成 勇，金 隼，徐武彬，劉 強

（1.廣西科技大學(xué)機械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

1 引言

動臂是由兩塊動臂板和橫梁焊接組成的，是裝載機的主要承載部件，動臂的質(zhì)量關(guān)系著裝載機整體的性能。因此有必要對動臂的開檔尺寸進行矯正[1]，來提高動臂的制造質(zhì)量。應(yīng)用Solid-Works軟件對裝載機動臂建立三維模型，再應(yīng)用workbench軟件創(chuàng)建裝載機動臂焊接熱力學(xué)模型，并對動臂焊后變形模型進行靜力學(xué)仿真分析，最終得到變形抵消后的應(yīng)力云圖，所做研究對合理使用現(xiàn)有機型或進行創(chuàng)新，具有借鑒作用。

裝載機動臂在焊接時，動臂板和橫梁橢圓筒周圍易受熱不均從而使動臂板兩頭產(chǎn)生收縮變形，如圖1所示。動臂板鏟斗孔端1、2與車架孔端3、4偏差量均不一致，因此在矯正時對應(yīng)油缸的推出量也各不相同，需分別對油缸推出量進行設(shè)置。

圖1 動臂機械矯正模型Fig.1 Boom Mechanical Correction Model

動臂焊后變形矯正是在液壓矯正工裝上進行的，其工裝，如圖2所示。

圖2 動臂矯正機Fig.2 Boom Correction Machine

由液壓機推動油缸至設(shè)定值，使得焊接件產(chǎn)生與焊接變形相反的彈塑性反變形，從而可以用來抵消焊接變形。

2 動臂的焊接有限元分析

2.1 動臂實體模型

用solidworks對動臂進行三維建模，動臂板厚度為50mm，橫梁厚20mm。如圖3（a）所示。把動臂三維模型導(dǎo)入到sysweld中進行焊接有限元分析；定義材料屬性，動臂所用材料為Q345鋼，其材料屬性，如表1所示。

表1 Q345的材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of Q345

2.2 動臂有限元模型

對動臂進行網(wǎng)格劃分，由于焊縫處應(yīng)力比較集中，是本論文的重要研究點，因此需要對焊縫處網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格類型為六面體結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格總數(shù)為167250，節(jié)點總數(shù)為37790，如圖3（b）所示。

2.3 熱源設(shè)置

為了與動臂實際焊接情況相吻合，這里使用MIG 雙絲焊雙橢圓熱源。采用類似于T型焊的角焊縫，角焊縫大小為（20×20）mm。采用保護焊，焊道為三層三道，分別為打底、填充、蓋面[2-3]。動臂雙絲焊焊接工藝各參數(shù)，如表2所示。

表2 動臂雙絲焊焊接工藝各參數(shù)表Tab.2 Parameters of the Welding Process

2.4 邊界條件

焊接過程中，對一側(cè)動臂板與橫梁進行三層三道焊接完成后，依靠焊接機器人將動臂進行翻轉(zhuǎn)后對另一側(cè)進行三層三道焊接。因此不能對動臂兩側(cè)同時進行位移約束，只對一側(cè)動臂板進行位移約束，對一側(cè)動臂版X，Y，Z三個方向進行剛性位移約束，如圖3所示。其中有一部分為焊接約束點。

圖3 動臂焊接約束Fig.3 Boom Welding Constraints

2.5 后處理與結(jié)果分析

運用Sysweld對動臂進行焊接模擬，動臂冷卻后的等效應(yīng)力如圖4（a）所示。焊縫處的應(yīng)力平均值為260MPa左右。其焊接后的變形，如圖4（b）所示。

圖4 動臂焊接應(yīng)力云圖和變形云圖Fig.4 Cloud Image of Welding Stress and Deformation of Boom

動臂仿真焊接后出現(xiàn)的動臂開檔收縮變形，需對其進行機械矯正，其焊后變形量經(jīng)測量，如表3所示。

表3 焊后動臂板變形數(shù)據(jù)Tab.3 Deformation Data of the Boom Plate After Welding

3 動臂的矯正有限元分析

在solidworks中建立焊接后的三維模型導(dǎo)入workbench中進行矯正分析，并定義材料參數(shù)和對其進行網(wǎng)格劃分[4-5]。

3.1 邊界條件

根據(jù)實際工況動臂板的約束條件，將動臂板兩側(cè)中間位置進行剛性約束，如圖5所示。因此約束處節(jié)點自由度為零，與實際相符合，提高了仿真計算的精確度。

圖5 動臂矯正約束Fig.5 Boom Correction Constraint

3.2 接觸處理

動臂板內(nèi)表面與油缸外表面采用面面接觸類型，在動臂矯正過程中，依靠油缸推動動臂板產(chǎn)生運動，并不要考慮摩擦，因此設(shè)置為無摩擦接觸類型，其加載力位于動臂板焊接處1000mm處[6]，如圖6所示。

