基于多焊縫結(jié)構(gòu)零件的焊接工藝與力學(xué)分析

孟祥瑞 韓偉

摘 要：在焊接完成的零件中，存在應(yīng)力腐蝕裂紋，對零件的影響很大，會(huì)導(dǎo)致一些部件不能使用。通過對零件結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)在焊接區(qū)域附近的應(yīng)力非常大，主要的原因是焊接過程中生熱，將零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致，最終形成殘余應(yīng)力，破壞焊接效果。因此，消除殘余應(yīng)力，保障焊接強(qiáng)度，是制定焊接工藝的前提。

關(guān)鍵詞：焊縫結(jié)構(gòu);焊接工藝;殘余應(yīng)力

1 結(jié)構(gòu)分析

在焊接零件生產(chǎn)中，壓力容器是典型零件，該種零件內(nèi)部需要有足夠的空間用于裝其他材料。同時(shí)還需要承受一定的壓力，保證材料不泄露。壓力容器本身由于存在曲面，因此通過機(jī)械加工不能實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體的壓力容器，需要將不同的曲面進(jìn)行焊接，最終得到一個(gè)完整的零件，舉例如圖1的壓力容器。

在對該零件進(jìn)行焊接加工時(shí)候，需要考慮移動(dòng)熱源、焊接順序、溫度變化。焊接時(shí)零件本體會(huì)隨著溫度的變化物理性能和機(jī)械性能發(fā)生改變。在對零件進(jìn)行交替焊接時(shí)，零件的軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力會(huì)隨中心角進(jìn)行變化，為了能夠很好的了解焊接殘余應(yīng)力，通過3D技術(shù)和有限元技術(shù)，對起焊區(qū)和終焊區(qū)進(jìn)行分析，得到殘余應(yīng)力的變化情況。

圖2為焊接過程中典型對接焊法。

焊接之前需要利用有限元計(jì)算焊接變形和應(yīng)力分布，在分析焊接力學(xué)，最終才能進(jìn)行焊接。而對于這種壓力容器，本身要求高，同時(shí)零件厚度大，在焊接時(shí)候，很容易出現(xiàn)焊接不到位，外部已經(jīng)焊接上，內(nèi)部沒有形成焊接。因此采用坡口的處理方式，J型坡口在壓力容器焊接過程中廣泛使用，J型焊口在底部呈曲面，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)，焊接之后會(huì)很好的將兩個(gè)零件連接在一起，在采用多個(gè)焊道合并形成一個(gè)焊道的方式，最終將零件焊接在一起。

2 殘余應(yīng)力

參與應(yīng)力的產(chǎn)生與焊接過程中的熱量是分不開的，焊接時(shí)候由于電弧與材料之間的反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，通過熱量將焊接本體與填充材料融合到一起，材料、溫度、應(yīng)力之間的關(guān)系如圖3。

利用有限元技術(shù)對焊接殘余應(yīng)力分析，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

（1）通過將溫度場合應(yīng)力場作為模擬的基礎(chǔ)，建立焊接的結(jié)構(gòu)模型，將熱源作為變量，形成一個(gè)計(jì)算方法，分析增加坡口角度和焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響;

（2）分析材料結(jié)構(gòu)和材料性能是都存在影響，焊接中焊縫相交處堆焊是否對焊接應(yīng)力的影響，排除外界因素的影響;

（3）計(jì)算數(shù)據(jù)得出結(jié)果，結(jié)合焊接過程中實(shí)際的形式，對不同材料和結(jié)構(gòu)采用不同的焊接方式，最終計(jì)算出殘余應(yīng)力的大小;

（4）模擬和應(yīng)用，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行3D焊接，焊接過程通過軟件進(jìn)行事先模擬，無問題后進(jìn)行實(shí)際焊接。焊接過程中收集焊接數(shù)據(jù)，與模擬焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以便經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

3 結(jié)論

本文通過對焊接零件結(jié)構(gòu)和焊接工藝的分析，可以確保焊接過程中焊接點(diǎn)焊接飽滿，采用對焊接端處理的方式可以減少參與應(yīng)力，分析金屬零件和制造過程最有效的軟件ANSYS。通過有限元對焊接過程中熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性，建立焊接溫度、殘余應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)焊接過程中零件結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的變化跟蹤，找出最優(yōu)的焊接工藝和降低殘余應(yīng)力的措施，保證零件的強(qiáng)度和加工要求。

參考文獻(xiàn)

[1]佘昌蓮.焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力研究[D].武漢理工大學(xué)碩士論文，2004：12-31.