基于SYSWELD壓濾機濾框焊接變形數(shù)值模擬

周三平，王 恒，鄭宏濤

(1.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065；2. 西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安 710100)

壓濾機是在過濾介質(zhì)一側(cè)施加機械力實現(xiàn)過濾的機械，主要用于化工生產(chǎn)、污水處理、食品藥品制造過程中的固液分離，是環(huán)境治理和資源回收利用的理想設(shè)備。濾框作為立式壓濾機的核心構(gòu)件，它的質(zhì)量好壞直接影響到壓濾設(shè)備的密封可靠性，過濾設(shè)備的效率。由于濾框結(jié)構(gòu)細長，在焊接過程中極易出現(xiàn)變形，因此減少濾框的焊接變形對提高壓濾機工作效率與物料的利用率具有非常重要的意義。

焊接變形的影響因素眾多，一個構(gòu)件的焊接變形往往是多因素綜合作用下的結(jié)果。目前國內(nèi)外控制焊接變形的方法主要包括兩個方面：一是在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取措施，控制焊接變形，比如盡量減少焊縫數(shù)量[1-2]，合理化分配焊縫位置[3-4]等等。二是在焊接工藝上采取措施控制焊接變形，比如優(yōu)化焊接順序[5-6]，焊接方法[7-9]，剛性固定[9-10]等。但在面對不同的焊接結(jié)構(gòu)件時應(yīng)根據(jù)實際情況的不同選取合適的方法來達到控制變形的目的，目前還沒有看到控制壓濾機濾框焊接變形方面的文獻。

針對立式壓濾機濾框的結(jié)構(gòu)特性，本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化焊接順序兩方面入手，采用SYSWELD焊接模擬軟件對兩種不同結(jié)構(gòu)的濾框模型在不同的焊接順序下分別進行針對性模擬研究，從中找出最優(yōu)的濾框結(jié)構(gòu)與焊接順序，并在最優(yōu)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對焊縫進行分段，制定不同的焊接順序，找出最優(yōu)焊接順序，為實際的焊接工藝設(shè)定提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬前處理過程

1.1 幾何模型

1-長邊；2-轉(zhuǎn)角；3-短邊；4-圍板；5-托架

濾框為矩形框式結(jié)構(gòu)，由兩條長邊、兩條短邊和四個轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)連接而成，每條邊及轉(zhuǎn)角由圍板和托架焊接在一起組成，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊接時，先將每條邊及四個轉(zhuǎn)角的圍板及托架焊接在一起，然后組焊成濾框。由于長邊的長度較長，焊接起來更容易變形，所以以如圖1所示的840mm的矩形濾框的長邊作為研究對象。

在現(xiàn)場焊接中，為了減小焊接變形，托架一般采用帶圓弧倒角和減荷溝槽的橫截面形狀，其目的是為了減少應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力，最終減少焊接變形，該結(jié)構(gòu)不妨稱作結(jié)構(gòu)2，如圖1(b)所示。

為了做對比研究，這里構(gòu)建了一種沒有進行進行任何處理的梯形橫截面結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，為了描述方便，不妨稱作結(jié)構(gòu)1。為了具有可比性，這兩種結(jié)構(gòu)的外形尺寸一致，結(jié)構(gòu)2就是在結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上進行倒圓角和加工減荷溝槽而來的。

1.2 有限元模型建立

將建立好的幾何模型文件導(dǎo)入VisualMesh中進行網(wǎng)格劃分。圍板和托架的焊接有兩條焊縫，不妨稱作焊縫1和焊縫2，如圖2所示。焊縫作為熱源輸入位置，溫度梯度大，變形量大，周圍的網(wǎng)格劃分細密，單元網(wǎng)格長度為2mm，遠離焊縫的部位采取較粗的過渡方式進行網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格長度為4mm，結(jié)構(gòu)1的網(wǎng)格數(shù)共計61707個節(jié)點，54200個單元。結(jié)構(gòu)2的網(wǎng)格數(shù)共有54672個節(jié)點，46600個單元。由于結(jié)構(gòu)1、2大體結(jié)構(gòu)類似，網(wǎng)格模型也十分相似，限于篇幅，在這里只示出了結(jié)構(gòu)1的網(wǎng)格模型，如圖2所示。建立如圖2所示的坐標系，平行圍板面橫截面方向為X軸，垂直圍板面向上為Y軸，沿長度方向為Z軸。

