基于ABAQUS的缸筒環(huán)焊縫焊接工藝優(yōu)化研究

張衛(wèi)星　徐桂娟

【摘 要】焊接是缸筒加工的最重要工序之一。采用PRO/E建立了三維的缸筒連接裝配圖并導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中，采用溫度—位移耦合計(jì)算方式，單元類型選用C3D8T單元，通過固定熱源方式施加熱力載荷。通過焊接優(yōu)化工藝的對(duì)比分析可知，優(yōu)化后的焊接工藝可在殘余應(yīng)力基本不變的情況下將最大變形量降低40%以上。

【關(guān)鍵詞】缸筒；有限元；環(huán)焊縫；工藝優(yōu)化

【Abstract】Welding is one of the most important processes in cylinder barrel processing.Using PRO/E to establish the three-dimensional cylinder connection assembly，and export into the finite element software ABAQUS.During the coupled temperature displacement calculation，C3D8T unit type is selected and the thermal load is applied by fixed source method.Through the comparative analysis of the welding optimization process，it can be known that the optimized welding process can reduce the maximum deformation by more than 40% while the condition that the residual stress is basically unchanged.

【Key words】Cylinder barrel；FEA；Girth weld；Process optimization

0 引言

焊接工藝是當(dāng)今制造業(yè)不可或缺的加工方式之一，其通過局部加熱、加壓等方法將不同的金屬零件進(jìn)行拼接或結(jié)合[1]。對(duì)于缸筒零件，受焊接高溫的影響，接頭將不可避免地產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力和熱疲勞。焊接的作用可使分離的金屬原子結(jié)合，使其形成牢固的接頭，而且焊縫接頭的強(qiáng)度要優(yōu)于母材。但是由于缸筒零件對(duì)于焊后的尺寸精度要求較高，需要嚴(yán)格控制母材受到的熱影響，減小形變量和殘余應(yīng)力，可有效地避免焊接缺陷，比如變形過大、接頭失效甚至焊縫缺陷等問題[2]。為此，本文基于ABAQUS對(duì)優(yōu)化前后的焊接工藝進(jìn)行對(duì)于分析，驗(yàn)證工藝的合理性。

1 焊縫熱應(yīng)力產(chǎn)生的原理

在進(jìn)行缸筒焊接時(shí)，焊池內(nèi)的溫度非常高，達(dá)到熔融狀態(tài)，而焊件母材的溫度較低，不同溫度下的金屬具有不同的膨脹值，導(dǎo)致焊接后出現(xiàn)不同位置的內(nèi)應(yīng)力和變形。焊縫會(huì)導(dǎo)致焊件的局部變形比較明顯，為了避免對(duì)精度要求較高的部位造成不良影響，需要進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)。根據(jù)焊后特性可知，若焊件屬于低碳鋼，則焊后的塑性變形比較明顯；若焊件屬于高碳鋼，則焊后出現(xiàn)裂紋的幾率較大。焊接之后，接頭內(nèi)部存下較大的熱應(yīng)力，大大降低了焊縫的強(qiáng)度，因此，需要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行熱處理操作。支柱缸筒在焊接時(shí)，焊池內(nèi)部溫度超過1500℃，溫升的位置出現(xiàn)熱膨脹，并向低溫位置擴(kuò)散，整個(gè)過程伴隨著時(shí)間變化。

