焊接殘余應(yīng)力引起銑削加工變形的研究

朱偉軍，盧文壯，劉楊，董平和，楊波，左敦穩(wěn)

（1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016;2.75160部隊(duì)，廣西 桂林 541005）

0 引言

工件在焊接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在機(jī)械加工過(guò)程中會(huì)釋放和重新分布，這對(duì)車(chē)架的變形產(chǎn)生直接影響。由于殘余應(yīng)力的復(fù)雜性，以及對(duì)其預(yù)測(cè)和消除技術(shù)的可控性難以把握，所以一直以來(lái)沒(méi)有受到更多的關(guān)注和研究。綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料可以看出，影響銑削加工變形的主要因素有三種:工件初始?xì)堄鄳?yīng)力的存在，銑削力和銑削熱載荷的影響以及加工過(guò)程中裝夾力的作用［1-2］。銑削加工變形方面雖已有了初步的成果，但是由于工件焊接結(jié)束之后殘余應(yīng)力的重新分布規(guī)律難以把握，所以工件焊接殘余應(yīng)力對(duì)銑削加工的影響有待進(jìn)一步研究之中［3］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以重型運(yùn)輸車(chē)車(chē)架試驗(yàn)件為研究對(duì)象，采用單因素研究方法，僅僅考慮焊接殘余應(yīng)力對(duì)銑削加工的影響，應(yīng)用ANSYS有限元分析方法初步嘗試研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)銑削加工殘余應(yīng)力重新分布和變形規(guī)律，有利于對(duì)銑削加工變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和相應(yīng)的控制，為實(shí)際工程應(yīng)用提供有效的理論指導(dǎo)作用。

1 銑削加工有限元分析

1.1 有限元模型的分析

在對(duì)試驗(yàn)件銑削加工變形的有限元分析過(guò)程中，需建立正確有效的有限元模型，建立模型的原則應(yīng)能反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、邊界條件和加載方式［4-5］。試驗(yàn)件由三塊厚度為6 mm的鋼板搭接焊成，研究中焊接試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)和材料參考重型運(yùn)輸車(chē)車(chē)架來(lái)選擇，如圖1（a），（b），（c）所示，焊接試驗(yàn)件材料和板厚與重型運(yùn)輸車(chē)車(chē)架一致，焊接長(zhǎng)度為400 mm。依據(jù)以上原則，在ANSYS中建立的有限元模型如圖1（d）所示，從中可以看出，中間體的劃分部分為銑削框槽，焊道編號(hào)為1、2、3、4。

圖1 試驗(yàn)件示意圖及有限元模型

1.2 焊接殘余應(yīng)力的獲取與施加

焊接殘余應(yīng)力的影響因素很多，本文主要考慮了焊接功率、焊接速度和焊接順序三個(gè)不同的因素，并且取不同水平進(jìn)行焊接模擬，其中焊接功率P取4 kW，4.5 kW，焊接速度v選擇28 cm/min，32 cm/min，焊接順序分別選取1 －2 －3－4、2－3－1－4、3－4－1－2，通過(guò)多因素組合的方式進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，獲得焊接殘余應(yīng)力分布均勻且最小的一組作為初始?xì)堄鄳?yīng)力施加到銑削加工有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2和圖3分別顯示了在不同焊接順序和不同工藝參數(shù)下的焊接殘余應(yīng)力分布曲線(xiàn)，比較圖2（a）各圖可以看出，在焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min的工藝參數(shù)下，焊接順序?yàn)?－3－1－4時(shí)所獲得的焊接殘余應(yīng)力最小，最大值為175 MPa左右;比較圖2（b）各條分布曲線(xiàn)可以看出，在焊接功率為4.5 kW，焊接速度為32 cm/min的工藝參數(shù)下，焊接順序?yàn)?－3－1－4時(shí)焊接殘余應(yīng)力值最小，其最大值為200 MPa左右;由此可知，在焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min，焊接順序?yàn)?－3－1－4的條件下焊接可得到較小的焊接殘余應(yīng)力。比較圖3（a）中各條殘余應(yīng)力曲線(xiàn)可以看出，在焊接速度為28 cm/min，焊接順序?yàn)?－3－1－4，焊接功率為4.5 kW時(shí)可獲得的焊接殘余應(yīng)力最大值大約為260 MPa，遠(yuǎn)大于焊接功率為4 kW時(shí)焊接殘余應(yīng)力;比較圖3（b）中各條殘余應(yīng)力曲線(xiàn)可知，焊接速度為32 cm/min，焊接順序?yàn)?－3－1－4，焊接功率為4.5 kW時(shí)的焊接殘余應(yīng)力較小，最大值為240 MPa左右;比較圖3（a）和（b）可得，選擇焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min，焊接順序?yàn)?－3－1－4的條件下焊接獲得的焊接殘余應(yīng)力值最小，與圖2總結(jié)的結(jié)果具有一致性，且在該焊接殘余應(yīng)力下產(chǎn)生的焊接變形較小。因此，在研究焊接殘余應(yīng)力引起銑削加工變形時(shí)，將焊接功率為4 kW，焊接速度為28 cm/min，焊接順序?yàn)?－3－1－4的條件下產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力作用到銑削加工模型進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。

