基于Simufact的割草盤(pán)控制桿焊接成形質(zhì)量控制研究

嚴(yán)小惠，陳廣清，徐洪磊，閆中原，李萍

基于Simufact的割草盤(pán)控制桿焊接成形質(zhì)量控制研究

嚴(yán)小惠1，陳廣清2，徐洪磊2，閆中原2，李萍2

（1. 江蘇通順動(dòng)力科技有限公司，江蘇 南通 226300；2. 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

保證割草機(jī)割草盤(pán)控制桿焊后的裝配精度和尺寸穩(wěn)定性。采用Simufact Welding軟件對(duì)割草盤(pán)控制桿焊接過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)建立合適的熱源模型，得到焊后變形和焊接應(yīng)力分布情況。橢圓板焊縫處為焊接變形最大的區(qū)域，最大總變形量為0.73 mm；焊后最大等效應(yīng)力為395.59 MPa，且沿焊縫兩側(cè)向外擴(kuò)展，等效應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)。通過(guò)工裝優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了焊后殘余變形控制，最大變形量由0.73 mm降低到0.41 mm，且未引起焊接殘余應(yīng)力的上升，但焊后殘余應(yīng)力仍處于較高的水平，可通過(guò)焊后退火消除殘余應(yīng)力。

Simufact Welding；熱源模型；焊后變形；焊后應(yīng)力；焊后變形控制

隨著我國(guó)現(xiàn)代化（生草制）果園種植面積的不斷擴(kuò)大，割草強(qiáng)度大幅度增加，因此對(duì)割草機(jī)有了更大的需求[1]。割草機(jī)制造過(guò)程中各組件皆以焊接方式連接，為了保證產(chǎn)品的裝配精度和尺寸穩(wěn)定性，要求盡可能減少薄板件在焊前的精度偏差和焊后的熱應(yīng)力與變形[2]，因此如何實(shí)現(xiàn)割草機(jī)割草盤(pán)控制桿焊后變形預(yù)測(cè)與控制成為了急需突破的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

目前，通常都是在工藝確定、夾具已經(jīng)成實(shí)物的情況下，在工業(yè)化階段通過(guò)反復(fù)多次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和調(diào)試來(lái)實(shí)現(xiàn)精度達(dá)標(biāo)，增加了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和人力物力成本，且調(diào)整的策略往往也局限于反變形等一些經(jīng)驗(yàn)性手段[3]。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，仿真也逐漸成為一種有效的手段[4-11]。I. A. Daniyan等[12]采用Simufact Welding操作軟件研究了碳鋼STKM13A對(duì)鋼軌懸架系統(tǒng)焊接總成熱性能的影響，結(jié)果表明，比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)3個(gè)參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程有重要影響，因此控制這3個(gè)參數(shù)，可以保證焊接過(guò)程的安全、可靠和高效；Yi Song等[13]采用Simufact Welding模擬焊接軟件對(duì)厚度為2 mm的TWIP980鋼板的激光焊接工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，確定了激光焊接工藝的最佳參數(shù)：功率為3 kW，焊接速度為3 m/min，并在此參數(shù)下進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際焊接接頭相比，模擬焊接接頭具有較高的一致性，驗(yàn)證了該軟件對(duì)TWIP980鋼激光焊接仿真的指導(dǎo)意義；Ramazan EROL等[14]采用有限元模擬軟件及試驗(yàn)方法對(duì)St37材料氣體保護(hù)金屬極電弧焊焊接過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果表明，隨著材料厚度的增加，變形量減小，隨著焊接速度的增加，變形量增大，并且有限元預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了模擬手段的有效性。

文中借助Simufact Welding軟件，研究了某商務(wù)割草機(jī)割草盤(pán)光圓圓桿與沖壓板的焊接變形與殘余應(yīng)力分布，并根據(jù)模擬分析結(jié)果，通過(guò)添加相應(yīng)的夾具，實(shí)現(xiàn)焊后殘余變形控制，為實(shí)際零件生產(chǎn)的工裝及尺寸精度控制提供理論指導(dǎo)。

