基于Marc的MCL焊接機(jī)殼焊接模擬分析與工藝優(yōu)化研究

摘要：我公司MCL焊接機(jī)殼是由板材、鍛件等經(jīng)拼裝、焊接、消應(yīng)力等過(guò)程制造而成。焊接機(jī)殼中分面法蘭在焊接、消應(yīng)力后經(jīng)常出現(xiàn)的一角或?qū)亲冃?，故選擇Marc有限元分析軟件，采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法，探索產(chǎn)生變形的根本原因，制定工藝優(yōu)化改進(jìn)方案，達(dá)到避免出現(xiàn)角變形的現(xiàn)象，打破制約機(jī)殼生產(chǎn)進(jìn)度的瓶頸因素，縮短生產(chǎn)周期與確保制造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：制造流程;焊接模擬;角變形;工藝方案

中圖分類號(hào)：TH452.061 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0016-02

0 ?引言

結(jié)合MCL焊接機(jī)殼水平法蘭的實(shí)際制造過(guò)程情況，開(kāi)展常規(guī)方式與改進(jìn)方案的對(duì)比模擬分析試驗(yàn)，采用Marc有限元軟件首先開(kāi)展了常規(guī)方式水平法蘭焊接、消應(yīng)力的計(jì)算模擬，在消應(yīng)力過(guò)程的應(yīng)力二次分布是引水平法蘭出現(xiàn)不同程度角變形的根本因素;以此突破，從MCL焊接機(jī)殼水平法蘭的焊接層次、焊接順序以及消應(yīng)力時(shí)的結(jié)構(gòu)剛性、合適時(shí)機(jī)等多個(gè)維度出發(fā)，優(yōu)化MCL焊接機(jī)殼水平法蘭的制造工藝方案，采用Marc再次開(kāi)展改進(jìn)方案的焊接、消應(yīng)力的計(jì)算模擬，通過(guò)增強(qiáng)殼體框架的整體剛性達(dá)到控制出現(xiàn)角變形的目的，固化成工藝指導(dǎo)方案，應(yīng)用在實(shí)際焊接過(guò)程中，徹底消除了產(chǎn)生角變形的問(wèn)題。

1 ?焊接寫實(shí)與模擬準(zhǔn)備

以2MCL800焊接機(jī)殼為例，中分面法蘭與密封體的材質(zhì)為Q345R或16Mn，厚度為160mm，該焊接過(guò)程執(zhí)行對(duì)稱焊接、同步焊接。水平法蘭的焊接層次為三層，首先進(jìn)行水平法蘭與密封體焊縫正面打底焊接，焊層厚度約為40～50mm;其次翻個(gè)進(jìn)行背面填充焊接，至水平法蘭表面齊平;最后再翻個(gè)進(jìn)行焊縫正面填充焊接，焊縫的焊接道次約為20次，作為后續(xù)模擬分析的前期準(zhǔn)備條件。

2 ?焊接材料與焊接熱源

選用S355J2G3-SPM材料[1]，該材料為多相模式的焊接用低合金鋼，材料原始相為鐵素體-珠光體，屬于低合金鋼，屈服強(qiáng)度不低于345MPa。該材料的力學(xué)性能特性主要包括了密度density（T）、楊氏模量Emod（T）、比熱SpHt（T）、熱導(dǎo)率Cond（T）、熱膨脹系數(shù)ThEx（T）、流動(dòng)應(yīng)力flow-stress（T）等。熱源模型確立為雙橢球體分布熱源[2]，其特征為電弧沿焊接方向運(yùn)動(dòng)，熱源前端溫度陡變顯著，后端溫度變化比較慢，作為CO2焊接的熱源滿足實(shí)際的焊接過(guò)程。通過(guò)焊接對(duì)比試驗(yàn)，確定了雙橢球熱源的各項(xiàng)參數(shù)，詳見(jiàn)表1所示。

3 ?焊接模型與網(wǎng)格劃分

建立水平法蘭的三維模型，焊縫接頭采用多層多道的焊縫結(jié)構(gòu)，每道焊縫采用不規(guī)則的曲線與坡口型線組成，使得焊縫的成形結(jié)構(gòu)更接近于真實(shí)的水平法蘭焊接過(guò)程。根據(jù)水平法蘭以X、Z方向?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，將模型簡(jiǎn)化為對(duì)稱形式的1/4模型。

劃分水平法蘭的網(wǎng)格單元，為滿足焊接模擬的收斂要求，該模型采用共節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格單元[3]，且焊縫、焊縫邊緣以及母材等不同部位采用密疏過(guò)渡，焊縫單元尺寸≤5mm，實(shí)體模型的單元數(shù)量為8.1647萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為8.6055萬(wàn)個(gè)，類型為全積分低價(jià)六面體單元7（hex8）。

4 ?模擬流程與分析結(jié)論

開(kāi)展該模型多層多道的焊接模擬，首先正面進(jìn)行6道次打底焊縫焊接，厚度約50mm;其次進(jìn)行6道次背面焊縫焊接，厚度為50mm;最后進(jìn)行7道次正面焊縫焊接，厚度為70mm;開(kāi)展水平法蘭進(jìn)行消應(yīng)力的模擬處理，升溫速度為65℃/h，恒溫溫度為620℃，保溫時(shí)間為6.4h，降溫溫度為45℃至室溫。

