基于Simufact welding仿真在弧焊機器人教學中的研究

胡敏 王芝玲

摘要：本文主要介紹了Simufact仿真軟件的作用和特點，并將Simufact仿真軟件應用在技工院校弧焊機器人教學中，運用該軟件加強學生對焊接工藝參數焊接電流、送絲速度、焊接速度等參數的理解，通過仿真效果能更直觀掌握焊接參數對焊縫成形及應力變形的影響，能更有效快捷的掌握如何根據焊接母材、焊縫尺寸、焊接條件等設置合理的焊接工藝參數。

Abstract： This article mainly introduced the function and characteristics of Simufact simulation software， and applies Simufact simulation software in the arc welding robot mechanic colleges teaching， use the software to strengthen the students of the welding process parameters of welding current， wire feed speed， the understanding of the parameters such as welding speed， the simulation results can be more intuitive grasp the influence of welding parameters on weld forming and the deformation and stress， can be more effective and quick grasp of how to parent metal welding， weld size， set up the reasonable welding process parameters， such as welding conditions.

關鍵詞：Simufact welding;焊接工藝參數;弧焊機器人教學

Key words： Simufact welding;welding process parameters;arc welding robot teaching

中圖分類號：U462.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0236-03

0? 引言

自2010年起我院開設焊接機器人應用與維護專業以來，培養焊工7000多人，焊接機器人操作大約5000多人，目前在校生焊工400多人。為服務地方經濟發展，培養以徐工集團為核心的制造型企業，探索一種高效、快捷、低成本的教學途徑，提升學生焊接工藝參數設置能力，提高焊接機器人教學質量，本文研究將Simufact焊接仿真應用到焊接機器人應用與維護專業教學中，以達到期望效果。

在焊接領域用于仿真模擬工具有許多，由于焊接加工過程是與溫度、應力變形和冶金組織狀態相互作用和影響、常會發生較為復雜的物理變化。如果利用仿真模擬再現整個焊接過程對學生來說，不僅焊接工藝參數對焊縫成形影響有直觀的感受，且能掌握建立焊接工藝各參數相互影響關系。因此，在技工院校焊接機器人應用與維護專業教學過程中，運用Simufact welding仿真軟件對焊縫成形過程進行模擬教學有著重要的意義。

1? Simufact焊接有限元建立

Simufact焊接有限元焊接仿真通過導入焊接組件的網格化零件，構建有限元焊件模型;設置合理的環境參數和焊接參數對整個焊接過程進行高度模擬;最后，對Simufact導出的數據和圖像進行分析。

在導入網格化焊接組件時，建議運用多種網格方式，在焊縫周邊較細的網格可以準確地獲得高梯度溫度。如果出現網格的劃分算法不太兼容的現象，建議對焊件進行獨立網格劃分的處理，這樣會避免了不兼容現象的干涉和影響。通常焊接件對兼容的網格設計既費時又有難度，所以，一般采用不兼容網格劃分算法。運用Solidworks三維軟件建模后再Hypermesh劃分網格，最后保存。建立仿真模型的建立是否合理直接關系到預處理時間，直觀的用戶界面對模擬過程起到事倍功半的效果。在建立焊接結構時，可以用三維軟件自行繪制焊接組件，如裝夾夾具可以預定義組。

在運用有限元軟件分析時，需要對焊件定義求解器、焊槍數量、設置跟蹤點、加載焊件組件以及邊界條件的設置。

對于在定義求解器環節，需要設置模擬總時間、對網格細化等級設置，每個流程時間的確定和時間步、跟蹤點和f摩擦系數等參數。將焊件通過網格劃分，并設置焊炬材料、溫度、導熱系數、幾何尺寸和材料屬性。另外邊界條件也要設置，包括夾具和固定方式等。仿真計算時，邊界進行2D、3D網格劃分。最后處理時導出應力、跟蹤點和變形的曲線圖。

焊接機器人應用與維護專業實習所用材料為Q345B，其化學成分如表1所示。

焊件1和2的規格有150mm長*80mm寬*5mm厚、150mm長*60mm寬*5mm厚。如圖1所示，導入以上兩種規格的實體模型Hypermesh進行網格劃分，分兩組試試模擬，一組進行完全約束模擬，一組進行不完全約束實施模擬，將劃分好的實體網格導入Simufact welding中進行裝配并賦值[1]，測量溫度20°，焊條直徑？準4.0，電壓18V，電流170A，焊接速度9m/h，弧長1.5～3.8mm范圍，重力方向的矢量坐標為x，y，z（0，0，-1）。常溫下Q345材料的屈服強度是σs 345MPa，抗拉強度為σb 470-630MPa。模擬仿真訓練結果如圖2所示。

2? 弧焊機器人焊接工藝參數與焊縫成形關系

在弧焊機器人焊接過程中，焊接參數包括焊接速度、電壓、電流、預熱溫度、約束情況、焊炬個數等構成不同的焊接工藝，這些主要工藝參數合理選取對焊接質量影響至關重要。

學生在焊接過程中缺乏對焊接工藝參數之間相互影響關系的認識，通過該仿真操作，可以增強認識，直觀的感受工藝參數變化與焊縫成形之間的關系，對提高焊接機器人教學和實際生產有著重要的指導意義。