1 焊接結(jié)構(gòu)分析

某商務(wù)割草機(jī)割草盤(pán)控制桿由光圓圓桿和3個(gè)沖壓件焊接而成，焊接部分有3處，如圖1所示。光圓圓桿直徑為25.4 mm，長(zhǎng)度為673.54 mm，由20#鋼制成。橢圓板板厚為6.35 mm，兩圓孔之間的距離為139.7 mm。三棱板的板厚與橢圓板相同，圓孔與正方形孔的定位距離為49.94 mm。沖壓件的材料為牌號(hào)SPHC的熱軋鋼板。

2 有限元模型建立

2.1 熱源模型及參數(shù)確定

對(duì)于焊接模擬，焊接熱源在焊接過(guò)程中起主要作用，因此，在焊接過(guò)程中，合理的熱源模型選擇對(duì)焊后變形及焊接應(yīng)力的精確計(jì)算至關(guān)重要。焊接熱源的合理選擇需要考慮焊件厚度、焊接速度、焊接方式等諸多因素。焊接熱源模型按熱源作用方式可分為3類(lèi)：集中熱源模型、平面熱源模型、體熱源模型。目前，常用的焊接熱源模型為經(jīng)典高斯分布熱源模型和雙橢球熱源模型。文中采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)光圓圓桿和沖壓件進(jìn)行焊接，焊縫形式為角焊縫，高斯模型在仿真計(jì)算時(shí)適用于平面高能束焊縫，而雙橢球熱源模型更適用于角焊縫的實(shí)際焊接情況，因此，采用雙橢球熱源模型進(jìn)行焊接模擬所得結(jié)果較為精確[15]。雙橢球熱源模型如圖2所示，其前半部化為一個(gè)1/4的橢球模型，后半部分同樣化作另一個(gè)1/4橢球模型。前半部的熱源模型分布表達(dá)式為：

圖1 某商務(wù)割草機(jī)割草盤(pán)控制桿

后半部橢球的熱源模型分布表達(dá)式為：

式中：1和2分別為前、后半橢球內(nèi)熱輸入分?jǐn)?shù)，且1+2=2；r，f，，為定義橢圓的具體參數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16]并結(jié)合實(shí)際焊接生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定最終焊接工藝參數(shù)為：焊接電流=150 A，焊接電壓= 20 V，焊接速度=50 cm/min，焊接效率取0.8；焊接熱源模型參數(shù)為：后端長(zhǎng)度r=3.5 mm，前端長(zhǎng)度f(wàn)= 8 mm，熔池深度=2.5 mm，熔池寬度=2.5 mm。

2.2 焊接模型及邊界條件

采用UG NX 11.0建立焊接幾何模型，利用坐標(biāo)位置確定組件間的裝配關(guān)系；再將實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)焊縫區(qū)和近焊縫區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，由于模型尺寸較大，通過(guò)對(duì)零件的焊縫區(qū)和近焊縫區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化來(lái)提高計(jì)算效率；最后將劃分后的實(shí)體網(wǎng)格導(dǎo)入Simufact Welding 6.0軟件進(jìn)行賦值計(jì)算。焊接幾何模型包括1個(gè)支撐（Bearing）、7個(gè)夾具（Clampings）以及3個(gè)焊槍?zhuān)≧obots），有限元焊接模型如圖3所示。焊接時(shí)，環(huán)境溫度為20 ℃，每個(gè)夾具的夾持力大小為100 N，且3個(gè)焊槍同時(shí)焊接。整個(gè)模擬時(shí)間設(shè)置為2000 s，其中焊槍作用時(shí)間約為10 s，焊后冷卻時(shí)間為1990 s。

