焊接殘余應(yīng)力引起銑削加工變形的研究

朱偉軍，盧文壯，劉楊，董平和，楊波，左敦穩(wěn)

（1.南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京210016;2.75160部隊，廣西 桂林 541005）

0 引言

工件在焊接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在機械加工過程中會釋放和重新分布，這對車架的變形產(chǎn)生直接影響。由于殘余應(yīng)力的復(fù)雜性，以及對其預(yù)測和消除技術(shù)的可控性難以把握，所以一直以來沒有受到更多的關(guān)注和研究。綜合國內(nèi)外相關(guān)資料可以看出，影響銑削加工變形的主要因素有三種:工件初始殘余應(yīng)力的存在，銑削力和銑削熱載荷的影響以及加工過程中裝夾力的作用［1-2］。銑削加工變形方面雖已有了初步的成果，但是由于工件焊接結(jié)束之后殘余應(yīng)力的重新分布規(guī)律難以把握，所以工件焊接殘余應(yīng)力對銑削加工的影響有待進一步研究之中［3］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以重型運輸車車架試驗件為研究對象，采用單因素研究方法，僅僅考慮焊接殘余應(yīng)力對銑削加工的影響，應(yīng)用ANSYS有限元分析方法初步嘗試研究焊接殘余應(yīng)力對銑削加工殘余應(yīng)力重新分布和變形規(guī)律，有利于對銑削加工變形進行預(yù)測和相應(yīng)的控制，為實際工程應(yīng)用提供有效的理論指導(dǎo)作用。

1 銑削加工有限元分析

1.1 有限元模型的分析

在對試驗件銑削加工變形的有限元分析過程中，需建立正確有效的有限元模型，建立模型的原則應(yīng)能反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、邊界條件和加載方式［4-5］。試驗件由三塊厚度為6 mm的鋼板搭接焊成，研究中焊接試驗件的結(jié)構(gòu)和材料參考重型運輸車車架來選擇，如圖1（a），（b），（c）所示，焊接試驗件材料和板厚與重型運輸車車架一致，焊接長度為400 mm。依據(jù)以上原則，在ANSYS中建立的有限元模型如圖1（d）所示，從中可以看出，中間體的劃分部分為銑削框槽，焊道編號為1、2、3、4。

圖1 試驗件示意圖及有限元模型

1.2 焊接殘余應(yīng)力的獲取與施加

焊接殘余應(yīng)力的影響因素很多，本文主要考慮了焊接功率、焊接速度和焊接順序三個不同的因素，并且取不同水平進行焊接模擬，其中焊接功率P取4 kW，4.5 kW，焊接速度v選擇28 cm/min，32 cm/min，焊接順序分別選取1 －2 －3－4、2－3－1－4、3－4－1－2，通過多因素組合的方式進行有限元數(shù)值模擬，獲得焊接殘余應(yīng)力分布均勻且最小的一組作為初始殘余應(yīng)力施加到銑削加工有限元模型進行數(shù)值模擬。

圖2和圖3分別顯示了在不同焊接順序和不同工藝參數(shù)下的焊接殘余應(yīng)力分布曲線，比較圖2（a）各圖可以看出，在焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min的工藝參數(shù)下，焊接順序為2－3－1－4時所獲得的焊接殘余應(yīng)力最小，最大值為175 MPa左右;比較圖2（b）各條分布曲線可以看出，在焊接功率為4.5 kW，焊接速度為32 cm/min的工藝參數(shù)下，焊接順序為2－3－1－4時焊接殘余應(yīng)力值最小，其最大值為200 MPa左右;由此可知，在焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min，焊接順序為2－3－1－4的條件下焊接可得到較小的焊接殘余應(yīng)力。比較圖3（a）中各條殘余應(yīng)力曲線可以看出，在焊接速度為28 cm/min，焊接順序為2－3－1－4，焊接功率為4.5 kW時可獲得的焊接殘余應(yīng)力最大值大約為260 MPa，遠大于焊接功率為4 kW時焊接殘余應(yīng)力;比較圖3（b）中各條殘余應(yīng)力曲線可知，焊接速度為32 cm/min，焊接順序為2－3－1－4，焊接功率為4.5 kW時的焊接殘余應(yīng)力較小，最大值為240 MPa左右;比較圖3（a）和（b）可得，選擇焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min，焊接順序為2－3－1－4的條件下焊接獲得的焊接殘余應(yīng)力值最小，與圖2總結(jié)的結(jié)果具有一致性，且在該焊接殘余應(yīng)力下產(chǎn)生的焊接變形較小。因此，在研究焊接殘余應(yīng)力引起銑削加工變形時，將焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min，焊接順序為2－3－1－4的條件下產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力作用到銑削加工模型進行有限元數(shù)值模擬。

