離心壓縮機風筒法蘭焊接坡口優化的數值模擬研究

馮魁　郝建國　翁吉銘　張江楠　張思宇

摘要：本項目基于MSC.Marc軟件，針對離心壓縮機風筒法蘭焊接變形問題開展數值模擬研究，根據工件制造實際，建立了可靠的有限元模型建立方法和焊接過程數值模擬方法，并利用經過驗證的方法，計算得到對稱坡口對焊接變形的改善效果。

關鍵詞：離心壓縮機;焊接風筒;數值模擬;焊接坡口;焊接變形

0 ?引言

離心壓縮機風筒多為焊接結構，即風筒彎板與法蘭采用焊接方式連接在一起形成風筒。該環形焊縫為單邊V型坡口，風筒彎板厚度多在16mm以上，且法蘭直徑較大，常需要采用多層多道焊焊接，焊接量大，由于焊接熱輸入的影響，最終導致風筒彎板與法蘭焊接后，法蘭平面存在四周向上翹起的碟型變形。

上述焊接變形將直接影響壓縮機機殼加工精度，主要表現為機殼采用龍門銑床等設備進行精加工后，風筒法蘭環向厚度存在一定程度的不均勻性。此前對該類焊接變形問題進行工藝改進多采用試驗件方式進行，但試驗件存在工程量大、成本高、耗時長等實際問題。

筆者基于焊接過程數值模擬分析技術，利用MSC.Marc軟件，將有限元模擬技術應用到壓縮機焊接工藝改進領域中，采用數值分析結合試驗驗證的方式，不斷優化模擬方法，持續提升壓縮機風筒法蘭的焊接模擬精度。

1 ?焊接過程數值模擬技術概述

焊接具有局部高溫加熱、短時保溫、快速冷卻等不平衡特點。在壓縮機制造業中的焊接多采用氣體保護焊、焊條電弧焊等方法進行多層多道焊接。由于焊接填充量較大，多層多道焊接過程結束后往往都會產生包括縱向收縮、橫向收縮等較大的焊接殘余變形。這不僅改變了結構件的原本形狀，還有可能產生降低結構疲勞強度和服役時間的應力集中和附加彎矩。

傳統焊接問題的研究工作依賴于在統計和試驗基礎上得到的經驗公式或經驗曲線，然而僅從實驗方面研究此類問題難度很大，且無前瞻性，不能全面預測和分析焊接過程、客觀評價焊接質量。隨著計算機水平的高速發展和有限元理論的不斷提升，為焊接過程的有限元模擬研究提供了非常有效的理論和工具，通過仿真可以將研究模式轉變為“理論-模擬-生產”，進而有效提高焊接以及材料加工領域的科研能力，同時節約研究的成本和人力。

2 ?離心壓縮機風筒法蘭焊接過程數值模擬過程與結果分析

模擬過程包括幾何模型的建立、網格劃分、材料參數、初始條件、邊界條件、工況的確定等，需要通過不斷調整焊接模型，比對實際焊接變形量，驗證模擬計算方法的合理性。

2.1 有限元模型的建立

利用SolidWorks軟件將某型號離心壓縮機焊接風筒二維圖紙轉化為三維模型，風筒彎板組件與法蘭件之間坡口形式采用與實際相符的雙邊30°對接坡口。考慮到該風筒的對稱結構，為便于后續網格劃分，建模采用了1/4鏡像方式對三維模型進行網格劃分，將焊縫分為四層四道焊，各道網格均選用六面體網格。焊縫區域因為熱輸入大，溫度、應力變化梯度大，對模擬結果影響較大，采用小網格劃分;由于風筒彎板上段區域距離焊縫較遠，網格尺度對模擬結果影響較小，采用大網格劃分。而包括焊接熱影響區的下段彎板和法蘭區域，則在網格劃分過程中，利用偏置間隔單元，實現網格由密向疏的過渡（見圖1），防止畸變的產生。實踐證明，該方法在保證模擬準確的條件下，有效的減少了單元數量，提高了計算效率。

將劃分好網格的1/4模型導入到Marc軟件中，進行鏡像補全，得到風筒法蘭的整體網格模型。

2.2 材料參數的選取

對于本研究中的Q345R鋼，在模擬中涉及到的物理參數包括比熱容、熱膨脹系數、屈服強度、楊氏模量、導熱系數等參量。本項目選用MSC公司提供的S355材料相關性能參數進行焊接模擬，由于實際焊接過程選用的H02Mn2SiA焊絲與母材性能相近，故數值模擬過程中的母材與焊材均采用S355材料替代。

