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，一般是通過大量焊接工藝試驗(yàn)來評(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，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，焊接過程的數(shù)值模擬得以實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)值模擬計(jì)算、動(dòng)態(tài)仿真焊接過程，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

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