圖2 結(jié)構(gòu)1網(wǎng)格模型

1.3 材料性能參數(shù)、焊接工藝參數(shù)及邊界條件設(shè)置

實際焊接中，往往將需要焊接的托架和圍板的相對位置先點焊固定住，這里在長邊兩端點焊兩個點，在模擬中以兩個部分接觸面共節(jié)點的形式實現(xiàn)，然后正式施焊。實際焊接中，將圖2中A、B、C、D四個點固定住，在模擬時，將這四個點設(shè)置剛性固定點。

濾框材質(zhì)為316L不銹鋼，焊絲選用材質(zhì)為022Cr17Ni12Mo2。模擬過程中焊接電壓、電流等焊接工藝參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場焊接過程確定，焊縫1采用普通電弧焊，焊縫2采用氬弧焊，焊接工藝參數(shù)如表1所示。焊接熱源采用雙橢球體熱源模型進行模擬。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 兩種截面形狀及焊縫1和焊縫2的焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊?/h3>

為了分析焊縫1和焊縫2的先后焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懀@里模擬了兩種焊接方案，分別是先焊焊縫1再焊焊縫2的方案1和先焊焊縫2再焊焊縫1的方案2。焊接件冷卻至室溫時方案1和方案2的模擬變形云圖分別如圖3、圖4所示。由于結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的變形規(guī)律相似，限于篇幅，這里只示出了結(jié)構(gòu)2的變形結(jié)果。

圖3 采用方案1時結(jié)構(gòu)2的焊接變形云圖

由于焊接時濾框長邊沿軸線方向即Z方向的兩端固定，濾框變形主要是橫截面方向即X、Y方向的變形，濾框由托架和圍板兩個組件組成，其變形必能不一樣，為了便于分析這兩個組件沿長度方向的變形情況，分別在托架和圍板這兩個組件上定義了兩條變形量最大的路徑：路徑1和路徑2，如圖4所示。

圖4 采用方案2時結(jié)構(gòu)2的焊接變形云圖

從圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)，最大變形點都出現(xiàn)在濾框中部附近，這與實際的工況趨于一致，方案1的最大變形點在托架上的路徑1上，方案2的最大變形點在圍板上的路徑2上，結(jié)構(gòu)1的變形情況與結(jié)構(gòu)2類似，兩種結(jié)構(gòu)最大變形點的位移量如表2所示。

表2 兩種結(jié)構(gòu)在不同方案下的最大變形量

由表2可以看出：(1)無論哪種焊接方案，結(jié)構(gòu)1即托架為梯形橫截面結(jié)構(gòu)的濾框長邊的焊接最大變形量明顯小于結(jié)構(gòu)2即托架帶圓弧倒角和減荷槽橫截面結(jié)構(gòu)的濾框長邊的焊接最大變形量。這主要是由于同樣橫截面外形尺寸的結(jié)構(gòu)1材料的實體面積大，剛性大，變形量必然小；而結(jié)構(gòu)2是對結(jié)構(gòu)1進行了圓弧倒角并剔除了減荷槽部分的材料，橫截面上材料的實體面積明顯小于結(jié)構(gòu)1，降低了它的剛性，所以結(jié)構(gòu)2的變形量自然較大，這與文獻資料[12-13]是相一致的。由此可見，僅從焊接變形的角度來講，托架為梯形橫截面結(jié)構(gòu)的濾框變形量反而小，因此沒有必要進行圓弧倒角和加工減荷槽。(2)先焊焊縫1再焊焊縫2的焊接方案1明顯好于先焊焊縫2再焊焊縫1的焊接方案2。

2.2 焊接變形的主要方向

為了分析焊接變形的主要方向，分別提取結(jié)構(gòu)1根據(jù)焊接方案1和焊接方案2的模擬結(jié)果在路徑1和路徑2上各點X，Y方向上的變形位移量，如圖5、圖6所示。

圖5 采用方案1時結(jié)構(gòu)1路徑1和路徑2在X、Y方向的變形

圖6 采用方案2時結(jié)構(gòu)1路徑1和路徑2在X、Y方向的變形

由圖5、圖6可見：無論是方案1還是方案2，路徑1和路徑2上各點在Y方向的最大變形量大于X方向的最大變形量。這是因為Y方向的尺寸小于X方向的尺寸，所以Y方向更容易變形。

3 分段焊接對焊接變形的影響研究

通過模擬發(fā)現(xiàn)濾框的變形主要集中在構(gòu)件的中間區(qū)域，且長度越長，變形量越大，為了減小焊接變形量，可以采用分段焊接法釋放材料填充過程中累積的應(yīng)力，從而減小焊接變形。

