不同焊接順序?qū)趺喊搴附幼冃蔚挠绊?/h1>
2017-09-08 16:42:16李澤遠(yuǎn)
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年24期
李澤遠(yuǎn)
摘 要：文章通過結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，從焊接順序角度出發(fā)對(duì)礦山設(shè)備中的金屬結(jié)構(gòu)件擋煤板的焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比了不同焊接順序?qū)趺喊搴附幼冃萎a(chǎn)生的影響，得出擋煤板焊接變形的一般規(guī)律和使焊接變形較小的焊接順序，對(duì)在實(shí)際生產(chǎn)中減小擋煤板以及與擋煤板結(jié)構(gòu)相似的金屬結(jié)構(gòu)件的焊接變形、降低生產(chǎn)成本具有一定的指導(dǎo)參考借鑒意義。
關(guān)鍵詞：擋煤板；數(shù)值模擬；焊接順序；焊接變形
中圖分類號(hào)：TG113.26+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0055-03
擋煤板是采礦設(shè)備中裝在中部槽一側(cè)主要防止煤炭外溢的構(gòu)件，屬于一種小型金屬結(jié)構(gòu)件，在它的制造過程中，通常是利用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行（MAG）焊接。實(shí)際使用中，要求200個(gè)擋煤板由螺栓把合組成一排使用，在圖紙中也明確標(biāo)注了下側(cè)底板焊接完成后平面度不能超過2mm，以便在實(shí)際使用中能夠順利進(jìn)行裝配，無錯(cuò)邊現(xiàn)象產(chǎn)生。
在焊接時(shí)，母材和熔敷金屬在熱源的作用下發(fā)生加熱和熔化過程，當(dāng)熱源離開以后，金屬開始冷卻，在整個(gè)焊接過程中必然存在著熱的輸入、傳播和分布問題。由于焊接部位受不均勻的加熱及冷卻，就會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力和變形[1]，而擋煤板這種非對(duì)稱焊接結(jié)構(gòu)更容易造成焊后變形量過大，而要達(dá)到圖紙技術(shù)要求平面度，則后續(xù)必須要有校正工序，不僅延長了生產(chǎn)周期，同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本。
不同焊接順序所造成的焊接變形也不相同，它影響著擋煤板的制造周期、制造質(zhì)量、制造成本和使用性能。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，從焊接順序角度出發(fā)，對(duì)擋煤板的焊接過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，在其他參數(shù)相同的情況下，分析了兩種不同焊接順序?qū)趺喊搴附幼冃蔚挠绊懀云跍p少焊接變形，降低或省去后續(xù)校正工序工作量，進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
1 焊接模型的建立
1.1 實(shí)體建模
本文主要采用絕對(duì)坐標(biāo)系相同的SolidWorks、HyperMesh、Simufact.Welding軟件完成，這樣可使依次導(dǎo)入模型時(shí)絕對(duì)坐標(biāo)系不發(fā)生變化，保證建模的正確性。用SolidWorks軟件實(shí)體建模如圖1所示。
在實(shí)體模型中，擋煤板雖然在Z方向不對(duì)稱，但是在X方向?qū)儆趯?duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在模擬計(jì)算的時(shí)候可以只建立其一半模型，另一半用對(duì)稱面（Symmetry plane）功能進(jìn)行對(duì)稱計(jì)算即可，這樣既可以降低整體計(jì)算量，又能提高計(jì)算精度。在Simufact.Welding軟件中建立起數(shù)值模擬模型，如圖2所示。
因?yàn)閾趺喊逯g需要進(jìn)行螺栓連接裝配，且要求底板平面度不超過2mm，以保證裝配時(shí)無錯(cuò)邊產(chǎn)生，所以本文選取位于擋煤板中線和底板側(cè)邊上的一系列節(jié)點(diǎn)作為追蹤點(diǎn)來進(jìn)行具體數(shù)值分析，節(jié)點(diǎn)選取如圖2中紅色放大節(jié)點(diǎn)所示。
