基于Simufact welding仿真在弧焊機(jī)器人教學(xué)中的研究

胡敏 王芝玲

摘要：本文主要介紹了Simufact仿真軟件的作用和特點(diǎn)，并將Simufact仿真軟件應(yīng)用在技工院?；『笝C(jī)器人教學(xué)中，運(yùn)用該軟件加強(qiáng)學(xué)生對(duì)焊接工藝參數(shù)焊接電流、送絲速度、焊接速度等參數(shù)的理解，通過(guò)仿真效果能更直觀掌握焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形及應(yīng)力變形的影響，能更有效快捷的掌握如何根據(jù)焊接母材、焊縫尺寸、焊接條件等設(shè)置合理的焊接工藝參數(shù)。

Abstract： This article mainly introduced the function and characteristics of Simufact simulation software， and applies Simufact simulation software in the arc welding robot mechanic colleges teaching， use the software to strengthen the students of the welding process parameters of welding current， wire feed speed， the understanding of the parameters such as welding speed， the simulation results can be more intuitive grasp the influence of welding parameters on weld forming and the deformation and stress， can be more effective and quick grasp of how to parent metal welding， weld size， set up the reasonable welding process parameters， such as welding conditions.

關(guān)鍵詞：Simufact welding;焊接工藝參數(shù);弧焊機(jī)器人教學(xué)

Key words： Simufact welding;welding process parameters;arc welding robot teaching

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0236-03

0? 引言

自2010年起我院開(kāi)設(shè)焊接機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專(zhuān)業(yè)以來(lái)，培養(yǎng)焊工7000多人，焊接機(jī)器人操作大約5000多人，目前在校生焊工400多人。為服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，培養(yǎng)以徐工集團(tuán)為核心的制造型企業(yè)，探索一種高效、快捷、低成本的教學(xué)途徑，提升學(xué)生焊接工藝參數(shù)設(shè)置能力，提高焊接機(jī)器人教學(xué)質(zhì)量，本文研究將Simufact焊接仿真應(yīng)用到焊接機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，以達(dá)到期望效果。

在焊接領(lǐng)域用于仿真模擬工具有許多，由于焊接加工過(guò)程是與溫度、應(yīng)力變形和冶金組織狀態(tài)相互作用和影響、常會(huì)發(fā)生較為復(fù)雜的物理變化。如果利用仿真模擬再現(xiàn)整個(gè)焊接過(guò)程對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，不僅焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形影響有直觀的感受，且能掌握建立焊接工藝各參數(shù)相互影響關(guān)系。因此，在技工院校焊接機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用Simufact welding仿真軟件對(duì)焊縫成形過(guò)程進(jìn)行模擬教學(xué)有著重要的意義。

1? Simufact焊接有限元建立

Simufact焊接有限元焊接仿真通過(guò)導(dǎo)入焊接組件的網(wǎng)格化零件，構(gòu)建有限元焊件模型;設(shè)置合理的環(huán)境參數(shù)和焊接參數(shù)對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行高度模擬;最后，對(duì)Simufact導(dǎo)出的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行分析。

在導(dǎo)入網(wǎng)格化焊接組件時(shí)，建議運(yùn)用多種網(wǎng)格方式，在焊縫周邊較細(xì)的網(wǎng)格可以準(zhǔn)確地獲得高梯度溫度。如果出現(xiàn)網(wǎng)格的劃分算法不太兼容的現(xiàn)象，建議對(duì)焊件進(jìn)行獨(dú)立網(wǎng)格劃分的處理，這樣會(huì)避免了不兼容現(xiàn)象的干涉和影響。通常焊接件對(duì)兼容的網(wǎng)格設(shè)計(jì)既費(fèi)時(shí)又有難度，所以，一般采用不兼容網(wǎng)格劃分算法。運(yùn)用Solidworks三維軟件建模后再Hypermesh劃分網(wǎng)格，最后保存。建立仿真模型的建立是否合理直接關(guān)系到預(yù)處理時(shí)間，直觀的用戶(hù)界面對(duì)模擬過(guò)程起到事倍功半的效果。在建立焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，可以用三維軟件自行繪制焊接組件，如裝夾夾具可以預(yù)定義組。

在運(yùn)用有限元軟件分析時(shí)，需要對(duì)焊件定義求解器、焊槍數(shù)量、設(shè)置跟蹤點(diǎn)、加載焊件組件以及邊界條件的設(shè)置。

