是被焊件氣缸內(nèi)圓和滑片槽的變形大小，所以針對計算結(jié)果提取氣缸內(nèi)圓和滑片槽的變形數(shù)據(jù)，以便于與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

圖4 雙橢球熱源示意圖

圖5 溫度云紋圖

圖6 氣缸變形圖

1)氣缸焊點部分溫度最大達(dá)到1000℃以上，如圖5;

2)氣缸測點 (焊點上方)溫度達(dá)到141℃;

3)氣缸內(nèi)圓變形呈橢圓形如圖6，其中虛線表示變形后輪廓線，實現(xiàn)為原模型輪廓線，;

4)氣缸滑片槽變形趨勢為變窄如圖6。

3 試驗

3.1 氣缸內(nèi)徑和滑片槽測試變形量測試

1)焊接前將氣缸內(nèi)圓和滑片槽進(jìn)行標(biāo)記;

2)對氣缸內(nèi)圓和滑片槽的標(biāo)記點進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù);

圖7 溫度變化曲線

圖8 氣缸內(nèi)圓測點變形

3)按工藝要求進(jìn)行焊接，測量過程中監(jiān)測兩焊點上方的溫度變化，平均溫度變化曲線如圖7。

4)待被焊件冷卻后，測量氣缸內(nèi)圓度，對焊后氣缸內(nèi)圓和滑片槽的標(biāo)記點進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)。

5)氣缸內(nèi)圓和滑片槽變形數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)分析及討論

1)兩測點的平均溫度曲線如圖7，最大值為125℃，與仿真結(jié)果的溫度值141℃對比，可知誤差在12.8%;

2)實測圓度情況和仿真計算內(nèi)圓變形有很大的相似度;

3)氣缸內(nèi)圓變形5個測點的計算和仿真值見圖8，可知最大誤差為13.3%;

4)氣缸滑片槽變形5個測點的計算和仿真值如圖9，可知最大誤差為18.1%。

由此可得，該熱彈塑性有限元計算方法誤差在20%以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性，有一定的工程應(yīng)用價值。

4 應(yīng)用

根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)所要求，針對A型號產(chǎn)品性能優(yōu)化的要求，對A型號氣缸進(jìn)行了焊接變形結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，并提出了一個優(yōu)化方案如圖11。優(yōu)化通過保證氣缸裝配及加工工藝等要求，調(diào)整焊點周圍結(jié)構(gòu)形式，從而改善焊接熱傳遞路徑，使三個焊點熱影響更均勻，最終減弱殘余應(yīng)力帶來的影響，減少焊接帶來的變形。

圖9 氣缸滑片槽測點變形

圖10 原氣缸圖

圖11 優(yōu)化后氣缸圖

A型號原氣缸焊接帶來的內(nèi)圓最大變形達(dá)5.27um，滑片槽最大變形達(dá)3.74um;優(yōu)化后氣缸焊接帶來的內(nèi)圓最大變形僅2.95um，滑片槽最大變形僅2.44um。由此可知，氣缸內(nèi)圓變形改善程度高達(dá)44%，滑片變形改善程度可達(dá)34.8%。通過性能測試分析發(fā)現(xiàn)，A型號壓縮機(jī)性能由原來的5.43提高到5.53，提升幅度1.8%。原氣缸和優(yōu)化后氣缸的剛度分析結(jié)果顯示，優(yōu)化后氣缸剛度也有較大幅度提高。A型號優(yōu)化后氣缸目前已大批量投入使用。

5 結(jié)論

本文通過CAE仿真中的熱彈塑性有限元計算方法和實驗相結(jié)合的思路，建立一種評估焊接變形的熱力耦合分析手段，并得到了以下結(jié)論:

1)該熱彈塑性有限元計算方法變形誤差可控制在20%;

2)該熱彈塑性有限元計算方法溫度場誤差可控制在15%;

3)氣缸內(nèi)圓和滑片槽變形趨勢也有較高的相似度;

4)通過試驗與仿真結(jié)果對比，確定焊接變形仿真分析方法的正確性，為后續(xù)氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化和方案篩選提供了理論參考依據(jù)和模擬分析方法;

5)該方法已在壓縮機(jī)開發(fā)上進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果較明顯。

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