礦用中部槽焊接工藝數(shù)值模擬分析研究

0 引言

在焊接過程中，焊接溫度場受外界環(huán)境與自身的變化急劇變化，較大溫度梯度是導(dǎo)致焊件焊接變形和焊接殘余應(yīng)力的根本原因。中部槽焊接過程中，溫度和應(yīng)力變化無法預(yù)測與控制成為非線性存在，焊接溫度場和應(yīng)力場的解析很難得到，數(shù)值模擬技術(shù)可為研究中部槽焊接溫度場和應(yīng)力場提供幫助。鑄焊中部槽是由鑄造槽幫、中板及底板構(gòu)成。中部槽焊接是兩種不同材質(zhì)之間的焊接，中板和槽幫構(gòu)成的異種多道焊接，其溫度場分析屬于高度非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。一些科研人員利用生死單元法模擬中部槽多層多道填充過程溫度場變化情況，將熱源加載至中部槽焊縫處，溫度迅速升高至2300℃，熱源經(jīng)過后溫度迅速下降，焊接完成冷卻后，整體溫度過渡平穩(wěn)，在冷卻時溫度場沿焊縫方向擴散梯度較小，擴散速度較快，而在垂直焊縫方向擴散梯度較大，擴散速度較小。通過試驗與數(shù)值模擬分析研究，中部槽焊接應(yīng)力場主要分布在鑄造槽幫與中板焊接處，由于焊縫與中板連接一側(cè)的焊趾處的縱向殘余應(yīng)力大于焊縫新材料區(qū)屈服應(yīng)力，導(dǎo)致中部槽出現(xiàn)焊接裂紋，焊縫強度下降，影響焊接質(zhì)量。最佳理想狀態(tài)為焊接處縱向殘余應(yīng)力應(yīng)由中間向兩端轉(zhuǎn)變，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，并在兩端處趨于零，焊縫坡口及其附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖1 礦用中部槽三維圖

1 刮板輸送機中部槽焊接工藝研究

1.1 中部槽焊接變形規(guī)律及控制方法研究

在中部槽焊接時，各方面原因?qū)е庐a(chǎn)生變形，通過焊接工藝優(yōu)化減少焊接變形量，增強焊接過程穩(wěn)定性。激光-MAG電弧復(fù)合熱源焊焊縫熔透性好，為最佳打底焊接工藝，焊縫成型良好，焊縫質(zhì)量合格，熔深滿足條件，焊縫強度較高，焊接變形滿足工藝要求。

利用激光-MAG電弧復(fù)合焊的優(yōu)勢及特點，對于控制焊接變形而言，可以避免使用加強筋固定、減小焊接間隙、避免分段退焊。取消預(yù)置變形量等工作所帶來的人工、能源、效率的消耗，降低對工裝夾具精度的要求，可以有效地提升生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 激光復(fù)合打底焊接與MAG打底焊接工藝對比研究

通過中部槽中板激光-MAG電弧復(fù)合打底焊與單MAG打底焊工藝試驗與生產(chǎn)產(chǎn)品焊接對比，激光-MAG電弧復(fù)合打底焊透情況明顯優(yōu)于單MAG打底焊。單MAG打底焊接需要預(yù)留3mm間隙才能保證根部完全熔透，使用組裝胎固定后的工件變形情況明顯減小。

圖2 礦用中部槽結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 中部槽底板內(nèi)焊縫焊接工藝研究

對內(nèi)角焊縫船型焊接，為了提高效率采用雙槍在兩側(cè)同時焊接，其焊接方向均從兩端向里焊接，整條焊縫外觀一致美觀，比兩把焊槍一個從端頭向里焊，另一把從中間向端頭焊接，焊縫外觀好。

圖3 礦用中部槽焊接示意圖

1.4 中部槽高效焊接工藝試驗研究

①通過工藝試驗發(fā)現(xiàn)，焊接保護氣選用80%Ar+20%C0混合氣效果最好，焊接飛濺較小。焊縫成型美現(xiàn)。通過高速攝像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在200A-500A焊接電流可以達到穩(wěn)定的射流過渡，而且電弧形態(tài)呈束狀電弧，在機械力和電磁收縮力的作用下電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)并攪拌熔池。當(dāng)電流超過550A時，則發(fā)生旋轉(zhuǎn)射流過渡不利于焊縫成型。通過熔敷率計算，焊絲熔敷率接近80%，熔敷效果較好。

