離心壓縮機(jī)風(fēng)筒法蘭焊接坡口優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

馮魁　郝建國(guó)　翁吉銘　張江楠　張思宇

摘要：本項(xiàng)目基于MSC.Marc軟件，針對(duì)離心壓縮機(jī)風(fēng)筒法蘭焊接變形問(wèn)題開(kāi)展數(shù)值模擬研究，根據(jù)工件制造實(shí)際，建立了可靠的有限元模型建立方法和焊接過(guò)程數(shù)值模擬方法，并利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的方法，計(jì)算得到對(duì)稱(chēng)坡口對(duì)焊接變形的改善效果。

關(guān)鍵詞：離心壓縮機(jī);焊接風(fēng)筒;數(shù)值模擬;焊接坡口;焊接變形

0 ?引言

離心壓縮機(jī)風(fēng)筒多為焊接結(jié)構(gòu)，即風(fēng)筒彎板與法蘭采用焊接方式連接在一起形成風(fēng)筒。該環(huán)形焊縫為單邊V型坡口，風(fēng)筒彎板厚度多在16mm以上，且法蘭直徑較大，常需要采用多層多道焊焊接，焊接量大，由于焊接熱輸入的影響，最終導(dǎo)致風(fēng)筒彎板與法蘭焊接后，法蘭平面存在四周向上翹起的碟型變形。

上述焊接變形將直接影響壓縮機(jī)機(jī)殼加工精度，主要表現(xiàn)為機(jī)殼采用龍門(mén)銑床等設(shè)備進(jìn)行精加工后，風(fēng)筒法蘭環(huán)向厚度存在一定程度的不均勻性。此前對(duì)該類(lèi)焊接變形問(wèn)題進(jìn)行工藝改進(jìn)多采用試驗(yàn)件方式進(jìn)行，但試驗(yàn)件存在工程量大、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等實(shí)際問(wèn)題。

筆者基于焊接過(guò)程數(shù)值模擬分析技術(shù)，利用MSC.Marc軟件，將有限元模擬技術(shù)應(yīng)用到壓縮機(jī)焊接工藝改進(jìn)領(lǐng)域中，采用數(shù)值分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，不斷優(yōu)化模擬方法，持續(xù)提升壓縮機(jī)風(fēng)筒法蘭的焊接模擬精度。

1 ?焊接過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)概述

焊接具有局部高溫加熱、短時(shí)保溫、快速冷卻等不平衡特點(diǎn)。在壓縮機(jī)制造業(yè)中的焊接多采用氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊等方法進(jìn)行多層多道焊接。由于焊接填充量較大，多層多道焊接過(guò)程結(jié)束后往往都會(huì)產(chǎn)生包括縱向收縮、橫向收縮等較大的焊接殘余變形。這不僅改變了結(jié)構(gòu)件的原本形狀，還有可能產(chǎn)生降低結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和服役時(shí)間的應(yīng)力集中和附加彎矩。

傳統(tǒng)焊接問(wèn)題的研究工作依賴(lài)于在統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)曲線，然而僅從實(shí)驗(yàn)方面研究此類(lèi)問(wèn)題難度很大，且無(wú)前瞻性，不能全面預(yù)測(cè)和分析焊接過(guò)程、客觀評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)水平的高速發(fā)展和有限元理論的不斷提升，為焊接過(guò)程的有限元模擬研究提供了非常有效的理論和工具，通過(guò)仿真可以將研究模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚?模擬-生產(chǎn)”，進(jìn)而有效提高焊接以及材料加工領(lǐng)域的科研能力，同時(shí)節(jié)約研究的成本和人力。

2 ?離心壓縮機(jī)風(fēng)筒法蘭焊接過(guò)程數(shù)值模擬過(guò)程與結(jié)果分析

模擬過(guò)程包括幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)、初始條件、邊界條件、工況的確定等，需要通過(guò)不斷調(diào)整焊接模型，比對(duì)實(shí)際焊接變形量，驗(yàn)證模擬計(jì)算方法的合理性。