圖2 雙橢球熱源模型

圖3 有限元焊接模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 焊接變形量分析

在焊接過(guò)程中，焊件受到熱源的局部加熱作用，焊縫處金屬的溫度在加熱和冷卻階段發(fā)生了復(fù)雜變化，且焊接熱影響區(qū)及母材對(duì)焊縫金屬的變形起到協(xié)調(diào)作用，最終導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)整體發(fā)生各種變形。圖4為焊接結(jié)束冷卻后（2000 s）焊件總變形量分布情況?？梢钥闯?，整個(gè)過(guò)程的最大總變形量為0.73 mm，主要發(fā)生在橢圓板B的焊縫周?chē)?；橢圓板A變形最低，且其焊縫處變形量大于兩側(cè)，焊縫處變形量約為0.2 mm，兩側(cè)幾乎未發(fā)生變形；三棱板C及光圓圓桿的變形較為均勻，兩者總變形量約為0.22 mm。圖4展示了放大10倍后不同位置的變形結(jié)果，黑色輪廓代表零件的初始位置?？梢钥闯觯瑱E圓板B在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生了翹曲變形，橢圓板B向右偏移。細(xì)長(zhǎng)圓桿則整體向右偏移。橢圓板A略微向左偏移。圖5為橢圓板B焊縫區(qū)、近焊縫區(qū)以及遠(yuǎn)離焊縫區(qū)6個(gè)采樣點(diǎn)總變形量隨時(shí)間的變化情況?？梢钥闯觯诤附与A段，隨著熱源的不斷移動(dòng)，各個(gè)點(diǎn)的總變形量都不斷增大，但采樣點(diǎn)1，2，3，4的總變形量遠(yuǎn)大于采樣點(diǎn)6，表明焊縫區(qū)及近焊縫區(qū)的總變形量遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離焊縫區(qū)。在冷卻階段，6個(gè)采樣點(diǎn)的總變形量總體基本趨于穩(wěn)定，采樣點(diǎn)1由于受到熱源作用的影響較大且兩側(cè)金屬對(duì)其限制作用較小，總變形量最大，約為0.65 mm；采樣點(diǎn)6為遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，其受到熱源作用的影響較小，總變形量最小，約為0.1 mm。

圖4 冷卻后焊接總變形量分布

圖5 采樣點(diǎn)總變形量隨時(shí)間的變化曲線

3.2 焊接應(yīng)力分析

焊接時(shí)，焊件的局部加熱以及焊接接頭膨脹與收縮的不自由，最終會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，除此之外，焊件外部施加的固定約束，也會(huì)引起焊件部分位置焊接殘余應(yīng)力的上升。圖6為焊接結(jié)束冷卻后（2000 s）焊件等效應(yīng)力分布情況?？梢钥闯觯附討?yīng)力較大的地方主要在焊縫的周?chē)?，整個(gè)過(guò)程的最大等效應(yīng)力為395.59 MPa。為了更直觀地看出焊縫周?chē)鷳?yīng)力的變化，在橢圓板焊縫的附近取了6個(gè)采樣點(diǎn)，并分析6個(gè)采樣點(diǎn)等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，如圖7所示。在焊接階段，焊接的等效應(yīng)力隨著時(shí)間呈現(xiàn)復(fù)雜的變化特征，但總體呈上升趨勢(shì)；在冷卻階段，焊接等效應(yīng)力總體趨向平穩(wěn)。對(duì)比不同采樣點(diǎn)焊后等效應(yīng)力大小，可以看出，跟蹤點(diǎn)2和3，即熔合線附近，等效應(yīng)力值最大，且沿焊縫兩側(cè)逐漸向外擴(kuò)展，等效應(yīng)力值逐漸減小。但值得注意的是，焊后采樣點(diǎn)6的等效應(yīng)力大于采樣點(diǎn)5，這是由于在焊接過(guò)程中，橢圓板的協(xié)調(diào)變形受到了固定螺栓的阻礙作用，造成此處焊接等效應(yīng)力大于采樣點(diǎn)5。

圖6 冷卻后焊接等效應(yīng)力分布

圖7 采樣點(diǎn)等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

4 工裝優(yōu)化方案

從上述模擬結(jié)果可以看出，板B是焊接變形最大的地方，并且向右偏移，最大偏移量約為0.78 mm；板A向左略微偏移，板C則向右略微偏移，兩者最大變形量約為0.22 mm。根據(jù)光圓與沖壓件焊接的模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)了如圖8所示的工裝方案，對(duì)沖壓件變形較大的地方添加相應(yīng)的夾具來(lái)阻擋它的焊接變形，參考相關(guān)文獻(xiàn)中夾緊力的確定方法[17]，并結(jié)合多次模擬仿真結(jié)果進(jìn)一步分析，當(dāng)4個(gè)夾具夾持力的大小分別為800，100，1000，100 N時(shí)，焊接變形得到顯著控制。

