焊接方向?qū)型構(gòu)件焊后變形的影響研究

岳國(guó)柱，王國(guó)安，徐武彬，李 冰

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545616）

1 引言

H型構(gòu)件是生產(chǎn)中常用的構(gòu)件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，在航空航天、石油化工、車輛和農(nóng)業(yè)設(shè)備、港口起重機(jī)械等方面應(yīng)用廣泛［1-2］。目前H型構(gòu)件主要是通過(guò)焊條電弧焊，熔化極活性氣體保護(hù)焊，埋弧焊、電阻焊和釬焊等焊接方法［3-4］，將H型構(gòu)件的上下兩塊翼板與中間的腹板焊接在一起。H型構(gòu)件在焊接過(guò)程中與其他焊接件一樣，由于受熱不均，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力與焊接變形，無(wú)法達(dá)到裝配要求。在焊接后仍需要矯正裝置對(duì)構(gòu)件變形進(jìn)行矯正，這樣就增加工序，增加了生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)增加了生產(chǎn)成本。

通常減小結(jié)構(gòu)焊接變形的方法有調(diào)節(jié)焊接順序、調(diào)節(jié)焊接方向、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改變熱輸出、采取合理的焊接工藝、反變形法或加強(qiáng)焊接約束等［5-6］，相對(duì)于其他焊接方法，通過(guò)改變焊接方向從而減小H型構(gòu)件在焊接后變形的方法具有很高的可實(shí)現(xiàn)性［7］。焊接方向同時(shí)又是引起構(gòu)件在焊接后產(chǎn)生變形的重要因素之一，通過(guò)對(duì)焊接方向的優(yōu)化可以有效地控制扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造工藝方法選擇有著重要的意義［8-10］。這里采用了熱彈性變形法，建立了有限元仿真模型，對(duì)不同的焊接方向進(jìn)行研究，通過(guò)分析焊后H型構(gòu)件的變形數(shù)據(jù)，揭示了不同的焊接順序?qū)型構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)變形的規(guī)律，為焊接方向?qū)型構(gòu)件焊后變形的影響研究提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

2 模型的建立

2.1 H型構(gòu)件有限元模型的建立

這里的H型構(gòu)件模型，如圖1所示。主要采用兩塊Q345鋼板與一塊Q345 圓柱進(jìn)行對(duì)接焊接，所選取焊接鋼板的厚度為10mm，長(zhǎng)和寬分變?yōu)?00mm 和80mm；中間圓柱橫梁直徑為40mm，高度為160mm。建立了六面體網(wǎng)格模型，整體網(wǎng)格的邊長(zhǎng)在15mm左右，其中焊縫及焊縫周圍處有限元網(wǎng)格大小為（2×2×2）mm，離焊縫距離越遠(yuǎn)有限元網(wǎng)格模型越大，最大網(wǎng)格的邊長(zhǎng)在（15～18）mm之間。

2.2 材料的特性

Q345鋼的焊接工藝參數(shù)及化學(xué)成分［11］，如表1所示，由于本次研究采用的是三層三道焊，第一層焊縫的焊接速度為6mm/s，第二層焊縫的焊接速度為5mm/s，第三層焊縫的焊接速度為5mm/s，焊接時(shí)采用CO2氣體保護(hù)焊，焊接電流為（125 5）A，電弧電壓為（25 5）V。

表1 Q345鋼的焊接工藝參數(shù)及化學(xué)成分Tab.1 Welding Process Parameters and Chemical Composition of Q345 Steel

3 H型構(gòu)件焊接仿真模擬

3.1 H型構(gòu)件的焊接方向方案設(shè)計(jì)

為了便于研究焊接順序?qū)型構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)變形的影響，對(duì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了編號(hào)，上翼板左右兩端分別為a端和b端；下翼板左右兩端分別為c端和d端；x方向?yàn)闄M向變形，y方向?yàn)榭v向變形，z方向?yàn)榕まD(zhuǎn)變形。焊接方向示意圖，如圖2所示。

圖2 焊接方向示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Welding Direction

同時(shí)結(jié)合焊接操作的方便性，可實(shí)施性，選取某一方向?yàn)楹附诱较?，用?”表示，相反的方向?yàn)樨?fù)方向，用“-”表示，計(jì)焊接順序方案，如表2所示。

表2 焊接方向方案Tab.2 Welding Direction Scheme

3.2 構(gòu)件的縱向變形分析

利用Sysweld軟件對(duì)其進(jìn)行變形計(jì)算分析，焊接方案為1、2、3構(gòu)件的縱向變形云圖，如圖3 所示。不同焊接方案縱向形對(duì)比圖，如圖4所示。

圖3 縱向變形云圖Fig.3 Longitudinal Deformation Cloud Map

圖4 不同焊接方案縱向變形量對(duì)比Fig.4 Comparison of Longitudinal Deformation of Different Welding Schemes