對(duì)于在定義求解器環(huán)節(jié)，需要設(shè)置模擬總時(shí)間、對(duì)網(wǎng)格細(xì)化等級(jí)設(shè)置，每個(gè)流程時(shí)間的確定和時(shí)間步、跟蹤點(diǎn)和f摩擦系數(shù)等參數(shù)。將焊件通過(guò)網(wǎng)格劃分，并設(shè)置焊炬材料、溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、幾何尺寸和材料屬性。另外邊界條件也要設(shè)置，包括夾具和固定方式等。仿真計(jì)算時(shí)，邊界進(jìn)行2D、3D網(wǎng)格劃分。最后處理時(shí)導(dǎo)出應(yīng)力、跟蹤點(diǎn)和變形的曲線圖。

焊接機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)所用材料為Q345B，其化學(xué)成分如表1所示。

焊件1和2的規(guī)格有150mm長(zhǎng)*80mm寬*5mm厚、150mm長(zhǎng)*60mm寬*5mm厚。如圖1所示，導(dǎo)入以上兩種規(guī)格的實(shí)體模型Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分兩組試試模擬，一組進(jìn)行完全約束模擬，一組進(jìn)行不完全約束實(shí)施模擬，將劃分好的實(shí)體網(wǎng)格導(dǎo)入Simufact welding中進(jìn)行裝配并賦值[1]，測(cè)量溫度20°，焊條直徑？準(zhǔn)4.0，電壓18V，電流170A，焊接速度9m/h，弧長(zhǎng)1.5～3.8mm范圍，重力方向的矢量坐標(biāo)為x，y，z（0，0，-1）。常溫下Q345材料的屈服強(qiáng)度是σs 345MPa，抗拉強(qiáng)度為σb 470-630MPa。模擬仿真訓(xùn)練結(jié)果如圖2所示。

2? 弧焊機(jī)器人焊接工藝參數(shù)與焊縫成形關(guān)系

在弧焊機(jī)器人焊接過(guò)程中，焊接參數(shù)包括焊接速度、電壓、電流、預(yù)熱溫度、約束情況、焊炬?zhèn)€數(shù)等構(gòu)成不同的焊接工藝，這些主要工藝參數(shù)合理選取對(duì)焊接質(zhì)量影響至關(guān)重要。

學(xué)生在焊接過(guò)程中缺乏對(duì)焊接工藝參數(shù)之間相互影響關(guān)系的認(rèn)識(shí)，通過(guò)該仿真操作，可以增強(qiáng)認(rèn)識(shí)，直觀的感受工藝參數(shù)變化與焊縫成形之間的關(guān)系，對(duì)提高焊接機(jī)器人教學(xué)和實(shí)際生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。

2.1 焊接速度

焊接速度是單位時(shí)間內(nèi)，焊槍沿著實(shí)施焊接的方向移動(dòng)的距離。在施焊時(shí)，焊接速度的快與慢直接作用并影響著熱輸入量大小。焊接速度過(guò)小，在薄板焊接過(guò)程中，因?yàn)楹附z在焊件上停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熱源周邊溫度過(guò)大，容易燒穿工件。速度過(guò)大的話，焊絲在工件上停留時(shí)間短，會(huì)容易發(fā)生施焊焊不透的現(xiàn)象。因此說(shuō)，設(shè)置與之匹配的焊接速度是保證焊縫成形的重要因素之一。

2.2 焊接電流

在焊接過(guò)程中，影響焊縫成形的重要因素還有——焊接電流。焊接電流對(duì)焊縫的形狀尺寸有較大的影響，對(duì)焊縫熔深更有著決定性的影響。其中，熔敷速度和熔深與焊接電流呈正比例關(guān)系，同時(shí)也影響熔寬的大小。一般經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：當(dāng)焊接電流過(guò)大，會(huì)容易導(dǎo)致母材燒穿、焊漏等缺陷，且焊接電流過(guò)大，焊接熱輸入增大，焊接變形大，產(chǎn)生焊接裂紋。但是，焊接電流過(guò)小的話，又會(huì)產(chǎn)生未焊透、夾渣等缺陷，造成焊縫成形不好。通常選擇焊接電流時(shí)，一般首先考慮母材不被燒穿同時(shí)又確保能夠焊透，并根據(jù)熔滴過(guò)渡形式、坡口形式、母材厚度及焊絲直徑這些條件進(jìn)行選擇。

2.3 焊接電壓

焊接電源的定義是熔化焊絲的能量，決定著焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。對(duì)于中厚板（>6mm）焊接，焊絲直徑1.2mm，焊接電流一般為240～340A，中板取下限、厚板取上限。為獲得較好的焊縫成型，焊接電壓一般為0.1I+1～2V。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)融敷金屬量相等的原理得到等式——πr2V送線=0.5h2V焊接 （其中r為焊絲半徑、V送線為送線速度、h為焊高、V焊接為焊接速度）。

