張媛媛

（霍州市鑫鉅煤機(jī)裝備制造有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 031412）

引言

液壓支架是煤礦開(kāi)采過(guò)程中非常重要的機(jī)械裝備，是保障工作面安全的關(guān)鍵措施。為確保煤礦工作面的絕對(duì)安全，液壓支架必須要有充足的強(qiáng)度，以抵抗各種不斷變化的載荷[1]。我國(guó)在液壓支架設(shè)計(jì)方面雖然已經(jīng)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在很大程度上提升了液壓支架的強(qiáng)度以及運(yùn)行可靠性[2]，但與國(guó)外先進(jìn)液壓支架生產(chǎn)加工技術(shù)相比較技術(shù)水平仍有待提升。主要原因在于液壓支架材料選擇以及焊接工藝方面存在不足[3]。Q550 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是當(dāng)前階段我國(guó)使用較多的液壓支架生產(chǎn)制作材料[4]。這種材料不僅強(qiáng)度高且有很好的焊接性能。隨著液壓支架朝著大型化、重型化方向發(fā)展，液壓支架零部件尺寸和厚度都在不斷增加，對(duì)其生產(chǎn)加工技術(shù)提出了更高的要求[4]。焊接是液壓支架生產(chǎn)制作過(guò)程中非常重要的工藝流程，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)直接影響液壓支架的運(yùn)行可靠性[5-6]。因此，對(duì)Q550 這種常用的液壓支架生產(chǎn)制作材料的焊接性能進(jìn)行研究和分析，為焊接工藝的優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，以提升焊接質(zhì)量。

1 Q550 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接過(guò)程仿真模型的近似處理與建立

1.1 焊接過(guò)程仿真模型的近似處理

1）焊接熱源。焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，仿真分析時(shí)該熱源的處理有多種形式，比如Rosenthal 熱源模型、高斯分布熱源模型、雙橢圓熱源模型等。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，雙橢圓熱源模型在實(shí)際應(yīng)用中得到的結(jié)果與真實(shí)的結(jié)果最為接近。因此，本文選用雙橢圓熱源模型進(jìn)行仿真模擬。

2）熱源移動(dòng)。焊接過(guò)程中熱源處在一種移動(dòng)的狀態(tài)，因此在仿真模型中還要實(shí)現(xiàn)熱源的移動(dòng)。本文基于ABAQUS 軟件完成焊接過(guò)程的模擬，可以通過(guò)該軟件的函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)熱源中心坐標(biāo)的移動(dòng)。

3）焊縫填充。焊接過(guò)程中焊縫填充通過(guò)軟件中的單元生死技術(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真模型計(jì)算時(shí)使焊縫層單元默認(rèn)處于被抑制的狀態(tài)，只有當(dāng)熱源移動(dòng)到該區(qū)域時(shí)，此區(qū)域的堆焊層單元才會(huì)被激活參與計(jì)算，通過(guò)這樣的方式實(shí)現(xiàn)焊縫填充。

4）焊接效率。不同焊接方式的焊接效率存在一定差異。因此，準(zhǔn)確設(shè)置焊接效率是得到精確仿真模擬結(jié)果的重要因素。礦用液壓支架通常通過(guò)埋弧自動(dòng)焊的方式進(jìn)行焊接，對(duì)應(yīng)的熱效率為0.75。

1.2 焊接過(guò)程仿真模型的建立

1）幾何模型與網(wǎng)格劃分。利用ABAQUS 軟件對(duì)兩個(gè)完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接仿真模擬，模型規(guī)格為高×長(zhǎng)×寬=35 mm×30 mm×30 mm?？紤]到焊接的對(duì)稱性，為了降低計(jì)算時(shí)間，只需要對(duì)其中的一半進(jìn)行建模即可。網(wǎng)格大小對(duì)仿真計(jì)算過(guò)程有非常大的影響，合適的網(wǎng)格大小不僅能顯著縮短模型計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也能提升模型計(jì)算結(jié)果精度。劃分網(wǎng)格時(shí)，在焊縫附近將網(wǎng)格尺寸控制在1 mm 以下，距離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格尺寸控制在2 mm 左右。

2）材料屬性設(shè)置。焊接過(guò)程涉及溫度變化，溫度會(huì)對(duì)材料屬性產(chǎn)生非常大的影響。不管是材料的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，還是其力學(xué)性能都會(huì)隨溫度變化而發(fā)生改變。因此，在設(shè)置材料屬性時(shí)，需要考慮其受溫度的影響，具體材料屬性按照材料手冊(cè)中的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。

3）初始條件和邊界條件。假設(shè)材料在室溫條件下進(jìn)行焊接，即初始溫度設(shè)置成25 ℃。本研究中的邊界條件主要包含兩種類(lèi)型，焊接面為對(duì)稱面，將其設(shè)置為絕熱邊界條件，其他幾個(gè)面設(shè)置為熱交換邊界條件，交換系數(shù)為30 W/（m2·K）。