2.1 有限元模型的建立

利用SolidWorks軟件將某型號(hào)離心壓縮機(jī)焊接風(fēng)筒二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型，風(fēng)筒彎板組件與法蘭件之間坡口形式采用與實(shí)際相符的雙邊30°對(duì)接坡口?？紤]到該風(fēng)筒的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為便于后續(xù)網(wǎng)格劃分，建模采用了1/4鏡像方式對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將焊縫分為四層四道焊，各道網(wǎng)格均選用六面體網(wǎng)格。焊縫區(qū)域因?yàn)闊彷斎氪?，溫度、?yīng)力變化梯度大，對(duì)模擬結(jié)果影響較大，采用小網(wǎng)格劃分;由于風(fēng)筒彎板上段區(qū)域距離焊縫較遠(yuǎn)，網(wǎng)格尺度對(duì)模擬結(jié)果影響較小，采用大網(wǎng)格劃分。而包括焊接熱影響區(qū)的下段彎板和法蘭區(qū)域，則在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，利用偏置間隔單元，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格由密向疏的過(guò)渡（見(jiàn)圖1），防止畸變的產(chǎn)生。實(shí)踐證明，該方法在保證模擬準(zhǔn)確的條件下，有效的減少了單元數(shù)量，提高了計(jì)算效率。

將劃分好網(wǎng)格的1/4模型導(dǎo)入到Marc軟件中，進(jìn)行鏡像補(bǔ)全，得到風(fēng)筒法蘭的整體網(wǎng)格模型。

2.2 材料參數(shù)的選取

對(duì)于本研究中的Q345R鋼，在模擬中涉及到的物理參數(shù)包括比熱容、熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度、楊氏模量、導(dǎo)熱系數(shù)等參量。本項(xiàng)目選用MSC公司提供的S355材料相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行焊接模擬，由于實(shí)際焊接過(guò)程選用的H02Mn2SiA焊絲與母材性能相近，故數(shù)值模擬過(guò)程中的母材與焊材均采用S355材料替代。

2.3 熱源模型的設(shè)置

焊接熱源與實(shí)際熱源的相似程度直接關(guān)系著焊接應(yīng)力場(chǎng)、焊接變形模擬的準(zhǔn)確性。由于雙橢球熱源是目前公認(rèn)最接近實(shí)際厚板多層多道焊接的熱源模型，本項(xiàng)目采用雙橢球熱源模型仿真實(shí)際焊接過(guò)程的MAG焊熱源。

綜合考慮模擬計(jì)算效率和實(shí)際焊接過(guò)程，本項(xiàng)目將風(fēng)筒彎板與法蘭之間焊縫分為4層，根據(jù)每層實(shí)際尺寸、焊接模擬過(guò)程中溫度分布及熔池尺寸設(shè)定雙橢球熱源參數(shù)。

2.4 邊界條件的確定

焊接過(guò)程中焊接材料與外界有強(qiáng)烈的熱交換，因此在焊接過(guò)程數(shù)值仿真中要設(shè)定合理的溫度邊界條件。本項(xiàng)目設(shè)置周邊環(huán)境初始溫度20℃，對(duì)流系數(shù)0.02，單層焊接完成后，冷卻30分鐘。

模型建立過(guò)程中對(duì)工件的固定和焊接速度的實(shí)際擬合程度將直接影響焊接結(jié)果?？紤]到實(shí)際工件焊接過(guò)程中，法蘭與彎板之間圓周連接，故在模型中對(duì)焊縫尖點(diǎn)選取四點(diǎn)進(jìn)行剛性固定，控制其Z向位移。焊接速度設(shè)置為5mm/s，焊接順序?yàn)橛袃?nèi)至外，單圈連續(xù)焊接。