②通過與直徑1.2mm的實心焊絲進行表面堆焊對比，發(fā)現(xiàn)在相同的焊接參數(shù)下，纜式焊絲熔深深低于實心焊絲。在相同線能量的情況下，發(fā)現(xiàn)纜式焊絲焊縫區(qū)微觀組織與實心焊絲組織相同，晶粒尺寸小于實心焊絲。通過拉伸試驗發(fā)現(xiàn)纜式接頭強度優(yōu)于母材。沖擊試驗和彎曲試驗數(shù)據(jù)優(yōu)于實心焊絲。

③通過對接和角接焊縫成型對比，發(fā)現(xiàn)纜式焊絲在大電流時焊縫成型較好。熔敷金屬量更大，說明纜式焊絲對于提高焊接效率方面具有一定的優(yōu)勢，對于填充焊接而言可以大幅度地提高焊接效率。

2 焊接工藝數(shù)值模擬分析

2.1 焊接接頭的熱彈性求解

在焊接過程中，焊接熔池與被焊工件之間均發(fā)生著劇烈的物理、化學(xué)反應(yīng)，其間包括焊接熔池中的流體動力學(xué)和熱傳導(dǎo)過程、熱源與金屬間的相互作用、焊縫金屬凝固和焊接接頭的相變過程、焊接應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程以及非均質(zhì)焊接接頭的力學(xué)行為。每種現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)且又各自自成一體。

中部槽焊接工藝數(shù)值模擬分析研究內(nèi)容則著重分析焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形情況。因而，在進行數(shù)值仿真時，應(yīng)該弱化處理甚至不處理那些對應(yīng)力場或溫度場影響微弱的因素，本次研究僅考慮熔池內(nèi)部液態(tài)金屬對流體傳熱對熔池形狀的影響結(jié)果，對液態(tài)金屬流動、表面張力梯度變化等問題不作細致分析研究。由于厚板三維模型網(wǎng)格劃分單元數(shù)量較為龐大，研究計算時間過長，計算量過大，對分析模型進行簡化處理，做如下的假設(shè)：

①工件的焊接初始溫度為25℃-30℃，焊接過程中不做預(yù)熱處理；忽略熔池液體之間的部分反應(yīng)與對流等現(xiàn)象；

②母材一致，在高溫時仍做固態(tài)處理；

③焊接過程速度恒定，以恒速度焊接，服從高斯分布；

④不考慮工件與實驗臺熱的熱傳導(dǎo)與熱量損耗，假設(shè)工件僅存在外界熱輻，設(shè)定唯一的散熱系數(shù)。

電弧焊接過程中，不考慮體積力和表面力的影響，接頭熱應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由于焊接降溫過程中材料單元收縮量不同，屬于熱彈性或熱彈塑性問題。由于彈性和非被彈性材料的基本屬性，彈塑性材料進入塑性特征后材料的剛度在非彈性范圍內(nèi)不再保持常數(shù)，當(dāng)應(yīng)力卸載后存在永久變形不可恢復(fù)，應(yīng)力應(yīng)變之間不存在唯一對應(yīng)關(guān)系。利用彈性力學(xué)，根據(jù)研究問題的難易程度，建立唯一的彈性力學(xué)模型及理想線彈性模型。塑性力學(xué)問題，理論研究與實際存在困難。因而針對不同材料和應(yīng)用領(lǐng)域，可簡化為不同的彈塑性模型。

材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：{dσ}=[D]{dε}-{C}dT

式中[D]為彈性或彈塑性矩陣；{C}為溫度有關(guān)的向量。

2.2 對接焊接接頭的溫度及應(yīng)力場分析

2.2.1 溫度場分布及熱源模型校核

如圖4所示為20mm-20mm對接焊縫的網(wǎng)格模型，長1000mm，寬80mm，厚20mm，先按照橫截面焊縫形狀進行優(yōu)化劃份網(wǎng)格，再沿模型長度方向分射網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)70000。

圖4 對接接頭橫截面網(wǎng)格劃分

焊接開始一定時間后會自然形成以熔池為中心的準穩(wěn)態(tài)溫度場，取典型的20mm-20mm對接接頭中間某一時刻的溫度分布云圖，如圖5所示，后處理時將高于熔點溫度的區(qū)域設(shè)為紅色以便于觀察熔池形狀。圖5a和圖5b分別表示典型焊縫焊接過程中溫度場整體及焊縫橫截面溫度場分布特征。從圖中可以清晰看出焊接過程中熔池以及高溫區(qū)的空間三維形狀特征，焊縫溫度場呈現(xiàn)典型焊接溫度場分布特征，熔化區(qū)上寬下窄，符合高斯體熱源的熱流空間分布特征，且沿著焊接方向，熔池上部呈現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，這是由焊接過程中熔池內(nèi)部熔融金屬向后方流動引起的。

