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        基于ANSYS的開關(guān)杠桿焊接工藝研究

        2014-02-26 06:49:02程雙勝方思源
        船電技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:焊件氬弧焊焊絲

        程雙勝 方思源

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        基于ANSYS的開關(guān)杠桿焊接工藝研究

        程雙勝 方思源

        (武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064)

        杠桿在焊接過(guò)程中由于溫差及焊后冷卻方式的不同均會(huì)出現(xiàn)不同程度的焊接應(yīng)力,本文通過(guò)ANSYS高斯熱源的加載算法對(duì)杠桿焊接及焊后冷卻方式的不同情況進(jìn)行數(shù)值對(duì)比分析,確定合適的焊接工藝參數(shù),形成最優(yōu)焊接工藝方法指導(dǎo)生產(chǎn),提高開關(guān)焊接質(zhì)量。

        ANSYS 焊接應(yīng)力 高斯熱源 杠桿

        0 引言

        開關(guān)杠桿材料為45號(hào)碳鋼,其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高,且有較好的韌性,切削性優(yōu)良,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后能獲得較好的綜合力學(xué)性能,無(wú)回火脆性;但與低碳鋼相比,其焊接性較差,母材近縫區(qū)容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織,有一定的淬硬傾向。焊料選用不當(dāng)或焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí),容易出現(xiàn)冷裂紋。另外在焊接時(shí)由于母材的熔化,焊縫含碳量增加,焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋。

        在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝分析中,一般是通過(guò)大量焊接工藝試驗(yàn)來(lái)評(píng)定工藝因素的變化對(duì)焊接殘余應(yīng)力和變形乃至使用壽命的影響。近年來(lái),隨著數(shù)值計(jì)算理論和有限元方法的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的普及和性能的提高,焊接過(guò)程的數(shù)值模擬得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算、動(dòng)態(tài)仿真焊接過(guò)程,預(yù)測(cè)不同焊接工藝條件下的殘余應(yīng)力和變形,而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        本文運(yùn)用ANSYS軟件并采用高斯熱源對(duì)杠桿焊接過(guò)程及后處理進(jìn)行模擬分析,得出焊件的應(yīng)力分布圖,形成最優(yōu)焊接工藝方法。

        1 焊接參數(shù)

        1.1 試驗(yàn)件的選擇

        本次使用δ5鋼板45#與Φ45圓鋼45#加工成如下所示形狀并進(jìn)行焊接,如圖1所示:其中項(xiàng)1為δ5鋼板45#、項(xiàng)2為Φ45圓鋼45#、項(xiàng)3為Φ12圓鋼45#,本次對(duì)A與B焊道焊接過(guò)程進(jìn)行研究。共進(jìn)行試驗(yàn)焊接件6件,分別按1#—6#進(jìn)行編號(hào)。

        1.2 焊接方法與材料的選擇

        杠桿焊接可以采用多種焊接方法進(jìn)行焊接,如手工電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊及氬弧焊等,一般使用手工電弧焊和氬弧焊接。手工焊接目前工藝比較成熟,焊接時(shí)選材比較靈活,但焊接效率低勞動(dòng)強(qiáng)度大,對(duì)焊工要求高,且焊縫表面可觀性差。而鎢極氬弧焊接質(zhì)量較好,焊面較光滑。杠桿材料為含碳量在0.42%-0.45%的中碳鋼,焊接時(shí)通常根據(jù)焊接件母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能選擇合適焊條或焊絲作為焊接的填充金屬。因此,本次以手工氬弧焊接進(jìn)行焊接。并使用與其成分相似的ER50-G焊絲和可獲得塑性良好焊縫的Cr-Ni不銹鋼焊絲進(jìn)行對(duì)比分析研究。

        圖1 杠桿

        1.3 焊接模型

        圖2所示為杠桿焊接示意圖,項(xiàng)1與項(xiàng)2均為45#鋼,采用氬弧焊將項(xiàng)1與項(xiàng)2焊接成形。焊接按先焊道1后焊道2進(jìn)行。其焊接過(guò)程中可以歸結(jié)為一個(gè)沿圓周移動(dòng)的高斯熱源載荷作用下的傳熱過(guò)程。

        圖2 熱源加載及焊接示意

        焊接參數(shù)為:焊接電流100-130 A,焊接速度4.0-5.0 m/s,焊接熱源半徑2.5 mm,焊接熱輸入0.75 kJ/mm,焊接效率η=0.825;在Ansys中按熱流率加載,高斯熱源模型能夠表征焊接電弧的熱流分布特征。

        1.4 焊接參數(shù)

        焊接參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素,由于桿杠板厚在4-10 mm之間,焊接時(shí)應(yīng)使用小電流、慢速焊或多層焊,具體參數(shù)如表1。