由圖4、圖5 可以看出，縱向變形主要發(fā)生在上下翼板的兩端，兩端距離中心圓柱橫梁較遠(yuǎn)，沒有支撐，變形較大，且當(dāng)上下翼板的焊接方向均為正時(shí)，右端變形比左端大，當(dāng)上下翼板的焊接方向均為負(fù)時(shí)，右端變形比左端小，當(dāng)上下翼板焊接方向相反時(shí)，兩端變形相當(dāng)。雖然焊接方向?qū)负罂v向變形有影響，但表現(xiàn)為一端增大另一端縮小的現(xiàn)象，并不能減小整體縱向變形情況。

3.3 構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)變形分析

扭轉(zhuǎn)變形為構(gòu)件在z軸方向上的變形，在上下翼板的兩端均有用來(lái)裝配的孔，如圖2 所示。焊接后左端兩孔的相對(duì)變形量（AC在Z軸方向上的相對(duì)變形量）和右端兩孔的相對(duì)變形量（BD在Z軸方向上的相對(duì)變形量），會(huì)決定后續(xù)是否需要矯正工序來(lái)滿足裝配要求。

不同焊接方案扭轉(zhuǎn)變形對(duì)比圖，如圖5所示。由圖可以看出方案1與方案3的兩端在Z軸方向的相對(duì)變形量較小，在0.02mm以內(nèi)，滿足兩孔的同軸度為0.002mm的裝配精度要求，不需要焊后矯正工序；方案2與方案2與方案3的兩端在Z軸方向的相對(duì)變形較大，最大為0.117/mm，不能滿足裝配要求。

圖5 不同焊接方案扭轉(zhuǎn)變形量對(duì)比Fig.5 Comparison of Torsional Deformation of Different Welding Schemes

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)仿真進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用了歐地希FD-B4型弧焊工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。焊接試驗(yàn)采用的焊接電流為（125±5）A，電弧電壓為（25±5）V，第一層焊縫的焊接速度為6mm/s，第二層焊縫的焊接速度為5mm/s，第三層焊縫的焊接速度為5mm/s，材料為Q345鋼，采用CO2氣體保護(hù)焊，每組仿真焊接方案做4組實(shí)驗(yàn)，共16組。

圖6 歐地希FD-B4型弧焊工業(yè)機(jī)器人Fig.6 OTC FD-B4 Arc Welding Industrial Robot

4.2 分析結(jié)果

焊接完成后的工件，如圖7所示。通過(guò)用三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)焊接后工件的縱向變形量的測(cè)量以及在Z軸方向上的扭轉(zhuǎn)變形量的測(cè)量，得到每組4次不同焊接方向的實(shí)驗(yàn)焊后變形量平均值。

圖7 焊后工件圖Fig.7 Post-Weld Workpiece Diagram

不同焊接方向縱向變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，如圖8所示。其中，左端縱向變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，如圖8（a）所示。右端縱向變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，如圖8（b）所示。不同焊接方向扭轉(zhuǎn)變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，如圖9所示。其中，左端扭轉(zhuǎn)變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，如圖9（a）所示。右端扭轉(zhuǎn)變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，如圖9（b）所示。

圖8 不同焊接方向縱向變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.8 Comparison of Simulation Experiments of Longitudinal Deformation in Different Welding Directions

圖9 不同焊接方向縱向變形量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.9 Comparison of Torsional Deformations in Different Welding Directions

由仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致，方案2中右端的實(shí)驗(yàn)縱向變形量與扭轉(zhuǎn)變形量均為最大，分別為3.956mm和0.134mm，與實(shí)驗(yàn)的誤差為16.22%和12.69%；方案1 中左端的實(shí)驗(yàn)縱向變形量與扭轉(zhuǎn)變形量均為最小，分別為3.148mm和0.014mm，與實(shí)驗(yàn)的誤差為11.32%和16.67%；實(shí)驗(yàn)得出的變形量與仿真得出的變形連均在17%以內(nèi)，認(rèn)為誤差在17%以內(nèi)仿真結(jié)果預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

5 結(jié)論

（1）焊接方向?qū)構(gòu)件焊后的變形有影響，對(duì)縱向變形影響較小，對(duì)扭轉(zhuǎn)變形影響明顯。（2）當(dāng)上下翼板的焊接方向相同時(shí)，上下翼板在焊接后朝著相同的方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，上下翼板的相對(duì)扭轉(zhuǎn)變形較小，在0.02mm以內(nèi)，在一定程度上不需要后續(xù)矯正工序即可滿足裝配需求。（3）當(dāng)上下翼板的焊接方向相反時(shí)，上下翼板在焊接后朝著相反的方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，上下翼板的相對(duì)扭轉(zhuǎn)變形較大，最大為0.117mm，需要后續(xù)矯正工序。