圖3 焊接順序?yàn)?－3－1－4下的殘余應(yīng)力

2 結(jié)果分析

2.1 焊接殘余應(yīng)力釋放和重新分布

本文取上翼板距離焊縫邊緣10 mm平行于焊縫方向（A－B路徑），上翼板垂直于焊縫方向距離銑削框槽左側(cè)10 mm（C－D路徑）的幾條路徑對(duì)該車(chē)架試驗(yàn)件的縱向和橫向殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。

從圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）中可以看出，在銑削加工的過(guò)程中平行于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)拉應(yīng)力，并且兩端的拉應(yīng)力值較小中間較大。如果沒(méi)有對(duì)車(chē)架進(jìn)行銑削加工而僅僅研究焊接殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，縱向殘余應(yīng)力在中間位置應(yīng)呈現(xiàn)出很大的殘余拉應(yīng)力，且由于焊接熱源在中間位置基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以該處的殘余應(yīng)力應(yīng)是平滑的過(guò)渡。但是在銑削框槽附近拉應(yīng)力表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，主要原因可能是在銑削的過(guò)程中產(chǎn)生了一定壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力對(duì)稱(chēng)釋放造成的。橫向殘余應(yīng)力在兩端處呈現(xiàn)出一定的壓應(yīng)力，這是焊接熱源作用的結(jié)果，銑削加工對(duì)其基本沒(méi)有影響，中間位置處表現(xiàn)出較小的拉應(yīng)力，且在框槽的左側(cè)橫向殘余應(yīng)力有增大的趨勢(shì)，右側(cè)則呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，可見(jiàn)銑削加工對(duì)橫向殘余應(yīng)力的影響變的相對(duì)復(fù)雜，這主要是因?yàn)樵阢娤骷庸み^(guò)程中焊接殘余應(yīng)力的釋放和重新分布的規(guī)律不確定性造成的。銑削加工后縱向和橫向殘余應(yīng)力雖都有減小，但是縱向殘余應(yīng)力仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向殘余應(yīng)力。

圖6 180×120銑削框槽殘余應(yīng)力曲線(xiàn)

從圖4（b）、圖5（b）和圖6（b）中可以得知，垂直于焊縫方向上縱向和橫向殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，都是迅速減小然后再緩慢變化的過(guò)程。縱向殘余應(yīng)力在起始端表現(xiàn)出很大的殘余拉應(yīng)力值，迅速減小后呈現(xiàn)出很小的穩(wěn)定的殘余拉應(yīng)力，而橫向殘余拉應(yīng)力值則較小，且逐漸過(guò)渡到殘余壓應(yīng)力。還可以看出縱向殘余應(yīng)力明顯大于橫向殘余應(yīng)力，這主要原因是焊接熱源的移動(dòng)對(duì)縱向殘余應(yīng)力的影響較大，銑削加工雖然使殘余應(yīng)力釋放和重新分布，但對(duì)縱向和橫向殘余應(yīng)力都有所改變，因此銑削加工后的變化趨勢(shì)與焊接殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本相似，但是拉應(yīng)力值明顯減小，壓應(yīng)力值有所增大。從圖4～圖6中還可以看出，隨著銑削框槽尺寸的增大，平行于焊縫方向的縱向殘余拉應(yīng)力值逐漸減小，橫向殘余拉應(yīng)力值也逐漸減小，但是壓應(yīng)力值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì);垂直于焊縫方向的縱向殘余拉應(yīng)力值逐漸減小，而殘余壓應(yīng)力值逐漸增大，橫向殘余拉應(yīng)力逐漸增大，殘余壓應(yīng)力先增加后減小。由此可見(jiàn)，焊接重型運(yùn)輸車(chē)車(chē)架試驗(yàn)件銑削加工后殘余應(yīng)力的規(guī)律是非常復(fù)雜的，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的增大減小的過(guò)程。

