礦用液壓支架高強度結構鋼焊接熱性能仿真研究

張媛媛

（霍州市鑫鉅煤機裝備制造有限責任公司， 山西 臨汾 031412）

引言

液壓支架是煤礦開采過程中非常重要的機械裝備，是保障工作面安全的關鍵措施。為確保煤礦工作面的絕對安全，液壓支架必須要有充足的強度，以抵抗各種不斷變化的載荷[1]。我國在液壓支架設計方面雖然已經制定了相關標準和規范，在很大程度上提升了液壓支架的強度以及運行可靠性[2]，但與國外先進液壓支架生產加工技術相比較技術水平仍有待提升。主要原因在于液壓支架材料選擇以及焊接工藝方面存在不足[3]。Q550 高強度結構鋼是當前階段我國使用較多的液壓支架生產制作材料[4]。這種材料不僅強度高且有很好的焊接性能。隨著液壓支架朝著大型化、重型化方向發展，液壓支架零部件尺寸和厚度都在不斷增加，對其生產加工技術提出了更高的要求[4]。焊接是液壓支架生產制作過程中非常重要的工藝流程，焊接質量的優劣會直接影響液壓支架的運行可靠性[5-6]。因此，對Q550 這種常用的液壓支架生產制作材料的焊接性能進行研究和分析，為焊接工藝的優化奠定堅實的理論基礎，以提升焊接質量。

1 Q550 高強度結構鋼焊接過程仿真模型的近似處理與建立

1.1 焊接過程仿真模型的近似處理

1）焊接熱源。焊接過程中會產生大量的熱，仿真分析時該熱源的處理有多種形式，比如Rosenthal 熱源模型、高斯分布熱源模型、雙橢圓熱源模型等。大量的實踐經驗表明，雙橢圓熱源模型在實際應用中得到的結果與真實的結果最為接近。因此，本文選用雙橢圓熱源模型進行仿真模擬。

2）熱源移動。焊接過程中熱源處在一種移動的狀態，因此在仿真模型中還要實現熱源的移動。本文基于ABAQUS 軟件完成焊接過程的模擬，可以通過該軟件的函數功能實現熱源中心坐標的移動。

3）焊縫填充。焊接過程中焊縫填充通過軟件中的單元生死技術實現。仿真模型計算時使焊縫層單元默認處于被抑制的狀態，只有當熱源移動到該區域時，此區域的堆焊層單元才會被激活參與計算，通過這樣的方式實現焊縫填充。

4）焊接效率。不同焊接方式的焊接效率存在一定差異。因此，準確設置焊接效率是得到精確仿真模擬結果的重要因素。礦用液壓支架通常通過埋弧自動焊的方式進行焊接，對應的熱效率為0.75。

1.2 焊接過程仿真模型的建立

1）幾何模型與網格劃分。利用ABAQUS 軟件對兩個完全對稱的結構件進行焊接仿真模擬，模型規格為高×長×寬=35 mm×30 mm×30 mm。考慮到焊接的對稱性，為了降低計算時間，只需要對其中的一半進行建模即可。網格大小對仿真計算過程有非常大的影響，合適的網格大小不僅能顯著縮短模型計算時間，同時也能提升模型計算結果精度。劃分網格時，在焊縫附近將網格尺寸控制在1 mm 以下，距離焊縫較遠的區域網格尺寸控制在2 mm 左右。

2）材料屬性設置。焊接過程涉及溫度變化，溫度會對材料屬性產生非常大的影響。不管是材料的密度、比熱容、導熱系數，還是其力學性能都會隨溫度變化而發生改變。因此，在設置材料屬性時，需要考慮其受溫度的影響，具體材料屬性按照材料手冊中的數值進行設置。

3）初始條件和邊界條件。假設材料在室溫條件下進行焊接，即初始溫度設置成25 ℃。本研究中的邊界條件主要包含兩種類型，焊接面為對稱面，將其設置為絕熱邊界條件，其他幾個面設置為熱交換邊界條件，交換系數為30 W/（m2·K）。