2.3 熱源模型的設置

焊接熱源與實際熱源的相似程度直接關系著焊接應力場、焊接變形模擬的準確性。由于雙橢球熱源是目前公認最接近實際厚板多層多道焊接的熱源模型，本項目采用雙橢球熱源模型仿真實際焊接過程的MAG焊熱源。

綜合考慮模擬計算效率和實際焊接過程，本項目將風筒彎板與法蘭之間焊縫分為4層，根據每層實際尺寸、焊接模擬過程中溫度分布及熔池尺寸設定雙橢球熱源參數。

2.4 邊界條件的確定

焊接過程中焊接材料與外界有強烈的熱交換，因此在焊接過程數值仿真中要設定合理的溫度邊界條件。本項目設置周邊環境初始溫度20℃，對流系數0.02，單層焊接完成后，冷卻30分鐘。

模型建立過程中對工件的固定和焊接速度的實際擬合程度將直接影響焊接結果。考慮到實際工件焊接過程中，法蘭與彎板之間圓周連接，故在模型中對焊縫尖點選取四點進行剛性固定，控制其Z向位移。焊接速度設置為5mm/s，焊接順序為有內至外，單圈連續焊接。

2.5 焊縫填充過程“生死單元”技術的應用

本文利用Marc軟件的生死單元技術擬合風筒法蘭多層多道焊實際材料填充過程，提高模擬計算精度。生死單元技術是在仿真中考慮材料添加方法的關鍵技術。生死單元技術是指在焊接前將焊縫單元“殺死”，然后隨著熱源的移動再將單元逐步“激活”。在Marc中將單元殺死并非真正的刪除這部分單元，而是為它們的熱傳導系數賦予一個很小的值，在保證剛度矩陣穩定的前提下，將這部分單元的作用降到最小，這樣在熱源未移動到的位置，這些單元就相當于不存在。然后焊接過程中隨著熱源的移動逐步將這部分單元激活，即將它們的熱傳導系數恢復原值，相當于模擬焊接過程中的材料添加過程。

2.6 風筒法蘭外圓焊接變形計算結果與分析

按照前期選定的計算模型，應用邊界條件和材料參數，開展計算，得到各位置焊接變形計算結果。法蘭外圓變形云圖如圖2所示，風筒Z向變形最大值為4.06mm，出現在法蘭外圓，從變形云圖中可以看出，風筒法蘭外圓各點出現翹起變形，變形趨勢與生產寫實過程實測值一致。

各測量點最終變形量記錄于表1，計算結果表明，各測量點變形量3-4mm左右，最大值4.03mm，最小值2.60mm，圓周方向變形較為均勻，與實測結果基本吻合。

3 ?工藝優化措施的焊接過程數值模擬結果與分析

對于多層多道焊接，坡口形式直接影響焊接變形量，對稱的熱輸入可能一定程度上減小焊接變形。本節將原有設計圖紙中60°V型坡口，改變為60°X型坡口，采用焊接數值模擬方法，研究坡口形式對零件焊接變形的影響。改進前后坡口形式對比如圖3所示。

按照前期經過驗證的計算模型，僅改變焊接坡口形式，其余與原有計算一致，單層四道焊縫焊完之后，同樣增加冷卻30min工況，開展計算，得到各位置焊接變形計算結果。

法蘭外圓變形云圖如圖4所示，風筒Z向變形最大值為1.33mm，出現在法蘭外圓，從變形云圖中可以看出，風筒法蘭外圓各點出現翹起變形，變形量比較均勻。

各測量點最終變形量記錄于表2，計算結果表明，各測量點變形量1.2mm左右，最大值1.32mm，最小值1.23mm，圓周方向變形較為均勻，相比較單側坡口焊接模擬和實測值，變形量大幅度降低。

由于兩側收縮量均勻分布，變形量得到一定減小，由此表明，相比較原有V型坡口，X型坡口對于風筒法蘭焊接變形的減小具有明顯定效果。

4 ?結論

①通過建立合適的有限元模型，選用合理的邊界條件，采用可靠的數值模擬方法，可以實現離心壓縮機風筒焊接過程變形的精準預測。

②對于大壁厚焊接風筒，焊接過程中采用對稱坡口焊接，即將V型坡口改進為X型坡口，可大幅降低焊接導致的法蘭外圓的翹起變形。

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