焊接速度對茶機薄壁件焊接變形的影響研究

龐景權，蔣丹燕，汪健坤，王素芬，李志杰

（衢州學院 機械工程學院，浙江 衢州 324000）

焊接速度對茶機薄壁件焊接變形的影響研究

龐景權，蔣丹燕，汪健坤，王素芬，李志杰

（衢州學院 機械工程學院，浙江 衢州 324000）

在充分調研焊接工藝對茶機薄壁件焊接變形影響的基礎上，基于DEFORM有限元軟件分析了焊接熱源溫度場分布特征，研究了不同焊接速度對焊接溫度場和殘余應力的影響規律，確定了茶機薄壁件焊接的最佳條件。

焊接速度；溫度場；殘余應力；焊接變形；

在焊接茶機薄壁件的過程中，焊接變形是一個非常常見的問題。如炒干機、理條機、殺青機等茶葉加工機械在工作過程中會產生振動，薄壁件焊接變形導致受熱不均、碎茶等質量問題，嚴重影響茶葉加工質量。

在焊接過程中，為了提高焊接效率，往往提高焊接的速度。焊件的殘余變形量的大小是焊接速度來決定的。其最終影響到焊接結構的質量安全和尺寸精度。本文通過DEFORM有限元模擬了焊接熱源的溫度場分布，對比分析了不同焊接速度對焊接溫度和殘余應力的影響規律，確定了減小茶機薄壁件焊接變形的條件。

1 焊接速度對焊接變形的影響

1.1 焊接速度對溫度場的影響

應用deform有限元模擬了焊接某時刻焊接熱源溫度場的分布如圖1所示，等溫線表現出橢圓形在焊接溫度場中，焊接熱源前方溫度梯度大；焊接熱源后方溫度梯度小。焊接熱源在變化移位的同時，焊接溫度場也會在短時間內改變并且其最高溫度效果也跟著改變。

圖1 3.6s時刻的溫度場

通過分析數值的變化，將其做成曲線圖。焊接的速度取值分別為4mm/S、7mm/S和12mm/S。將焊件在這三個焊接速度下所達到最高溫度隨時間變化的動態過程制作成曲線圖，如圖2所示。從圖中可以看出，其達到最高溫度所用的時間都很短，盡管焊接剛開始時焊接速度都不盡相同。隨后焊接熔池快速凝固冷卻，溫度急劇下降，最后緩慢冷卻至室溫。

焊接速度不同，焊件所達到的最高溫度各不相同，當焊接速度越高時最高溫度反而變小，焊件所達到最高溫度的變化是受焊接速度影響的。當焊接速度達到4mm/s時，其所達到的最高溫度就是1280℃；溫度場的最大值變成1175℃時，此時的焊接速度是每秒7mm，圖2可看到，在溫度場的最大值是860℃時，其焊接速度為每秒12mm。低碳鋼的熔點要高于焊件所達到的最高溫度，其條件是焊接速度為12mm/s。此時，不會產生穩定的焊接熔池，最終導致未焊透、未熔合等各種缺陷。

因此， 12mm/s的焊接速度對實際生產要求沒有意義，不能夠滿足生產需要。所以此種情況下只需要對比每秒7mm和每秒4mm這兩種焊接速度對焊件的殘余應力場的影響情況。

圖2 不同焊接速度對溫度的影響曲線

1.2 焊接速度對殘余應力的影響

制造構件時會因為各種工藝技術和其他因素的影響而產生改變，構件的這種改變不會完全消除，即使在各種環境因素消除之后，其所受的作用和影響也會有一些殘留在其內部構造中，這就是殘留應力或殘余應力。焊接殘余應力在不同的焊接速度下的分布如圖3所示，分析兩種不同的焊接速度下焊件殘余應力值的比較，在速度為每秒4毫米時最大值是112MPa，焊接速度為每秒7毫米時，最大值為135MPa；從這兩個最大值可以看出其殘余應力值相差僅為22MPa，這要比低碳鋼材料的屈服強度值低，這種情況下，一般不會出現由殘余應力過于集中導致的焊接接頭斷裂的現。

圖3 不同速度下的焊接殘余應力分布

殘余應力較大的部分焊接殘余變形量小，殘余應力較小的部分，變形量卻大，這說明殘余應力值的大小與殘余變形的大小是負相關的關系。由于在后期裝配時焊接結構的尺寸精確性上的問題，要盡可能的縮小焊接殘余變形量。所以，選擇焊接速度為7mm/s時，不僅是達到焊接變形量較小的要求目標，同時又使得焊接生產效率達到要求。

2 結論

（1）當焊接開始時，焊件可以迅速的達到最高溫度，不同焊件的最高溫度受其焊接速度的不同而有差異，焊件所達到的最高溫度是隨著焊接速度的提高而變小。

（2）當焊接速度達到12mm/s時，溫度場最大值為860℃，低于低碳鋼的熔點，不能滿足實際生產要求。

（3）焊接變形與焊接殘余應力成反比，當焊接速度為7mm/s時，殘余應力值最大為135MPa，遠低于低碳鋼屈服強度，此時焊接變形最小。

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TG456.7

A

1671-0711（2016）11（下）-0101-02

國家級創新訓練項目（201511488005）；浙江省公益性技術應用研究計劃（2015C32126）