圖8 優(yōu)化工裝后的焊接有限元模型

圖9為優(yōu)化工裝后的焊接總變形量分布情況?？梢钥闯觯砑?個(gè)夾具后，橢圓板依舊是變形最大的地方，但整個(gè)焊接過(guò)程的最大總變形量顯著降低，僅為0.41。圖10為優(yōu)化工裝后的焊接等效應(yīng)力分布情況?？梢钥闯?，優(yōu)化工裝后，整個(gè)過(guò)程的最大等效應(yīng)力為387.04 MPa，焊接等效應(yīng)力分布趨勢(shì)與未優(yōu)化時(shí)基本一致。相比較未優(yōu)化時(shí)的焊接工裝，等效應(yīng)力略有降低，但焊縫及近焊縫區(qū)的殘余等效應(yīng)力依然處于較高水平。焊接殘余應(yīng)力會(huì)顯著影響焊件的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)剛度等性能，后續(xù)可通過(guò)退火處理消除焊件殘余應(yīng)力。

圖9 焊接總變形量分布

圖10 等效應(yīng)力分布

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用CO2氣體保護(hù)焊及初始工裝對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸與沖壓件進(jìn)行焊接，實(shí)驗(yàn)采用的焊接工藝參數(shù)為：焊接電流=150 A，焊接電壓=20 V，焊接速度= 50 cm/min。焊接完成后，沿細(xì)長(zhǎng)圓桿軸向進(jìn)行切割，所得結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，細(xì)長(zhǎng)軸與沖壓件焊接質(zhì)量良好，焊縫處未觀測(cè)到裂紋等缺陷，且對(duì)工件的焊接變形進(jìn)行測(cè)量，橢圓板的最大偏移量為0.89 mm，與模擬結(jié)果0.78 mm相比，誤差為14%，驗(yàn)證了模擬的有效性。

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

1）采用初始工裝，冷卻后焊件最大總變形量為0.73 mm，右邊橢圓板是焊接變形最大的地方；焊后最大等效應(yīng)力為395.59 MPa，且沿焊縫兩側(cè)向外擴(kuò)展，等效應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)。

2）采用優(yōu)化后的工裝，冷卻后各處焊接總變形量不超過(guò)0.5 mm，最大總變形量?jī)H為0.41 mm，焊接變形得到有效控制。同時(shí)，冷卻后焊接等效應(yīng)力略有降低，最大等效應(yīng)力為387.04 MPa。

3）采用選定工藝參數(shù)及初始工裝，所得焊接件成形質(zhì)量良好，焊縫處未觀測(cè)到裂紋等缺陷，且對(duì)工件的焊接變形進(jìn)行測(cè)量，橢圓板的最大偏移量為0.89 mm，與模擬結(jié)果基本吻合。

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Welding Quality Control of Control Rod of Lawn Mower Cutter Plate Based on Simufact

YAN Xiao-hui1, CHEN Guang-qing2, XU Hong-lei2, YAN Zhong-yuan2, LI Ping2

(1. Jiangsu Tongshun Power Technology Co., Ltd., Nantong 226300, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The work aims to ensure the assembly accuracy and dimensional stability of the control rod of lawn mower cutter plate after welding. The welding process of control rod of lawn mower cutter plate was simulated with software Simufact Welding. A suitable heat source model was established, and the deformation and welding stress distribution after welding were obtained. The largest area of welding deformation was the elliptical plate weld, and its maximum total deformation was 0.73 mm. The maximum equivalent stress after welding was 395.59 MPa, and the equivalent stress value decreased gradually along the two sides of the weld. Through the optimization of tooling, the residual deformation control after welding is realized. The maximum deformation decreases from 0.73 mm to 0.41 mm, and the welding residual stress does not increase with the addition of tooling, but the residual stress is still high after welding, which can be eliminated by post welding annealing.

Simufact Welding; heat source model; distortion after welding; stress field after welding; deformation control after welding

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.008

TG404

A

1674-6457(2022)02-0046-05

2021-07-06

安徽省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（201903a05020045）

嚴(yán)小惠（1973—），男，工程師，主要研究方向?yàn)榻饘侔宀募靶筒臎_壓成形及焊接。

李萍（1973—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚喂に嚺c仿真。