基于ABAQUS的缸筒環焊縫焊接工藝優化研究

張衛星　徐桂娟

【摘 要】焊接是缸筒加工的最重要工序之一。采用PRO/E建立了三維的缸筒連接裝配圖并導入有限元軟件ABAQUS中，采用溫度—位移耦合計算方式，單元類型選用C3D8T單元，通過固定熱源方式施加熱力載荷。通過焊接優化工藝的對比分析可知，優化后的焊接工藝可在殘余應力基本不變的情況下將最大變形量降低40%以上。

【關鍵詞】缸筒；有限元；環焊縫；工藝優化

【Abstract】Welding is one of the most important processes in cylinder barrel processing.Using PRO/E to establish the three-dimensional cylinder connection assembly，and export into the finite element software ABAQUS.During the coupled temperature displacement calculation，C3D8T unit type is selected and the thermal load is applied by fixed source method.Through the comparative analysis of the welding optimization process，it can be known that the optimized welding process can reduce the maximum deformation by more than 40% while the condition that the residual stress is basically unchanged.

【Key words】Cylinder barrel；FEA；Girth weld；Process optimization

0 引言

焊接工藝是當今制造業不可或缺的加工方式之一，其通過局部加熱、加壓等方法將不同的金屬零件進行拼接或結合[1]。對于缸筒零件，受焊接高溫的影響，接頭將不可避免地產生焊接熱應力和熱疲勞。焊接的作用可使分離的金屬原子結合，使其形成牢固的接頭，而且焊縫接頭的強度要優于母材。但是由于缸筒零件對于焊后的尺寸精度要求較高，需要嚴格控制母材受到的熱影響，減小形變量和殘余應力，可有效地避免焊接缺陷，比如變形過大、接頭失效甚至焊縫缺陷等問題[2]。為此，本文基于ABAQUS對優化前后的焊接工藝進行對于分析，驗證工藝的合理性。

1 焊縫熱應力產生的原理

在進行缸筒焊接時，焊池內的溫度非常高，達到熔融狀態，而焊件母材的溫度較低，不同溫度下的金屬具有不同的膨脹值，導致焊接后出現不同位置的內應力和變形。焊縫會導致焊件的局部變形比較明顯，為了避免對精度要求較高的部位造成不良影響，需要進行合理的工藝設計。根據焊后特性可知，若焊件屬于低碳鋼，則焊后的塑性變形比較明顯；若焊件屬于高碳鋼，則焊后出現裂紋的幾率較大。焊接之后，接頭內部存下較大的熱應力，大大降低了焊縫的強度，因此，需要根據實際要求進行熱處理操作。支柱缸筒在焊接時，焊池內部溫度超過1500℃，溫升的位置出現熱膨脹，并向低溫位置擴散，整個過程伴隨著時間變化。

缸筒焊縫存在熱應力，但是滿足內部的平衡力系關系，即整體的內力與內力矩的矢量和為零。當缸筒受溫度影響發生變形時，高溫位置出現壓縮應力，低溫位置出現拉伸應力，而且焊件在焊接過程中的約束程度越大，應力峰值越高[3]。熱應力必然會導致熱疲勞，特別是在溫度交變條件下的焊接過程中，嚴重時將產生熱裂紋。熱裂紋是焊接研究領域中的難點之一，其主要發生在焊縫的熱影響區，也是力學特性最差的部分。熱裂紋一般沿表面垂直受熱方向擴展，特殊情況下向表面內縱深方向延伸。為了降低熱裂紋的發生率，在缸筒焊接時需要進行焊前熱處理與焊后熱處理。文中所分析的缸筒材質為30CrMoSi，在焊接過程中出現的屈服流動與高溫蠕變在一定程度上可降低內應力與變形，并且焊后的剛度、靜載能力、結構脆性、結構疲勞強度等相對良好[4]，因此，重點需要解決的問題為構件精度以及尺寸穩定性等問題。

2 焊縫熱應力分析

2.1 焊接工藝

本文所分析外缸筒的連接結構示意如圖1所示，圖中可以看出：傳統的連接結構為外筒和鋼箍對接，外筒的端部通過內軸肩完成定位，然后通過過盈配合熱裝后焊接成一體，環焊縫位置為鋼箍的端部；優化后的結構將外筒的軸向尺寸增大，與鋼箍的端部平齊，通過兩道環焊縫完成加工工藝。通過基于ABAQUS的有限元分析，驗證優化結構的殘余熱應力和塑性變形特性。

2.2 模型前處理

在三維軟件PRO/E中，根據實際尺寸建立外缸筒連接部件，其中，為了降低有限元模型的計算量，將外缸筒連接處的倒角等對分析結果影響小的結構省略，最終得出三維裝配模型，將模型保存為Parasolid格式，導入ABAQUUS中。