圖6 油缸推出示意圖Fig.6 Schematic Diagram of the Oil Cylinder

3.3 油缸推出量設(shè)置

油缸推出量是參照生產(chǎn)現(xiàn)場的資料來確定的。油缸的額定壓力P=14MP，直徑D=140mm，活塞所輸出的軸向力T可由式（1）計算得出。其設(shè)定（0～1）s為推出油缸過程，（1～2）s為油缸收回過程。需要在重復(fù)矯正中不斷降低變形量。

3.4 后處理與結(jié)果分析

通過推出油缸使得動臂產(chǎn)生彈塑性變形，動臂變形量最大值時，如圖7所示。隨著油缸推出量的增加，動臂板的變形由鏟斗孔端、車架孔端向橫梁處的位移逐漸增大并沿深。當(dāng)油缸推至最大推出距離時動臂板局部發(fā)生彈塑性變形，而焊縫處并未發(fā)生彈塑性變形。

圖7 動臂變形量云圖Fig.7 Cloud Diagram of Boom Deformation

在油缸推動動臂板矯正焊接變形的過程中，動臂的等效應(yīng)力在T=1s時有最大值，其云圖，如圖8所示。由圖8可知，在矯正過程中隨著時間的推移，油缸推出量逐漸增大，動臂應(yīng)力從焊縫處逐漸增大，并且向動臂板兩側(cè)逐漸沿深，在1s時動臂板變形量達到最大值，應(yīng)力也達到了峰值324MPa，小于其材料屈服強度（345MPa）。

圖8 T=1s時等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent Stress Cloud Diagram at T=1s

隨后油缸收回過程中，動臂板應(yīng)力逐漸減少，最終矯正完成后，應(yīng)力集中在焊縫處，以殘余應(yīng)力形式存在與焊縫周圍，大小為165MPa左右。其應(yīng)力上條線，如圖9所示。可見，動臂在矯正過程中焊縫處應(yīng)力并未超過材料的屈服強度。

圖9 等效應(yīng)力隨時間變化圖Fig.9 Variation of Equivalent Stress with Time

4 殘余應(yīng)力測試實驗

4.1 盲孔法原理

采用盲孔應(yīng)力釋放法對動臂板和橫梁連接處的焊縫進行殘余應(yīng)力測試。殘余應(yīng)力和應(yīng)變，如圖10所示。在被測材料表面粘貼應(yīng)變片，在應(yīng)變片中心鉆孔，鉆孔直徑1.5mm，深2mm。通過鉆孔區(qū)的應(yīng)變增量變化，引起孔邊應(yīng)力釋放，應(yīng)變片隨著被測定材料的應(yīng)變一起收縮，其電阻會隨之變化，應(yīng)變片通過測試電阻的變化而對應(yīng)變進行測定，并在檢測儀顯示出相應(yīng)數(shù)值，從而計算出殘余應(yīng)力，如式（2）～式（4）所示。

圖10 殘余應(yīng)力和應(yīng)變示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Residual Stress and Strain

式中：σ1、σ2—殘余應(yīng)力場中的主應(yīng)力；ε1、ε2和ε3—0°、45°和90°方向上應(yīng)變片測量得到的釋放應(yīng)變值；φ—最大主應(yīng)力σ1與x軸的夾角，取順時針方向為正；A、B—應(yīng)變釋放系數(shù)，與所鉆孔的幾何形式及材料的力學(xué)性能有關(guān)[7-9]。

4.2 測試與結(jié)果分析

由于盲孔法會對動臂的焊縫造成一定的破壞，所以只對一個動臂選取了3個特殊測量點，如圖11（a）所示。實驗所測的數(shù)據(jù)，如圖11（c）與表4所示。

圖11 應(yīng)變片測點和應(yīng)力場測量圖，焊縫測試點的殘余應(yīng)力分布Fig.11 Measuring Point of Strain Gauge and Stress Field Measurement Diagram，Residual Stress Distribution at the Weld Test Points

從表4 中可看出，測點A、B、C的橫向殘余應(yīng)力在（240.1～318.9）MPa之間，縱向殘余應(yīng)力值范圍在（180.5～312）MPa之間。由此可以得出，焊接時的拉壓力在矯正時可以得到一定的抵消。

表4 實驗數(shù)據(jù)記錄Tab.4 Experimental Data Records

5 結(jié)論

這里主要應(yīng)用有限元軟件對影響動臂變形較大的焊接工序與矯正工序進行有限元仿真分析，分別建立了動臂焊接模型與動臂矯正模型，為動臂的分析提供了參考。

對焊接和矯正過程中動臂變形量與應(yīng)力進行分析，焊接時未受固定的動臂端變形量較大，矯正過程并未對焊縫結(jié)構(gòu)處的位移產(chǎn)生影響。動臂焊后焊接殘余應(yīng)力和動臂矯正成功后的矯正應(yīng)力也并未超過材料的屈服強度，證明了針對動臂焊后變形機械矯正的可行性。

通過盲孔法對動臂矯正后殘余應(yīng)力數(shù)值進行測量，與有限元模擬相結(jié)合，可以得到動臂在矯正時應(yīng)力會有所消除，可為焊接應(yīng)力的消除和后續(xù)的動臂焊縫質(zhì)量研究提供一定的參考。