2.5 焊縫填充過(guò)程“生死單元”技術(shù)的應(yīng)用

本文利用Marc軟件的生死單元技術(shù)擬合風(fēng)筒法蘭多層多道焊實(shí)際材料填充過(guò)程，提高模擬計(jì)算精度。生死單元技術(shù)是在仿真中考慮材料添加方法的關(guān)鍵技術(shù)。生死單元技術(shù)是指在焊接前將焊縫單元“殺死”，然后隨著熱源的移動(dòng)再將單元逐步“激活”。在Marc中將單元?dú)⑺啦⒎钦嬲膭h除這部分單元，而是為它們的熱傳導(dǎo)系數(shù)賦予一個(gè)很小的值，在保證剛度矩陣穩(wěn)定的前提下，將這部分單元的作用降到最小，這樣在熱源未移動(dòng)到的位置，這些單元就相當(dāng)于不存在。然后焊接過(guò)程中隨著熱源的移動(dòng)逐步將這部分單元激活，即將它們的熱傳導(dǎo)系數(shù)恢復(fù)原值，相當(dāng)于模擬焊接過(guò)程中的材料添加過(guò)程。

2.6 風(fēng)筒法蘭外圓焊接變形計(jì)算結(jié)果與分析

按照前期選定的計(jì)算模型，應(yīng)用邊界條件和材料參數(shù)，開(kāi)展計(jì)算，得到各位置焊接變形計(jì)算結(jié)果。法蘭外圓變形云圖如圖2所示，風(fēng)筒Z向變形最大值為4.06mm，出現(xiàn)在法蘭外圓，從變形云圖中可以看出，風(fēng)筒法蘭外圓各點(diǎn)出現(xiàn)翹起變形，變形趨勢(shì)與生產(chǎn)寫(xiě)實(shí)過(guò)程實(shí)測(cè)值一致。

各測(cè)量點(diǎn)最終變形量記錄于表1，計(jì)算結(jié)果表明，各測(cè)量點(diǎn)變形量3-4mm左右，最大值4.03mm，最小值2.60mm，圓周方向變形較為均勻，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

3 ?工藝優(yōu)化措施的焊接過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果與分析

對(duì)于多層多道焊接，坡口形式直接影響焊接變形量，對(duì)稱(chēng)的熱輸入可能一定程度上減小焊接變形。本節(jié)將原有設(shè)計(jì)圖紙中60°V型坡口，改變?yōu)?0°X型坡口，采用焊接數(shù)值模擬方法，研究坡口形式對(duì)零件焊接變形的影響。改進(jìn)前后坡口形式對(duì)比如圖3所示。

按照前期經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的計(jì)算模型，僅改變焊接坡口形式，其余與原有計(jì)算一致，單層四道焊縫焊完之后，同樣增加冷卻30min工況，開(kāi)展計(jì)算，得到各位置焊接變形計(jì)算結(jié)果。

法蘭外圓變形云圖如圖4所示，風(fēng)筒Z向變形最大值為1.33mm，出現(xiàn)在法蘭外圓，從變形云圖中可以看出，風(fēng)筒法蘭外圓各點(diǎn)出現(xiàn)翹起變形，變形量比較均勻。

各測(cè)量點(diǎn)最終變形量記錄于表2，計(jì)算結(jié)果表明，各測(cè)量點(diǎn)變形量1.2mm左右，最大值1.32mm，最小值1.23mm，圓周方向變形較為均勻，相比較單側(cè)坡口焊接模擬和實(shí)測(cè)值，變形量大幅度降低。

由于兩側(cè)收縮量均勻分布，變形量得到一定減小，由此表明，相比較原有V型坡口，X型坡口對(duì)于風(fēng)筒法蘭焊接變形的減小具有明顯定效果。

4 ?結(jié)論

①通過(guò)建立合適的有限元模型，選用合理的邊界條件，采用可靠的數(shù)值模擬方法，可以實(shí)現(xiàn)離心壓縮機(jī)風(fēng)筒焊接過(guò)程變形的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

②對(duì)于大壁厚焊接風(fēng)筒，焊接過(guò)程中采用對(duì)稱(chēng)坡口焊接，即將V型坡口改進(jìn)為X型坡口，可大幅降低焊接導(dǎo)致的法蘭外圓的翹起變形。

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