分段焊接對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的影響

劉廣寶

摘要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為設(shè)備制造行業(yè)帶來(lái)全新的技術(shù)支持。以設(shè)備焊接工藝為例，在新材料、新設(shè)備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求下，現(xiàn)有的焊接技術(shù)已然呈現(xiàn)出形式多樣化、性能高效化特點(diǎn)，滿足了社會(huì)各行業(yè)的基本發(fā)展需求。但是在焊接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，受到其焊接熱影響結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化等因素的影響，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。應(yīng)力無(wú)法消失會(huì)遺留在經(jīng)加工的材料之中，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命帶來(lái)影響?；诖嗽?，下文針對(duì)分段焊接對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的影響的相關(guān)研究，對(duì)于控制焊接變形具有重要的指導(dǎo)意義。

Abstract： The rapid development of modern science and technology has brought brand-new technical support to the equipment manufacturing industry. Taking equipment welding technology as an example， under the requirements of new materials and new equipment product structure， the existing welding technology has shown diversified forms and high-efficiency development， which meets the basic discovery needs of various industries in the society. However， in the actual application of welding technology， due to the influence of the structural transformation of the welding heat and other factors， the welding structure will produce residual stress. The stress that cannot disappear will be left in the processed material， which will affect the strength and service life of the welded structure. Based on this principle， the following related research on the effect of segmented welding on the residual stress of the internal combustion engine thin plate box has important guiding significance for the control of welding deformation.

關(guān)鍵詞：分段焊接;內(nèi)燃機(jī);殘余應(yīng)力;影響分析

Key words： segment welding;internal combustion engine;residual stress;influence analysis

中圖分類號(hào)：TG404? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0121-02

0? 引言

焊接是將金屬零件連接起來(lái)的加工工藝，經(jīng)過(guò)焊接的部件通常具有更高的強(qiáng)度。當(dāng)前隨著新材料的發(fā)展，越來(lái)越多的金屬合金被應(yīng)用到社會(huì)工業(yè)制造中，而焊接加工工藝技術(shù)在此發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其實(shí)現(xiàn)對(duì)不同強(qiáng)度的金屬的有效連接。目前，在一些特殊的工業(yè)行業(yè)中，存在各種強(qiáng)度差異較大、密封性要求較高的金屬設(shè)備，加工技術(shù)的應(yīng)用則滿足了這些行業(yè)的實(shí)際需求?？梢哉f(shuō)，焊接加工技術(shù)在國(guó)防、農(nóng)業(yè)等行業(yè)設(shè)備制造中具有廣闊的應(yīng)用前景，展開(kāi)對(duì)焊接加工工藝的相關(guān)研究，推動(dòng)焊接加工工藝的成熟發(fā)展迫在眉睫。

1? 分段焊接在內(nèi)燃機(jī)薄板箱體中的應(yīng)用

1.1 分段焊接在內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鋁合金材料具有低密度性、高強(qiáng)度性、高塑形性等特點(diǎn)，內(nèi)燃機(jī)油箱底殼可以應(yīng)用該材料完成內(nèi)燃機(jī)的外部結(jié)構(gòu)制造，在制造過(guò)程中需要將各個(gè)鋁合金材料連接起來(lái)，如此提高內(nèi)燃機(jī)箱油底殼的密封性、滿足內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中的高導(dǎo)電性。目前，主要是采用分段焊接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。焊接技術(shù)對(duì)材料的各個(gè)部位進(jìn)行加熱方式，使得材料內(nèi)部發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，完成對(duì)兩個(gè)物體的連接。分段焊接則是對(duì)于長(zhǎng)距離的物體連接采用分段、分距離受熱的方式。

1.2 分段焊接對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分的殘余應(yīng)力

在焊接過(guò)程中，焊縫和熱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化都表現(xiàn)出程度上的不同，相同的物體采用不同的焊接材料，或是不同的物體采用相同的焊接材料、焊接工藝，這都會(huì)帶來(lái)不同的熱輸入功率，金屬材料結(jié)構(gòu)的組織組成也由此發(fā)生不同的變化。如，分段焊接在內(nèi)燃機(jī)箱油底殼中的應(yīng)用，其導(dǎo)致各個(gè)部分的受熱程度不均勻，這種不均勻使得焊接結(jié)束后，內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的出現(xiàn)，當(dāng)相關(guān)的殘余應(yīng)力高于金屬材料的屈服局限時(shí)，無(wú)法消失的殘余應(yīng)力遺留在經(jīng)加工材料之中，對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命帶來(lái)消極影響。這使得內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用安全性無(wú)法得到保證。