本文選取兩種不同焊接順序：在X方向上，方案一由對(duì)稱面向兩側(cè)焊接，方案二由兩側(cè)向?qū)ΨQ面焊接；在Y方向上，都是由+Y方向向-Y方向焊接，如圖3所示。
1.2 參數(shù)選擇
焊接數(shù)值模擬過程的參數(shù)選擇主要分為材料選擇、焊接環(huán)境選擇、熱源參數(shù)選擇等等。
本文焊接母材材質(zhì)為Q235鋼，焊材選擇ER50-6φ1.2實(shí)心焊絲，焊接電流280A，焊接電壓27V，焊接速度5mm/s，焊接時(shí)間2000s，環(huán)境溫度20℃，擋煤板平放在支撐塊上，重力矢量方向?yàn)閄，Y，Z（0，0，-1）。
熱源模型的建立是焊接數(shù)值模擬的重要部分。對(duì)于電弧穿透能力較大的熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG焊），通常采用考慮了熔透的雙橢球形熱源分布函數(shù)。J.Goldak等[2]提出的雙橢球形熱源，考慮到了熱源移動(dòng)對(duì)熱流分布的影響，將熱源前方（前半部分）是個(gè)1/4橢球、后方（后半部分）是另一個(gè)1/4橢球，熱源前方（前半部分）、后方（后半部分）的熱流密度分布函數(shù)分別用下面兩式表示：
2 結(jié)果與分析
由于擋煤板底板下側(cè)平面度是焊接變形控制的關(guān)鍵點(diǎn)，技術(shù)要求中平面度不能超過2mm，因此本文著重分析擋煤板底板平面度變化情況。
2.1 整體合變形分析
方案一、方案二焊接結(jié)束后擋煤板X、Y、Z方向合變形云圖如圖5、圖6所示。
從圖5、圖6中可以看出，兩種焊接順序方案造成擋煤板的變形趨勢(shì)大致相同，底板寬度方向上兩側(cè)部位都發(fā)生了向底板上側(cè)不同程度的彎曲變形，前端變形大于后端，且變形較大的集中在前端靠近中心線部位，底板中部向底板下側(cè)彎曲。這是由于擋煤板的焊接工作量只發(fā)生在底板上側(cè)，焊道產(chǎn)生橫向收縮導(dǎo)致底板前后兩端向上翹曲，而擋煤板前端無任何支撐結(jié)構(gòu)，僅有支撐拉筋進(jìn)行變形控制，變形較大，后端在結(jié)構(gòu)上則有斜板進(jìn)行加強(qiáng)，焊接變形得到較為良好的控制。另外距離前端最近的板在加工面處無焊接量，造成前端靠近側(cè)邊部位比靠近中心線部位變形量小。方案一最大合變形為1.69mm，方案二最大合變形為2.05mm，都發(fā)生在前端靠近中心線部位，但方案一前端靠近側(cè)邊部位比方案二合變形稍大。
2.2 追蹤點(diǎn)變形分析
分析焊接結(jié)束時(shí)追蹤點(diǎn)Z方向位移。
方案一、方案二擋煤板中心線位置追蹤點(diǎn)變形曲線（擋煤板總寬1180mm）如圖7所示。
由圖7可以看出，焊后方案一、方案二擋煤板中心線在+Z方向的最大位移分別為1.68mm、2.05mm，均發(fā)生在1180mm處；在-Z方向上的最大位移分別為-0.33mm、-0.41mm，分別發(fā)生在440mm、460mm處，且方案二焊接變形量已經(jīng)超出平面度要求。兩種方案焊后發(fā)生變形的趨勢(shì)大致相同，均為底板兩側(cè)向底板上側(cè)彎曲，底板中部向底板下側(cè)彎曲，但在整體變形量上，方案二均比方案一要大，尤其在300mm～600mm之間的中間部位，變化更為劇烈，這是由于這段距離正是電纜線隔板的焊接密集部位，焊接變形也集中發(fā)生在這一區(qū)域。可以看出，在擋煤板中心線位置上，方案二中從兩邊向中間的焊接順序使焊接變形分布集中，造成整體變形量大，而方案一從中間向兩邊焊接的順序則能夠有效地防止焊接變形集中分布，把焊接變形分散開來，使擋煤板變形量更小。endprint
方案一、方案二擋煤板側(cè)邊追蹤點(diǎn)變形曲線（擋煤板總寬1180mm）如圖8所示。
由圖8可以看出，焊后方案一、方案二擋煤板側(cè)邊在Z方向的位移分別為1.53mm、1.80mm，均發(fā)生在1180mm處；在-Z方向上的最大位移分別為-0.35mm、-0.42mm，分別發(fā)生在460mm、480mm處，兩種方案焊接變形均未超出技術(shù)要求中平面度要求，但方案二焊接變形量要大于方案一。兩種方案焊后發(fā)生變形也均為底板兩側(cè)向底板上側(cè)彎曲，底板中部向底板下側(cè)彎曲，變形原因與擋煤板中線追蹤點(diǎn)變形原因相同。在整體變形量上，300mm-600mm之間的中間部位，變形曲線變化則較為平滑，這是由于擋煤板邊緣部位基本無焊接量，變形受中部影響很大，中部變形大則邊緣變形就大，兩種方案相較之下，方案一中部變形量小，邊緣變形量隨之也就較小。
