重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽焊接變形工藝研究

董曼淑 劉龍 董志波

摘要： 為了有效控制重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽焊接變形，采用基于熱-力耦合分析的有限元軟件MSC.Marc對(duì)過(guò)渡槽建立1∶1比例模型進(jìn)行模擬。通過(guò)縮比件數(shù)據(jù)分析來(lái)驗(yàn)證建模的準(zhǔn)確性，并設(shè)計(jì)了兩種不同路徑方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出優(yōu)化建議。選取典型產(chǎn)品對(duì)兩種方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，結(jié)果表明，方案二較之于方案一效果明顯，有效控制了重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽的焊接變形。

關(guān)鍵詞： 重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽; 縮比模型; 有限元分析; 焊接變形

中圖分類號(hào)：TG 442

Study on welding deformation technology of transition slot

for heavy complex structures

Dong Manshu1，2， Liu Long1，2， Dong Zhibo3

（1. Ningxia Tiandi Benniu Industrial Group Co.， Ltd.， Shizuishan 753001， Ningxia， China;

2. Ningxia Field of Activity Heavy Equipment Technology Co.， Ltd.， ?Shizuishan 753001， Ningxia， China;3.Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， Heilongjiang， China）

Abstract： The model of transition slot was established by using the finite element software Msc.Marc based on the thermomechanical coupling analysis in order to control the welding deformation of the transition groove of the heavy complex structure. The accuracy of simulated results is verified by the experimental data of scale model. The optimization suggestions are put forward by the comparative analysis of two different schemes. The experimental results of two typical products show scheme two is better than scheme one in effectively controlling the welding deformation of transition slot of heavy complex structure.

Key words： transition slot of heavy complex structure; scale model; finite element analysis; welding deformation

0?前言

重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽是煤機(jī)產(chǎn)品“三機(jī)一架”[1]中的刮板輸送機(jī)裝備的關(guān)鍵部件。三機(jī)一架即采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)和液壓支架。由于刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中受力復(fù)雜、條件惡劣容易造成設(shè)備損壞或斷裂，因此刮板輸送機(jī)性能的可靠性是進(jìn)行高效作業(yè)的根本保證。過(guò)渡槽用于連接機(jī)頭（尾）和中部段，使刮板由中部段到機(jī)頭（尾）平穩(wěn)運(yùn)行。中板為弧形，在運(yùn)輸過(guò)程中中板、側(cè)板上沿最易磨損，導(dǎo)致刮板鏈運(yùn)行過(guò)程中存在刮卡、跳鏈等問(wèn)題。過(guò)渡槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由40多個(gè)零件焊接而成，實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中焊接量大、焊接變形不易控制[2]、變形矯正困難等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外煤礦制造業(yè)對(duì)過(guò)渡槽的焊接變形及可靠性研究很少，在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中出現(xiàn)了大量過(guò)渡槽結(jié)構(gòu)焊接變形超標(biāo)的問(wèn)題。

文中主要對(duì)過(guò)渡槽進(jìn)行了有限元模擬[3]，典型焊縫縮比件數(shù)據(jù)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)不同焊接路徑方案以及方案現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等研究，達(dá)到有效控制重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽焊接變形的目的，提高刮板輸送機(jī)可靠性。此研究對(duì)實(shí)現(xiàn)提高中國(guó)煤機(jī)重型裝備的可靠性有十分重要意義。

1?有限元模型的建立

1.1?有限元建模及計(jì)算參數(shù)

研究中采用基于熱-力耦合分析的有限元軟件MSC.Marc對(duì)重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽進(jìn)行1∶1比例建模模擬，并結(jié)合工藝文件，研究過(guò)渡槽焊接結(jié)構(gòu)的施焊與焊后變形規(guī)律，確定影響焊接變形的主要焊縫。過(guò)渡槽三維實(shí)體，如圖1所示。圖1a中過(guò)渡槽長(zhǎng)度3 m，寬度2 m，最高位置距底板高度0.8 m。圖1b中A板為上中板，B板為下中板，C板為上底板，D板為下底板。A板、C板是主要的工作板，它們的變形大小勢(shì)必會(huì)直接影響耐磨槽的工作狀況;B板、D板對(duì)A板和C板起到支撐作用，目的是使A，C板在工作中不至出現(xiàn)過(guò)大變形，因此B，D板會(huì)間接影響到A，C板的變形，側(cè)板與A，B，C，D各板的焊接均采用雙側(cè)多層多道角焊縫。

