程雙勝 方思源

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基于ANSYS的開關杠桿焊接工藝研究

程雙勝 方思源

（武漢船用電力推進裝置研究所，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出現(xiàn)不同程度的焊接應力，本文通過ANSYS高斯熱源的加載算法對杠桿焊接及焊后冷卻方式的不同情況進行數值對比分析，確定合適的焊接工藝參數，形成最優(yōu)焊接工藝方法指導生產，提高開關焊接質量。

ANSYS 焊接應力 高斯熱源 杠桿

0 引言

開關杠桿材料為45號碳鋼，其特點是強度較高，且有較好的韌性，切削性優(yōu)良，經調質處理后能獲得較好的綜合力學性能，無回火脆性；但與低碳鋼相比，其焊接性較差，母材近縫區(qū)容易產生低塑性的淬硬組織，有一定的淬硬傾向。焊料選用不當或焊接工藝參數選擇不當時，容易出現(xiàn)冷裂紋。另外在焊接時由于母材的熔化，焊縫含碳量增加，焊縫容易產生熱裂紋。

在焊接結構設計和工藝分析中，一般是通過大量焊接工藝試驗來評定工藝因素的變化對焊接殘余應力和變形乃至使用壽命的影響。近年來，隨著數值計算理論和有限元方法的發(fā)展以及計算機的普及和性能的提高，焊接過程的數值模擬得以實現(xiàn)。通過數值模擬計算、動態(tài)仿真焊接過程，預測不同焊接工藝條件下的殘余應力和變形，而實現(xiàn)對焊接工藝的優(yōu)化設計。

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

1 焊接參數

1.1 試驗件的選擇

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

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行焊接，如手工電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊及氬弧焊等，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，焊接時選材比較靈活，但焊接效率低勞動強度大，對焊工要求高，且焊縫表面可觀性差。而鎢極氬弧焊接質量較好，焊面較光滑。杠桿材料為含碳量在0.42%-0.45%的中碳鋼，焊接時通常根據焊接件母材的化學成分和力學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不銹鋼焊絲進行對比分析研究。

圖1 杠桿

1.3 焊接模型

圖2所示為杠桿焊接示意圖，項1與項2均為45#鋼，采用氬弧焊將項1與項2焊接成形。焊接按先焊道1后焊道2進行。其焊接過程中可以歸結為一個沿圓周移動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

焊接參數是影響焊接質量的一個重要因素，由于桿杠板厚在4-10 mm之間，焊接時應使用小電流、慢速焊或多層焊，具體參數如表1。

1.5 焊接前后處理

45號碳鋼焊接完后，由于高溫導致材料組織發(fā)生變化，焊前進行預熱，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，防止產生冷裂紋，而且還能改善接頭塑性，減小焊后殘余應力。預熱溫度為150℃—250℃。焊后進行回火熱處理，溫度600℃—650℃。

表1 氬弧焊接參數

表2 焊接參數

2 有限元分析

2.1 焊接仿真有限元模型

本文采用ANSYS中3D熱實體單元SOLID70進行分析計算，建模時，為了減少計算時間，對不同區(qū)域的網格密度分別進行處理，離焊接區(qū)域近的地方網格較密，以便于提高計算的準確性和較少時間，具體模型如圖3。

圖3 杠桿有限元模型

2.2 模擬結果

本次運用ANSYS有限元分析對以上試件進行模擬3種情況下的焊接應力分布圖：

試件開始不進行預熱，焊接完后緩慢冷卻，如圖4所示。

試件開始進行預熱，焊接完后緩慢冷卻，如圖5所示。

試件焊前預熱，焊后立刻高溫回火，緩慢冷卻，如圖6所示。

圖4 VM應力分布

圖5 VM應力分布

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

3 X射線探傷

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

圖6 VM應力分布

圖7 X探傷示意圖

通過對以上試驗件的焊接與分析，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，試件氧化層較ER50_G少，且焊縫顏色光亮；在X射線探傷下，6件實驗件均未出現(xiàn)裂紋或氣孔。

4 結論

通過對以上6種試件對比焊接分析，可得出以下結論：

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）焊前預熱對于焊接后殘余應力的影響比較小，主要在于焊件較小，因此可根據焊件實際情況決定是否預熱，對于大型焊件必須預熱；

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

6）對于此類45號鋼杠桿的焊接，可選用鎢極氬弧焊接，不銹鋼焊絲或ER50-G，焊后立即去應力回火，可以得到較好的焊接質量。

[1] 中國機械工程學會. 焊接手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，1992．21-26.

[2] 李萌盛，王傳標．關于鎢極氬弧焊熱源模型適用性的探討.

[3] 陶文銓. 數值傳熱學[M]. 西安：西安交通大學出版社，1988.

[4] 周寧等編著. ANSYS APDL高級工程應用實例分析與二次開發(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：機電產品設計與制造。

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