工藝支撐在焊接數(shù)值模擬中的應(yīng)用

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院,江蘇 徐州 221004;2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221004;3.徐工集團(tuán)道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004)

工藝支撐在焊接數(shù)值模擬中的應(yīng)用

房元斌1蹤雪梅2員征文2孟慶禹2陳兵3

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院,江蘇徐州221004;2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221004;3.徐工集團(tuán)道路機(jī)械分公司，江蘇徐州221004)

通過(guò)吊臂焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，獲得了焊后變形量，并對(duì)吊臂兩側(cè)面變形進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。依據(jù)模擬變形趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了工藝支撐，并采用試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝支撐控制變形的效果。結(jié)果表明，吊臂整體變形趨勢(shì)為向內(nèi)收縮，峰值位于自由端面焊縫位置處，其值為2.532 mm。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，滿足工程應(yīng)用要求，從而驗(yàn)證所建立的有限元模型的正確性。工藝支撐設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)易的雙螺旋結(jié)構(gòu)，增加工藝支撐后，焊接變形控制效果在25%以上。

工藝支撐數(shù)值模擬吊臂焊接變形

0 序 言

吊臂是隨車起重機(jī)的關(guān)鍵工作裝置。兩節(jié)臂之間的間隙較小，設(shè)計(jì)精度達(dá)到1 mm。吊臂板厚只有5 mm，結(jié)構(gòu)剛度小，焊接導(dǎo)致的變形難控制，矯形難度大，容易因裝配不上而導(dǎo)致報(bào)廢，造成生產(chǎn)耗損大，這就需要采取有效的控制變形的手段。

吊臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化已進(jìn)行了大量的研究工作[1-2]。楊丁等人[3]采用中心引力算法對(duì)箱型截面梁截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。鮑善勝等人[4]對(duì)薄板箱型梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析，二次開(kāi)發(fā)主梁與端梁參數(shù)建模，對(duì)靜強(qiáng)度、剛度和模態(tài)進(jìn)行分析。王戰(zhàn)鋒等人[5]對(duì)吊臂的折彎工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析其折彎對(duì)焊接變形的影響。但是對(duì)于結(jié)構(gòu)件的焊接工藝研究[6]相對(duì)較少。吊臂的焊縫少，焊接順序優(yōu)化意義不大。吊臂臂厚較薄，下料、折彎、點(diǎn)固焊等工藝[7-8]對(duì)其焊后變形有影響，為了保證產(chǎn)品一致性，實(shí)際生產(chǎn)中更多是依靠點(diǎn)固焊工裝。對(duì)于長(zhǎng)吊臂4 m長(zhǎng)直焊縫，焊接過(guò)程中起弧位置冷卻收縮力大，極易導(dǎo)致收弧點(diǎn)固焊位置失效。生產(chǎn)中一般設(shè)計(jì)工裝或者工藝支撐，既能防止點(diǎn)固焊位置失效，又能控制焊接變形。但是工裝的裝卡過(guò)程滯后了生產(chǎn)節(jié)拍，因而如何設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易有效的工藝支撐[9]至關(guān)重要。

文中模擬了吊臂無(wú)工藝支撐的焊接過(guò)程，得到并試驗(yàn)驗(yàn)證了焊接變形趨勢(shì)。依據(jù)變形趨勢(shì)，設(shè)計(jì)工藝支撐控制焊接變形，并試驗(yàn)驗(yàn)證工藝支撐效果。

1 有限元模型建立

吊臂五邊形結(jié)構(gòu)，折彎角為90°和135°，焊縫沿對(duì)稱面上下布置。長(zhǎng)4 000 mm，寬160 mm，高約為425 mm，板厚5 mm。吊臂幾何模型，如圖1所示。材料為Q460D鋼板，采用福尼斯500型焊機(jī)焊接，焊絲選用ER50-6，以CO2氣體作為保護(hù)氣，V形坡口角度為67°。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 幾何模型

層數(shù)電弧電壓U/V焊接電流I/A焊接速度v/(mm·s-1)打底焊22250～26042蓋面焊24240～26012

對(duì)焊縫和熱影響區(qū)加密處理，遠(yuǎn)離熱影響區(qū)位置采用稀疏網(wǎng)格，中間位置采用過(guò)渡網(wǎng)格，厚度方向網(wǎng)格層數(shù)為2層，有限元模型如圖2所示。其中，加密網(wǎng)格尺寸控制在2～3 mm，最大網(wǎng)格尺寸60 mm，獲得網(wǎng)格總數(shù)137 748個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為194 212。

圖2 吊臂的有限元模型

熱源模型采用雙橢球熱源模型[10]，該模型充分考慮了氣保焊熱源特點(diǎn)。

為防止發(fā)生剛體位移[11]，在與變位機(jī)平臺(tái)和V形塊接觸的位置設(shè)置接觸對(duì)；為不影響吊臂的縱向收縮變形沿Y方向中截面位置設(shè)置Y向位移約束；為不影響自由截面的橫向收縮，沿X軸吊臂端面自由邊設(shè)置X向位移約束。

2 仿真結(jié)果分析與驗(yàn)證

2.1 焊接變形仿真分析

通過(guò)模擬吊臂的焊接過(guò)程，分別獲得焊后變形云圖，如圖3所示。

由圖3可知，吊臂整體變形趨勢(shì)為向內(nèi)收縮，峰值位置位于自由端面焊縫位置處，峰值為2.532 mm。吊臂沿縱向收縮；兩焊縫位置附近上翹變形，折彎角135°起收弧位置上翹明顯；在折彎角處均有不同程度向折彎角變大變形的趨勢(shì)，這主要是由于兩條焊縫拘束力作用，同時(shí)也有折彎回彈作用。

