礦用中部槽焊接工藝數值模擬分析研究

0 引言

在焊接過程中，焊接溫度場受外界環境與自身的變化急劇變化，較大溫度梯度是導致焊件焊接變形和焊接殘余應力的根本原因。中部槽焊接過程中，溫度和應力變化無法預測與控制成為非線性存在，焊接溫度場和應力場的解析很難得到，數值模擬技術可為研究中部槽焊接溫度場和應力場提供幫助。鑄焊中部槽是由鑄造槽幫、中板及底板構成。中部槽焊接是兩種不同材質之間的焊接，中板和槽幫構成的異種多道焊接，其溫度場分析屬于高度非線性瞬態熱傳導問題。一些科研人員利用生死單元法模擬中部槽多層多道填充過程溫度場變化情況，將熱源加載至中部槽焊縫處，溫度迅速升高至2300℃，熱源經過后溫度迅速下降，焊接完成冷卻后，整體溫度過渡平穩，在冷卻時溫度場沿焊縫方向擴散梯度較小，擴散速度較快，而在垂直焊縫方向擴散梯度較大，擴散速度較小。通過試驗與數值模擬分析研究，中部槽焊接應力場主要分布在鑄造槽幫與中板焊接處，由于焊縫與中板連接一側的焊趾處的縱向殘余應力大于焊縫新材料區屈服應力，導致中部槽出現焊接裂紋，焊縫強度下降，影響焊接質量。最佳理想狀態為焊接處縱向殘余應力應由中間向兩端轉變，由拉應力轉化為壓應力，并在兩端處趨于零，焊縫坡口及其附近區域出現應力集中。

圖1 礦用中部槽三維圖

1 刮板輸送機中部槽焊接工藝研究

1.1 中部槽焊接變形規律及控制方法研究

在中部槽焊接時，各方面原因導致產生變形，通過焊接工藝優化減少焊接變形量，增強焊接過程穩定性。激光-MAG電弧復合熱源焊焊縫熔透性好，為最佳打底焊接工藝，焊縫成型良好，焊縫質量合格，熔深滿足條件，焊縫強度較高，焊接變形滿足工藝要求。

利用激光-MAG電弧復合焊的優勢及特點，對于控制焊接變形而言，可以避免使用加強筋固定、減小焊接間隙、避免分段退焊。取消預置變形量等工作所帶來的人工、能源、效率的消耗，降低對工裝夾具精度的要求，可以有效地提升生產效率，提升產品質量。

1.2 激光復合打底焊接與MAG打底焊接工藝對比研究

通過中部槽中板激光-MAG電弧復合打底焊與單MAG打底焊工藝試驗與生產產品焊接對比，激光-MAG電弧復合打底焊透情況明顯優于單MAG打底焊。單MAG打底焊接需要預留3mm間隙才能保證根部完全熔透，使用組裝胎固定后的工件變形情況明顯減小。

圖2 礦用中部槽結構示意圖

1.3 中部槽底板內焊縫焊接工藝研究

對內角焊縫船型焊接，為了提高效率采用雙槍在兩側同時焊接，其焊接方向均從兩端向里焊接，整條焊縫外觀一致美觀，比兩把焊槍一個從端頭向里焊，另一把從中間向端頭焊接，焊縫外觀好。

圖3 礦用中部槽焊接示意圖

1.4 中部槽高效焊接工藝試驗研究

①通過工藝試驗發現，焊接保護氣選用80%Ar+20%C0混合氣效果最好，焊接飛濺較小。焊縫成型美現。通過高速攝像系統發現，在200A-500A焊接電流可以達到穩定的射流過渡，而且電弧形態呈束狀電弧，在機械力和電磁收縮力的作用下電弧發生旋轉并攪拌熔池。當電流超過550A時，則發生旋轉射流過渡不利于焊縫成型。通過熔敷率計算，焊絲熔敷率接近80%，熔敷效果較好。

②通過與直徑1.2mm的實心焊絲進行表面堆焊對比，發現在相同的焊接參數下，纜式焊絲熔深深低于實心焊絲。在相同線能量的情況下，發現纜式焊絲焊縫區微觀組織與實心焊絲組織相同，晶粒尺寸小于實心焊絲。通過拉伸試驗發現纜式接頭強度優于母材。沖擊試驗和彎曲試驗數據優于實心焊絲。

③通過對接和角接焊縫成型對比，發現纜式焊絲在大電流時焊縫成型較好。熔敷金屬量更大，說明纜式焊絲對于提高焊接效率方面具有一定的優勢，對于填充焊接而言可以大幅度地提高焊接效率。

2 焊接工藝數值模擬分析

2.1 焊接接頭的熱彈性求解

在焊接過程中，焊接熔池與被焊工件之間均發生著劇烈的物理、化學反應，其間包括焊接熔池中的流體動力學和熱傳導過程、熱源與金屬間的相互作用、焊縫金屬凝固和焊接接頭的相變過程、焊接應力應變發展過程以及非均質焊接接頭的力學行為。每種現象相互關聯且又各自自成一體。

中部槽焊接工藝數值模擬分析研究內容則著重分析焊接結構的應力變形情況。因而，在進行數值仿真時，應該弱化處理甚至不處理那些對應力場或溫度場影響微弱的因素，本次研究僅考慮熔池內部液態金屬對流體傳熱對熔池形狀的影響結果，對液態金屬流動、表面張力梯度變化等問題不作細致分析研究。由于厚板三維模型網格劃分單元數量較為龐大，研究計算時間過長，計算量過大，對分析模型進行簡化處理，做如下的假設：

