某型雙臂塔式起重機塔尖焊接數(shù)值仿真研究*

嚴浩東,馬思群，于佳田，蒼 松

(1.大連交通大學(xué) 機車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110023)

0 引 言

塔式起重機作為特種設(shè)備之一，主要應(yīng)用在交通運輸、傳統(tǒng)機械、核工業(yè)等領(lǐng)域，是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)，其安全性一直備受行業(yè)的高度重視。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在焊接過程中的力學(xué)分析、能量分析、組織性能分析方面均得到越來越多的應(yīng)用[1]。武漢理工大學(xué)的張凱[2]在熱彈塑性有限元法的基礎(chǔ)下，針對船體結(jié)構(gòu)典型T型接頭角焊縫進行了焊接變形預(yù)測，研究了構(gòu)件平面尺寸、焊接速度、焊角尺寸、板材的厚度以及焊接順序的變化等因素對焊接變形的影響。上海交通大學(xué)的朱琦峰[3]將熱彈塑性有限元法進行簡化，分析了不同焊接順序下箱體模型的溫度場、應(yīng)力場以及焊接變形數(shù)值，對比不同方案下三者的變化規(guī)律。焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會影響整座塔吊的安全應(yīng)用，筆者基于熱彈塑性理論，采用雙橢球熱源模型，建立了二維網(wǎng)格模型，使用Hypermesh軟件和SYSWELD軟件對適合該雙臂塔式起重機焊接數(shù)值模擬的網(wǎng)格尺寸、熱影響區(qū)寬度進行了確定，還對焊接電流對焊接件溫度場、熔池形狀與焊后殘余應(yīng)力的影響規(guī)律做了研究。

1 研究對象

塔尖是主要承力機構(gòu)，用來承受臂架和平衡臂拉繩傳來的上部荷載。文中以某型雙臂塔式起重機的塔尖為研究對象。如圖1所示，該塔尖由A字承力結(jié)構(gòu)、鋼架和外部吊架等構(gòu)件組焊而成。為了研究方便，首先對塔尖兩端起承力作用的A字結(jié)構(gòu)開展焊接仿真的相關(guān)研究。該A字結(jié)構(gòu)所用材料為Q345，由3 mm的鋼板、6 mm的中空圓管和7 mm的中空外架通過焊縫1～6焊接而成。焊縫1～6全為角焊縫且為單道焊接，焊縫5和焊縫6為環(huán)焊縫，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 塔尖整體外貌圖 圖2 A字結(jié)構(gòu)焊縫示意圖

2 熱源模型選取

熱彈塑性法是焊接數(shù)值模擬的一種基礎(chǔ)方法。熱彈塑性有限元法焊接分為以下兩步：首先分析焊接傳熱，隨后進行應(yīng)力變形分析[4]。在使用熱彈塑性法進行數(shù)值模擬分析時，最為關(guān)鍵和基礎(chǔ)的是熱源模型的選取。常用的熱源模型有平面高斯熱源模型、雙橢球分布熱源模型、3D高斯圓錐形熱源模型等。相對于其它熱源模式，雙橢球熱源模型擁有更為復(fù)雜的熱流密度函數(shù)和較多的焊接定義參數(shù)，能夠較好地反應(yīng)熱源分布情況，一般適用于手工電弧焊、熔化極氣體保護焊、熔化極活性氣體保護焊等焊接方法。

在實際焊接過程中，金屬材料在電流作用下熔化形成熔池，熔池內(nèi)的能量因電弧移動呈不對稱分布，存在前后差異。以焊接方向為正方向，電弧后部的能量大于電弧前部的能量，雙橢球熱源模式對這一現(xiàn)象進行了很好地模擬，其由前后兩個不同的1/4橢球體組成，如圖3所示。

圖3 雙橢球熱源模型

a、b、cb、cf均為熱源參數(shù)；a影響熔池熔寬；b影響熔深；cb和cf的確定則需要一定的經(jīng)驗和一定的時間精力。ff、fr為前后橢球的熱量輸入分布系數(shù)，利用雙橢球式可以得出前后橢球的熱流分布為[5]：

x≥0

(1)

x<0

(2)

前半部分的熱輸入為：

(3)

對于后半部分同理為:

(4)

由于：

(5)

所以：

(6)

3 網(wǎng)格尺寸及熱影響區(qū)對仿真的影響

3.1 網(wǎng)格尺寸對仿真結(jié)果的影響

圖4所示為本次焊接數(shù)值模擬的技術(shù)路線，由圖可知焊接仿真的結(jié)果與幾何模型的還原度、熱源的類型、材料性能等多重因素相關(guān)。劃分的網(wǎng)格在整個過程中起著決定性的作用。網(wǎng)格尺寸的大小會影響仿真的精度，也會影響計算的迭代次數(shù)以及仿真的所用時間。根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格尺寸越小，仿真精度越高，同時仿真時間增加。