圖3 焊接順序為2－3－1－4下的殘余應(yīng)力

2 結(jié)果分析

2.1 焊接殘余應(yīng)力釋放和重新分布

本文取上翼板距離焊縫邊緣10 mm平行于焊縫方向（A－B路徑），上翼板垂直于焊縫方向距離銑削框槽左側(cè)10 mm（C－D路徑）的幾條路徑對該車架試驗件的縱向和橫向殘余應(yīng)力進行分析。

從圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）中可以看出，在銑削加工的過程中平行于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)拉應(yīng)力，并且兩端的拉應(yīng)力值較小中間較大。如果沒有對車架進行銑削加工而僅僅研究焊接殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，縱向殘余應(yīng)力在中間位置應(yīng)呈現(xiàn)出很大的殘余拉應(yīng)力，且由于焊接熱源在中間位置基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以該處的殘余應(yīng)力應(yīng)是平滑的過渡。但是在銑削框槽附近拉應(yīng)力表現(xiàn)出減小的趨勢，主要原因可能是在銑削的過程中產(chǎn)生了一定壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力對稱釋放造成的。橫向殘余應(yīng)力在兩端處呈現(xiàn)出一定的壓應(yīng)力，這是焊接熱源作用的結(jié)果，銑削加工對其基本沒有影響，中間位置處表現(xiàn)出較小的拉應(yīng)力，且在框槽的左側(cè)橫向殘余應(yīng)力有增大的趨勢，右側(cè)則呈現(xiàn)減小的趨勢，可見銑削加工對橫向殘余應(yīng)力的影響變的相對復(fù)雜，這主要是因為在銑削加工過程中焊接殘余應(yīng)力的釋放和重新分布的規(guī)律不確定性造成的。銑削加工后縱向和橫向殘余應(yīng)力雖都有減小，但是縱向殘余應(yīng)力仍然遠遠大于橫向殘余應(yīng)力。

圖6 180×120銑削框槽殘余應(yīng)力曲線

從圖4（b）、圖5（b）和圖6（b）中可以得知，垂直于焊縫方向上縱向和橫向殘余應(yīng)力變化趨勢基本相同，都是迅速減小然后再緩慢變化的過程?？v向殘余應(yīng)力在起始端表現(xiàn)出很大的殘余拉應(yīng)力值，迅速減小后呈現(xiàn)出很小的穩(wěn)定的殘余拉應(yīng)力，而橫向殘余拉應(yīng)力值則較小，且逐漸過渡到殘余壓應(yīng)力。還可以看出縱向殘余應(yīng)力明顯大于橫向殘余應(yīng)力，這主要原因是焊接熱源的移動對縱向殘余應(yīng)力的影響較大，銑削加工雖然使殘余應(yīng)力釋放和重新分布，但對縱向和橫向殘余應(yīng)力都有所改變，因此銑削加工后的變化趨勢與焊接殘余應(yīng)力的變化趨勢基本相似，但是拉應(yīng)力值明顯減小，壓應(yīng)力值有所增大。從圖4～圖6中還可以看出，隨著銑削框槽尺寸的增大，平行于焊縫方向的縱向殘余拉應(yīng)力值逐漸減小，橫向殘余拉應(yīng)力值也逐漸減小，但是壓應(yīng)力值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;垂直于焊縫方向的縱向殘余拉應(yīng)力值逐漸減小，而殘余壓應(yīng)力值逐漸增大，橫向殘余拉應(yīng)力逐漸增大，殘余壓應(yīng)力先增加后減小。由此可見，焊接重型運輸車車架試驗件銑削加工后殘余應(yīng)力的規(guī)律是非常復(fù)雜的，不是一個簡單的增大減小的過程。

