不銹鋼側墻焊接有限元分析及變形控制

張英才，周嬌嬌，韓曉輝，高 巖，鄭 凱，雷 文

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

對不銹鋼側墻單元焊后平面度進行長期跟蹤測量，發現側墻單元焊接變形規律，即在完成立柱與橫梁焊接后，單元呈現外凸型變形趨勢；通過建立簡化后的側墻單元有限元模型，使用有限元軟件對焊接過程及焊后進行仿真模擬[1-4]，得到與實際相符的結果，分析實際過程出現外凸變形的原因；針對實際生產過程中側墻焊后平面度問題提出了施加焊前反變形以及增加工藝橫梁兩種控制措施，現場實施后效果顯著，提高了不銹鋼車體側墻外觀質量，減少了施工后的返工返修，大大提高生產效率。

1 焊接材料和工藝條件

不銹鋼側墻單元由墻板、立柱、橫梁構成，采用SUS301不銹鋼板材，化學成分如表1所示，焊接填充材料采用φ1.0 mm的ER308L牌號的焊絲，化學成分如表2所示。

墻板與橫梁之間采用激光焊接，立柱與橫梁之間采用 MAG 焊接，保護氣體為 φ（Ar）98%+φ（CO2）2%混合氣體，主要焊接工藝參數如表3所示。

2 研究現狀

工廠不銹鋼側墻單元在組焊完成后，因焊接變形側墻單元縱向平面度較大，統計16個側墻單元，采用1 m尺桿測量側墻單元縱向平面度，平面度均為2～3 mm/m，統計分布如圖1所示，且所有單元在縱向方向呈現出中間高、兩端低的外凸變形趨勢，如圖2所示。為滿足相關技術條件要求并提升側墻外觀質量，側墻單元在立柱組焊完成后需進行機械或下火調修，既增加了制造成本，還降低了生產效率。

表1 SUS301板材化學成分Table 1 Chemical composition of SUS301%

表2 ER308L焊接材料化學成分Table 2 Chemical composition of ER308L %

表3 主要焊接工藝參數Table 3 Main welding process parameters

圖1 側墻單元平面度統計Fig.1 Side wall element planeness statistics

3 焊接變形有限元仿真模擬

3.1 物理實驗

選取側墻不銹鋼側墻立柱與橫梁連接的典型結構制作一個焊接接頭試件，用于與有限元分析中熱源模型進行比對。選取的T型接頭焊接試件下料尺寸示意如圖3所示。試件成品長度取試件中間20 mm。

圖2 側墻單元平面度情況Fig.2 Plane degree of side wall element

圖3 物理實驗試件尺寸示意Fig.3 Diagram of physical test specimen size

3.2 熱源校核

考慮側墻單元梁柱焊接的實際接頭情況，運用Visual-Mesh 9.6建立接頭焊縫三維網格模型如圖4所示，建模參數如表4所示。

圖4 接頭焊縫三維網格模型Fig.4 3D mesh model of joint weld

求解計算前需在SYSWELD軟件中進行熱源校核[5]，以保證焊縫熔深、焊接功率、焊接速度、換熱條件等與實際相符合，將建立好的三維接頭焊縫接頭有限元模型導入SYSWELD中校核熱源?？紤]側墻單元梁柱焊接的實際情況，采用雙橢球熱源模型。

計算前，按照圖5給定其截面尺寸及相應網格大小，自動生成所需網格模型，然后輸入相應熱源中心以及熱輸入量等，即可實現相應熱源的校核。

表4 模型參數Table 4 Model parameters

圖5 基于預定義接頭形式的模型參數Fig.5 Model parameters based on predefined joint form

根據表5的焊接參數和上述物理試驗模型，利用熱源校核程序，輸入具體的焊接結構和尺寸、焊接材料的熱物理性能參數以及焊接工藝參數，調整雙橢球熱源參數，進行反復校核—修改—校核，使模擬的熔池尺寸和熱影響區大小與真實的焊接接頭相似，熱源校核結果與實際焊接試件對比如圖6所示。

熱源模型校對后，對T型接頭焊縫焊后變形進行有限元仿真，通過仿真分析局部焊接變形來預測側墻單元整體變形趨勢。接頭焊后變形趨勢如圖7所示。由圖7可知，接頭焊縫焊接完成后，焊縫一側立板與底板之間夾角變小，即在焊縫處有一角變形。

表5 熱源模型各參數取值[6]Table 5 Parameters of the heat source model

圖6 實際焊接試件焊接接頭熱源模型校核Fig.6 Verification of heat source model for welding joint of actual welding specimen

圖7 接頭焊后變形趨勢Fig.7 Post weld deformation trend

4 側墻單元焊接變形分析

通過T型接頭焊接有限元分析結果可知，焊接完成后接頭焊縫會使得在焊縫一側的焊接母材沿所夾焊縫產生角變形，而側墻結構中的立柱與橫梁之間的焊縫如圖8所示。

圖8 立柱與橫梁焊縫區域Fig.8 Column and beam weld area

電弧焊后由于焊縫收縮，會使得焊接區域在冷卻后產生角變形，而每一個立柱與橫梁焊接后產生的角變形綜合起來就造成了側墻面板的整體凸型變形，使得側墻單元在縱向上平面度難以控制。側墻焊接前后變形示意如圖9所示。

