孫凱 顧庭瑞 郭偉

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川德陽 618000)

基于SYSWELD的SMA490BW低合金鋼構(gòu)架焊接仿真

孫凱 顧庭瑞 郭偉

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川德陽 618000)

焊接仿真的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用先進(jìn)的仿真軟件及后處理程序模擬復(fù)雜的焊接過程,可縮短工藝制定周期及成本,本文運(yùn)用SYSWELD軟件焊接仿真功能實(shí)現(xiàn)對其焊后殘余應(yīng)力及變形的仿真。通過材料化學(xué)成分及物理性質(zhì),建立SMA490BW低合金鋼材料屬性數(shù)據(jù)庫,并輸入簡化后的焊接電壓、焊接電流、線能量等焊接參數(shù),確定了多焊縫焊接順序。經(jīng)仿真計(jì)算得到構(gòu)架殘余應(yīng)力及變形結(jié)果,通過仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的比對,分析得出最大殘余應(yīng)力及沿焊縫方向殘余應(yīng)力分布規(guī)律相當(dāng)吻合。為今后SMA490BW低合金鋼產(chǎn)品改進(jìn)焊接生產(chǎn)工藝、控制焊接成品質(zhì)量打下基礎(chǔ)。對其焊接生產(chǎn)過程提供指導(dǎo)依據(jù)。

SYSWELD SMA490BW低合金鋼 焊接仿真 應(yīng)力 變形

焊接工藝傳統(tǒng)做法是通過積累經(jīng)驗(yàn)來制定的,生產(chǎn)周期長,成本高。如今可以通過焊接模擬仿真縮短周期,節(jié)約成本。SYSWELD通過改變工藝參數(shù)得到理想的結(jié)果,分析后選擇最優(yōu)化工藝,對整個(gè)焊接工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù)[1]。

本文研究的SMA490BW低合金鋼構(gòu)架作為一種大型焊接結(jié)構(gòu)件,整體尺寸跨度、超過了2米;雙邊側(cè)梁為下凹型箱體結(jié)構(gòu),這種特殊結(jié)構(gòu)對整個(gè)加工過程來說難度很大;各種吊座繁多且大小形狀不一;構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機(jī)械加工面多,焊縫數(shù)量多,焊縫不規(guī)則分布,焊接難度高。

1 材料參數(shù)及焊接參數(shù)

1.1 材料性質(zhì)

SMA490BW低合金鋼,其金相組織為細(xì)小晶粒的鐵素體和少量珠光體[2]。SMA490BW鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,抗拉強(qiáng)度高,塑性好,同時(shí)具有較好的好的耐腐蝕性能,是生產(chǎn)交通運(yùn)輸工具構(gòu)架的常用材料。

本文運(yùn)用SYSWELD軟件對整個(gè)SMA490BW低合金鋼構(gòu)架進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)材料的力學(xué)性能參數(shù),在軟件中自定義材料參數(shù),建立SMA490BW低合金鋼材料屬性數(shù)據(jù)庫。

SMA490BW低合金鋼,熔點(diǎn)1500℃,Ac1以及Ac3分別為727℃和867℃,密度為7．75g/cm3,伸長率大于15%。主要化學(xué)成分參數(shù)如表1所示。

圖1 網(wǎng)格模型圖

圖2 等效應(yīng)力云圖

表1 SMA490BW低合金鋼化學(xué)成分

焊接材料的物理性質(zhì)都是隨著溫度的改變而發(fā)生變化的。仿真采用雙橢球模型模擬計(jì)算得到焊接溫度場變化[3]。

1.2 焊接工藝及參數(shù)

SMA490BW低合金鋼構(gòu)架整體結(jié)構(gòu)主要是由橫梁圓管(壁厚為11mm,外徑為203mm)和側(cè)梁(下蓋板壁厚為12mm,其余均為8mm)構(gòu)成,共12條焊縫。預(yù)計(jì)所有焊縫仿真計(jì)算時(shí)長控制在10000s內(nèi)。采用富有氬氣體保護(hù)焊(MAG)進(jìn)行焊接,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。在仿真時(shí)對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行簡化,電壓25V,電流250A,焊接速度8mm/s)同時(shí)考慮到MAG焊熱效率系數(shù)為0．7～0．85,選取焊接線能量為600J/mm。

整個(gè)構(gòu)架結(jié)構(gòu)上分布有5對對稱焊縫及其他兩條焊縫,共12條焊縫。按生產(chǎn)工藝,其焊接順序?yàn)椋簹馐液缚p至環(huán)焊縫。