2.2 焊接殘余應(yīng)力引起銑削變形

圖7，圖8是焊接重型運輸車車架試驗件不同尺寸銑削框槽變形云圖。從圖中可以看出，焊接殘余應(yīng)力的釋放和重新分布導(dǎo)致x向和y向的變形量均呈現(xiàn)對稱分布，且y方向的變形量比較大，x向變形量相對較小。而銑削加工對x方向變形影響較大，對于x方向，變形量在焊接區(qū)域全為負值，框槽附近區(qū)域負值表現(xiàn)的更加明顯，其他區(qū)域過渡為正值，體現(xiàn)為兩端翹起，中間內(nèi)凹。隨著銑削框槽尺寸的增加，x向變形量最大值逐漸減小，并且銑削框槽附近以及焊接區(qū)域的變形量也逐漸減小。

圖8 銑削框槽y方向變形

對于y方向的變形量，上翼板整個出現(xiàn)正值，但是比較小，呈現(xiàn)出上拱的現(xiàn)象，而下翼板的變形量呈現(xiàn)負值，表現(xiàn)為向下拱的現(xiàn)象，由于距離銑削框槽較遠而影響較小，變形的結(jié)果主要是焊接殘余應(yīng)力分布不均勻?qū)е碌?且隨著銑削框槽尺寸的增大，上拱的變形量逐漸減小，下拱的變形量逐漸增大，這主要是由于殘余應(yīng)力的分布不均勻造成變形量分布的復(fù)雜性。

圖9是不同尺寸銑削加工x向（厚度方向）的變形模擬曲線圖，在模擬過程中取上翼板距離焊縫邊緣5 mm（路徑A－B）和下翼板距離焊縫邊緣5 mm（路徑C－D）且間隔為20 mm的各個節(jié)點作為模擬點，研究銑削加工后x向的變形規(guī)律。

圖9 不同銑削框槽加工變形模擬曲線

從圖9中可以看出，銑削變形呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，兩端變形量為正值，中間變形量為負值，即表現(xiàn)為兩端翹起中間內(nèi)凹的現(xiàn)象。隨著銑削框槽尺寸的增大，兩端的變形量的正值有所減小，中間銑削框槽附近變形量的值也逐漸減小;還可以看出，后焊接區(qū)域變形量大于起始焊接區(qū)域，上翼板變形量大于下翼板變形量，與前面變形云圖分析基本相同，變形量變化規(guī)律與應(yīng)力變化規(guī)律相吻合?？赡茉蚴呛附託堄鄳?yīng)力在銑削加工過程中釋放和重新分布隨著銑削框槽尺寸的增大而表現(xiàn)出規(guī)律的變化趨勢，最終導(dǎo)致變形量逐漸減小。

3 小結(jié)

1）建立了焊接試驗件銑削加工的有限元模型，模擬了不同焊接工藝參數(shù)下的焊接殘余應(yīng)力分布情況，獲得了最小焊接殘余應(yīng)力，提取該最小焊接殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力施加到模型中，進行銑削加工數(shù)值模擬。

2）運用ANSYS模擬了銑削加工殘余應(yīng)力重新分布的變化規(guī)律。結(jié)果表明:銑削加工后的車架兩端縱向和橫向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，而焊縫區(qū)域則表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力;隨著銑削框槽尺寸的增加，縱向殘余應(yīng)力變化幅度很大，橫向殘余應(yīng)力變化小，縱向殘余拉應(yīng)力降低，殘余壓應(yīng)力升高，橫向殘余拉應(yīng)力升高，殘余壓應(yīng)力降低?？梢?，銑削加工對縱向殘余應(yīng)力影響較大，對橫向殘余應(yīng)力影響較小。

3）運用ANSYS模擬了殘余應(yīng)力的變化引起焊接試驗件變形規(guī)律。結(jié)果表明:銑削加工后整個車架在x方向呈現(xiàn)兩端翹起，中間內(nèi)凹的現(xiàn)象;隨著銑削框槽尺寸的增加，x方向上變形量的最大值逐漸減小，并且框槽附近變形量亦減小。y方向呈現(xiàn)出上翼板上拱，下翼板下拱的現(xiàn)象，且隨著銑削框槽尺寸的增大，上拱量減小，下拱量增大。

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