于雙洋，崇 奇，陳子龍，翁昌江，廖 陽(yáng)，徐 超，閆博鑫

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

0 引 言

大模數(shù)齒輪廣泛應(yīng)用在大型工程機(jī)械中，齒輪在長(zhǎng)期承受交變循環(huán)載荷的沖擊下，常常在齒根部位萌生裂紋或在輪齒表明發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象。等離子焊接技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，是一種高效且應(yīng)用廣泛的表面處理技術(shù)，具有與基體結(jié)合良好、能量集中、熱輸入穩(wěn)定、設(shè)備成本低、工作環(huán)境無污染及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。因此，采用等離子焊接技術(shù)對(duì)齒條表面產(chǎn)生的裂紋、點(diǎn)蝕、夾渣等缺陷進(jìn)行再制造修復(fù)，防止了點(diǎn)蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)和裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，提高了齒輪齒條表面強(qiáng)度，延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命[4-6]。采用ANSYS有限元分析軟件，結(jié)合實(shí)際加工情況可建立送粉式等離子熔覆鎳基合金的物理模型[7-9]，筆者分析了不同工藝參數(shù)和基體預(yù)熱溫度對(duì)等離子焊接過程應(yīng)力場(chǎng)的影響。研究結(jié)果為升船機(jī)等大型機(jī)械零件表面缺陷修復(fù)提供參考依據(jù)，研究具有理論意義和工程價(jià)值。

1 應(yīng)力場(chǎng)模型建立

1.1 材料參數(shù)選擇

初始溫度為室溫(20 ℃)，基材材料為40CrMo，密度為7 870 kg/m3，其化學(xué)成分標(biāo)稱值如表1所列。焊接填充材料采用Fe35合金粉末，密度為6 250 kg/m3粒度為90～150 μm，其化學(xué)成分標(biāo)稱值如表2所列。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容隨著時(shí)間的變化情況如圖1、2所示。

表1 40CrMo的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 Fe35合金粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 有限元模型

工件尺寸為50 mm(Y方向的長(zhǎng)度)×50 mm(X方向的寬度)×20 mm(Z方向的厚度)，表面V型裂紋尺寸為4 mm(寬)×8 mm(深)。工件熱分析單元和結(jié)構(gòu)分析單元分別選用SOLID90和與其對(duì)應(yīng)的SOLID186單元，彈性模量為2.1E11(N/m2)，泊松比為0.25，屈服強(qiáng)度為7.9E8(N/m2)，熱擴(kuò)張系數(shù)為1.1E-5(K-1)。填充合金粉末彈性模量為2.1E11(N/m2)，泊松比為0.32，熱擴(kuò)張系數(shù)為3.42E-5。

圖1 材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

圖2 材料比熱容隨溫度變化曲線

利用生死單元技術(shù)模擬合金粉末的預(yù)置過程，合金粉末已填充部分的單元為激活單元，合金粉末未填充的部分為死單元，并隨著焊接過程的進(jìn)行在合適的載荷步中逐步激活[10-11]。工件有限元模型如圖3所示。

圖3 工件有限元模型

1.3 邊界條件及求解過程

在熱應(yīng)力與熱變形計(jì)算前，對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果符合要求后，進(jìn)行熱應(yīng)力及熱變形的模擬計(jì)算。把熱單元的預(yù)處理轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元。定義材料的力學(xué)性能參數(shù)(彈性模量、熱膨脹系數(shù)、泊松比等)，并指定塑性分析選項(xiàng)。對(duì)有限元模型加載位移邊界條件，防止在計(jì)算中產(chǎn)生剛性位移。在有限元模型底面施加z方向(厚度方向)位移約束。為了避免產(chǎn)生數(shù)值振蕩現(xiàn)象，將受熱區(qū)域及熱影響區(qū)網(wǎng)格細(xì)化，加快工件有限元模型熱傳導(dǎo)速度，且熱量分布均勻。初始時(shí)刻各部分溫度梯度較大時(shí)，熱分析采用較小的時(shí)間步長(zhǎng)。當(dāng)焊接時(shí)間較長(zhǎng)，工件各部分溫度變化趨于緩慢時(shí)，熱分析采用較大時(shí)間步長(zhǎng)，提高計(jì)算效率。

2 計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果及討論

等離子焊接熱應(yīng)力模擬過程是一個(gè)熱固耦合過程。將熱分析轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析，單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將熱分析中得到的溫度分布情況作為熱載荷施加在工件模型上，得到工件應(yīng)力場(chǎng)分布情況。選取六個(gè)不同的焊接時(shí)刻，并對(duì)這六個(gè)時(shí)刻工件的等效應(yīng)力云圖進(jìn)行查看。圖4為預(yù)熱150℃，掃描速度為2 mm/s時(shí)，工件兩個(gè)熔覆層在不同時(shí)間點(diǎn)的熱應(yīng)力分布情況。

由焊接應(yīng)力分布云圖4可以看出，在焊接開始時(shí)，熔覆層與基材交界處區(qū)域有較大的熱應(yīng)力，隨著熱源的移動(dòng)，工件溫度升高，熔覆層周圍也逐步產(chǎn)生熱應(yīng)力。距離熔覆層較近的區(qū)域應(yīng)力較大，遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域處應(yīng)力較小。當(dāng)v=2 mm/s，T=150 ℃時(shí)，熔覆間隔為7s，第一道熔覆層出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力值為1 160 MPa，該值接近材料的屈服極限，工件開裂傾向較大。第二道熔覆層出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力值為623 MPa，該值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，工件塑性變形量較小，開裂傾向小。