圖9 側墻焊接前后變形示意Fig.9 Frontandpostwelddeformationdiagramofsidewall

為進一步驗證分析結果的可靠性，建立簡化側墻單元結構的三維有限元模型。為提高計算速度，模型中僅保留側墻單元基本焊接結構，如圖10所示，該有限元模型中共有單元34 900個，節點50 014個。

圖10 簡化后的側墻單元三維有限元模型Fig.10 Simplified three-dimensional finite element model of side wall element

三維有限元模型材料屬性定義為SUS301類似屬性，焊接電流65 A，電壓16.5 V，墻板兩側為定義全約束，定義完成后導入Ansys中求解計算[7]。

仿真變形結果如圖11所示，通過有限元仿真計算，側墻單元焊接后變形結果與實際變形結果相同，側墻板呈現凸變形，可見側墻板縱向凸變形是由于立柱與橫梁之間的焊接變形引起。

圖11 仿真變形結果Fig.11 Simulation result of deformation

5 側墻單元焊接變形控制

5.1 焊接變形控制方案

為控制不銹鋼側墻單元焊接變形，提高側墻單元的平面度，主要采用以下兩種方式：一是在立柱之間增加工藝橫梁來加強立柱間的剛度；二是焊接前在側墻板下施加一定量的反變形來抵消焊接所引起的變形量[8]。施加方式示意如圖12所示。

圖12 控制方案示意Fig.12 Schematic diagram of control scheme

5.2 現場實施方案

現場施工中，反變形墊板采用厚度2 mm不銹鋼板加1.5 mm水晶板，并置于側墻單元工裝中間位置，工藝橫梁采用3 mm厚不銹鋼U型橫梁，U型橫梁比L型橫梁的剛性更好，工藝橫梁必須在單元壓緊后進行焊接[9]?，F場實施情況如圖13所示。

6 控制前后結果比較

采用上述控制方案后，統計測量16個側墻單元的焊后平面度，對比結果如圖14和圖15所示，焊接完成后側墻平面度質量大大提升，均能保證在小于等于1.0 mm/m，有效提高了側墻外觀質量；無需再進行調修[10]，減少了調修所需人員、燃氣費、工時等，大大提高生產效率，節約生產成本。

圖13 現場方案實施情況Fig.13 Implementation of field plan

圖14 控制前后平面度情況比對Fig.14 Comparison of flatness before and after control

由此可見，采用該控制方案后，側墻單元的平面度質量明顯提升，顯著提升了側墻單元外觀質量。

7 結論

（1）通過測量統計大量不銹鋼激光焊側墻單元焊后平面度，得到梁柱結構的側墻焊后變形趨勢規律，即沿車長方向側墻單元呈現外凸變形。

（2）通過SYSWELD仿真側墻單元局部焊接接頭變形情況，局部變形結果分析得出側墻單元整體變形原因，并通過側墻單元整體有限元仿真模型得到與實際變形相符的結果，驗證了該方法能有效分析以及預測梁柱結構的側墻焊接變形趨勢，可為改進設計結構和優化工藝方案提供數據支持。

（3）提出兩項控制不銹鋼側墻單元焊后平面度的方案：墻板下施加反變形和立柱之間增加工藝橫梁，并對采用控制方案后的側墻單元平面度進行對比，控制方案效果顯著，可使不銹鋼激光焊側墻單元平面度達到1 mm/m以下，提高不銹鋼側墻外觀質量的同時也大大提升工廠生產效率。

圖15 控制前后平面度比對Fig.15 Flatness comparison before and after control

參考文獻：

[1]陸皓，陳俊梅，陳家本.薄板結構焊接變形數值模擬及其應用[J].電焊機，2007，37（6）：71-74.

[2]汪建華，陳楚.不同接頭形狀下的焊接傳熱計算機系統[J].焊接學報，1990，11（1）：57-64

[3]張書權.基于SYSWELD的T型接頭焊接溫度場和應力應變場的數值模擬[D].安徽：安徽工程大學，2011.

[4]李婭娜，兆文忠，崔曉芳.基于“局部-整體”映射法的焊接裝配變形數值仿真[J].焊接技術，2008，37（1）：43-46.

[5]薛小龍，王志亮，桑芝富，等.T形焊接接頭的三維有限元模擬[J].中國機械工程，2005，16（9）：811-815.

[6]徐軍，吳蘇，趙海燕，等.基于簡化模型采用有限元方法計算特大型梁結構的焊接變形[J].焊接技術，2001，30（4）：47-48.

[7]汪建華，陸皓，魏良武.固有應變有限元法預測焊接變形理論及其應用[J].焊接學報，2002，23（6）：36-40.

[8]王長生，薛小懷，樓松年，等.薄板焊接變形的影響因素及控制[J].焊接技術，2005，34（4）：66-68.

[9]高磐.焊接變形的控制與矯正[M].北京：機械工業出版社，2006.

[10]張鑫，楊棉絨.基于計算機技術薄壁不銹鋼管焊接的仿真分析[J].熱加工工藝，2013（21）：188-191.