焊接速度對茶機薄壁件焊接變形的影響研究

龐景權(quán)，蔣丹燕，汪健坤，王素芬，李志杰

（衢州學院 機械工程學院，浙江 衢州 324000）

焊接速度對茶機薄壁件焊接變形的影響研究

龐景權(quán)，蔣丹燕，汪健坤，王素芬，李志杰

（衢州學院 機械工程學院，浙江 衢州 324000）

在充分調(diào)研焊接工藝對茶機薄壁件焊接變形影響的基礎上，基于DEFORM有限元軟件分析了焊接熱源溫度場分布特征，研究了不同焊接速度對焊接溫度場和殘余應力的影響規(guī)律，確定了茶機薄壁件焊接的最佳條件。

焊接速度；溫度場；殘余應力；焊接變形；

在焊接茶機薄壁件的過程中，焊接變形是一個非常常見的問題。如炒干機、理條機、殺青機等茶葉加工機械在工作過程中會產(chǎn)生振動，薄壁件焊接變形導致受熱不均、碎茶等質(zhì)量問題，嚴重影響茶葉加工質(zhì)量。

在焊接過程中，為了提高焊接效率，往往提高焊接的速度。焊件的殘余變形量的大小是焊接速度來決定的。其最終影響到焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全和尺寸精度。本文通過DEFORM有限元模擬了焊接熱源的溫度場分布，對比分析了不同焊接速度對焊接溫度和殘余應力的影響規(guī)律，確定了減小茶機薄壁件焊接變形的條件。

1 焊接速度對焊接變形的影響

1.1 焊接速度對溫度場的影響

應用deform有限元模擬了焊接某時刻焊接熱源溫度場的分布如圖1所示，等溫線表現(xiàn)出橢圓形在焊接溫度場中，焊接熱源前方溫度梯度大；焊接熱源后方溫度梯度小。焊接熱源在變化移位的同時，焊接溫度場也會在短時間內(nèi)改變并且其最高溫度效果也跟著改變。

圖1 3.6s時刻的溫度場

通過分析數(shù)值的變化，將其做成曲線圖。焊接的速度取值分別為4mm/S、7mm/S和12mm/S。將焊件在這三個焊接速度下所達到最高溫度隨時間變化的動態(tài)過程制作成曲線圖，如圖2所示。從圖中可以看出，其達到最高溫度所用的時間都很短，盡管焊接剛開始時焊接速度都不盡相同。隨后焊接熔池快速凝固冷卻，溫度急劇下降，最后緩慢冷卻至室溫。

焊接速度不同，焊件所達到的最高溫度各不相同，當焊接速度越高時最高溫度反而變小，焊件所達到最高溫度的變化是受焊接速度影響的。當焊接速度達到4mm/s時，其所達到的最高溫度就是1280℃；溫度場的最大值變成1175℃時，此時的焊接速度是每秒7mm，圖2可看到，在溫度場的最大值是860℃時，其焊接速度為每秒12mm。低碳鋼的熔點要高于焊件所達到的最高溫度，其條件是焊接速度為12mm/s。此時，不會產(chǎn)生穩(wěn)定的焊接熔池，最終導致未焊透、未熔合等各種缺陷。

因此， 12mm/s的焊接速度對實際生產(chǎn)要求沒有意義，不能夠滿足生產(chǎn)需要。所以此種情況下只需要對比每秒7mm和每秒4mm這兩種焊接速度對焊件的殘余應力場的影響情況。

圖2 不同焊接速度對溫度的影響曲線

1.2 焊接速度對殘余應力的影響

制造構(gòu)件時會因為各種工藝技術(shù)和其他因素的影響而產(chǎn)生改變，構(gòu)件的這種改變不會完全消除，即使在各種環(huán)境因素消除之后，其所受的作用和影響也會有一些殘留在其內(nèi)部構(gòu)造中，這就是殘留應力或殘余應力。焊接殘余應力在不同的焊接速度下的分布如圖3所示，分析兩種不同的焊接速度下焊件殘余應力值的比較，在速度為每秒4毫米時最大值是112MPa，焊接速度為每秒7毫米時，最大值為135MPa；從這兩個最大值可以看出其殘余應力值相差僅為22MPa，這要比低碳鋼材料的屈服強度值低，這種情況下，一般不會出現(xiàn)由殘余應力過于集中導致的焊接接頭斷裂的現(xiàn)。

圖3 不同速度下的焊接殘余應力分布

殘余應力較大的部分焊接殘余變形量小，殘余應力較小的部分，變形量卻大，這說明殘余應力值的大小與殘余變形的大小是負相關(guān)的關(guān)系。由于在后期裝配時焊接結(jié)構(gòu)的尺寸精確性上的問題，要盡可能的縮小焊接殘余變形量。所以，選擇焊接速度為7mm/s時，不僅是達到焊接變形量較小的要求目標，同時又使得焊接生產(chǎn)效率達到要求。

2 結(jié)論

（1）當焊接開始時，焊件可以迅速的達到最高溫度，不同焊件的最高溫度受其焊接速度的不同而有差異，焊件所達到的最高溫度是隨著焊接速度的提高而變小。

（2）當焊接速度達到12mm/s時，溫度場最大值為860℃，低于低碳鋼的熔點，不能滿足實際生產(chǎn)要求。

（3）焊接變形與焊接殘余應力成反比，當焊接速度為7mm/s時，殘余應力值最大為135MPa，遠低于低碳鋼屈服強度，此時焊接變形最小。

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1671-0711（2016）11（下）-0101-02

國家級創(chuàng)新訓練項目（201511488005）；浙江省公益性技術(shù)應用研究計劃（2015C32126）