缸筒焊縫存在熱應(yīng)力，但是滿足內(nèi)部的平衡力系關(guān)系，即整體的內(nèi)力與內(nèi)力矩的矢量和為零。當(dāng)缸筒受溫度影響發(fā)生變形時(shí)，高溫位置出現(xiàn)壓縮應(yīng)力，低溫位置出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，而且焊件在焊接過程中的約束程度越大，應(yīng)力峰值越高[3]。熱應(yīng)力必然會(huì)導(dǎo)致熱疲勞，特別是在溫度交變條件下的焊接過程中，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋是焊接研究領(lǐng)域中的難點(diǎn)之一，其主要發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)，也是力學(xué)特性最差的部分。熱裂紋一般沿表面垂直受熱方向擴(kuò)展，特殊情況下向表面內(nèi)縱深方向延伸。為了降低熱裂紋的發(fā)生率，在缸筒焊接時(shí)需要進(jìn)行焊前熱處理與焊后熱處理。文中所分析的缸筒材質(zhì)為30CrMoSi，在焊接過程中出現(xiàn)的屈服流動(dòng)與高溫蠕變在一定程度上可降低內(nèi)應(yīng)力與變形，并且焊后的剛度、靜載能力、結(jié)構(gòu)脆性、結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度等相對(duì)良好[4]，因此，重點(diǎn)需要解決的問題為構(gòu)件精度以及尺寸穩(wěn)定性等問題。

2 焊縫熱應(yīng)力分析

2.1 焊接工藝

本文所分析外缸筒的連接結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，圖中可以看出：傳統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)為外筒和鋼箍對(duì)接，外筒的端部通過內(nèi)軸肩完成定位，然后通過過盈配合熱裝后焊接成一體，環(huán)焊縫位置為鋼箍的端部；優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)將外筒的軸向尺寸增大，與鋼箍的端部平齊，通過兩道環(huán)焊縫完成加工工藝。通過基于ABAQUS的有限元分析，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)的殘余熱應(yīng)力和塑性變形特性。

2.2 模型前處理

在三維軟件PRO/E中，根據(jù)實(shí)際尺寸建立外缸筒連接部件，其中，為了降低有限元模型的計(jì)算量，將外缸筒連接處的倒角等對(duì)分析結(jié)果影響小的結(jié)構(gòu)省略，最終得出三維裝配模型，將模型保存為Parasolid格式，導(dǎo)入ABAQUUS中。

在ABAQUS中，首先需要設(shè)置被焊件的材料屬性，為了得出更加準(zhǔn)確的計(jì)算值，充分考慮材料參數(shù)與溫度之間的關(guān)系，根據(jù)30CrMoSi的物理特性賦予元件材料屬性。在網(wǎng)格劃分方面，單元類型選用了具有溫度—位移耦合特性的C3D8T單元，該單元為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，能夠?qū)崿F(xiàn)三向線性位移和溫度的求解。為了劃分質(zhì)量更高的網(wǎng)格，提升運(yùn)算精度，將元件在軸肩位置進(jìn)行分區(qū)，并采用六面體掃略形式完成網(wǎng)格劃分。為了重點(diǎn)研究缸筒處的熱應(yīng)力狀態(tài)，文中采用固定熱源的加熱方式來模擬焊縫的能量輸入。在載荷輸入中，定義幅值曲線，即在0～100s內(nèi)持續(xù)輸入熱量（初始環(huán)境溫度為20℃），該過程中有生熱、熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流現(xiàn)象，在100～180s內(nèi)停止能量輸入，僅保持熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流作用。

3 結(jié)果分析

3.1 位移場分析

為了對(duì)比分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的效果，將模型的分析步、接觸屬性、網(wǎng)格劃分以及載荷條件等前處理保持一致，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行有限元分析，得出最終狀態(tài)（180s時(shí)刻）下的位移場云圖如圖2所示。從圖2可以看出，優(yōu)化后的最大變形量為0.733mm，相比優(yōu)化前的最大變形量1.25mm，降低了41.3%。變形區(qū)域較為均勻，沒有明顯的膨脹變形問題，這對(duì)于提升缸筒的尺寸穩(wěn)定性有非常好的效果。

應(yīng)力場云圖如圖3所示，可以看出，優(yōu)化后的最大應(yīng)力值為439MPa，相比優(yōu)化前的最大應(yīng)力值435MPa，僅僅提升了0.9%，幾乎保持不變，而且應(yīng)力集中問題明顯改善，可明顯改善焊縫接頭的強(qiáng)度。