3 結(jié)束語
（1）通過對(duì)擋煤板焊接過程的數(shù)值模擬分析，可以得出擋煤板焊接變形的一般規(guī)律：擋煤板焊接后變形量較小，在數(shù)值上與技術(shù)要求相差不大；焊接變形主要發(fā)生在底板寬度方向上的兩側(cè)部位，且都向底板上側(cè)發(fā)生變形，越靠近底板邊緣部位變形量越大；底板中部向底板下側(cè)變形，變形量相對(duì)較小。
（2）通過對(duì)擋煤板焊接過程的整體和追蹤點(diǎn)的分析，可以得出兩種焊接順序方案結(jié)果：對(duì)于擋煤板來說，方案一較方案二焊接變形更小，說明由內(nèi)向外對(duì)稱的焊接順序更能夠釋放焊接變形，防止其集中分布；把焊接變形分散開來，使焊接變形量更小。
（3）根據(jù)對(duì)擋煤板焊接順序?qū)附幼冃斡绊懙难芯拷Y(jié)果，可以適當(dāng)參考和應(yīng)用到其他焊接量只在鋼板一個(gè)側(cè)面的金屬結(jié)構(gòu)件上，典型例子如機(jī)械壓力機(jī)部件中的立柱側(cè)板、移動(dòng)工作臺(tái)等等，這些金屬結(jié)構(gòu)件在焊接時(shí)如能夠采取適當(dāng)焊接順序，則可以有效減小焊接變形量，避免后期大量校正工作，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃明，張建，胡忠健.基于Simufact的油菜播種機(jī)懸掛架焊接仿真[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，41（3）：528-532.
[2]J.Goldak，S.Chakravarti，M. bibby. A new finite element model for welding heat sources[J].Metallurgical Transactions B，1984，15B（2）：299-305.
[3]Simufact.Welding幫助文件-HeatSourceGeometry_en.pdf.
[4]李培麟，陸?zhàn)?雙橢球熱源參數(shù)的敏感性分析及預(yù)測(cè)[J].焊接學(xué)報(bào)， 2011，32（10）：89-95.endprint
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李澤遠(yuǎn)
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關(guān)鍵詞：擋煤板；數(shù)值模擬；焊接順序；焊接變形
中圖分類號(hào)：TG113.26+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0055-03
擋煤板是采礦設(shè)備中裝在中部槽一側(cè)主要防止煤炭外溢的構(gòu)件，屬于一種小型金屬結(jié)構(gòu)件，在它的制造過程中，通常是利用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行（MAG）焊接。實(shí)際使用中，要求200個(gè)擋煤板由螺栓把合組成一排使用，在圖紙中也明確標(biāo)注了下側(cè)底板焊接完成后平面度不能超過2mm，以便在實(shí)際使用中能夠順利進(jìn)行裝配，無錯(cuò)邊現(xiàn)象產(chǎn)生。
在焊接時(shí)，母材和熔敷金屬在熱源的作用下發(fā)生加熱和熔化過程，當(dāng)熱源離開以后，金屬開始冷卻，在整個(gè)焊接過程中必然存在著熱的輸入、傳播和分布問題。由于焊接部位受不均勻的加熱及冷卻，就會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力和變形[1]，而擋煤板這種非對(duì)稱焊接結(jié)構(gòu)更容易造成焊后變形量過大，而要達(dá)到圖紙技術(shù)要求平面度，則后續(xù)必須要有校正工序，不僅延長了生產(chǎn)周期，同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本。