圖4 焊接數(shù)值模擬技術(shù)路線

為了使仿真結(jié)果更加準確，需要研究網(wǎng)格大小對焊接數(shù)值模擬的影響。首先，使用Pro/E軟件對塔尖上的A字結(jié)構(gòu)進行幾何建模。由于工藝設(shè)計的需要，此結(jié)構(gòu)中存在著很多的倒角，這些倒角的刪除與否對焊接仿真的結(jié)果不會有影響，但是會增加網(wǎng)格劃分的難度，也會在一定程度上影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量。因此，在建模軟件中直接建立出了幾何清理后的中面模型。

其次，在HyperMesh中將建立完的中面模型劃分成兩種不同尺寸的網(wǎng)格，一種為5 mm的網(wǎng)格，如圖5所示，另一種為10 mm的網(wǎng)格，采用四節(jié)點四邊形單元為主，三節(jié)點三角形單元為輔的劃分方式。焊縫單元可以獨立于母材而被劃分成實體單元或者殼單元兩種形式，殼固耦合模型和純殼單元模型的仿真結(jié)果基本吻合。因此，在Visual-Weld和Visual-Mesh中對焊縫以及熱影響區(qū)進行二維單元的劃分。經(jīng)過網(wǎng)格劃分，5 mm模型的單元數(shù)量為25 806,節(jié)點數(shù)為25 416；10 mm模型的單元數(shù)量為6 651，節(jié)點數(shù)為6 444。

圖5 5 mm網(wǎng)格離散圖

為了研究方便，對模型進行了以下合理的簡化：①熔池的液態(tài)金屬設(shè)定為不可壓縮性粘性流體，流動方式為層間流動[6]；②不對焊件進行預(yù)熱處理，設(shè)置焊接初始溫度為20 ℃；③除了與溫度有關(guān)的參數(shù)以外，材料的其他參數(shù)都不隨溫度的變化而變化；④該塔吊采用的材料為Q345低碳鋼，熔化溫度為1 400～1 500 ℃，SYSWELD現(xiàn)有的材料庫中S355J2G3的性能與所需材料相似，直接采用該材料定義焊接母材以及焊縫單元。

最后，采用控制變量法進行網(wǎng)格尺寸對焊接數(shù)值模擬的影響研究。在進行焊接導(dǎo)向設(shè)置的時候，需要保證熱影響區(qū)的范圍、模型的夾持條件、冷卻環(huán)境、焊接電流與焊接速度等焊接參數(shù)需保持一致(焊接電壓為25 V，焊接電流為250 A，焊接速度為10 mm/s，焊接熱效率為0.75)，最終得到圖6中的兩種網(wǎng)格尺寸下的焊接仿真準穩(wěn)態(tài)溫度場圖。由于焊縫周圍的金屬在1 500 ℃時已完全融化。因此，為了觀察方便，文中的溫度場上限全部調(diào)整為1 500 ℃。

從仿真結(jié)果可以看出，網(wǎng)格的尺寸會嚴重影響焊接仿真結(jié)果。觀察圖6(b)中的10 mm網(wǎng)格的準穩(wěn)態(tài)溫度場發(fā)現(xiàn)，采用10 mm網(wǎng)格劃分的模型，最低溫度為-12.584 6 ℃，低于設(shè)置的室溫20 ℃；最高溫度為1 880.45 ℃，與所測的實際最高溫度相差較大。而且，觀察該網(wǎng)格尺寸下的整個焊接仿真過程發(fā)現(xiàn)，溫度負峰值始終會出現(xiàn)在熱源的前面，跟隨著熱源的移動而動，并且熔池形狀與采用的熱源類型所對應(yīng)形成的熔池不同。因此，10 mm的網(wǎng)格無法準確地對該塔吊進行焊接仿真。

圖6(a)所示為5 mm的溫度場圖，準穩(wěn)態(tài)峰值溫度為1 538.97 ℃，結(jié)果與實測結(jié)果相符，誤差在標準范圍之內(nèi)。由此看來，選擇合理的單元尺寸尤為重要，在以后的焊接仿真研究工作中，需要根據(jù)模型的大小、仿真精度要求來選擇合適正確的網(wǎng)格尺寸。而且對此模型，10 mm單元和5 mm單元的計算所需時長相差不大。因此，對于一定規(guī)格的模型，在綜合考慮數(shù)值模擬的同時，可以優(yōu)先考慮使用小網(wǎng)格，小網(wǎng)格單元質(zhì)量更高，仿真結(jié)果更為準確。

