壓載水過濾器濾筒支座焊接順序優化分析

曲瑞波，郭雨菲，徐少可

中國船舶重工集團公司第七二五研究所 河南洛陽 471000

1 序言

國際海事組織（IMO）頒布的《國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》于2017年9月8日正式生效，2019年1月22日起在我國正式生效，壓載水處理系統作為海洋環保領域的重要設備已經得到了大批量安裝。自動反沖洗過濾器作為大多數壓載水處理系統前處理的關鍵設備，影響著壓載水處理系統性能正常發揮[1]。壓載水過濾器依據工作原理主要分為直接反沖洗式過濾器和吸吮掃描式反沖洗過濾器兩種，本文所述的自動反沖洗過濾器為吸吮掃描式自動反沖洗過濾器[2]。徐莉萍等[3]對船舶壓載水過濾器內部流場進行了數值模擬，研究結果表明，仿真技術可以為過濾器內部結構設計提供理論指導。王全柱等[4]對影響船舶壓載水過濾器運行時長的要素進行了分析研究，提出過濾器結構是制約過濾器壽命的關鍵因素，因此研究如何有效提高壓載水過濾器的生產制造效率也很重要。吸吮掃描式過濾器中濾筒支座結構一般是通過先焊接成形留出余量再進行機械加工，故對濾筒支座結構焊接順序和焊接變形進行研究，對于過濾器生產制造效率的提高是很有必要的。

基于有限元理論的仿真計算方法主要有兩種：一種是熱彈塑性法；另一種是基于固有應變的彈性有限元法，二者都能夠一定程度上計算預測構件的焊接變形[5-7]。梁偉等[8]研究了薄板的焊接結構變形，改進了固有變形法，計算結論和彈塑性法結論基本一致。MALIK等[9]研究了焊接順序的差異在焊接過程中是如何影響其結構變形的；LEE等[10]研究了焊接殘余應力隨殼體結構尺寸差異出現的變化，歸納出板材厚度對于薄壁殼體焊接殘余應力計算時產生的不同結果。WARMEFJORD等[11]通過試驗表明了零件定位偏差對焊后尺寸的改變，同時指出最后的裝配偏差與零件、夾具精準度及由焊接引起的變形有密切關系。RENZI等[12]分別用熱彈塑性有限元法和固有應變法研究了零件尺寸公差及在熱輸入存在波動的情況下鋁板的焊接角變形情況，并比較了兩種方法在計算精度和計算時間方面的優劣性。本文運用ANSYS軟件，利用熱彈塑性方法對過濾器濾筒支座的6種焊接順序進行了模擬分析，通過對比不同計算結果，分析得出濾筒支座的最優焊接順序，為壓載水過濾器生產制造提供有價值的理論依據。

2 濾筒支座物理模型的建立

2.1 有限元模型的建立

濾筒支座由3個零件組合焊接而成，焊縫形式為角焊縫。零件1為環形板，材質為Q355R鋼，尺寸為（φ888～φ677）mm×30mm。零件2為圓柱形，材質為S31603鋼，尺寸為（φ673～φ645）mm×60mm。零件3為環形板，材質為S31603鋼，尺寸為（φ643～φ570）mm×23mm。濾筒支座組焊件的三維結構如圖1所示。

圖1 濾筒支座組焊件

由于實體模型尺寸過大，有限元分析計算時網格太多，比較耗時，所以有限元模擬時采用1/4軸對稱模型進行計算，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 單元選擇和網格劃分

為保證焊接強度，設計零件焊接部位坡口形式為單邊V形。計算過程中材料假定為各向同性，焊接速度固定不變，不考慮焊縫熔池內部的化學反應及攪拌、對流。先選用熱單元Solid70和板單元Plane55進行濾筒支座焊接溫度場的計算，完畢后再選用單元Solid185進行結構場的分析模擬。仿真計算是通過有限元軟件ANSYS，基于焊接熱物理方程，采用熱-力間接耦合算法對焊接結構的變形進行研究。首先計算焊接過程中的溫度場分布，其次將焊接加熱和冷卻過程的溫度場讀入，作為熱載荷施加到模型上進行焊接結構的熱應力計算[13，14］。