焊接電壓過(guò)大或過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生大的飛濺，并影響焊縫成形和焊縫冶金組織?；旱拇笮≈苯佑绊懭蹖挼膶捳涸酱?，熔寬明顯增加，此時(shí)熔深與余高會(huì)變小，但此時(shí)焊接中的飛濺增加，焊縫熔合區(qū)與飛濺增加，力學(xué)性能下降。但對(duì)于常用的固定的焊絲直徑，通常有一個(gè)最合適的電弧范圍。為了獲得良好的焊縫質(zhì)量，應(yīng)合理地匹配好焊接電流和電弧電壓，焊接電流大時(shí)，應(yīng)相應(yīng)地選擇較大的電弧電壓;焊接電流小時(shí)，應(yīng)相應(yīng)地選擇較小的電弧電壓。

2.4 焊絲干伸長(zhǎng)度

在進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊焊接時(shí)，焊絲伸出長(zhǎng)度是否一致直接影響到焊接穩(wěn)定性。焊絲直徑大小不一樣，選擇焊絲材料不一樣，在焊接中焊絲伸出長(zhǎng)度也會(huì)不一樣，因此，焊接時(shí)，選擇的焊絲伸出長(zhǎng)度一般為焊絲直徑的10-15倍。

3? 焊接應(yīng)力產(chǎn)生

仿真時(shí)間設(shè)置6000s，測(cè)量過(guò)程分為4個(gè)階段。如表2所示。

焊接應(yīng)力與變形是因?yàn)楹附訒r(shí)加熱不勻稱(chēng)而引發(fā)的現(xiàn)象。焊接時(shí)因電弧熱的作用，電弧周邊金屬溫度升高，易產(chǎn)生焊接變形。

在第二階段內(nèi)，焊件不完全約束和完全約束方法下，對(duì)比等效應(yīng)力后發(fā)現(xiàn)，在熔合線位置處第一段和第二段對(duì)應(yīng)等效應(yīng)力曲線有明顯的變化。當(dāng)在300～1200s區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)，完全約束條件和不完全約束的條件下他們的熔合線點(diǎn)的等效應(yīng)力也是不一樣的，完全約束下的焊件等效應(yīng)力大于不完全約束下的等效應(yīng)力。不過(guò)當(dāng)?shù)竭_(dá)1200s范圍區(qū)間時(shí)，兩種約束條件下的等效應(yīng)力又發(fā)生了變化。完全約束條件下的等效應(yīng)力變成小于不完全約束條件下的等效應(yīng)力了[3]。

在第三階段內(nèi)，對(duì)于兩種約束條件下的熔合線處等效應(yīng)力比較發(fā)現(xiàn)，不完全約束條件下的固定組件等效應(yīng)力數(shù)值大于完全約束條件下固定組件等效應(yīng)力數(shù)。不完全固定約束方式的散熱條件好，所以在該方式下溫度持續(xù)的時(shí)間要比完全約束條件下的溫度持續(xù)時(shí)間要短。

在第四階段內(nèi)，兩種約束條件下熔合線處殘余應(yīng)力大小發(fā)生了變化，分析發(fā)現(xiàn)在不完全約束條件下的焊件殘余應(yīng)力要比常溫下的Q345材料屈服強(qiáng)度大，而完全約束條件下的殘余應(yīng)力基本上是比常溫下的Q345材料屈服強(qiáng)度小。

4? 總結(jié)

Simufact焊接仿真運(yùn)用在焊接機(jī)器人教學(xué)中，代替了傳統(tǒng)的理論說(shuō)教，學(xué)生從焊接參數(shù)變化對(duì)焊縫成形影響中可以掌握焊接工藝參數(shù)相關(guān)知識(shí)，既縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也提高了實(shí)習(xí)效率，同時(shí)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)Simufact仿真操作流程，提高了對(duì)仿真軟件應(yīng)用能力。該研究不僅有助于實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人一體化教學(xué)，對(duì)今后其他焊接件分析和數(shù)值運(yùn)算起到了積極的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建，胡忠健，黃明.基于Simufact的焊接應(yīng)力的對(duì)比分析[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，12（06）：26-30.

[2]洪禎.空間三角形結(jié)構(gòu)件焊接工藝及參數(shù)研究[D].鄭州大學(xué)，2017.

[3]朱愛(ài)華（導(dǎo)師：劉國(guó)寧，段玥晨）.工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的數(shù)值模擬及焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[D].鄭州大學(xué)，2017.