圖6 兩種網(wǎng)格尺寸的焊接溫度場圖

通過觀察溫度場，還可以發(fā)現(xiàn)當達到焊接準穩(wěn)態(tài)時，電弧前方的溫度梯度要大于后方的溫度梯度。這是因為電弧沿著焊接方向移動時，對電弧后方的焊接件會有類似預(yù)熱的過程，所以電弧前方的焊接件相對于后方的加熱時間短，熱輸入量小，因此電弧前方的溫度梯度較大，其前后的溫度分布不對稱，并且峰值溫度隨著電弧的前移而前移。

3.2 熱影響區(qū)的寬度對仿真結(jié)果的影響

焊接熱影響區(qū)的性能對焊接件的使用壽命有著很大的影響。對于工業(yè)生產(chǎn)常用的鋼材，根據(jù)每個區(qū)域的峰值溫度，可以將熱影響區(qū)劃分為粗晶熱影響區(qū)、細晶熱影響區(qū)、臨界熱影響區(qū)和亞臨界熱影響區(qū)。熱影響區(qū)的寬度與焊接方法、焊接工藝、母材厚度等多種因素有關(guān)，該塔吊采用的電弧焊的熱影響區(qū)寬度一般為6.0～8.5 mm[7]。

為了研究熱影響區(qū)寬度對焊件溫度變化的影響。在焊接電流250 A，焊接電壓25 V等其他焊接參數(shù)統(tǒng)一的情況下，建立了3 mm、6 mm、8.5 mm、10 mm、15 mm五種寬度的熱影響區(qū)。觀察各熱影響區(qū)寬度下的焊接仿真過程，發(fā)現(xiàn)當焊接時間為40 s時，焊接早已達到準穩(wěn)態(tài)。因此，以該時刻的電弧中心到達的焊縫單元上的節(jié)點為觀測點，如圖7所示。

圖7 觀測點選取位置圖

在同一熱影響區(qū)寬度下，提取各個被選節(jié)點的溫度變化曲線，并求其平均值，進行數(shù)據(jù)整理之后，得到圖8中的不同熱影響區(qū)寬度下的溫度變化曲線。

圖8 不同熱影響區(qū)寬度的溫度變化柱狀圖

從圖8可以發(fā)現(xiàn)在焊接數(shù)值模擬仿真時，熱影響區(qū)的選取寬度會對焊接溫度場產(chǎn)生一定的影響。熱影響區(qū)選的寬度不夠大，即達不到熱影響區(qū)最低理論值時，會使仿真溫度峰值過大，無法正確指導(dǎo)實際焊接。當選取的熱影響區(qū)寬度大于或等于8.5 mm時，溫度場的峰值溫度不再發(fā)生變化，即當熱影響區(qū)范圍大于焊件匹配的熱影響區(qū)寬度的理論值時，就不會對數(shù)值模擬的溫度場產(chǎn)生影響，同一位置的溫度變化曲線相同。并且，將熱影響區(qū)寬度為6 mm的溫度變化曲線與8.5 mm以上的對比，發(fā)現(xiàn)各時刻的溫度值相差在10 ℃以內(nèi)。這是因為熱影響區(qū)寬度與母材厚度有關(guān)，工件越薄，熱影響區(qū)寬度越接近理論值下限。因此，在確保結(jié)果準確性的基礎(chǔ)上，同時考慮建模的方便，對該A字結(jié)構(gòu)進行焊接仿真時，焊接熱影響區(qū)統(tǒng)一選取為10 mm的寬度。在對轉(zhuǎn)臺、起重臂等其他雙臂塔式起重機部位進行焊接仿真時，熱影響區(qū)的寬度也可以統(tǒng)一選取為10 mm，能夠在結(jié)果可靠的基礎(chǔ)上大幅度地降低離散模型的難度。

4 焊接電流對焊接的影響

焊接過程會受焊接電流、焊接電壓、焊接速度等多個參數(shù)的綜合影響。由于篇幅限制，文中先對焊接電流這一焊接參數(shù)開展研究，并在特定的焊接電壓、焊接速度的前提下，確定適合該塔尖焊接電流大小。

4.1 焊接電流對溫度場的影響

改變焊接電流會使焊接熱輸入量發(fā)生改變。如表1所列，在焊接電壓(25 V)、焊接速度(10 mm/s)、焊接熱效率(0.75)等其它焊接參數(shù)保持不變的前提下，確定了三組焊接方案，開展焊接電流對焊件焊縫周圍溫度變化影響規(guī)律的研究。同樣以圖7中的節(jié)點為觀察點，計算出每一焊接電流下的平均溫度變化值，得到圖9中的不同焊接電流下的溫度變化曲線。