2? 分段焊接在內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的影響性

基于上述分析可知，分段焊接過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)金屬材料結(jié)構(gòu)帶來(lái)殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料的殘余應(yīng)力的控制成為各行業(yè)設(shè)備制造的關(guān)鍵點(diǎn)。而展開(kāi)對(duì)金屬材料殘余應(yīng)力的影響性的控制分析，必須能夠梳理清晰焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因以及分段焊接溫度場(chǎng)變化過(guò)程[1]。

2.1 分段焊接在內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的來(lái)源

①直接應(yīng)力。分段焊接的最大特點(diǎn)就是對(duì)整個(gè)內(nèi)燃機(jī)箱油底殼采用分模塊焊接。如，將整體分為各個(gè)部分，當(dāng)焊接a部位的時(shí)候，與之相接鄰的b部位所承受的熱量不同。如此往復(fù)，整個(gè)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體所收到的熱量和冷卻不均勻，結(jié)構(gòu)整體的溫度變化率較大，由此帶來(lái)直接應(yīng)力。②間接應(yīng)力。上述提到內(nèi)燃機(jī)是由鋁合金材料制造而成，在進(jìn)行焊接工藝之前，內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)就已經(jīng)存在一定的應(yīng)力。正是因?yàn)橛羞@些應(yīng)力存在，才能夠?qū)崿F(xiàn)軋制或是拉拔加工。③組織應(yīng)力。材料在加工或是熱處理的過(guò)程中其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組織以及外部形狀都會(huì)發(fā)生變化，這種變化帶來(lái)應(yīng)力?？梢哉f(shuō)，直接應(yīng)力、間接應(yīng)力以及組織應(yīng)力的產(chǎn)生由來(lái)不同，其在分段焊接之后對(duì)金屬結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的影響性也是不同的[2]。

2.2 分段焊接在內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的影響分析

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在如何降低內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力中，越來(lái)越多的專家學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值仿真法，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，展開(kāi)三種不同路徑的殘余應(yīng)力情況的對(duì)比，分析分段焊接對(duì)焊縫熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的分布改變情況，由此為金屬結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的消除控制提供數(shù)據(jù)支持。①構(gòu)建分段焊接工藝有限元模型。當(dāng)前借助有限元軟件abaqus的仿真實(shí)驗(yàn)，能夠有效地展開(kāi)對(duì)焊接數(shù)值的模擬計(jì)算。構(gòu)建分段焊接的有限元模型。首先是要完成對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)的搭建。基于對(duì)鋁合金材料的物理化學(xué)性能以及分段焊接所采用的工藝方式、焊接材料可以發(fā)現(xiàn)影響焊接溫度場(chǎng)的因素有焊接速度、輸入熱量、坡口形狀等等。溫度場(chǎng)是以非線性瞬態(tài)熱傳遞形式呈現(xiàn)出來(lái)的，其控制方程表現(xiàn)為圖1。其中，x，y，z為三維坐標(biāo)系，λ為導(dǎo)熱系數(shù);T為溫度;Q為熱源;η為熱效率;U為焊接電壓;I為焊接電流;A焊縫截面面積;v為焊速;ρ為密度;c為比熱容;t為焊接時(shí)間。②熱源模式構(gòu)建。熱源模式是指分段焊接過(guò)程中，金屬材料內(nèi)部的熱量損失情況。由于在內(nèi)燃機(jī)薄板箱底結(jié)構(gòu)中所采用的金屬材料為導(dǎo)熱性和比熱容較大的金屬材料，在實(shí)際的焊接過(guò)程中熱量損失快，對(duì)整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)熱量均勻性帶來(lái)影響。在有限元模式構(gòu)建中，熱源模型的搭建至關(guān)重要。當(dāng)前主要是采用橢球熱源模型熱來(lái)作為移動(dòng)熱源，通過(guò)fortran軟件控制熱源中心移動(dòng)情況。其移動(dòng)控制公式如圖2所示。其中，n為焊接滯后時(shí)間，a、b、c為4mm、3mm、3mm[3]。③焊接有限元模型建立。分段焊接對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的仿真模型的建立必須基于內(nèi)燃機(jī)箱體薄板結(jié)構(gòu)展開(kāi)。對(duì)此首先是要進(jìn)行局部鋁合金材料建模，其次是采用多步驟迭代方式完成對(duì)金屬材料中各個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)的殘余應(yīng)力計(jì)算。④邊界條件設(shè)置。邊界條件值得有限元模型仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境因素，設(shè)置焊接仿真時(shí)候的室溫為20℃，進(jìn)行輻射熱交換過(guò)程中，將其耦合處理數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)為80W·m-2·.C-1。⑤有限元模型計(jì)算結(jié)果。在ABAQUS中對(duì)分段焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化以及殘余應(yīng)力情況進(jìn)行仿真可以發(fā)現(xiàn)，溫度場(chǎng)變化會(huì)使得焊接構(gòu)件應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，但是這一變化較小，整個(gè)過(guò)程中是多個(gè)無(wú)立場(chǎng)的耦合，對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的消極影響較小。而最大的焊接殘余應(yīng)力主要是來(lái)自于加熱冷卻不均勻、焊接之前的固定方式使得焊縫膨脹收縮被約束以及組織應(yīng)力三種[4]。