綜合權衡計算量和計算結果的準確性，濾筒支座焊接結構有限元模型的網格尺寸選擇為5mm。對其結構進行分區劃分網格，最終總的節點個數為26574R，單元個數為21522R。濾筒支座模型網格劃分如圖3所示。

圖3 網格劃分

2.3 材料特性

材料的熱溫度和力學性能都是與材料溫度相關聯的函數，參數設定直接影響計算結果的準確性。焊接過程中溫度的突變會產生嚴重的材料非線性，ANSYS計算過程中材料物理參數的獲得方法是通過已有的幾個定溫度點的對應數值，由線性插值法計算得到[15]。模擬采用的材料有兩種，分別為Q355R鋼和S31603鋼，性能隨溫度的變化見表1和表2。

表1 Q345R鋼熱物理及力學性能

表2 S31603鋼熱物理及力學性能

2.4 焊接參數選取和熱源模型的選擇

濾筒支座焊接結構采用GTAW手工氬弧焊，焊絲材料為ER309LMo，φ3.2mm，焊接電流為180A，電弧電壓為20V，焊接速度為2mm/s，焊接熱效率為0.75，電弧有效加熱半徑為6mm，室溫設定為20℃。

焊接時，電弧熱源需要通過一定的作用面積才能夠把熱量傳遞給工件，這個作用區域也稱為加熱斑點。加熱斑點上熱量分布是不均勻的，中心熱量多而邊緣相對少。

熱源模型采用高斯模型。其中，電弧熱功率為

式中U——電弧電壓（V）；

I——焊接電流（A）；

k——焊接熱效率。

加熱斑點中心最大熱流密度為

式中r——加熱半徑（mm）。

3 不同焊接順序下變形模擬計算

3.1 濾筒支座焊接順序的確定

對濾筒支座結構件的4條焊縫進行編號，如圖4所示。依據焊接次序的不同能夠得到6種焊接方案，具體見表3。

圖4 焊縫編號

表3 6種方案的焊接順序

3.2 焊接結構溫度場

溫度場計算完畢后，為下一步預測焊接結構的殘余應力與變形打下基礎。熱源經過時，焊件溫度快速升高，直至最大值；熱源經過后，焊件溫度則迅速下降，并且溫度下降速度逐漸放緩，最終趨于環境溫度。濾筒支座組件焊接過程中的溫度場如圖5所示。

圖5 濾筒支座焊接結構溫度場

3.3 應力場分析

隨著濾筒支座組件焊接過程的不斷推進，能夠發現前一道焊縫的焊接殘余應力集中區域緩慢縮小，其應力峰值也緩慢降低，當焊接加工結束后焊接的焊縫周圍屬于應力峰值區域主要集聚區。焊接過程中熱量主要集中在焊縫區域，隨著焊條和母材的不斷熔化，焊接殘余應力主要由材料的膨脹造成。計算結論顯示，焊接順序對焊接應力的影響很小，6種焊接方案得到的應力分布近似相同，等效應力集中在焊縫區域，最高值為1040MPa，已經達到材料的屈服極限，如圖6所示。

圖6 支座焊接結構應力場

3.4 焊接變形分析

對濾筒支座進行焊接殘余應力模擬分析，發現得到的數據結果基本一致，不同的焊接方案都有明顯的焊接變形，但是各方案中焊接變形差異并不大。6種方案的焊接變形見表4，從表中可以發現，方案3中焊接順序的變形相對較小，綜合殘余應力可認為方案3中構件的焊接質量最好。據此計算數據，設定濾筒支座零件豎直方向上的機加工余量預留為3mm，在后續過濾器生產制造過程中，針對零件2和零件3的焊后加工都能順利完成，因此可認為有效驗證了模擬計算結果，對于過濾器濾筒支座的焊接和機加工具有指導意義，有助于提高過濾器生產效率和質量。

表4 不同方案的最大焊接變形量 （mm）

4 結束語

1）基于ANSYS采用間接法所進行的濾筒支座焊接結構過程模擬分析是有效的，計算結果表明，在熔合區焊接殘余應力達最大值，焊根處殘余應力較小；在熱影響區殘余應力變化較大。

2）計算結果表明，基于ANSYS進行的過濾器濾筒支座焊接結構模擬分析能夠為過濾器其他類似結構加工余量的預留提供理論數據支撐，有助于壓載水過濾器生產效率和產品質量的提升。