4）其他工藝說明。通過雙面焊的方式進行焊接，總共分10 道焊接工序。

2 Q550 高強度結構鋼的焊接溫度場分析

2.1 熔池形狀和溫度分布

焊接過程屬于瞬態傳熱，當熱源靠近被焊接對象時，焊接金屬對象受到高溫作用出現熔化，當熱源遠離后又逐漸冷卻至室溫。如圖1 所示為不同焊接道次對應焊接溫度場分布情況。從圖中可以看出，在進行第1 道次焊接時，除焊接區域外其他部分的溫度基本為室溫，在第5 道次和第10 道次焊接時，被焊接對象其他部分的溫度已經有了顯著提升。圖中灰色區域表示熔池的形狀，從圖中可以看出不同焊接道次對應的熔池形狀存在一定差異。第1 道次焊接過程中，由于被焊接對象整體溫度比較低，其熔池呈現為“丁”字型，而在后續焊接道次中，由于被焊接金屬對象溫度已經有了顯著提升，其熔池呈現出橢圓狀。

圖1 不同焊接道次時的溫度場（℃）分布情況

2.2 沿焊縫方向各點溫度變化情況

如圖2 所示為第10 道次焊接過程中沿著焊縫方向各個點的溫度變化情況。其中第1 個點Z1為焊接最開始位置，第5 個點Z5為焊接結束位置，其他點位于這兩個點中間且各點均勻分布。從圖中可以看出，焊接剛開始時第1 個點Z1的溫度快速升高至2 500 ℃，其他各點的溫度則處于室溫狀態。隨著焊接過程的進行，熱源不斷往前推進，后續各點溫度隨之快速升高至3 500 ℃。對比各點的最高溫度可以發現，第1 個點Z1的最高溫度比其他點最高溫度要低1 000 ℃，主要是第1 個點Z1處在焊縫邊緣位置，且剛開始焊接，受熱時間相對較短，沒有達到平衡狀態。

圖2 沿焊縫方向各點的溫度變化情況

3 Q550 高強度結構鋼的焊接應力場分布情況

3.1 殘余應力分布情況

焊接過程中，由于會對焊縫進行多道次焊接，導致焊縫區域的金屬材料受到循環熱應力的作用。厚板與薄板相比較而言，由于焊接過程熱效應導致的殘余應力在厚度方向上會存在顯著的差異，焊縫整體的應力情況相對比較復雜。如圖3 所示為焊接結束后材料內部殘余應力的分布情況。從圖中可以看出，殘余應力的分布整體上呈現對稱分布，并且焊縫區域的殘余應力值最大，達到了720 MPa。而與焊縫的距離越遠，對應的殘余應力值也相對越小。

圖3 焊接結束后材料的殘余應力分布情況

3.2 焊接過程應力場分布情況

由于焊接過程溫度場變化復雜，導致其應力場分布也很復雜。如圖4 所示為不同焊接道次時的應力場分布情況。從第1 道次焊接過程應力分布情況可以看出，應力集中現象主要分布在熔池附近。隨著焊接道次的增加，在第5 道次焊接過程中熔池附近同樣出現了比較顯著的應力集中問題，并且第1 道次焊接區域的殘余應力比較顯著，已經基本上處于穩定狀態。另外，在金屬角落位置出現了局部應力集中現象。第10 道次焊接時的應力分布情況基本上與第5 道次相似，不同之處在于焊縫區域沒有出現顯著的應力集中現象，反而是第1 道次焊縫位置的應力集中現象變得更加顯著。進一步對比不同焊接道次時的應力場分布情況可以發現，隨著焊接道次的不斷增加，最大應力值隨之不斷降低。

4 仿真模擬研究結果與實驗結果對比

圖4 不同焊接道次時的應力（MPa）場分布情況

多道次焊接過程中，前一道次焊接會對后一道次焊接的熔合線位置產生影響。因此，本文將第一道次焊接后的結果與實驗結果進行對比，如下頁圖5所示。從圖中可以看出，模擬仿真結果與實驗結果之間基本上呈現對稱關系，兩者吻合較好，驗證了本文所建立的仿真模型的正確性。因此，本文研究結果具有很好的參考價值。

圖5 熔池截面與實驗的對比情況