4）其他工藝說(shuō)明。通過(guò)雙面焊的方式進(jìn)行焊接，總共分10 道焊接工序。

2 Q550 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接溫度場(chǎng)分析

2.1 熔池形狀和溫度分布

焊接過(guò)程屬于瞬態(tài)傳熱，當(dāng)熱源靠近被焊接對(duì)象時(shí)，焊接金屬對(duì)象受到高溫作用出現(xiàn)熔化，當(dāng)熱源遠(yuǎn)離后又逐漸冷卻至室溫。如圖1 所示為不同焊接道次對(duì)應(yīng)焊接溫度場(chǎng)分布情況。從圖中可以看出，在進(jìn)行第1 道次焊接時(shí)，除焊接區(qū)域外其他部分的溫度基本為室溫，在第5 道次和第10 道次焊接時(shí)，被焊接對(duì)象其他部分的溫度已經(jīng)有了顯著提升。圖中灰色區(qū)域表示熔池的形狀，從圖中可以看出不同焊接道次對(duì)應(yīng)的熔池形狀存在一定差異。第1 道次焊接過(guò)程中，由于被焊接對(duì)象整體溫度比較低，其熔池呈現(xiàn)為“丁”字型，而在后續(xù)焊接道次中，由于被焊接金屬對(duì)象溫度已經(jīng)有了顯著提升，其熔池呈現(xiàn)出橢圓狀。

圖1 不同焊接道次時(shí)的溫度場(chǎng)（℃）分布情況

2.2 沿焊縫方向各點(diǎn)溫度變化情況

如圖2 所示為第10 道次焊接過(guò)程中沿著焊縫方向各個(gè)點(diǎn)的溫度變化情況。其中第1 個(gè)點(diǎn)Z1為焊接最開(kāi)始位置，第5 個(gè)點(diǎn)Z5為焊接結(jié)束位置，其他點(diǎn)位于這兩個(gè)點(diǎn)中間且各點(diǎn)均勻分布。從圖中可以看出，焊接剛開(kāi)始時(shí)第1 個(gè)點(diǎn)Z1的溫度快速升高至2 500 ℃，其他各點(diǎn)的溫度則處于室溫狀態(tài)。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，熱源不斷往前推進(jìn)，后續(xù)各點(diǎn)溫度隨之快速升高至3 500 ℃。對(duì)比各點(diǎn)的最高溫度可以發(fā)現(xiàn)，第1 個(gè)點(diǎn)Z1的最高溫度比其他點(diǎn)最高溫度要低1 000 ℃，主要是第1 個(gè)點(diǎn)Z1處在焊縫邊緣位置，且剛開(kāi)始焊接，受熱時(shí)間相對(duì)較短，沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖2 沿焊縫方向各點(diǎn)的溫度變化情況

3 Q550 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接應(yīng)力場(chǎng)分布情況

3.1 殘余應(yīng)力分布情況

焊接過(guò)程中，由于會(huì)對(duì)焊縫進(jìn)行多道次焊接，導(dǎo)致焊縫區(qū)域的金屬材料受到循環(huán)熱應(yīng)力的作用。厚板與薄板相比較而言，由于焊接過(guò)程熱效應(yīng)導(dǎo)致的殘余應(yīng)力在厚度方向上會(huì)存在顯著的差異，焊縫整體的應(yīng)力情況相對(duì)比較復(fù)雜。如圖3 所示為焊接結(jié)束后材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布情況。從圖中可以看出，殘余應(yīng)力的分布整體上呈現(xiàn)對(duì)稱分布，并且焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力值最大，達(dá)到了720 MPa。而與焊縫的距離越遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值也相對(duì)越小。

圖3 焊接結(jié)束后材料的殘余應(yīng)力分布情況

3.2 焊接過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)分布情況

由于焊接過(guò)程溫度場(chǎng)變化復(fù)雜，導(dǎo)致其應(yīng)力場(chǎng)分布也很復(fù)雜。如圖4 所示為不同焊接道次時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。從第1 道次焊接過(guò)程應(yīng)力分布情況可以看出，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要分布在熔池附近。隨著焊接道次的增加，在第5 道次焊接過(guò)程中熔池附近同樣出現(xiàn)了比較顯著的應(yīng)力集中問(wèn)題，并且第1 道次焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力比較顯著，已經(jīng)基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。另外，在金屬角落位置出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。第10 道次焊接時(shí)的應(yīng)力分布情況基本上與第5 道次相似，不同之處在于焊縫區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，反而是第1 道次焊縫位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象變得更加顯著。進(jìn)一步對(duì)比不同焊接道次時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布情況可以發(fā)現(xiàn)，隨著焊接道次的不斷增加，最大應(yīng)力值隨之不斷降低。

4 仿真模擬研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 不同焊接道次時(shí)的應(yīng)力（MPa）場(chǎng)分布情況

多道次焊接過(guò)程中，前一道次焊接會(huì)對(duì)后一道次焊接的熔合線位置產(chǎn)生影響。因此，本文將第一道次焊接后的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如下頁(yè)圖5所示。從圖中可以看出，模擬仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間基本上呈現(xiàn)對(duì)稱關(guān)系，兩者吻合較好，驗(yàn)證了本文所建立的仿真模型的正確性。因此，本文研究結(jié)果具有很好的參考價(jià)值。

圖5 熔池截面與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比情況