①工件的焊接初始溫度為25℃-30℃，焊接過程中不做預熱處理；忽略熔池液體之間的部分反應與對流等現象；

②母材一致，在高溫時仍做固態處理；

③焊接過程速度恒定，以恒速度焊接，服從高斯分布；

④不考慮工件與實驗臺熱的熱傳導與熱量損耗，假設工件僅存在外界熱輻，設定唯一的散熱系數。

電弧焊接過程中，不考慮體積力和表面力的影響，接頭熱應力產生的主要原因是由于焊接降溫過程中材料單元收縮量不同，屬于熱彈性或熱彈塑性問題。由于彈性和非被彈性材料的基本屬性，彈塑性材料進入塑性特征后材料的剛度在非彈性范圍內不再保持常數，當應力卸載后存在永久變形不可恢復，應力應變之間不存在唯一對應關系。利用彈性力學，根據研究問題的難易程度，建立唯一的彈性力學模型及理想線彈性模型。塑性力學問題，理論研究與實際存在困難。因而針對不同材料和應用領域，可簡化為不同的彈塑性模型。

材料的應力應變關系為：{dσ}=[D]{dε}-{C}dT

式中[D]為彈性或彈塑性矩陣；{C}為溫度有關的向量。

2.2 對接焊接接頭的溫度及應力場分析

2.2.1 溫度場分布及熱源模型校核

如圖4所示為20mm-20mm對接焊縫的網格模型，長1000mm，寬80mm，厚20mm，先按照橫截面焊縫形狀進行優化劃份網格，再沿模型長度方向分射網格，總網格數70000。

圖4 對接接頭橫截面網格劃分

焊接開始一定時間后會自然形成以熔池為中心的準穩態溫度場，取典型的20mm-20mm對接接頭中間某一時刻的溫度分布云圖，如圖5所示，后處理時將高于熔點溫度的區域設為紅色以便于觀察熔池形狀。圖5a和圖5b分別表示典型焊縫焊接過程中溫度場整體及焊縫橫截面溫度場分布特征。從圖中可以清晰看出焊接過程中熔池以及高溫區的空間三維形狀特征，焊縫溫度場呈現典型焊接溫度場分布特征，熔化區上寬下窄，符合高斯體熱源的熱流空間分布特征，且沿著焊接方向，熔池上部呈現拖尾現象，這是由焊接過程中熔池內部熔融金屬向后方流動引起的。

以實際焊縫橫截面形狀為準，調試熱源模型，最大程度上減小模擬結果與實際焊接結果的偏差，截面溫度場分布如圖5c所示，通過測量可知模擬結果中熔寬W1和熔深D1分別約為23.1mm和15.3mm，實際焊縫橫截面W2與D2約為22.9mm和14.9mm，與實際焊縫截面尺寸差值在0.5mm以內，誤差約為3.3%，由此可見所采用熱源模型精度較高，如表1所示。

表1 模擬焊縫與實際焊縫熔深、熔寬對比

圖5 典型接頭溫度場分布

2.2.2 等效應力分析

中部槽焊接工藝數值模擬分析研究采用Von Mises屈服準則，Mises等效應力遵循材料力學形狀改變比能第四強度理論。

其中a，a，a分別指第一、二、三主應力。在一定的變形條件下，當材料的單位體積形狀改變的彈性位能達到某一常數時，材料處于屈服狀態；即當單元體的形狀改變比能達到一定程度，材料開始屈服。

用主應力表示為式中σ為材料的屈服點；K為材料的剪切屈服強度。與等效應力比較可得

在一定的變形條件下，當受力物體內一點的等效應力達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態。

焊縫區焊材之間的等效殘余應力為拉應力，在焊縫區域部位焊后產生收縮變形，等效殘余應力最大值出現在焊縫邊界附近區域，焊根處最為明顯，最大等效應力值在230MPa-250MPa之間。

根據焊縫橫截面上下表面的應力分布，由于焊縫熔深熔度尺寸較大，可以看出表面的等效應力分布受焊縫應力集中區域的影響較大，基本趨勢為中部高兩側低，靠近焊縫邊緣處應力趨于穩定。

2.2.3 應變分布

在殘余應力作用下，焊縫及靠近焊縫的母材區發生相應沿焊縫位變分布的應變（縱向應變）和垂直于焊縫沿母材方向的應變（橫向應變），對接接頭的橫向應變和縱向應變如圖6所示。

圖6 橫向應變與縱向應變分布

由表2可知，對接焊縫的橫向應變及縱向應變分布與熱源形狀相似，其中焊縫中心縱向應變為正值，橫向應變為負值。說明焊接過程結束后，焊縫金屬在冷卻過程中由于冷縮使得焊縫變短，因此發生了橫向收縮和縱向收縮。

表2 對接焊縫截面應變分布

2.2.4 接頭變形

對接焊縫模型建立約束位置，取下表面靠近中部的三個原點，設定其沿X、Y、Z方向上的位移為零等，主要目的是為了盡量減少外部約束對焊縫固有應變值的影響，以獲得接近自由變形下的固有應變值。

20mm-20mm對接接頭中間截面橫向彎曲變形（厚度方向Z方向位移）。典型接頭發生撓曲變形，整體變形趨勢為以約束位置為最小變形，兩頭翹起，最大變形量為16.5mm。經過模擬結果的測量，在靠近約束位置直徑310mm的范圍內，變形量處于較低水平。變形情況符合焊接后的規律。

3 總結

通過數值模擬軟件對對接接頭的溫度場及熱源模型進行了校核，對等效應力進行了分析；完成應變分布與變形分布的模擬，取得了相應的結果，并根據實際情況進行了比對，模擬的結果比較準確，對將來的工作能夠起到重大的作用。