3? 分段焊接在內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的控制措施

基于上述的有限元仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在焊接過(guò)程中，殘余應(yīng)力有峰值變化，分道段數(shù)越多，殘余應(yīng)力下降越明顯，且在焊接區(qū)域的分段處的殘余應(yīng)力下降到最低值。當(dāng)將焊接工藝分成三段的時(shí)候，殘余應(yīng)力最小。且根據(jù)焊接分段對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的橫向和縱向殘余應(yīng)力的改變不同，橫向殘余應(yīng)力的變化更加明顯。由此結(jié)果可知：①需要按照一定的分段焊接原則展開(kāi)金屬結(jié)構(gòu)加工制造。當(dāng)前要控制分段焊接在內(nèi)燃機(jī)薄板箱底部分殘余應(yīng)力，其需要遵照一定的分段焊接工藝原則。如，按照上述的影響情況，完成對(duì)內(nèi)燃機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，確定分段制造工作圖、分段總裝圖等等。②應(yīng)用控制設(shè)備。在分段焊接過(guò)程中，所采用的焊接材料、焊接速度等都會(huì)直接影響到內(nèi)燃機(jī)薄板箱底結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。因此需要進(jìn)行焊接工藝技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。如，可以采用二氧化碳保護(hù)焊的方式，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)形成氣體保護(hù)層，進(jìn)而改變固定方式所帶來(lái)的殘余應(yīng)力。③加強(qiáng)對(duì)新型的金屬材料的研發(fā)創(chuàng)新。內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)采用的金屬材料為鋁合金材料，該材料在實(shí)際的應(yīng)用中，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也不可避免的會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力是無(wú)法通過(guò)改變分段焊接工藝技術(shù)所消除的。對(duì)此在未來(lái)的內(nèi)燃機(jī)制造加工工藝中，還要求能夠不斷的創(chuàng)新研發(fā)各種新型的合金金屬材料，提高金屬材料本身的性能結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，分段焊接技術(shù)在工藝的內(nèi)燃機(jī)設(shè)備制造中的應(yīng)用目的是為了能夠減少焊接變形，提高內(nèi)燃機(jī)的整體密封性，確保內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)用性能和使用壽命。但是受到焊接技術(shù)的內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分焊接加工流程和原理、內(nèi)燃機(jī)薄板箱體結(jié)構(gòu)材料等諸多因素的影響，在工藝內(nèi)燃機(jī)焊接過(guò)程中，其薄板箱體部分不可避免地形成殘余應(yīng)力，且這些殘余應(yīng)力留存在金屬材料中，對(duì)內(nèi)燃機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等性能帶來(lái)消極影響。因此需要采用一定的技術(shù)手段完成分段焊接對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的影響計(jì)算，由此得出結(jié)論，為內(nèi)燃機(jī)設(shè)備制造、分段焊接工藝優(yōu)化發(fā)展奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在未來(lái)需要多管齊下，從分段焊接工藝控制、金屬材料研發(fā)等方向完成對(duì)分段焊接對(duì)內(nèi)燃機(jī)薄板箱體部分殘余應(yīng)力的控制。

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