        1.5 焊接前后處理

        45號(hào)碳鋼焊接完后,由于高溫導(dǎo)致材料組織發(fā)生變化,焊前進(jìn)行預(yù)熱,可減低中碳鋼熱影響區(qū)的最高硬度,降低熱影響區(qū)的淬硬傾向,防止產(chǎn)生冷裂紋,而且還能改善接頭塑性,減小焊后殘余應(yīng)力。預(yù)熱溫度為150℃—250℃。焊后進(jìn)行回火熱處理,溫度600℃—650℃。

        表1 氬弧焊接參數(shù)

        表2 焊接參數(shù)

        2 有限元分析

        2.1 焊接仿真有限元模型

        本文采用ANSYS中3D熱實(shí)體單元SOLID70進(jìn)行分析計(jì)算,建模時(shí),為了減少計(jì)算時(shí)間,對(duì)不同區(qū)域的網(wǎng)格密度分別進(jìn)行處理,離焊接區(qū)域近的地方網(wǎng)格較密,以便于提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和較少時(shí)間,具體模型如圖3。

        圖3 杠桿有限元模型

        2.2 模擬結(jié)果

        本次運(yùn)用ANSYS有限元分析對(duì)以上試件進(jìn)行模擬3種情況下的焊接應(yīng)力分布圖:

        試件開始不進(jìn)行預(yù)熱,焊接完后緩慢冷卻,如圖4所示。

        試件開始進(jìn)行預(yù)熱,焊接完后緩慢冷卻,如圖5所示。

        試件焊前預(yù)熱,焊后立刻高溫回火,緩慢冷卻,如圖6所示。

        圖4 VM應(yīng)力分布

        圖5 VM應(yīng)力分布

        由以上應(yīng)力圖分布情況可以看出,杠桿焊件焊前進(jìn)行預(yù)熱與不預(yù)熱對(duì)最后焊接殘余應(yīng)力的分布情況不明顯,然而,焊后是否進(jìn)行熱處理對(duì)于焊接完后的殘余應(yīng)力分布影響比較明顯,如圖5與圖6。對(duì)于整個(gè)焊件的最大應(yīng)力均低于材料屈服應(yīng)力0.193e11Pa。

        3 X射線探傷

        焊后X射線探傷結(jié)果如圖:其中1#—6#試件探傷后組織結(jié)構(gòu)完好,均未出現(xiàn)焊接裂紋及氣泡。

        圖6 VM應(yīng)力分布

        圖7 X探傷示意圖

        通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)件的焊接與分析,在焊接電流一定的情況下,使用不銹鋼焊絲焊和ER50-G焊絲均可得到比較滿意的焊縫,然而在用不銹鋼焊接時(shí),試件氧化層較ER50_G少,且焊縫顏色光亮;在X射線探傷下,6件實(shí)驗(yàn)件均未出現(xiàn)裂紋或氣孔。

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)以上6種試件對(duì)比焊接分析,可得出以下結(jié)論:

        1)使用鎢極氬弧焊接可以得到理想的焊縫,且無(wú)裂紋及氣孔;

        2)使用ER50-G和不銹鋼焊絲均可,優(yōu)選不銹鋼焊絲作為填充料;

        3)杠桿板厚5-8,其焊接電流120 A比較合理;

        4)焊前預(yù)熱對(duì)于焊接后殘余應(yīng)力的影響比較小,主要在于焊件較小,因此可根據(jù)焊件實(shí)際情況決定是否預(yù)熱,對(duì)于大型焊件必須預(yù)熱;

        5)焊接完后必須進(jìn)行600℃—650℃高溫回火,然后緩慢冷卻,可減少焊接殘余應(yīng)力;

        6)對(duì)于此類45號(hào)鋼杠桿的焊接,可選用鎢極氬弧焊接,不銹鋼焊絲或ER50-G,焊后立即去應(yīng)力回火,可以得到較好的焊接質(zhì)量。

        [1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1992.21-26.

        [2] 李萌盛,王傳標(biāo).關(guān)于鎢極氬弧焊熱源模型適用性的探討.

        [3] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社,1988.

        [4] 周寧等編著. ANSYS APDL高級(jí)工程應(yīng)用實(shí)例分析與二次開發(fā)[M]. 中國(guó)水利水電出版社, 2007.

        The Switch Lever Jointing Technology of Based on ANSYS

        Cheng Shuangsheng, Fang Siyuan

        (Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute, Wuhan 430064, China)

        2013-07-24

        程雙勝(1981-),男。研究方向:機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。

        TG404

        A

        1003-4862(2014)04-0025-03

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