以實際焊縫橫截面形狀為準，調(diào)試熱源模型，最大程度上減小模擬結(jié)果與實際焊接結(jié)果的偏差，截面溫度場分布如圖5c所示，通過測量可知模擬結(jié)果中熔寬W1和熔深D1分別約為23.1mm和15.3mm，實際焊縫橫截面W2與D2約為22.9mm和14.9mm，與實際焊縫截面尺寸差值在0.5mm以內(nèi)，誤差約為3.3%，由此可見所采用熱源模型精度較高，如表1所示。

表1 模擬焊縫與實際焊縫熔深、熔寬對比

圖5 典型接頭溫度場分布

2.2.2 等效應(yīng)力分析

中部槽焊接工藝數(shù)值模擬分析研究采用Von Mises屈服準則，Mises等效應(yīng)力遵循材料力學(xué)形狀改變比能第四強度理論。

其中a，a，a分別指第一、二、三主應(yīng)力。在一定的變形條件下，當(dāng)材料的單位體積形狀改變的彈性位能達到某一常數(shù)時，材料處于屈服狀態(tài)；即當(dāng)單元體的形狀改變比能達到一定程度，材料開始屈服。

用主應(yīng)力表示為式中σ為材料的屈服點；K為材料的剪切屈服強度。與等效應(yīng)力比較可得

在一定的變形條件下，當(dāng)受力物體內(nèi)一點的等效應(yīng)力達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態(tài)。

焊縫區(qū)焊材之間的等效殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，在焊縫區(qū)域部位焊后產(chǎn)生收縮變形，等效殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫邊界附近區(qū)域，焊根處最為明顯，最大等效應(yīng)力值在230MPa-250MPa之間。

根據(jù)焊縫橫截面上下表面的應(yīng)力分布，由于焊縫熔深熔度尺寸較大，可以看出表面的等效應(yīng)力分布受焊縫應(yīng)力集中區(qū)域的影響較大，基本趨勢為中部高兩側(cè)低，靠近焊縫邊緣處應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

2.2.3 應(yīng)變分布

在殘余應(yīng)力作用下，焊縫及靠近焊縫的母材區(qū)發(fā)生相應(yīng)沿焊縫位變分布的應(yīng)變（縱向應(yīng)變）和垂直于焊縫沿母材方向的應(yīng)變（橫向應(yīng)變），對接接頭的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變分布

由表2可知，對接焊縫的橫向應(yīng)變及縱向應(yīng)變分布與熱源形狀相似，其中焊縫中心縱向應(yīng)變?yōu)檎?，橫向應(yīng)變?yōu)樨撝怠Ｕf明焊接過程結(jié)束后，焊縫金屬在冷卻過程中由于冷縮使得焊縫變短，因此發(fā)生了橫向收縮和縱向收縮。

表2 對接焊縫截面應(yīng)變分布

2.2.4 接頭變形

對接焊縫模型建立約束位置，取下表面靠近中部的三個原點，設(shè)定其沿X、Y、Z方向上的位移為零等，主要目的是為了盡量減少外部約束對焊縫固有應(yīng)變值的影響，以獲得接近自由變形下的固有應(yīng)變值。

20mm-20mm對接接頭中間截面橫向彎曲變形（厚度方向Z方向位移）。典型接頭發(fā)生撓曲變形，整體變形趨勢為以約束位置為最小變形，兩頭翹起，最大變形量為16.5mm。經(jīng)過模擬結(jié)果的測量，在靠近約束位置直徑310mm的范圍內(nèi)，變形量處于較低水平。變形情況符合焊接后的規(guī)律。

3 總結(jié)

通過數(shù)值模擬軟件對對接接頭的溫度場及熱源模型進行了校核，對等效應(yīng)力進行了分析；完成應(yīng)變分布與變形分布的模擬，取得了相應(yīng)的結(jié)果，并根據(jù)實際情況進行了比對，模擬的結(jié)果比較準確，對將來的工作能夠起到重大的作用。