液力變矩器蓋總成焊接熱循環(huán)仿真應(yīng)用研究

霍春梅， 唐春， 凌錫春

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶402760)

0 引 言

蓋總成固定塊焊接由于其焊接工藝的復(fù)雜性，焊接過程中易出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力大和焊接變形大等問題。通過常規(guī)的試驗方法獲得較小的殘余應(yīng)力和焊接變形量，工作量巨大且不切實際，采用有限元軟件進行數(shù)值模擬可以實現(xiàn)其工藝過程優(yōu)化，并深入了解該焊接過程的復(fù)雜現(xiàn)象，以及控制焊接質(zhì)量的目的。

在液力變矩器蓋總成固定塊的焊接過程中，因零件自身的加工精度和焊接熱變形，直接影響了固定塊焊接后的位置精度，具體表現(xiàn)為變形方向不確定、尺寸不穩(wěn)定、一致性差、超差和報廢率高，嚴(yán)重影響了批量生產(chǎn)的效率。針對以上技術(shù)難題，充分利用了SYSWELD有限元分析軟件，確定固定塊焊接后的變形規(guī)律和應(yīng)力分布，基于反變形的焊接裝配工藝原理，優(yōu)化固定塊焊接夾具設(shè)計，提高固定塊位置度合格率，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

1 蓋總成結(jié)構(gòu)及焊接技術(shù)要求

蓋總成由蓋、固定塊、定位柱組成。蓋、固定塊材料均為低碳鋼，焊接性能較好。蓋上均勻分布6個固定塊，固定塊和蓋的連接為角焊縫連接，采用熔化極氣體保護焊焊接方法。焊接后要求以定位柱軸線為基準(zhǔn)，固定塊的位置度為0.3 mm，如圖1所示。

圖1 蓋總成結(jié)構(gòu)示意圖

2 焊接有限元模型分析

2.1 焊接熱源模型的確定

弧焊焊接熱源具有局部集中、瞬時和移動的特點。使得焊接溫度場隨熱源能量的大小、加熱工件的時間及熱源的空間位置變化而變化，從而導(dǎo)致焊接各個部分的熱量分布不均勻，焊后會產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形[1]。因此，一個準(zhǔn)確的焊接熱源模型是保證模擬的溫度場、應(yīng)力場和實際結(jié)果是否吻合的重要前提。本文采用的焊接方法為MAG焊，采用雙橢球熱源模型作為熱源模型，模型如圖2所示。

2.2 焊接應(yīng)力場有限元分析

圖2 雙橢球熱源模型

焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是因為焊接溫度場分布不均勻，焊縫區(qū)溫度高，母材溫度相對較低，在冷卻時，焊縫區(qū)金屬液體收縮受限，從而形成了焊接殘余應(yīng)力。目前研究焊接應(yīng)力場和變形的理論方法有固有應(yīng)變法、熱塑性分析、黏彈塑性分析等。由于材料非線性、幾何非線性等因素的存在使得焊接應(yīng)力場成為一個高度非線性的問題。本文計算焊接應(yīng)力場和變形就基于熱彈塑性分析理論。

在焊接有限元法中，通常先將模型離散成有限個單元，然后在單元上添加溫度增量。再用dσ表示位移增量，K表示總剛度矩陣，dF表示總載荷向量，根據(jù)式dσ=dF/K，可求解出位移增量dσ，通過式dεe=Bdσe可知道單元節(jié)點位移增量dσe與相應(yīng)各個單元內(nèi)應(yīng)變增量dσe之間的關(guān)系，最后由熱彈塑性應(yīng)力和應(yīng)變增量之間的關(guān)系方程dσ=Ddε-CdT，可求得各個單元的應(yīng)力增量dσe，通過以上這些公式，便可知道整個焊接過程的瞬態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變及最終的焊接殘余應(yīng)力和變形大小[2-3]。

3 SYSWELD分析軟件及模型建立

3.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

將模型對稱處理，只進行1/6模型的網(wǎng)格劃分，再進行對稱處理。有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

以焊縫為中心進行網(wǎng)格的劃分，盡量保證焊縫及其周圍區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量，根據(jù)模型大小來確定網(wǎng)格尺寸，焊縫區(qū)網(wǎng)格尺寸（垂直于焊接方向）盡量不要超過3 mm，焊縫區(qū)域平行于焊接線的方向網(wǎng)格尺寸盡量不要超過之前尺寸的兩倍。并且盡量使用六面體對焊縫部分進行網(wǎng)格劃分。

圖3 蓋總成有限元網(wǎng)格模型

3.2 參數(shù)設(shè)計

表1 焊接技術(shù)參數(shù)

表2 母材蓋（20鋼）化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)[4] %

表3 母材固定塊（35鋼）化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)[4] %

在第一次使用軟件時需要定位求解器，求解器設(shè)置完成后，進入焊接向?qū)?，開始焊接參數(shù)的設(shè)置。

本案例焊接方式采用的是MAG焊，焊接速度為工藝中已經(jīng)確定的40～60 cm/min，通過設(shè)置每條焊縫的開始時間和結(jié)束時間，可以確定焊接順序，如第一條焊縫的開始時間為0，結(jié)束時間為5，中間有一個間隔，第二條焊縫的開始時間可以設(shè)置為6，結(jié)束時間可以設(shè)置為11，依次類推，在本案例中模擬的是雙槍對稱焊，即同一個固定塊兩側(cè)的兩條焊縫設(shè)置的時間一樣。