力學(xué)邊界條件以模型X、Z方向作為對(duì)稱約束，同時(shí)設(shè)置該模型的初始條件、空氣對(duì)流、焊接體熱源、溫度控制的邊界條件等，進(jìn)行該模型熱/結(jié)構(gòu)類型的模擬計(jì)算。通過(guò)宏觀云圖顯示，該水平法蘭工件在焊接與消應(yīng)力模擬過(guò)程中的Y向變形的對(duì)比情況，詳見(jiàn)圖1所示。

由圖1可知，水平法蘭在焊接后的外角部位沿著Y向產(chǎn)生最大為0.8634mm向上位移;在消應(yīng)力后該部位沿Y向產(chǎn)生向上位移變形出現(xiàn)了顯著增加，最大位移量為16.95mm。得出結(jié)論，結(jié)合合理的對(duì)稱焊接、焊接道次的要求，能控制水平法蘭的角變形問(wèn)題;但其為平面焊接結(jié)構(gòu)，剛性不足，在消應(yīng)力處理后水平法蘭的焊接應(yīng)力得到了二次分布，且由此引起了其外角部位產(chǎn)生了更大Y向變形。

5 ?對(duì)比模擬與改進(jìn)意見(jiàn)

結(jié)合水平法蘭剛性不足的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用外殼板與端板形成整體封閉的剛性支撐結(jié)構(gòu)增強(qiáng)水平法蘭的整體剛性，再次采用Marc有限元模擬分析軟件開(kāi)展殼體框架改進(jìn)模型的焊接、消應(yīng)力模擬試驗(yàn)。

建立MCL焊接機(jī)殼殼體框架結(jié)構(gòu)模型，開(kāi)展模型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，水平法蘭與密封體之間對(duì)接焊縫亦采用多層多道焊，焊縫道次為約20道，與上述水平法蘭模型的網(wǎng)格劃分規(guī)則一致。該殼體框架結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型的單元數(shù)量為3.2403萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3.6025萬(wàn)個(gè)，單元類型為全積分低價(jià)六面體單元7（hex8）。

對(duì)比前者，改進(jìn)方案的模型體現(xiàn)在邊界條件上的設(shè)置差異，該殼體框架保持X、Z兩個(gè)方向位置約束固定，再充分利用端板與外殼板形成的整體剛性結(jié)構(gòu)來(lái)代替Y向位置約束。詳見(jiàn)圖2所示。

在殼體框架的在模擬分析過(guò)程中，通過(guò)宏觀云圖顯示，記錄了該殼體框架工件在焊接與消應(yīng)力模擬過(guò)程中的Y向變形的對(duì)比情況，詳見(jiàn)圖3所示。

由圖3可知，殼體框架在焊接后的外角部位沿著Y向產(chǎn)生向下位移變形，其最大位移量為-0.5732mm;在消應(yīng)力后該部位沿Y向產(chǎn)生向下位移變形出現(xiàn)了略有增加的現(xiàn)象，最大位移量為-0.5970mm。得出結(jié)論，利用殼體自身外殼板與端板形成封閉的剛性支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加焊接機(jī)殼的整體剛性，可以達(dá)到抵消水平法蘭在消應(yīng)力過(guò)程應(yīng)力二次分布而引起的變形現(xiàn)象，且試驗(yàn)結(jié)論證明，這種改進(jìn)方式的工藝方案是有效的，能夠解決控制焊接機(jī)殼水平法蘭出現(xiàn)角變形的問(wèn)題。

6 ?總結(jié)

①引進(jìn)Marc焊接、消應(yīng)力的模擬分析應(yīng)用，取代產(chǎn)品試驗(yàn)件的焊接實(shí)驗(yàn)探索，通過(guò)模擬分析結(jié)論，為制定、解決MCL焊接機(jī)殼控制水平法蘭角變形提供最優(yōu)化的解決方案與工藝策略。②針對(duì)MCL焊接機(jī)殼水平法蘭焊接、消應(yīng)力生產(chǎn)制造過(guò)程，分別開(kāi)展了常規(guī)方式與改進(jìn)方式兩種模型的對(duì)比模擬分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)合對(duì)比模擬分析試驗(yàn)，進(jìn)行獲得了MCL焊接機(jī)殼水平法蘭產(chǎn)生角變形的根本原因是由于在消應(yīng)力過(guò)程中，由于焊接應(yīng)力的二次分布而引起的角變形現(xiàn)象。③調(diào)整MCL焊接機(jī)殼水平法蘭的剛性支撐方式及消應(yīng)力熱處理的合理時(shí)機(jī)，達(dá)到了控制出現(xiàn)角變形的現(xiàn)象，其角變形量均控制在3mm以下，合格率達(dá)100%，確保了焊接機(jī)殼水平法蘭的焊接質(zhì)量以及縮短了焊接機(jī)殼的生產(chǎn)制造周期要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鹿安理，史清宇，趙海燕，等.焊接過(guò)程仿真領(lǐng)域的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及初步研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000，11（1-2）：201-205.

[2]徐琳，羅安，嚴(yán)仁軍.基于MSC Marc的多道焊數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝配，2007（2）：42-45.

[3]席源山，陳火紅.MSC MARC溫度場(chǎng)及其耦合分析培訓(xùn)教程[J].MSC Software，2001，12.

作者簡(jiǎn)介：郝建國(guó)（1982-），男，遼寧葫蘆島人，高級(jí)工程師，從事離心壓縮機(jī)鉚焊工藝以及技術(shù)服務(wù)工作。