基于Simufact Welding 的焊補(bǔ)順序的優(yōu)化選擇

季小波

（南通醋酸纖維有限公司機(jī)械維修部，江蘇南通 226000）

0 引言

南通醋酸纖維有限公司現(xiàn)有65 臺(tái)夾包車(chē)，多數(shù)處于高頻使用環(huán)境，使用過(guò)程中受到貨物裝卸的交變沖擊載荷，近3 年中有3 臺(tái)夾包車(chē)滑架連接接頭焊縫斷裂失效，在以往對(duì)滑架連接接頭的焊補(bǔ)修復(fù)過(guò)程中，由于失效案例總量小，且沒(méi)有試錯(cuò)機(jī)會(huì)，焊接順序的選擇主要依靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)焊后變形無(wú)法預(yù)計(jì)，如有變形只能后道調(diào)整，對(duì)焊接殘余應(yīng)力也無(wú)法預(yù)計(jì)，過(guò)大的殘余應(yīng)力如處于結(jié)構(gòu)疲勞部位，將導(dǎo)致已焊補(bǔ)滑架的局部快速失效。

針對(duì)本次夾包車(chē)滑架斷裂焊補(bǔ)，首先對(duì)滑架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除局部結(jié)構(gòu)特征，然后使用Inventor 建立3D 模型，使用Hypermesh 對(duì)滑架的三維模型劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行局部耦合，隨后將該網(wǎng)格導(dǎo)入Simufact.Welding 對(duì)其焊接過(guò)程進(jìn)行仿真，通過(guò)焊縫編號(hào)確定其焊接順序，采用雙橢球熱源模型，并設(shè)置合理的熱邊界條件等求解參數(shù)[1]，最終得到了4 種焊補(bǔ)順序下滑架的應(yīng)力、變形分布情況，通過(guò)對(duì)比，選擇最優(yōu)焊補(bǔ)順序，從而達(dá)到最小的焊后變形和殘余應(yīng)力。

1 滑架失效部位

夾包車(chē)滑架主體由上橫梁、下橫梁、中間立柱橫板、中間立柱立板、兩側(cè)立柱組成（圖1），失效部位為兩中間立柱橫板及立板與上橫梁的接頭，如圖2 所示。由于上橫梁齒條和中間立柱兩端的原形凸臺(tái)為動(dòng)作配合件，所以變形控制關(guān)鍵點(diǎn)為上橫梁齒條、中間立柱立板兩端。

圖1 滑架結(jié)構(gòu)

圖2 失效焊縫

2 有限元模型

2.1 網(wǎng)格模型

首先清除滑架上的孔、局部貼板、局部凸臺(tái)等局部幾何特征，同時(shí)為了減少后續(xù)網(wǎng)格劃分難度，將定位尺寸和結(jié)構(gòu)尺寸位數(shù)取整至0 或5，然后使用Inventor 對(duì)滑架整體建模，見(jiàn)圖3。由于滑架結(jié)構(gòu)和焊補(bǔ)接頭都是幾何對(duì)稱，在兩側(cè)對(duì)稱焊補(bǔ)的基礎(chǔ)上，為了降低計(jì)算量，取半邊結(jié)構(gòu)導(dǎo)出為IGES 格式文件用于后續(xù)劃分網(wǎng)格，見(jiàn)圖4。

圖3 整體模型

圖4 半邊結(jié)構(gòu)模型

對(duì)導(dǎo)出的IGES文件使用Hypermesh 3D map 功能劃分各組件網(wǎng)格，由于Simufact.Welding 主要通過(guò)六面體單元計(jì)算，所以網(wǎng)格單元類(lèi)型主要采用六面體，整體網(wǎng)格單元尺寸為10 mm，需要焊補(bǔ)的接頭處網(wǎng)格單元進(jìn)行二次細(xì)化，其網(wǎng)格模型如圖5 所示。為了模擬除焊補(bǔ)部位以外各組件部分均已焊接連接室外現(xiàn)狀，在組件零件相連邊進(jìn)行局部單元耦合，以避免組件零件在計(jì)算中受力分離，局部耦合見(jiàn)圖6 高亮部分。

