0 引言

在焊接過程中，焊接溫度場(chǎng)受外界環(huán)境與自身的變化急劇變化，較大溫度梯度是導(dǎo)致焊件焊接變形和焊接殘余應(yīng)力的根本原因。中部槽焊接過程中，溫度和應(yīng)力變化無法預(yù)測(cè)與控制成為非線性存在，焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的解析很難得到，數(shù)值模擬技術(shù)可為研究中部槽焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)提供幫助。鑄焊中部槽是由鑄造槽幫、中板及底板構(gòu)成。中部槽焊接是兩種不同材質(zhì)之間的焊接，中板和槽幫構(gòu)成的異種多道焊接，其溫度場(chǎng)分析屬于高度非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。一些科研人員利用生死單元法模擬中部槽多層多道填充過程溫度場(chǎng)變化情況，將熱源加載至中部槽焊縫處，溫度迅速升高至2300℃，熱源經(jīng)過后溫度迅速下降，焊接完成冷卻后，整體溫度過渡平穩(wěn)，在冷卻時(shí)溫度場(chǎng)沿焊縫方向擴(kuò)散梯度較小，擴(kuò)散速度較快，而在垂直焊縫方向擴(kuò)散梯度較大，擴(kuò)散速度較小。通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究，中部槽焊接應(yīng)力場(chǎng)主要分布在鑄造槽幫與中板焊接處，由于焊縫與中板連接一側(cè)的焊趾處的縱向殘余應(yīng)力大于焊縫新材料區(qū)屈服應(yīng)力，導(dǎo)致中部槽出現(xiàn)焊接裂紋，焊縫強(qiáng)度下降，影響焊接質(zhì)量。最佳理想狀態(tài)為焊接處縱向殘余應(yīng)力應(yīng)由中間向兩端轉(zhuǎn)變，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，并在兩端處趨于零，焊縫坡口及其附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖1 礦用中部槽三維圖

1 刮板輸送機(jī)中部槽焊接工藝研究

1.1 中部槽焊接變形規(guī)律及控制方法研究

在中部槽焊接時(shí)，各方面原因?qū)е庐a(chǎn)生變形，通過焊接工藝優(yōu)化減少焊接變形量，增強(qiáng)焊接過程穩(wěn)定性。激光-MAG電弧復(fù)合熱源焊焊縫熔透性好，為最佳打底焊接工藝，焊縫成型良好，焊縫質(zhì)量合格，熔深滿足條件，焊縫強(qiáng)度較高，焊接變形滿足工藝要求。

利用激光-MAG電弧復(fù)合焊的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，對(duì)于控制焊接變形而言，可以避免使用加強(qiáng)筋固定、減小焊接間隙、避免分段退焊。取消預(yù)置變形量等工作所帶來的人工、能源、效率的消耗，降低對(duì)工裝夾具精度的要求，可以有效地提升生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 激光復(fù)合打底焊接與MAG打底焊接工藝對(duì)比研究

通過中部槽中板激光-MAG電弧復(fù)合打底焊與單MAG打底焊工藝試驗(yàn)與生產(chǎn)產(chǎn)品焊接對(duì)比，激光-MAG電弧復(fù)合打底焊透情況明顯優(yōu)于單MAG打底焊。單MAG打底焊接需要預(yù)留3mm間隙才能保證根部完全熔透，使用組裝胎固定后的工件變形情況明顯減小。

圖2 礦用中部槽結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 中部槽底板內(nèi)焊縫焊接工藝研究

對(duì)內(nèi)角焊縫船型焊接，為了提高效率采用雙槍在兩側(cè)同時(shí)焊接，其焊接方向均從兩端向里焊接，整條焊縫外觀一致美觀，比兩把焊槍一個(gè)從端頭向里焊，另一把從中間向端頭焊接，焊縫外觀好。

圖3 礦用中部槽焊接示意圖

1.4 中部槽高效焊接工藝試驗(yàn)研究

①通過工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接保護(hù)氣選用80%Ar+20%C0混合氣效果最好，焊接飛濺較小。焊縫成型美現(xiàn)。通過高速攝像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在200A-500A焊接電流可以達(dá)到穩(wěn)定的射流過渡，而且電弧形態(tài)呈束狀電弧，在機(jī)械力和電磁收縮力的作用下電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)并攪拌熔池。當(dāng)電流超過550A時(shí)，則發(fā)生旋轉(zhuǎn)射流過渡不利于焊縫成型。通過熔敷率計(jì)算，焊絲熔敷率接近80%，熔敷效果較好。