圖4 熔覆層應(yīng)力場(chǎng)分布

第二道熔覆層修復(fù)完成后，沿著熔覆層中心線選取單元節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。繪制節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值沿熔覆層中心線變化趨勢(shì)曲線，如圖6所示。結(jié)果表明：當(dāng)v=2 mm/s，T=150 ℃，熔覆時(shí)間為13 s時(shí)，第一道熔覆層從起點(diǎn)到終點(diǎn)最大應(yīng)力值為431 MPa，第二道熔覆層最大應(yīng)力值為364 MPa，熔覆層終點(diǎn)處應(yīng)力值大于熔覆層起點(diǎn)處應(yīng)力值。沿著熔覆層中心線熱應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后明顯減小的趨勢(shì)，熔覆層及熱影響區(qū)熱應(yīng)力顯著大于基材熱應(yīng)力。工件焊接過程中熱應(yīng)力梯度較小，熔覆層最大應(yīng)力值小于材料屈服極限，工件很難發(fā)生塑性變形，熔覆層與基材交界處應(yīng)力波動(dòng)較小，熔覆層應(yīng)力分析模型表明熔覆層無裂紋產(chǎn)生。

圖5 熔覆層中心線節(jié)點(diǎn)選取示意圖

圖6 熔覆層應(yīng)力值分布

2.2 工藝參數(shù)對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)的影響

改變焊接工藝參數(shù)，研究預(yù)熱溫度和掃描速度對(duì)工件熱應(yīng)力分布的影響，在不同工藝參數(shù)下工件焊接應(yīng)力值如表3所列。

v=2 mm/s，T=20 ℃(室溫)時(shí)，熔覆間隔為10 s，第一道熔覆層最大等效應(yīng)力為1 270 MPa，第二道熔覆層最大等效應(yīng)力值為1 184 MPa，不經(jīng)過預(yù)熱的工件在焊接后產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，這兩道熔覆層最大等效應(yīng)力值均大于材料的屈服極限，工件會(huì)發(fā)生塑性變形，開裂傾向較大。v=2 mm/s，T=50 ℃時(shí)，第一道熔覆層最大等效應(yīng)力值為1 190 MPa，第二道熔覆層最大等效應(yīng)力值為986 MPa，工件與底層熔覆層交界處出現(xiàn)較大的殘余熱應(yīng)力，底層熔覆層發(fā)生塑性變形，甚至產(chǎn)生裂紋。v=2 mm/s，T=150 ℃時(shí)，第一道熔覆層最大等效應(yīng)力為1 160 MPa，第二道熔覆層最大等效應(yīng)力為623 MPa，熔覆層最大等效應(yīng)力值小于材料的屈服極限，工件塑性應(yīng)變量較小，開裂傾向較小。因此，預(yù)熱溫度越高，工件熱塑性變形越小，熱應(yīng)力越小，開裂傾向越小。

表3 不同工藝參數(shù)下熔覆層應(yīng)力值 /MPa

T=150 ℃，v=6 mm/s時(shí)，熔覆間隔為7 s，第一道熔覆層最大等效應(yīng)力為832 MPa，第二道熔覆層最大等效應(yīng)力為736MPa，這兩道熔覆層最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服極限，工件不發(fā)生塑性形變。T=150 ℃，v=10 mm/s時(shí)，第一道熔覆層最大等效應(yīng)力為1 246 MPa，第二道熔覆層最大等效應(yīng)力為1 192 MPa，這兩道熔覆層最大等效應(yīng)力均大于材料的屈服極限，熔覆層與基材交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，工件開裂傾向較大。應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明：控制熱源移動(dòng)速度，并將工件預(yù)熱至一定溫度，有助于降低工件焊接熱應(yīng)力。T=150 ℃，v=2 mm/s、v=6 mm/s時(shí)，熔覆層最大等效熱應(yīng)力小于材料的屈服極限，工件塑性變形量較小，工件開裂傾向較小。

3 總 結(jié)

根據(jù)三峽升船機(jī)垂直升降系統(tǒng)齒條實(shí)際工況，制造40CrMo工件模擬帶有裂紋缺陷的大模數(shù)齒條，建立工件有限元模型，利用生死單元模擬粉末預(yù)置過程，考慮材料隨溫度的非線性變化特征，對(duì)比不同工藝參數(shù)對(duì)工件應(yīng)力場(chǎng)的影響，驗(yàn)證工藝參數(shù)組合的合理性和可行性，實(shí)現(xiàn)工件等離子焊接應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬。

熔覆層位置的應(yīng)力變化具有三個(gè)階段的特征，即

焊接開始階段，進(jìn)入穩(wěn)定階段前和進(jìn)入穩(wěn)定階段。在焊接開始時(shí)，整個(gè)工件的應(yīng)力不大，應(yīng)力主要集中在焊接熱源區(qū)域。隨著焊接時(shí)間增加，工件受到熱載荷的作用，熔覆層周圍區(qū)域也產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力作用面積越來越大。焊接進(jìn)行到一定時(shí)間后，整個(gè)工件的熱應(yīng)力趨于穩(wěn)定，最大熱應(yīng)力發(fā)生在熔覆層與基材交界處。將工件預(yù)熱到150 ℃，掃描速度控制在2～6 mm/s，可以有效防止等離子焊接過程中工件出現(xiàn)裂紋和點(diǎn)蝕現(xiàn)象。