考慮到主要焊縫焊接工藝對(duì)整體變形的影響，并建立整體有限元網(wǎng)格模型[4]，如圖2所示。網(wǎng)格類型采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行劃分。網(wǎng)格模型單元數(shù)

量是175 162個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量是241 391個(gè)，整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格雅可比系數(shù)小于0.7。過(guò)渡槽側(cè)板材料為Q345普通碳鋼，其它材料都為NM400耐磨鋼，以上材料的物理性參數(shù)密度均為7.8 g/cm3，泊松比為0.3。在焊接過(guò)程中固定三個(gè)方向的節(jié)點(diǎn)位移，在冷卻過(guò)程及冷卻到室溫后，采用自由約束，使整個(gè)結(jié)構(gòu)自由收縮變形，研究在自由狀態(tài)下整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

1.2?過(guò)渡槽縮比件模型計(jì)算

由于大型實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)的尺寸大、焊縫長(zhǎng)且多，焊接的試驗(yàn)驗(yàn)證工作成本過(guò)高，實(shí)際結(jié)構(gòu)的模擬模型參數(shù)的修正[5]工作過(guò)于繁多，因此利用縮比件進(jìn)行數(shù)值模擬的參數(shù)修正工作，提高大型實(shí)際結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬精度，并對(duì)變形進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)。

根據(jù)過(guò)渡槽產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中板和立板焊接接頭為T形接頭，都為雙側(cè)角焊縫，主要焊縫為12 mm二層五道和15 mm三層七道。因此縮比件也設(shè)計(jì)為T形接頭結(jié)構(gòu)，如圖3所示。T形接頭正面焊縫焊腳尺寸為12 mm的角焊縫，背面焊縫焊腳尺寸為15 mm的角焊縫?？s比件底板為Q345鋼板，外形尺寸為800 mm×500 mm×35 mm;立板為NM400耐磨板，外形尺寸為800 mm×300 mm×40 mm。采用富氬混合氣體保護(hù)焊接方法，焊接材料選用1.2 mm ER506實(shí)芯焊絲，焊接參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)過(guò)程采用接觸式溫度采集設(shè)備，圖4為試驗(yàn)測(cè)溫情況。圖5為典型的二層五道和三層七道測(cè)溫位置。

通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單T形接頭的多層多道焊計(jì)算來(lái)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)計(jì)算提供參考，然后再通過(guò)對(duì)重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽建模，同時(shí)結(jié)合前期模型模擬工藝進(jìn)行計(jì)算。基于熱循環(huán)、應(yīng)力場(chǎng)等對(duì)有限元模型進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3?過(guò)渡槽方案設(shè)計(jì)

依據(jù)縮比件驗(yàn)證及現(xiàn)行焊接工藝，建立了過(guò)渡槽模型，其焊縫分布與焊接方向如圖6所示。通過(guò)綜合分析確定了如下兩種方案。

方案一路徑：左1→左2→右1→右2→左3→右3→左4→右4→左5→右5。

方案二路徑：左1→右2→左3→右1→左2→右3→左4→右4→左5→右5。

2?模擬結(jié)果與分析

基于以上建立的過(guò)渡槽有限元模型和設(shè)計(jì)的兩種不同路徑方案，通過(guò)對(duì)側(cè)板、中板、下中板后處理得到各板焊接變形云圖后選擇不同路徑測(cè)算路徑節(jié)點(diǎn)變形量[6]，并進(jìn)行焊接變形對(duì)比分析。

2.1?側(cè)板變形分析

圖7為側(cè)板變形云圖。圖8為不同路徑下的z向位移曲線。按照?qǐng)D7中側(cè)板的位置，提取路徑1上的節(jié)點(diǎn)，其z向位移如圖8a所示。從圖8a可以看出，側(cè)板發(fā)生了波浪變形，A板的兩側(cè)角焊縫發(fā)生冷卻收縮，導(dǎo)致z向位移為負(fù)，邊緣所產(chǎn)生的最大變形量為0.87 mm;C板左側(cè)的焊縫產(chǎn)生角變形與A板右側(cè)的焊縫產(chǎn)生的角變形相互作用[7-9]，因此產(chǎn)生了A板與C板之間的凹陷，凹陷的中部撓度最大為-0.18 mm。

側(cè)板的路徑2位置與A，B，C三板均以單側(cè)角焊縫相連，其z向位移，如圖8b所示。由圖8b可以看到，有焊縫的一側(cè)z向位移為負(fù)，無(wú)焊縫一側(cè)z向位移為正，其本質(zhì)為焊縫金屬產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變導(dǎo)致[10]。