②通過與直徑1.2mm的實(shí)心焊絲進(jìn)行表面堆焊對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在相同的焊接參數(shù)下，纜式焊絲熔深深低于實(shí)心焊絲。在相同線能量的情況下，發(fā)現(xiàn)纜式焊絲焊縫區(qū)微觀組織與實(shí)心焊絲組織相同，晶粒尺寸小于實(shí)心焊絲。通過拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纜式接頭強(qiáng)度優(yōu)于母材。沖擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)于實(shí)心焊絲。

③通過對(duì)接和角接焊縫成型對(duì)比，發(fā)現(xiàn)纜式焊絲在大電流時(shí)焊縫成型較好。熔敷金屬量更大，說明纜式焊絲對(duì)于提高焊接效率方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于填充焊接而言可以大幅度地提高焊接效率。

2 焊接工藝數(shù)值模擬分析

2.1 焊接接頭的熱彈性求解

在焊接過程中，焊接熔池與被焊工件之間均發(fā)生著劇烈的物理、化學(xué)反應(yīng)，其間包括焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)和熱傳導(dǎo)過程、熱源與金屬間的相互作用、焊縫金屬凝固和焊接接頭的相變過程、焊接應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程以及非均質(zhì)焊接接頭的力學(xué)行為。每種現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)且又各自自成一體。

中部槽焊接工藝數(shù)值模擬分析研究?jī)?nèi)容則著重分析焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形情況。因而，在進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)，應(yīng)該弱化處理甚至不處理那些對(duì)應(yīng)力場(chǎng)或溫度場(chǎng)影響微弱的因素，本次研究?jī)H考慮熔池內(nèi)部液態(tài)金屬對(duì)流體傳熱對(duì)熔池形狀的影響結(jié)果，對(duì)液態(tài)金屬流動(dòng)、表面張力梯度變化等問題不作細(xì)致分析研究。由于厚板三維模型網(wǎng)格劃分單元數(shù)量較為龐大，研究計(jì)算時(shí)間過長，計(jì)算量過大，對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，做如下的假設(shè)：

①工件的焊接初始溫度為25℃-30℃，焊接過程中不做預(yù)熱處理；忽略熔池液體之間的部分反應(yīng)與對(duì)流等現(xiàn)象；

②母材一致，在高溫時(shí)仍做固態(tài)處理；

③焊接過程速度恒定，以恒速度焊接，服從高斯分布；

④不考慮工件與實(shí)驗(yàn)臺(tái)熱的熱傳導(dǎo)與熱量損耗，假設(shè)工件僅存在外界熱輻，設(shè)定唯一的散熱系數(shù)。

電弧焊接過程中，不考慮體積力和表面力的影響，接頭熱應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由于焊接降溫過程中材料單元收縮量不同，屬于熱彈性或熱彈塑性問題。由于彈性和非被彈性材料的基本屬性，彈塑性材料進(jìn)入塑性特征后材料的剛度在非彈性范圍內(nèi)不再保持常數(shù)，當(dāng)應(yīng)力卸載后存在永久變形不可恢復(fù)，應(yīng)力應(yīng)變之間不存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用彈性力學(xué)，根據(jù)研究問題的難易程度，建立唯一的彈性力學(xué)模型及理想線彈性模型。塑性力學(xué)問題，理論研究與實(shí)際存在困難。因而針對(duì)不同材料和應(yīng)用領(lǐng)域，可簡(jiǎn)化為不同的彈塑性模型。

材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：{dσ}=[D]{dε}-{C}dT

式中[D]為彈性或彈塑性矩陣；{C}為溫度有關(guān)的向量。

2.2 對(duì)接焊接接頭的溫度及應(yīng)力場(chǎng)分析

2.2.1 溫度場(chǎng)分布及熱源模型校核

如圖4所示為20mm-20mm對(duì)接焊縫的網(wǎng)格模型，長1000mm，寬80mm，厚20mm，先按照橫截面焊縫形狀進(jìn)行優(yōu)化劃份網(wǎng)格，再沿模型長度方向分射網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)70000。

圖4 對(duì)接接頭橫截面網(wǎng)格劃分

焊接開始一定時(shí)間后會(huì)自然形成以熔池為中心的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，取典型的20mm-20mm對(duì)接接頭中間某一時(shí)刻的溫度分布云圖，如圖5所示，后處理時(shí)將高于熔點(diǎn)溫度的區(qū)域設(shè)為紅色以便于觀察熔池形狀。圖5a和圖5b分別表示典型焊縫焊接過程中溫度場(chǎng)整體及焊縫橫截面溫度場(chǎng)分布特征。從圖中可以清晰看出焊接過程中熔池以及高溫區(qū)的空間三維形狀特征，焊縫溫度場(chǎng)呈現(xiàn)典型焊接溫度場(chǎng)分布特征，熔化區(qū)上寬下窄，符合高斯體熱源的熱流空間分布特征，且沿著焊接方向，熔池上部呈現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，這是由焊接過程中熔池內(nèi)部熔融金屬向后方流動(dòng)引起的。