表1 不同焊接電流對應(yīng)的焊接方案

圖9 不同焊接電流下的溫度變化曲線圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流的不斷增大，電弧前后的溫度梯度變大，溫度場的最大溫度不斷升高。當電流達到240 A時，焊接的穩(wěn)態(tài)溫度達到1 465.63 ℃，已達到焊件所用材料的融化溫度范圍。但為了保證焊縫周圍的金屬能夠完全融化，需繼續(xù)提高焊接電流。當焊接電流達到250 A時，準穩(wěn)態(tài)峰值溫度達到1 538.97 ℃，已超過碳鋼融化溫度的上限，確保焊件能夠完全融化。

4.2 焊接電流對熔池的影響

焊接熱輸入與焊接電流的大小有著密切的關(guān)系，其他參數(shù)不變，焊接電流一定時，焊接熱輸入即為固定值。把熔池看成一個由焊接熱輸入和熔池散熱引起的熱行為整體，則熔池的散熱量只與其本身的大小、溫度以及其周圍的溫度有關(guān)，且散熱的速度與熔池大小和溫度成正比，與周圍溫度成反比。在焊接起始階段，熔池較小且其內(nèi)部溫度較低，散熱量小于吸熱量，熔池隨著電弧的前移而長大，散熱量也不斷增加，熔池內(nèi)部的熱量增加速度和熔池長大速度變緩，直到熔池形狀達到一定的尺寸形狀，散熱量等于吸熱量，熔池形狀確定。熔池形狀變化如圖10所示。

圖10 不同焊接電流下的熔池形狀

根據(jù)圖10所示，穩(wěn)態(tài)下的熔池的寬度和長度隨著電流的增加不斷增大。這是因為增加焊接電流，會使焊接熱輸入增加，焊接件上的焊縫處的各點的熱輸入也相應(yīng)增加，導(dǎo)致該焊接件的溫度場分布范圍變大，熔池也逐漸增大。

4.3 焊接電流對殘余應(yīng)力的影響

焊接電流是影響焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要因素，而焊后殘余應(yīng)力會引起焊接件發(fā)生疲勞斷裂、失穩(wěn)，是導(dǎo)致工件使用壽命減短的主要原因之一[8]。因此，在對塔尖該部位的焊接溫度場模擬的基礎(chǔ)上，還對該焊接件的應(yīng)力場進行了有限元計算，得到如圖11所示的殘余應(yīng)力云圖。

圖11 不同焊接電流下的殘余應(yīng)力

從應(yīng)力云圖中可以看出焊接電流為250 A的平均應(yīng)力最大為315.03 MPa，260 A的平均應(yīng)力最大為317.21 MPa，大的焊縫殘余應(yīng)力發(fā)生在焊縫中心處，而且在其他焊接參數(shù)不變的情況下，焊后殘余應(yīng)力會隨著焊接電流的增大而增大。而當焊接電流為250 A時，焊接準穩(wěn)態(tài)峰值溫度就已達到Q345的熔點。

因此，在焊接速度為10 mm/s、焊接電壓25 V的實際焊接情況下，采用250 A的焊接電流較為合適。焊接完成后，可以通過整體熱處理、錘擊焊縫等方法降低焊接殘余應(yīng)力。

5 結(jié) 論

文中針對某型雙臂塔式起重機塔尖的焊接問題，基于熱彈塑性理論，通過使用HyperMesh和SYSWELD軟件進行了數(shù)值仿真，得出了適合本塔式起重機仿真分析的網(wǎng)格尺寸與熱影響區(qū)寬度，并在特定的焊接電壓和焊接速度的情況下，確定了最佳的焊接電流，為該雙臂塔式起重機的焊接仿真以及實際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。

(1) 對焊接數(shù)值模擬的工件進行前處理時，要選取適合的單元尺寸和熱影響區(qū)寬度。5 mm是離散該塔尖較為理想的單元尺寸，10 mm的熱影響區(qū)寬度可以應(yīng)用到整個塔吊的焊接模擬。

(2) 在焊接電壓為25 V，焊接速度10 mm/s的情況下，250 A焊接電流的峰值溫度已達到材料熔點，殘余應(yīng)力也在材料允許值內(nèi)。因此，采取250 A的焊接電流對該塔尖進行焊接較為合適。

(3) 當其他焊接尺寸不變時，焊接熔池的尺寸與殘余應(yīng)力都會隨著焊接電流的增大而增大。

(4) 可使用SYSWELD對整體塔吊等其他大型焊接結(jié)構(gòu)進行仿真模擬，能夠大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，從而降低生產(chǎn)成本。