2 網(wǎng)格模型

在建立網(wǎng)格模型前需將SMA490BW低合金鋼構(gòu)架的幾何模型簡化。由于構(gòu)架是對稱結(jié)構(gòu),取其一半,并將側(cè)梁簡化成三部分,8mm上蓋板、12mm下蓋板、8mm腹板,橫梁是壁厚為11mm,外徑為203mm的橫梁圓管,選取橫梁與側(cè)梁相交的一部分,構(gòu)架結(jié)構(gòu)共有焊縫12條,仿真計(jì)算時(shí)無法實(shí)現(xiàn)焊縫交叉的計(jì)算,所以在網(wǎng)格模型中,對交叉焊縫位置進(jìn)行簡化。

在焊接數(shù)值仿真中計(jì)算是一個(gè)非線性瞬態(tài)過程,在焊縫區(qū)及熱影響區(qū)附近使用加密的網(wǎng)格得到較為精確的溫度分布而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域用較稀疏的網(wǎng)格以減小運(yùn)算規(guī)模。焊接過程中采用單元激活來實(shí)現(xiàn)焊接動態(tài)仿真。

圖3 構(gòu)架測點(diǎn)焊接應(yīng)力

綜上所述,建立網(wǎng)格模型包括各部件的三維單元、散熱面的二維單元、焊接線的一維單元以及焊接軌跡的定位節(jié)點(diǎn)和約束節(jié)點(diǎn),整個(gè)模型整體尺寸為1394x748x398(mm),網(wǎng)格共有89890個(gè)三維單

元,129598個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖4 沿焊縫向應(yīng)力結(jié)果比對曲線

圖5 X-Y平面上變形

圖6 Y向變形

3 仿真結(jié)果

3.1 應(yīng)力仿真結(jié)果

圖2為焊接完畢后SMA490BW低合金鋼構(gòu)架充分冷卻下得到的焊接等效應(yīng)力場云圖,圖中顯示,殘余應(yīng)力的分布以焊縫附近兩側(cè)熱影響區(qū)最大,等效應(yīng)力峰值291．8MPa。

3.2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對

構(gòu)架殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測量主要采取X射線衍射法對焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行殘余應(yīng)力測量,采用iXRD殘余應(yīng)力測量儀。選取構(gòu)架上部分重要測點(diǎn),共計(jì)8個(gè)測點(diǎn),如圖3所示。

比較所選測點(diǎn)數(shù)據(jù)為沿焊縫方向殘余應(yīng)力,以及垂直焊縫方向殘余應(yīng)力,測點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖3所示,經(jīng)圖4比對可知實(shí)驗(yàn)所得殘余應(yīng)力分布規(guī)律與仿真所得殘余應(yīng)力分布規(guī)律相似,仿真得到的殘余應(yīng)力分布結(jié)果整體高于測試值。

3.3 變形仿真結(jié)果

通過仿真計(jì)算,圖5、圖6分別為SMA490BW低合金鋼構(gòu)架部件在X-Y平面及Y方向上的變形情況,為了更清楚的將變形效果顯示出來,圖6中變形局部放大了50倍,實(shí)線部分為焊件原始位置的輪廓形狀。

構(gòu)架在多個(gè)方向上的輪廓形狀產(chǎn)生了變形,焊后Y軸正方向存在較大彎曲。

4 結(jié)語

本文采用軟件對SMA490BW低合金鋼構(gòu)架進(jìn)行焊接仿真工作,結(jié)果能較好的反映焊接構(gòu)架殘余應(yīng)力及變形結(jié)果,通過仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測量比對分析,當(dāng)前焊接工藝計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量所得焊接殘余應(yīng)力沿焊縫方向存在一定的誤差,實(shí)際焊接過程中涉及到多層多道焊造成殘余應(yīng)力偏大,但整體沿焊縫方向殘余應(yīng)力分布規(guī)律較為吻合。通過仿真計(jì)算可以將應(yīng)力及變形結(jié)果數(shù)據(jù)用于改進(jìn)焊接工藝,如改變焊縫焊接順序,改進(jìn)構(gòu)架焊接夾具位置等方式減小焊接殘余應(yīng)力及變形。減少成本投入,提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

[1]LiuB.C. The 4th international conference on frontiers design and manufacturing [C].Hangzhou,June 17-19,2000,1-7.

[2]李丹丹等.多次補(bǔ)焊對SMA490BW鋼焊接過熱區(qū)沖擊性能的影響[J].熱加工工藝,2011,17(40):161-163.

[3]汪建華,戚新海等.三維瞬態(tài)焊接溫度場的有限元模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1996,30(3):120-125.

孫凱(1982.5),男,碩士,助教,有限元分析、數(shù)值模擬,四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院。