不同焊接順序所造成的焊接變形也不相同，它影響著擋煤板的制造周期、制造質(zhì)量、制造成本和使用性能。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，從焊接順序角度出發(fā)，對(duì)擋煤板的焊接過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，在其他參數(shù)相同的情況下，分析了兩種不同焊接順序?qū)趺喊搴附幼冃蔚挠绊懀云跍p少焊接變形，降低或省去后續(xù)校正工序工作量，進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
1 焊接模型的建立
1.1 實(shí)體建模
本文主要采用絕對(duì)坐標(biāo)系相同的SolidWorks、HyperMesh、Simufact.Welding軟件完成，這樣可使依次導(dǎo)入模型時(shí)絕對(duì)坐標(biāo)系不發(fā)生變化，保證建模的正確性。用SolidWorks軟件實(shí)體建模如圖1所示。
在實(shí)體模型中，擋煤板雖然在Z方向不對(duì)稱，但是在X方向?qū)儆趯?duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在模擬計(jì)算的時(shí)候可以只建立其一半模型，另一半用對(duì)稱面（Symmetry plane）功能進(jìn)行對(duì)稱計(jì)算即可，這樣既可以降低整體計(jì)算量，又能提高計(jì)算精度。在Simufact.Welding軟件中建立起數(shù)值模擬模型，如圖2所示。
因?yàn)閾趺喊逯g需要進(jìn)行螺栓連接裝配，且要求底板平面度不超過2mm，以保證裝配時(shí)無錯(cuò)邊產(chǎn)生，所以本文選取位于擋煤板中線和底板側(cè)邊上的一系列節(jié)點(diǎn)作為追蹤點(diǎn)來進(jìn)行具體數(shù)值分析，節(jié)點(diǎn)選取如圖2中紅色放大節(jié)點(diǎn)所示。
本文選取兩種不同焊接順序：在X方向上，方案一由對(duì)稱面向兩側(cè)焊接，方案二由兩側(cè)向?qū)ΨQ面焊接；在Y方向上，都是由+Y方向向-Y方向焊接，如圖3所示。
1.2 參數(shù)選擇
焊接數(shù)值模擬過程的參數(shù)選擇主要分為材料選擇、焊接環(huán)境選擇、熱源參數(shù)選擇等等。
本文焊接母材材質(zhì)為Q235鋼，焊材選擇ER50-6φ1.2實(shí)心焊絲，焊接電流280A，焊接電壓27V，焊接速度5mm/s，焊接時(shí)間2000s，環(huán)境溫度20℃，擋煤板平放在支撐塊上，重力矢量方向?yàn)閄，Y，Z（0，0，-1）。
熱源模型的建立是焊接數(shù)值模擬的重要部分。對(duì)于電弧穿透能力較大的熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG焊），通常采用考慮了熔透的雙橢球形熱源分布函數(shù)。J.Goldak等[2]提出的雙橢球形熱源，考慮到了熱源移動(dòng)對(duì)熱流分布的影響，將熱源前方（前半部分）是個(gè)1/4橢球、后方（后半部分）是另一個(gè)1/4橢球，熱源前方（前半部分）、后方（后半部分）的熱流密度分布函數(shù)分別用下面兩式表示：
2 結(jié)果與分析
由于擋煤板底板下側(cè)平面度是焊接變形控制的關(guān)鍵點(diǎn)，技術(shù)要求中平面度不能超過2mm，因此本文著重分析擋煤板底板平面度變化情況。
2.1 整體合變形分析
方案一、方案二焊接結(jié)束后擋煤板X、Y、Z方向合變形云圖如圖5、圖6所示。
從圖5、圖6中可以看出，兩種焊接順序方案造成擋煤板的變形趨勢(shì)大致相同，底板寬度方向上兩側(cè)部位都發(fā)生了向底板上側(cè)不同程度的彎曲變形，前端變形大于后端，且變形較大的集中在前端靠近中心線部位，底板中部向底板下側(cè)彎曲。這是由于擋煤板的焊接工作量只發(fā)生在底板上側(cè)，焊道產(chǎn)生橫向收縮導(dǎo)致底板前后兩端向上翹曲，而擋煤板前端無任何支撐結(jié)構(gòu)，僅有支撐拉筋進(jìn)行變形控制，變形較大，后端在結(jié)構(gòu)上則有斜板進(jìn)行加強(qiáng)，焊接變形得到較為良好的控制。另外距離前端最近的板在加工面處無焊接量，造成前端靠近側(cè)邊部位比靠近中心線部位變形量小。方案一最大合變形為1.69mm，方案二最大合變形為2.05mm，都發(fā)生在前端靠近中心線部位，但方案一前端靠近側(cè)邊部位比方案二合變形稍大。