3.1 分段焊接方案排序

以結(jié)構(gòu)1模型為基準，將焊縫1和焊縫2等分為三段，為描述方便，對每段焊縫進行編號，如圖7所示。為了研究每小段的焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懀O(shè)定不同的焊接順序。在設(shè)置焊接順序時遵循四個原則：(1)前述研究表明先從焊縫1開始焊接，變形更小，所以在設(shè)置焊接順序時，先從焊縫1開始排序：(2)焊縫1上的小段和焊縫2上的小段交叉焊接，即焊縫1上焊一小段然后焊縫2上焊一小段；(3)可以先焊中間后焊接兩端，也可以先焊兩端后焊中間；(4)焊縫1上的兩端的小段4、6和焊縫2上的兩端的小段3、5可以近端交叉焊，即4-3、6-5交叉焊，也可以遠端交叉焊，即4-5、6-3交叉焊。根據(jù)上述四個原則，排列組合成了四種典型的焊接順序，順序1：先中間交叉焊后兩端近端交叉焊，即2-1-4-3-6-5；順序2：先兩端近端交叉焊后中間交叉焊，即6-5-4-3-2-1；順序3：先兩端遠端交叉焊后中間交叉焊，即：6-3-4-5-2-1；順序4：先中間交叉焊后兩端遠端交叉焊，即：2-1-6-3-4-5。

圖7 焊縫分段與編號

3.2 分段焊接結(jié)果分析

運用焊接模擬軟件SYSWELD，對上述四種焊接順序進行數(shù)值模擬，四種焊接順序的變形云圖如圖8～11所示。由圖8～圖9可見：兩端近端交叉焊最大變形在托架上路徑1上中間位置；由圖10～圖11可見：兩端遠端交叉焊的最大變形位置在圍板上的路徑2上的中間位置。為便于比較，將這四種順序焊接的最大變形值取出列于表2。

圖8 順序1變形云圖

圖9 順序2變形云圖

由表2可見：(1)不管先焊中間還是先焊兩端，順序3、4的兩端遠端交叉焊的最大變形小于順序1、2的兩端近端交叉焊，由此可知，兩端遠端交叉焊對兩端近端交叉焊要好；(2)對同樣的兩端近端交叉焊順序1和順序2進行比較，先兩端焊后中間焊的順序2的最大變形小于先中間后兩端的順序1的最大變形；對同樣的兩端遠端交叉焊順序3和順序4進行比較，先兩端焊后中間焊的順序3的最大變形小于先中間后兩端的順序4的最大變形，由此可知，在相同的兩端交叉焊的情況下，先兩端焊后中間焊要比先中間焊后兩端焊要好。

圖10 順序3變形云圖

圖11 順序4變形云圖

表3 各焊接順序下的最大變形量

根據(jù)這兩個結(jié)論，順序1由于既是兩端近端焊，又是先從

中間焊開始，兩個不好的因素它都占了，所以它的變形最大變形明顯大于其它三種焊接順序的焊接變形也就不難理解；同樣的道理，順序3既是兩端遠端交叉焊又是先兩端焊后中間焊，兩個最好的因素它都占了，所以的最大焊接變形最小所有其它的順序的焊接變形也不難理解。

不過將表2與表1進行對比可以發(fā)現(xiàn)，分段焊接尤其是先兩端遠端交叉焊后中間焊，對減小焊接變形有一些好處，但是與先焊焊縫1再焊焊縫2的整段焊接方案1減小得并不多。

4 結(jié)論

采用SYSWELD焊接模擬軟件，對壓濾機濾框的兩種橫截面結(jié)構(gòu)、濾框上兩條焊縫的兩種焊接順序以及四種分段焊接組合順序的焊接變形進行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論。

(1)托架梯形橫截面結(jié)構(gòu)的濾框長邊的焊接最大變形量明顯小于托架帶圓弧和減荷槽橫截面結(jié)構(gòu)的濾框長邊的焊接最大變形量，僅從焊接變形的角度來講，托架梯形橫截面結(jié)構(gòu)的濾框變形量反而小，因此沒有必要進行圓弧倒角和加工減荷槽。

(2)先焊焊縫1再焊焊縫2的焊接方案1明顯好于先焊焊縫2再焊焊縫1的焊接方案2。

(3)變形主要在垂直于圍板面向上方向。

(4)分段焊接時，兩端遠端交叉焊好于兩端近端交叉焊，先兩端焊后中間焊好于先中間焊后兩端焊，所以6-3-4-5-2-1是最好的焊接方案，但是與先焊焊縫1再焊焊縫2的整段焊接方案1相比焊接變形減小得并不多。