以實(shí)際焊縫橫截面形狀為準(zhǔn)，調(diào)試熱源模型，最大程度上減小模擬結(jié)果與實(shí)際焊接結(jié)果的偏差，截面溫度場(chǎng)分布如圖5c所示，通過測(cè)量可知模擬結(jié)果中熔寬W1和熔深D1分別約為23.1mm和15.3mm，實(shí)際焊縫橫截面W2與D2約為22.9mm和14.9mm，與實(shí)際焊縫截面尺寸差值在0.5mm以內(nèi)，誤差約為3.3%，由此可見所采用熱源模型精度較高，如表1所示。

表1 模擬焊縫與實(shí)際焊縫熔深、熔寬對(duì)比

圖5 典型接頭溫度場(chǎng)分布

2.2.2 等效應(yīng)力分析

中部槽焊接工藝數(shù)值模擬分析研究采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，Mises等效應(yīng)力遵循材料力學(xué)形狀改變比能第四強(qiáng)度理論。

其中a，a，a分別指第一、二、三主應(yīng)力。在一定的變形條件下，當(dāng)材料的單位體積形狀改變的彈性位能達(dá)到某一常數(shù)時(shí)，材料處于屈服狀態(tài)；即當(dāng)單元體的形狀改變比能達(dá)到一定程度，材料開始屈服。

用主應(yīng)力表示為式中σ為材料的屈服點(diǎn)；K為材料的剪切屈服強(qiáng)度。與等效應(yīng)力比較可得

在一定的變形條件下，當(dāng)受力物體內(nèi)一點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí)，該點(diǎn)就開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。

焊縫區(qū)焊材之間的等效殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，在焊縫區(qū)域部位焊后產(chǎn)生收縮變形，等效殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫邊界附近區(qū)域，焊根處最為明顯，最大等效應(yīng)力值在230MPa-250MPa之間。

根據(jù)焊縫橫截面上下表面的應(yīng)力分布，由于焊縫熔深熔度尺寸較大，可以看出表面的等效應(yīng)力分布受焊縫應(yīng)力集中區(qū)域的影響較大，基本趨勢(shì)為中部高兩側(cè)低，靠近焊縫邊緣處應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

2.2.3 應(yīng)變分布

在殘余應(yīng)力作用下，焊縫及靠近焊縫的母材區(qū)發(fā)生相應(yīng)沿焊縫位變分布的應(yīng)變（縱向應(yīng)變）和垂直于焊縫沿母材方向的應(yīng)變（橫向應(yīng)變），對(duì)接接頭的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變分布

由表2可知，對(duì)接焊縫的橫向應(yīng)變及縱向應(yīng)變分布與熱源形狀相似，其中焊縫中心縱向應(yīng)變?yōu)檎?，橫向應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。說明焊接過程結(jié)束后，焊縫金屬在冷卻過程中由于冷縮使得焊縫變短，因此發(fā)生了橫向收縮和縱向收縮。

表2 對(duì)接焊縫截面應(yīng)變分布

2.2.4 接頭變形

對(duì)接焊縫模型建立約束位置，取下表面靠近中部的三個(gè)原點(diǎn)，設(shè)定其沿X、Y、Z方向上的位移為零等，主要目的是為了盡量減少外部約束對(duì)焊縫固有應(yīng)變值的影響，以獲得接近自由變形下的固有應(yīng)變值。

20mm-20mm對(duì)接接頭中間截面橫向彎曲變形（厚度方向Z方向位移）。典型接頭發(fā)生撓曲變形，整體變形趨勢(shì)為以約束位置為最小變形，兩頭翹起，最大變形量為16.5mm。經(jīng)過模擬結(jié)果的測(cè)量，在靠近約束位置直徑310mm的范圍內(nèi)，變形量處于較低水平。變形情況符合焊接后的規(guī)律。

3 總結(jié)

通過數(shù)值模擬軟件對(duì)對(duì)接接頭的溫度場(chǎng)及熱源模型進(jìn)行了校核，對(duì)等效應(yīng)力進(jìn)行了分析；完成應(yīng)變分布與變形分布的模擬，取得了相應(yīng)的結(jié)果，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了比對(duì)，模擬的結(jié)果比較準(zhǔn)確，對(duì)將來的工作能夠起到重大的作用。