在ABAQUS中，首先需要設置被焊件的材料屬性，為了得出更加準確的計算值，充分考慮材料參數與溫度之間的關系，根據30CrMoSi的物理特性賦予元件材料屬性。在網格劃分方面，單元類型選用了具有溫度—位移耦合特性的C3D8T單元，該單元為八節點六面體單元，能夠實現三向線性位移和溫度的求解。為了劃分質量更高的網格，提升運算精度，將元件在軸肩位置進行分區，并采用六面體掃略形式完成網格劃分。為了重點研究缸筒處的熱應力狀態，文中采用固定熱源的加熱方式來模擬焊縫的能量輸入。在載荷輸入中，定義幅值曲線，即在0～100s內持續輸入熱量（初始環境溫度為20℃），該過程中有生熱、熱傳導、熱輻射和熱對流現象，在100～180s內停止能量輸入，僅保持熱傳導和熱對流作用。

3 結果分析

3.1 位移場分析

為了對比分析結構優化前后的效果，將模型的分析步、接觸屬性、網格劃分以及載荷條件等前處理保持一致，對優化后的模型進行有限元分析，得出最終狀態（180s時刻）下的位移場云圖如圖2所示。從圖2可以看出，優化后的最大變形量為0.733mm，相比優化前的最大變形量1.25mm，降低了41.3%。變形區域較為均勻，沒有明顯的膨脹變形問題，這對于提升缸筒的尺寸穩定性有非常好的效果。

應力場云圖如圖3所示，可以看出，優化后的最大應力值為439MPa，相比優化前的最大應力值435MPa，僅僅提升了0.9%，幾乎保持不變，而且應力集中問題明顯改善，可明顯改善焊縫接頭的強度。

4 熱應力消除方案

熱應力在焊縫中有著諸多不良影響，因此，需要通過一定的方法和手段將其降低或者消除。當焊接完成后，可采用小錘敲擊的方式釋放焊縫的內應力，其中，當焊修缸筒溫度處于800℃左右時效果最好，當溫度較低時，要求擊打力降低，當溫度低于300℃，不建議進行錘擊操作，否則容易造成機械裂紋。除了錘擊法以外，熱處理方法也是消除熱應力的最常見方法之一[5]。將焊接后的缸筒放置與加熱爐內，將溫度調節至500～600℃，保溫一段時間，將其在空氣中或者爐內緩慢冷卻。通過熱處理方法，可明顯地降低接頭內部應力峰值，并提升接頭的拉伸強度。

由于缸筒焊縫的焊接面較小，為了降低焊接熱應力，可降低焊接電流，并采用保護氣體焊接方法，獲得質量較高的焊縫。在焊接之前，可以根據要求進行焊接預熱，降低溫差效應[6]，同時，可采用機械固定的方式降低熱變形。文中總結消除熱應力或熱變形方法主要有：

1）預熱法。通過預熱不僅可以降低熱應力，同時可以減少熱裂紋的發生率。

2）反變形法。根據焊件變形的方向與大小預先將缸筒加工成非標準尺寸的零件，以便適應變形后的尺寸，但是存在一定的不確定性。

3）水冷法。在焊接過程中，采用噴水冷卻或者浸水冷卻的方式降低熱影響區的溫度，將補焊位置留出，不僅可以降低熱變形量，同時可以提升接頭強度。

4）固定法。在進行缸筒焊接時，可設計特定的剛度較大的工裝，從而可以防止受溫度影響產生的熱變形，在壁厚較薄的焊接工藝中應用較多。

5）工序調整。合理的焊接工序同樣可以降低熱應力與熱變形，比如在焊接過程中采用分段焊接的方式，將每段的焊縫采用相反的方向施焊，也就是逆向焊接。

5 結語

缸筒作為典型環焊縫焊接件，對于焊后的尺寸和殘余應力有著較為嚴格的要求。通過基于有限元的熱力學分析，充分考慮熱傳導、熱輻射、熱對流、熱變形、蠕變等因素的作用，能夠有效的驗證焊接工藝方案的可行性，不但能夠有效的降低生產成本，而且能夠保證產品的質量及可靠性。

【參考文獻】

[1]陳家權，肖順湖，楊新彥，等.焊接過程數值模擬熱源模型的研究進展[J].裝備制造技術，2005，3：10-14.

[2]陳家權，肖順湖，吳剛，等.焊接過程數值模擬熱源模式的比較[J].焊接技術，2006，35（1）：9-11.

[3]蔡志鵬，趙海燕，等.焊接數值模擬中分段移動熱源模型的建立及應用[J].中國機械工程，2002，13（3）：208-210.

[4]蔡志鵬，趙海燕，鹿安理，等.串熱源模型及其在焊接數值模擬中的應用[J].機械工程學報，2001，37（4）：25-28.

[5]程久歡.Ti-3Al 金屬間化合物激光焊溫度場的數值模擬[D].武漢理工大學，2004.

[6]吉巧杰.封閉焊縫焊接溫度場和應力場的數值模擬[D].華中科技大學，2007.

[責任編輯：田吉捷]