2.1 焊接速度

焊接速度是單位時間內，焊槍沿著實施焊接的方向移動的距離。在施焊時，焊接速度的快與慢直接作用并影響著熱輸入量大小。焊接速度過小，在薄板焊接過程中，因為焊絲在焊件上停留的時間過長，熱源周邊溫度過大，容易燒穿工件。速度過大的話，焊絲在工件上停留時間短，會容易發生施焊焊不透的現象。因此說，設置與之匹配的焊接速度是保證焊縫成形的重要因素之一。

2.2 焊接電流

在焊接過程中，影響焊縫成形的重要因素還有——焊接電流。焊接電流對焊縫的形狀尺寸有較大的影響，對焊縫熔深更有著決定性的影響。其中，熔敷速度和熔深與焊接電流呈正比例關系，同時也影響熔寬的大小。一般經驗總結：當焊接電流過大，會容易導致母材燒穿、焊漏等缺陷，且焊接電流過大，焊接熱輸入增大，焊接變形大，產生焊接裂紋。但是，焊接電流過小的話，又會產生未焊透、夾渣等缺陷，造成焊縫成形不好。通常選擇焊接電流時，一般首先考慮母材不被燒穿同時又確保能夠焊透，并根據熔滴過渡形式、坡口形式、母材厚度及焊絲直徑這些條件進行選擇。

2.3 焊接電壓

焊接電源的定義是熔化焊絲的能量，決定著焊接過程的穩定性。對于中厚板（>6mm）焊接，焊絲直徑1.2mm，焊接電流一般為240～340A，中板取下限、厚板取上限。為獲得較好的焊縫成型，焊接電壓一般為0.1I+1～2V。根據單位時間內融敷金屬量相等的原理得到等式——πr2V送線=0.5h2V焊接 （其中r為焊絲半徑、V送線為送線速度、h為焊高、V焊接為焊接速度）。

焊接電壓過大或過小，會產生大的飛濺，并影響焊縫成形和焊縫冶金組織。弧壓的大小直接影響熔寬的寬窄，弧壓越大，熔寬明顯增加，此時熔深與余高會變小，但此時焊接中的飛濺增加，焊縫熔合區與飛濺增加，力學性能下降。但對于常用的固定的焊絲直徑，通常有一個最合適的電弧范圍。為了獲得良好的焊縫質量，應合理地匹配好焊接電流和電弧電壓，焊接電流大時，應相應地選擇較大的電弧電壓;焊接電流小時，應相應地選擇較小的電弧電壓。

2.4 焊絲干伸長度

在進行CO2氣體保護焊焊接時，焊絲伸出長度是否一致直接影響到焊接穩定性。焊絲直徑大小不一樣，選擇焊絲材料不一樣，在焊接中焊絲伸出長度也會不一樣，因此，焊接時，選擇的焊絲伸出長度一般為焊絲直徑的10-15倍。

3? 焊接應力產生

仿真時間設置6000s，測量過程分為4個階段。如表2所示。

焊接應力與變形是因為焊接時加熱不勻稱而引發的現象。焊接時因電弧熱的作用，電弧周邊金屬溫度升高，易產生焊接變形。

在第二階段內，焊件不完全約束和完全約束方法下，對比等效應力后發現，在熔合線位置處第一段和第二段對應等效應力曲線有明顯的變化。當在300～1200s區間內發現，完全約束條件和不完全約束的條件下他們的熔合線點的等效應力也是不一樣的，完全約束下的焊件等效應力大于不完全約束下的等效應力。不過當到達1200s范圍區間時，兩種約束條件下的等效應力又發生了變化。完全約束條件下的等效應力變成小于不完全約束條件下的等效應力了[3]。

在第三階段內，對于兩種約束條件下的熔合線處等效應力比較發現，不完全約束條件下的固定組件等效應力數值大于完全約束條件下固定組件等效應力數。不完全固定約束方式的散熱條件好，所以在該方式下溫度持續的時間要比完全約束條件下的溫度持續時間要短。

在第四階段內，兩種約束條件下熔合線處殘余應力大小發生了變化，分析發現在不完全約束條件下的焊件殘余應力要比常溫下的Q345材料屈服強度大，而完全約束條件下的殘余應力基本上是比常溫下的Q345材料屈服強度小。

4? 總結

Simufact焊接仿真運用在焊接機器人教學中，代替了傳統的理論說教，學生從焊接參數變化對焊縫成形影響中可以掌握焊接工藝參數相關知識，既縮短了實驗時間，也提高了實習效率，同時學生通過學習Simufact仿真操作流程，提高了對仿真軟件應用能力。該研究不僅有助于實現焊接機器人一體化教學，對今后其他焊接件分析和數值運算起到了積極的指導作用。

參考文獻：

[1]張建，胡忠健，黃明.基于Simufact的焊接應力的對比分析[J].武漢船舶職業技術學院學報，2013，12（06）：26-30.

[2]洪禎.空間三角形結構件焊接工藝及參數研究[D].鄭州大學，2017.

[3]朱愛華（導師：劉國寧，段玥晨）.工藝參數對焊接質量影響的數值模擬及焊接數據庫系統的開發[D].鄭州大學，2017.