4 熱應(yīng)力消除方案

熱應(yīng)力在焊縫中有著諸多不良影響，因此，需要通過一定的方法和手段將其降低或者消除。當(dāng)焊接完成后，可采用小錘敲擊的方式釋放焊縫的內(nèi)應(yīng)力，其中，當(dāng)焊修缸筒溫度處于800℃左右時(shí)效果最好，當(dāng)溫度較低時(shí)，要求擊打力降低，當(dāng)溫度低于300℃，不建議進(jìn)行錘擊操作，否則容易造成機(jī)械裂紋。除了錘擊法以外，熱處理方法也是消除熱應(yīng)力的最常見方法之一[5]。將焊接后的缸筒放置與加熱爐內(nèi)，將溫度調(diào)節(jié)至500～600℃，保溫一段時(shí)間，將其在空氣中或者爐內(nèi)緩慢冷卻。通過熱處理方法，可明顯地降低接頭內(nèi)部應(yīng)力峰值，并提升接頭的拉伸強(qiáng)度。

由于缸筒焊縫的焊接面較小，為了降低焊接熱應(yīng)力，可降低焊接電流，并采用保護(hù)氣體焊接方法，獲得質(zhì)量較高的焊縫。在焊接之前，可以根據(jù)要求進(jìn)行焊接預(yù)熱，降低溫差效應(yīng)[6]，同時(shí)，可采用機(jī)械固定的方式降低熱變形。文中總結(jié)消除熱應(yīng)力或熱變形方法主要有：

1）預(yù)熱法。通過預(yù)熱不僅可以降低熱應(yīng)力，同時(shí)可以減少熱裂紋的發(fā)生率。

2）反變形法。根據(jù)焊件變形的方向與大小預(yù)先將缸筒加工成非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的零件，以便適應(yīng)變形后的尺寸，但是存在一定的不確定性。

3）水冷法。在焊接過程中，采用噴水冷卻或者浸水冷卻的方式降低熱影響區(qū)的溫度，將補(bǔ)焊位置留出，不僅可以降低熱變形量，同時(shí)可以提升接頭強(qiáng)度。

4）固定法。在進(jìn)行缸筒焊接時(shí)，可設(shè)計(jì)特定的剛度較大的工裝，從而可以防止受溫度影響產(chǎn)生的熱變形，在壁厚較薄的焊接工藝中應(yīng)用較多。

5）工序調(diào)整。合理的焊接工序同樣可以降低熱應(yīng)力與熱變形，比如在焊接過程中采用分段焊接的方式，將每段的焊縫采用相反的方向施焊，也就是逆向焊接。

5 結(jié)語

缸筒作為典型環(huán)焊縫焊接件，對(duì)于焊后的尺寸和殘余應(yīng)力有著較為嚴(yán)格的要求。通過基于有限元的熱力學(xué)分析，充分考慮熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流、熱變形、蠕變等因素的作用，能夠有效的驗(yàn)證焊接工藝方案的可行性，不但能夠有效的降低生產(chǎn)成本，而且能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳家權(quán)，肖順湖，楊新彥，等.焊接過程數(shù)值模擬熱源模型的研究進(jìn)展[J].裝備制造技術(shù)，2005，3：10-14.

[2]陳家權(quán)，肖順湖，吳剛，等.焊接過程數(shù)值模擬熱源模式的比較[J].焊接技術(shù)，2006，35（1）：9-11.

[3]蔡志鵬，趙海燕，等.焊接數(shù)值模擬中分段移動(dòng)熱源模型的建立及應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程，2002，13（3）：208-210.

[4]蔡志鵬，趙海燕，鹿安理，等.串熱源模型及其在焊接數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（4）：25-28.

[5]程久歡.Ti-3Al 金屬間化合物激光焊溫度場的數(shù)值模擬[D].武漢理工大學(xué)，2004.

[6]吉巧杰.封閉焊縫焊接溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬[D].華中科技大學(xué)，2007.

[責(zé)任編輯：田吉捷]