2.2?中板（A板）變形分析

圖9為中板變形云圖，其中正面在板邊的全長(zhǎng)焊接角焊縫，而板的背面在板邊焊接板邊半長(zhǎng)，焊接方向已標(biāo)出。板的左右兩側(cè)的位移明顯不同，板的左側(cè)位移為正，而右側(cè)位移為負(fù)。這是因?yàn)榘宓挠覀?cè)在背面沒(méi)有焊縫，因此焊縫收縮效應(yīng)只在板的正面發(fā)生，因此板的左側(cè)整體位移呈現(xiàn)正值。板右側(cè)在焊接完正面焊縫后，接著焊接背面焊縫，而背面的焊縫收縮更占優(yōu)勢(shì)，因此板的位移為負(fù)值，最大位移-0.79 mm。圖10為僅焊完焊縫1與焊完焊縫1和2的位移對(duì)比，可以看出兩者在距離路徑起點(diǎn)1 200 mm之前無(wú)明顯變化，而由于距離路徑起點(diǎn)1 200 mm之后在中板背部焊接了角焊縫，因此位移大幅度下降。

2.3?下中板（B板）變形分析

B板對(duì)A板起到支撐作用，為了實(shí)現(xiàn)支撐作用，B板與A板之間在板邊相連。圖11為下中板變形云圖。由圖11可知，板的左側(cè)位移為正，這是因?yàn)槭紫群附拥腁板對(duì)B板向上拉伸，而B(niǎo)板的右側(cè)位移為負(fù)，這是因?yàn)锽板焊接后背面焊縫收縮，板產(chǎn)生角位移。圖12為焊接完A板但未焊接B板的時(shí)刻與已經(jīng)焊接完B板的時(shí)刻兩種情況下B板位移的對(duì)比。在B板未焊接之前就有初始位移，該位移是焊接A板時(shí)A板對(duì)B板的拉伸所導(dǎo)致的，B板焊接后，位移大幅度下降，且距離連接處越遠(yuǎn)（坐標(biāo)0點(diǎn)為連接位置），位移下降越嚴(yán)重。

通過(guò)對(duì)過(guò)渡槽整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，得出過(guò)渡槽各部分的縱向殘余應(yīng)力[11-13]均與傳統(tǒng)理論相符合，即焊縫處受拉伸，遠(yuǎn)離焊縫處受壓縮。焊縫使側(cè)板向存在焊縫的一側(cè)彎曲，使側(cè)板呈現(xiàn)波浪變形;由于焊縫的橫向收縮，中板以及下中板均呈現(xiàn)不同程度的角變形最大位移。

依據(jù)以上研究?jī)?nèi)容對(duì)兩個(gè)方案主要從采取側(cè)板、中板、下中板等焊縫多層多道改為單層上下交替焊接;根據(jù)變形趨勢(shì)的不同，采用左右上下交替焊接，用后一道焊縫的變形量來(lái)抵消前一道焊縫的變形量。

3?現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽之前焊接變形量最大達(dá)到了8～10 mm。根據(jù)以上研究的兩種方案選取了變形量較大的典型產(chǎn)品過(guò)渡槽進(jìn)行驗(yàn)證，側(cè)板材料為Q345普通碳鋼，其它材料都為NM400耐磨鋼。外形尺寸長(zhǎng)度3.1 m，寬度2.2 m，最高位置距底板高度0.8 m。采用富氬混合氣體保護(hù)焊方法，焊接材料選用ER506焊絲，焊接設(shè)備采用松下YD400EA焊機(jī)，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2。圖13為過(guò)渡槽實(shí)物焊接測(cè)定變形情況。焊后分別檢測(cè)了過(guò)渡槽變形量，采用方案一變形量為7～8 mm，采用方案二變形量為3～4 mm。

4?結(jié)論

（1）通過(guò)縮比件的數(shù)值模擬與溫度和應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型參數(shù)的合理性。

（2）通過(guò)兩種方案模擬結(jié)果的對(duì)比分析，結(jié)果表明，采用側(cè)板、中板、下中板等多層多道焊縫改為單層上下交替焊接，并結(jié)合變形規(guī)律，采用左右上下交替焊接，可利用焊縫間的相互變形作用，可抵消焊縫的變形量。

（3）根據(jù)兩個(gè)方案的現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品驗(yàn)證，結(jié)果表明，方案二能夠控制中板、下中板等各板的變形量，且控制變形效果更明顯。因此，通過(guò)該研究實(shí)現(xiàn)了重型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件過(guò)渡槽焊接變形的有效控制。

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