基于Marc的MCL焊接機殼焊接模擬分析與工藝優化研究

摘要：我公司MCL焊接機殼是由板材、鍛件等經拼裝、焊接、消應力等過程制造而成。焊接機殼中分面法蘭在焊接、消應力后經常出現的一角或對角變形，故選擇Marc有限元分析軟件，采用數值模擬的計算方法，探索產生變形的根本原因，制定工藝優化改進方案，達到避免出現角變形的現象，打破制約機殼生產進度的瓶頸因素，縮短生產周期與確保制造質量。

關鍵詞：制造流程;焊接模擬;角變形;工藝方案

中圖分類號：TH452.061 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0016-02

0 ?引言

結合MCL焊接機殼水平法蘭的實際制造過程情況，開展常規方式與改進方案的對比模擬分析試驗，采用Marc有限元軟件首先開展了常規方式水平法蘭焊接、消應力的計算模擬，在消應力過程的應力二次分布是引水平法蘭出現不同程度角變形的根本因素;以此突破，從MCL焊接機殼水平法蘭的焊接層次、焊接順序以及消應力時的結構剛性、合適時機等多個維度出發，優化MCL焊接機殼水平法蘭的制造工藝方案，采用Marc再次開展改進方案的焊接、消應力的計算模擬，通過增強殼體框架的整體剛性達到控制出現角變形的目的，固化成工藝指導方案，應用在實際焊接過程中，徹底消除了產生角變形的問題。

1 ?焊接寫實與模擬準備

以2MCL800焊接機殼為例，中分面法蘭與密封體的材質為Q345R或16Mn，厚度為160mm，該焊接過程執行對稱焊接、同步焊接。水平法蘭的焊接層次為三層，首先進行水平法蘭與密封體焊縫正面打底焊接，焊層厚度約為40～50mm;其次翻個進行背面填充焊接，至水平法蘭表面齊平;最后再翻個進行焊縫正面填充焊接，焊縫的焊接道次約為20次，作為后續模擬分析的前期準備條件。

2 ?焊接材料與焊接熱源

選用S355J2G3-SPM材料[1]，該材料為多相模式的焊接用低合金鋼，材料原始相為鐵素體-珠光體，屬于低合金鋼，屈服強度不低于345MPa。該材料的力學性能特性主要包括了密度density（T）、楊氏模量Emod（T）、比熱SpHt（T）、熱導率Cond（T）、熱膨脹系數ThEx（T）、流動應力flow-stress（T）等。熱源模型確立為雙橢球體分布熱源[2]，其特征為電弧沿焊接方向運動，熱源前端溫度陡變顯著，后端溫度變化比較慢，作為CO2焊接的熱源滿足實際的焊接過程。通過焊接對比試驗，確定了雙橢球熱源的各項參數，詳見表1所示。

3 ?焊接模型與網格劃分

建立水平法蘭的三維模型，焊縫接頭采用多層多道的焊縫結構，每道焊縫采用不規則的曲線與坡口型線組成，使得焊縫的成形結構更接近于真實的水平法蘭焊接過程。根據水平法蘭以X、Z方向為對稱結構，將模型簡化為對稱形式的1/4模型。

劃分水平法蘭的網格單元，為滿足焊接模擬的收斂要求，該模型采用共節點的網格單元[3]，且焊縫、焊縫邊緣以及母材等不同部位采用密疏過渡，焊縫單元尺寸≤5mm，實體模型的單元數量為8.1647萬個，節點數量為8.6055萬個，類型為全積分低價六面體單元7（hex8）。

4 ?模擬流程與分析結論

開展該模型多層多道的焊接模擬，首先正面進行6道次打底焊縫焊接，厚度約50mm;其次進行6道次背面焊縫焊接，厚度為50mm;最后進行7道次正面焊縫焊接，厚度為70mm;開展水平法蘭進行消應力的模擬處理，升溫速度為65℃/h，恒溫溫度為620℃，保溫時間為6.4h，降溫溫度為45℃至室溫。