2.2 追蹤點(diǎn)變形分析
分析焊接結(jié)束時(shí)追蹤點(diǎn)Z方向位移。
方案一、方案二擋煤板中心線位置追蹤點(diǎn)變形曲線（擋煤板總寬1180mm）如圖7所示。
由圖7可以看出，焊后方案一、方案二擋煤板中心線在+Z方向的最大位移分別為1.68mm、2.05mm，均發(fā)生在1180mm處；在-Z方向上的最大位移分別為-0.33mm、-0.41mm，分別發(fā)生在440mm、460mm處，且方案二焊接變形量已經(jīng)超出平面度要求。兩種方案焊后發(fā)生變形的趨勢(shì)大致相同，均為底板兩側(cè)向底板上側(cè)彎曲，底板中部向底板下側(cè)彎曲，但在整體變形量上，方案二均比方案一要大，尤其在300mm～600mm之間的中間部位，變化更為劇烈，這是由于這段距離正是電纜線隔板的焊接密集部位，焊接變形也集中發(fā)生在這一區(qū)域。可以看出，在擋煤板中心線位置上，方案二中從兩邊向中間的焊接順序使焊接變形分布集中，造成整體變形量大，而方案一從中間向兩邊焊接的順序則能夠有效地防止焊接變形集中分布，把焊接變形分散開來，使擋煤板變形量更小。endprint
方案一、方案二擋煤板側(cè)邊追蹤點(diǎn)變形曲線（擋煤板總寬1180mm）如圖8所示。
由圖8可以看出，焊后方案一、方案二擋煤板側(cè)邊在Z方向的位移分別為1.53mm、1.80mm，均發(fā)生在1180mm處；在-Z方向上的最大位移分別為-0.35mm、-0.42mm，分別發(fā)生在460mm、480mm處，兩種方案焊接變形均未超出技術(shù)要求中平面度要求，但方案二焊接變形量要大于方案一。兩種方案焊后發(fā)生變形也均為底板兩側(cè)向底板上側(cè)彎曲，底板中部向底板下側(cè)彎曲，變形原因與擋煤板中線追蹤點(diǎn)變形原因相同。在整體變形量上，300mm-600mm之間的中間部位，變形曲線變化則較為平滑，這是由于擋煤板邊緣部位基本無焊接量，變形受中部影響很大，中部變形大則邊緣變形就大，兩種方案相較之下，方案一中部變形量小，邊緣變形量隨之也就較小。
3 結(jié)束語
（1）通過對(duì)擋煤板焊接過程的數(shù)值模擬分析，可以得出擋煤板焊接變形的一般規(guī)律：擋煤板焊接后變形量較小，在數(shù)值上與技術(shù)要求相差不大；焊接變形主要發(fā)生在底板寬度方向上的兩側(cè)部位，且都向底板上側(cè)發(fā)生變形，越靠近底板邊緣部位變形量越大；底板中部向底板下側(cè)變形，變形量相對(duì)較小。
（2）通過對(duì)擋煤板焊接過程的整體和追蹤點(diǎn)的分析，可以得出兩種焊接順序方案結(jié)果：對(duì)于擋煤板來說，方案一較方案二焊接變形更小，說明由內(nèi)向外對(duì)稱的焊接順序更能夠釋放焊接變形，防止其集中分布；把焊接變形分散開來，使焊接變形量更小。
（3）根據(jù)對(duì)擋煤板焊接順序?qū)附幼冃斡绊懙难芯拷Y(jié)果，可以適當(dāng)參考和應(yīng)用到其他焊接量只在鋼板一個(gè)側(cè)面的金屬結(jié)構(gòu)件上，典型例子如機(jī)械壓力機(jī)部件中的立柱側(cè)板、移動(dòng)工作臺(tái)等等，這些金屬結(jié)構(gòu)件在焊接時(shí)如能夠采取適當(dāng)焊接順序，則可以有效減小焊接變形量，避免后期大量校正工作，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃明，張建，胡忠健.基于Simufact的油菜播種機(jī)懸掛架焊接仿真[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，41（3）：528-532.
[2]J.Goldak，S.Chakravarti，M. bibby. A new finite element model for welding heat sources[J].Metallurgical Transactions B，1984，15B（2）：299-305.
[3]Simufact.Welding幫助文件-HeatSourceGeometry_en.pdf.
[4]李培麟，陸?zhàn)?雙橢球熱源參數(shù)的敏感性分析及預(yù)測(cè)[J].焊接學(xué)報(bào)， 2011，32（10）：89-95.endprint
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