圖5 整體網(wǎng)格

圖6 局部耦合

2.2 焊接設(shè)置

（1）將需要焊補(bǔ)的接頭分別編號(hào)為Y、Z、H、F，見(jiàn)圖7，其中Y、Z、H 三條縫在在中間立柱立板側(cè)，先焊，F(xiàn) 為反面焊縫，最后焊接，Y、Z 縫 分 三 道焊接，H 縫分兩道焊接，F(xiàn) 縫分三道焊接，焊接方向都是朝向結(jié)構(gòu)外側(cè)。

圖7 焊補(bǔ)焊縫路徑示意

（2）實(shí)際結(jié)構(gòu)采用的材料不能完全確定，通過(guò)XRF 測(cè)量其化學(xué)成分，并使用便攜硬度計(jì)測(cè)量硬度，選擇了成分和硬度相近的S355J2G3 作為組件材質(zhì)，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)Q355 材料，仿真環(huán)境設(shè)置為4 ℃，模擬冬季車(chē)間溫度。

（3）焊接參數(shù)參考以往實(shí)際電弧焊的焊接工藝評(píng)定，設(shè)置為焊接電流125 A，電壓20 V，焊接速度為第一道焊縫0.01 m/s和后道焊縫0.016 7 m/s，熱效率參考EN1011-1 設(shè)定為0.8。

（4）熱源選擇雙橢圓形模型，熱源尺寸參考以往實(shí)際焊接工藝評(píng)定的宏觀照片（圖8），設(shè)置為b=5.5 mm，d=7 mm，af=3.6 mm，ar=12 mm。

圖8 熱源模型及角焊縫截面宏觀照片

（5）焊接路徑。首先初步選取四種焊接順序，將焊接順序按焊接路徑分為Process-1（Y→Z→H→F）、Process-2（Z→Y→H→F）、Process-3（H→Z→Y→F）、Process-4（H→Y→Z→F）。

2.3 邊界條件

設(shè)置整體支撐面以模擬作業(yè)平臺(tái)，設(shè)置上下橫梁的中面為對(duì)稱面，并在橫梁中面設(shè)置固定限制，最終計(jì)算模型見(jiàn)圖9。

圖9 計(jì)算模型

2.4 其他設(shè)置

（1）焊接過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段為正面焊縫全部焊完，計(jì)算結(jié)束時(shí)間為200 s，第二階段為反面焊縫焊接，此時(shí)需將第一階段的變形、應(yīng)變、應(yīng)力、溫度計(jì)算結(jié)果使用結(jié)果轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)入第二階段，見(jiàn)圖10，計(jì)算結(jié)束時(shí)間同樣為200 s。

圖10 結(jié)果轉(zhuǎn)換

（2）本案例不提前劃出焊縫網(wǎng)格，采用軟件自帶的網(wǎng)格生成功能自動(dòng)劃分焊縫網(wǎng)格，并對(duì)焊縫網(wǎng)格設(shè)置2 級(jí)細(xì)化，在求解器中設(shè)置1 級(jí)全局細(xì)化。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 第一階段計(jì)算結(jié)果

四種焊接順序計(jì)算結(jié)束后的變形和殘余應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11～圖14，從圖中可以看出四種焊接順序的變形均小于1 mm，但Process-2 變形最小，殘余應(yīng)力最小。

圖11 第一階段Process-1 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

3.2 第二階段計(jì)算結(jié)果

圖12 第一階段Process-2 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

圖13 第一階段Process-3 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

圖14 第一階段Process-4 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

圖15 第二階段Process-1 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

圖16 第二階段Process-2 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

圖17 第二階段Process-3 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

（1）四種焊接順序的最終總體變形和殘余應(yīng)力云圖見(jiàn)圖15～圖18，從圖中可以看出Process-2 的最終變形最小，為0.05 mm。最終變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖18 第二階段Process-4 變形云圖及殘余應(yīng)力云圖

表1 整體變形匯總

（2）從殘余應(yīng)力云圖可以看出，殘余應(yīng)力較大處為最后一道焊縫的邊緣和立柱焊縫端部的相鄰齒條處（圖19），相應(yīng)部位四種焊接順序下的殘余應(yīng)力匯總見(jiàn)表2，可以看出Process-2 和Process-3 殘余應(yīng)力較低。

圖19 殘余應(yīng)力最大處

表2 殘余應(yīng)力較大處匯總

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比四種焊接順序的變形和殘余應(yīng)力，確定Process-2（Z→Y→H→F）作為實(shí)際焊補(bǔ)順序，最終順利完成了此滑架的焊補(bǔ)作業(yè)。