2.2 焊接殘余應(yīng)力引起銑削變形

圖7，圖8是焊接重型運(yùn)輸車(chē)車(chē)架試驗(yàn)件不同尺寸銑削框槽變形云圖。從圖中可以看出，焊接殘余應(yīng)力的釋放和重新分布導(dǎo)致x向和y向的變形量均呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，且y方向的變形量比較大，x向變形量相對(duì)較小。而銑削加工對(duì)x方向變形影響較大，對(duì)于x方向，變形量在焊接區(qū)域全為負(fù)值，框槽附近區(qū)域負(fù)值表現(xiàn)的更加明顯，其他區(qū)域過(guò)渡為正值，體現(xiàn)為兩端翹起，中間內(nèi)凹。隨著銑削框槽尺寸的增加，x向變形量最大值逐漸減小，并且銑削框槽附近以及焊接區(qū)域的變形量也逐漸減小。

圖8 銑削框槽y方向變形

對(duì)于y方向的變形量，上翼板整個(gè)出現(xiàn)正值，但是比較小，呈現(xiàn)出上拱的現(xiàn)象，而下翼板的變形量呈現(xiàn)負(fù)值，表現(xiàn)為向下拱的現(xiàn)象，由于距離銑削框槽較遠(yuǎn)而影響較小，變形的結(jié)果主要是焊接殘余應(yīng)力分布不均勻?qū)е碌?且隨著銑削框槽尺寸的增大，上拱的變形量逐漸減小，下拱的變形量逐漸增大，這主要是由于殘余應(yīng)力的分布不均勻造成變形量分布的復(fù)雜性。

圖9是不同尺寸銑削加工x向（厚度方向）的變形模擬曲線(xiàn)圖，在模擬過(guò)程中取上翼板距離焊縫邊緣5 mm（路徑A－B）和下翼板距離焊縫邊緣5 mm（路徑C－D）且間隔為20 mm的各個(gè)節(jié)點(diǎn)作為模擬點(diǎn)，研究銑削加工后x向的變形規(guī)律。

圖9 不同銑削框槽加工變形模擬曲線(xiàn)

從圖9中可以看出，銑削變形呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，兩端變形量為正值，中間變形量為負(fù)值，即表現(xiàn)為兩端翹起中間內(nèi)凹的現(xiàn)象。隨著銑削框槽尺寸的增大，兩端的變形量的正值有所減小，中間銑削框槽附近變形量的值也逐漸減小;還可以看出，后焊接區(qū)域變形量大于起始焊接區(qū)域，上翼板變形量大于下翼板變形量，與前面變形云圖分析基本相同，變形量變化規(guī)律與應(yīng)力變化規(guī)律相吻合。可能原因是焊接殘余應(yīng)力在銑削加工過(guò)程中釋放和重新分布隨著銑削框槽尺寸的增大而表現(xiàn)出規(guī)律的變化趨勢(shì)，最終導(dǎo)致變形量逐漸減小。

3 小結(jié)

1）建立了焊接試驗(yàn)件銑削加工的有限元模型，模擬了不同焊接工藝參數(shù)下的焊接殘余應(yīng)力分布情況，獲得了最小焊接殘余應(yīng)力，提取該最小焊接殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力施加到模型中，進(jìn)行銑削加工數(shù)值模擬。

2）運(yùn)用ANSYS模擬了銑削加工殘余應(yīng)力重新分布的變化規(guī)律。結(jié)果表明:銑削加工后的車(chē)架兩端縱向和橫向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，而焊縫區(qū)域則表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力;隨著銑削框槽尺寸的增加，縱向殘余應(yīng)力變化幅度很大，橫向殘余應(yīng)力變化小，縱向殘余拉應(yīng)力降低，殘余壓應(yīng)力升高，橫向殘余拉應(yīng)力升高，殘余壓應(yīng)力降低。可見(jiàn)，銑削加工對(duì)縱向殘余應(yīng)力影響較大，對(duì)橫向殘余應(yīng)力影響較小。

3）運(yùn)用ANSYS模擬了殘余應(yīng)力的變化引起焊接試驗(yàn)件變形規(guī)律。結(jié)果表明:銑削加工后整個(gè)車(chē)架在x方向呈現(xiàn)兩端翹起，中間內(nèi)凹的現(xiàn)象;隨著銑削框槽尺寸的增加，x方向上變形量的最大值逐漸減小，并且框槽附近變形量亦減小。y方向呈現(xiàn)出上翼板上拱，下翼板下拱的現(xiàn)象，且隨著銑削框槽尺寸的增大，上拱量減小，下拱量增大。

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