圖3 變形云圖

2.2 焊后變形試驗(yàn)驗(yàn)證

采用高度尺和塞尺對(duì)吊臂焊后結(jié)構(gòu)件變形進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。變形測(cè)量分別對(duì)圖1中的兩個(gè)側(cè)面A面和B面進(jìn)行測(cè)量。位置距離圖1左側(cè)自由端100 mm，1 000 mm，2 000 mm，3 000 mm，3 900 mm，每個(gè)位置別取上、中、下三個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3，距離底部平臺(tái)的垂直高度分別為380 mm，190 mm，100 mm。

圖4 試驗(yàn)測(cè)量

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊后吊臂進(jìn)行多次抽樣測(cè)量，發(fā)現(xiàn)吊臂如果拼焊控制不好，極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，且生產(chǎn)中焊后變形一致性難保證。故文中選取同一生產(chǎn)批次三組未發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的吊臂，測(cè)量其焊后變形量，然后記錄測(cè)量結(jié)果，取三組結(jié)果的平均值作為測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果用A，B表示，模擬結(jié)果用a，b表示，將模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

通過(guò)表2模擬和測(cè)量結(jié)果對(duì)比可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在距自由端100 mm位置的模擬值與測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了較大偏差，最大偏差值為0.33 mm，從而驗(yàn)證了所建立的有限元模型的正確性。

表2模擬和測(cè)量結(jié)果mm

距左側(cè)自由端距離1組AaBb2組AaBb3組AaBb1002.201.872.001.721.501.361.701.380.800.670.600.6310001.050.921.001.030.800.650.700.580.400.300.250.2420000.050.080.070.100.300.250.400.330.550.500.600.5230000.851.001.020.951.100.941.100.951.000.801.000.8339002.152.232.052.351.551.691.751.530.850.710.550.64

3 工藝支撐設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 工藝支撐設(shè)計(jì)

由圖3可知，吊臂變形較大的位置主要位于兩自由端面，沿折彎角135°位置，至折彎角90°位置的變形逐漸減小，因而工藝支撐位置盡量靠近折彎角135°位置。在吊臂的兩自由端分別內(nèi)撐，根據(jù)預(yù)測(cè)變形量，將吊臂內(nèi)側(cè)距離由設(shè)計(jì)170 mm撐至172 mm，工藝支撐設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)易的雙螺旋結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 工藝支撐

工藝支撐由與吊臂內(nèi)測(cè)鋼接觸的兩塊長(zhǎng)鋼板、2個(gè)M12螺栓和螺母和中間連接的短鋼板組成。具體尺寸的設(shè)計(jì)依據(jù)仿真預(yù)測(cè)值，以折彎角135°為基準(zhǔn)，沿Z軸方向，在圖4色圖1.013～1.519 mm段的距離大概300 mm，而在Y軸方向距離大概為100 mm，故工藝支撐長(zhǎng)鋼板的長(zhǎng)設(shè)計(jì)為300 mm，寬100 mm，厚度10 mm；根據(jù)檔距的限制，選用M12螺栓和螺母，中間連接短鋼板長(zhǎng)30 mm，寬20 mm，厚度為3 mm。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在吊臂的兩自由端分別安裝工藝支撐，長(zhǎng)鋼板長(zhǎng)與吊臂Z向平行，寬與135°折彎角位置重合，為防止撐開(kāi)過(guò)程中工藝支撐滑落，長(zhǎng)鋼板在Y方向上，距離兩自由端30 mm。在變位機(jī)上進(jìn)行焊接，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3加工藝支撐后測(cè)量結(jié)果mm

距左側(cè)自由端距離1組AB2組AB3組AB1000.051.251.500.451.650.0510000.051.451.500.751.550.0520000.051.500.110.850.450.0530000.050.050.550.700.800.1039000.050.550.500.201.200.05

通過(guò)表3和表2測(cè)量結(jié)果對(duì)比，可直觀看出，增加工藝支撐后，吊臂發(fā)生了一定程度的扭曲。A面最大變形的位置位于距離左側(cè)自由端100 mm靠近折彎角90°的位置，變形量由2.2 mm降低為1.65 mm；B面最大變形的位置位于距離左側(cè)自由端2 000 mm中間位置，變形量由2.05 mm降至1.5 mm。

變形控制效果公式如下式所示。

式中,S前,S后分別為施加工藝支撐前后焊接變形測(cè)量值;η為變形控制效果百分比。經(jīng)計(jì)算，變形量控制效果在25%以上。

4 結(jié) 論

(1)吊臂整體變形趨勢(shì)為向內(nèi)收縮，峰值位置位于自由端面焊縫位置處，峰值為2.532 mm。

(2)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，最大偏差值為0.33 mm，有力驗(yàn)證建立有限元模型的正確性。

(3)增加工藝支撐后，變形量控制效果在25%以上。

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TG404

2017-02-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAF07B02)；江蘇省六大人才高峰資助項(xiàng)目(2016GDZB111)

房元斌，1985年出生，碩士，工程師。主要從事工程機(jī)械產(chǎn)品方面的生產(chǎn)工藝和焊接數(shù)值模擬研究工作，已發(fā)表論文10余篇。