熔池長度的計算有一個經(jīng)驗計算式：L=CUI。式中：C為比例長度，不同焊接方法C值不同，MAG焊一般取C為3.8～4.8；U為電弧電壓；I為焊接電流。

線能量=UI/焊接速度×有效率。根據(jù)經(jīng)驗MAG焊有效率一般取0.8～0.9。

圖4為固定塊成型過程中溫度變化圖，經(jīng)分析線能量為800，基本與實際焊接過程相符合。

4 試驗結(jié)果與分析

圖5為蓋總成固定塊雙槍對稱焊后，冷卻1 h到室溫20 ℃時整個蓋總成變形量趨勢圖，整個總成節(jié)點位移量的變化范圍為0 ～0.2 mm, 從顏色分布可以看出，定位柱藍色區(qū)域，離焊縫區(qū)域較遠，本身也設(shè)置為約束組，變形量為0，節(jié)點主要變形量集中于固定塊焊縫周圍，變形量一般在0.08～0.15 mm之間，紅色和紫色區(qū)域變形量較大，最大為0.2 mm，但是在圖中出現(xiàn)的很少，主要集中在焊縫節(jié)點上。

在固定塊螺紋孔邊緣取4個節(jié)點如圖6所示，對固定塊螺紋孔變形量進行進一步的分析。

圖4 焊縫成形過程中溫度變化圖

圖5 固定塊焊接后整體變形量趨勢圖

圖6 固定塊螺紋孔4個節(jié)點圖

所研究4個節(jié)點在X、Y、Z方向的變形量和4個節(jié)點的總變形量曲線如圖7所示。

圖7分別展示了圖6所示4個節(jié)點隨時間的變形量，X方向近似為徑向方向，焊接過程中變形量為先向外脹了約0.05 mm，經(jīng)過1 h冷卻變形量為向內(nèi)收縮0.08 mm。Y方向近似為圓周方向，焊接過程中變形量為先向負Y方向變形了0.06 mm，經(jīng)過1 h冷卻變形量為向負Y方向變形了0.03 mm。Z方向經(jīng)過1 h冷卻變形量為向負Z方向變形了0.06 mm?？偝勺冃瘟肯騼?nèi)收縮0.12 mm。

圖7 4個節(jié)點在X、Y、Z方向的變形量和4個節(jié)點的總變形量曲線

圖8 固定塊焊接后點分布圖

圖9 固定塊焊接后殘余應(yīng)力分布圖

計算結(jié)果與實際焊接件三坐標(biāo)測量結(jié)果變形趨勢基本一致，固定塊焊接后螺紋軸線向內(nèi)偏移，螺紋孔間存在一定的角變形。變形量與實際測量（如圖8）偏差不大。圖8 為固定塊焊接夾具分度圓在設(shè)計時向外偏移0.3 mm的焊接結(jié)果，焊接后，固定塊螺紋孔中心到定位柱中心的距離為105.08 ～106.16 mm，固定塊變形量為0.14 ～0.22 mm。

焊后殘余應(yīng)力分布如圖9所示，殘余應(yīng)力最大值為507 MPa，主要在焊縫區(qū)域。

5 夾具優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)有限元分析軟件的分析結(jié)果，得出了固定塊焊接后的變形規(guī)律，以定位柱軸線為基準(zhǔn)，向內(nèi)收縮。變形量約0.15 mm左右。在固定塊焊接夾具設(shè)計時，基于反變形的思想，增大固定塊分度圓直徑，即增大夾具的定位半徑值,由原來的105.00 mm增加到105.15 mm，固定塊焊接后整體收縮，蓋總成固定塊位置度可以達到產(chǎn)品設(shè)計要求。蓋總成固定塊焊接夾具實物如圖10所示，通過SYSWELD 有限元軟件模擬優(yōu)化了圖1中的φ值，使產(chǎn)品位置度合格率顯著提高。如表4所示。

夾具調(diào)整優(yōu)化前固定塊的位置度為0.3～0.5 mm之間，優(yōu)化后位置度合格率顯著提高，可以滿足批量生產(chǎn)要求。

6 結(jié) 語

1）應(yīng)用SYSWELD有限元分析軟件分析焊接變形，分析結(jié)果與實際情況較吻合，為生產(chǎn)實際和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了重要的參考。

2）根據(jù)有限元分析的結(jié)果確定了蓋總成固定塊焊接變形趨勢是固定塊軸線向內(nèi)收縮，變形量約為0.15 mm。

圖10 蓋總成固定塊焊接夾具圖

表4 蓋總成位置度三坐標(biāo)檢測結(jié)果 mm

3）依據(jù)焊接變形范圍，在夾具設(shè)計和焊前裝配預(yù)留一定的軸向間隙以抵消固定塊焊接后的變形量，保證焊接后產(chǎn)品的尺寸精度達到設(shè)計要求。