力學邊界條件以模型X、Z方向作為對稱約束，同時設置該模型的初始條件、空氣對流、焊接體熱源、溫度控制的邊界條件等，進行該模型熱/結構類型的模擬計算。通過宏觀云圖顯示，該水平法蘭工件在焊接與消應力模擬過程中的Y向變形的對比情況，詳見圖1所示。

由圖1可知，水平法蘭在焊接后的外角部位沿著Y向產生最大為0.8634mm向上位移;在消應力后該部位沿Y向產生向上位移變形出現了顯著增加，最大位移量為16.95mm。得出結論，結合合理的對稱焊接、焊接道次的要求，能控制水平法蘭的角變形問題;但其為平面焊接結構，剛性不足，在消應力處理后水平法蘭的焊接應力得到了二次分布，且由此引起了其外角部位產生了更大Y向變形。

5 ?對比模擬與改進意見

結合水平法蘭剛性不足的結構特點，利用外殼板與端板形成整體封閉的剛性支撐結構增強水平法蘭的整體剛性，再次采用Marc有限元模擬分析軟件開展殼體框架改進模型的焊接、消應力模擬試驗。

建立MCL焊接機殼殼體框架結構模型，開展模型結構的網格劃分，水平法蘭與密封體之間對接焊縫亦采用多層多道焊，焊縫道次為約20道，與上述水平法蘭模型的網格劃分規則一致。該殼體框架結構的實體模型的單元數量為3.2403萬個，節點數量為3.6025萬個，單元類型為全積分低價六面體單元7（hex8）。

對比前者，改進方案的模型體現在邊界條件上的設置差異，該殼體框架保持X、Z兩個方向位置約束固定，再充分利用端板與外殼板形成的整體剛性結構來代替Y向位置約束。詳見圖2所示。

在殼體框架的在模擬分析過程中，通過宏觀云圖顯示，記錄了該殼體框架工件在焊接與消應力模擬過程中的Y向變形的對比情況，詳見圖3所示。

由圖3可知，殼體框架在焊接后的外角部位沿著Y向產生向下位移變形，其最大位移量為-0.5732mm;在消應力后該部位沿Y向產生向下位移變形出現了略有增加的現象，最大位移量為-0.5970mm。得出結論，利用殼體自身外殼板與端板形成封閉的剛性支撐結構，進而增加焊接機殼的整體剛性，可以達到抵消水平法蘭在消應力過程應力二次分布而引起的變形現象，且試驗結論證明，這種改進方式的工藝方案是有效的，能夠解決控制焊接機殼水平法蘭出現角變形的問題。

6 ?總結

①引進Marc焊接、消應力的模擬分析應用，取代產品試驗件的焊接實驗探索，通過模擬分析結論，為制定、解決MCL焊接機殼控制水平法蘭角變形提供最優化的解決方案與工藝策略。②針對MCL焊接機殼水平法蘭焊接、消應力生產制造過程，分別開展了常規方式與改進方式兩種模型的對比模擬分析實驗。結合對比模擬分析試驗，進行獲得了MCL焊接機殼水平法蘭產生角變形的根本原因是由于在消應力過程中，由于焊接應力的二次分布而引起的角變形現象。③調整MCL焊接機殼水平法蘭的剛性支撐方式及消應力熱處理的合理時機，達到了控制出現角變形的現象，其角變形量均控制在3mm以下，合格率達100%，確保了焊接機殼水平法蘭的焊接質量以及縮短了焊接機殼的生產制造周期要求。

參考文獻：

[1]鹿安理，史清宇，趙海燕，等.焊接過程仿真領域的若干關鍵技術問題及初步研究[J].中國機械工程，2000，11（1-2）：201-205.

[2]徐琳，羅安，嚴仁軍.基于MSC Marc的多道焊數值模擬[J].現代制造技術與裝配，2007（2）：42-45.

[3]席源山，陳火紅.MSC MARC溫度場及其耦合分析培訓教程[J].MSC Software，2001，12.

作者簡介：郝建國（1982-），男，遼寧葫蘆島人，高級工程師，從事離心壓縮機鉚焊工藝以及技術服務工作。