基于仿真動臂焊接變形的控制方法

丁大狀

（徐工集團工程機械股份有限公司科技分公司，徐州 221004）

動臂是挖掘裝載機前車架與鏟斗的連接部件，是裝載作業關鍵的承載和轉動樞紐。在動臂生產過程中，最突出的問題是焊接時存在較大的焊接變形，從而影響動臂的正常裝配和使用[1]。在動臂焊接過程中，預測和控制焊接變形主要依靠員工的工作經驗，當變形量超出設計尺寸公差要求時，才采取矯正措施[2]，這樣做既會改變焊接結構殘余應力的分布情況[3]又會增加制造成本。焊接變形受焊接順序影響較大，因此合理設計焊接順序可有效地控制焊接變形，同時還可以提高結構件的焊縫質量，降低制造成本。隨著有限元數值模擬仿真技術的發展，仿真預測復雜結構件的焊接變形應用越來越廣泛[4]。本文使用有限元分析軟件Hypermesh，以挖掘裝載機動臂為研究對象，模擬測量動臂在不同焊接順序方案下的焊接變形量，并進行定量數值對比分析，從而為動臂焊接工藝設計提供數據參考。

1 有限元模型建立

1.1 動臂有限元模型

動臂的結構形式和尺寸如圖1 所示，主要由①動臂彎板和②動臂封板組成，其整體結構無坡口，焊接形式為8 mm 角焊縫，主要外形尺寸為1 977 mm×283 mm×8 mm。

圖1 動臂結構

通過建立動臂三維實體有限元模型，設定其焊縫為角焊縫，網格劃分如圖2 所示，為了兼顧計算精度和計算效率，采用焊縫及其附近網格劃分細小，遠離焊縫位置網格劃分粗大的網格劃分形式，網格劃分完成后，單元數為48 410，節點數為67 456。

圖2 網格劃分

1.2 材料特性

材料的熱物理及力學參數均是溫度的函數，會隨著隨溫度的變化而變化，這對于焊接模擬結果的準確性有著重要的作用，文中模擬采用的材料為Q345，板厚為8 mm，其各項性能參數隨溫度變化的情況見表1。

表1 Q345 材料的熱物理及力學參數

在熱彈塑性有限元分析過程中，采用單向耦合的方式進行計算，即先進行溫度場的計算，然后將溫度場的計算結果以熱載荷形式加載到應力計算模型中進行應力求解。在計算溫度場和應力分布時，考慮了材料的熱物理性能和力學性能隨溫度變化的特性，同時假定焊縫金屬與母材具備相同的熱物理性能和力學性能。

2 焊接參數

動臂采用熔化極氣體保護焊接工藝，使用KUKA機器人配置松下500 焊機，并配合使用ER50-6 直徑為1.2 mm 的焊絲；焊接時，采用80%Ar+20%CO2的混合氣體作為保護氣，熱源效率約為70%。為使模擬計算時焊接規范符合實際生產需求，其余工藝參數如表2 所示。

表2 其余焊接工藝參數

3 仿真結果及討論

3.1 方案1

本方案采用的焊接順序如圖3 所示，即先焊接其中的一條焊縫，然后再焊接另一條焊縫。仿真過程中，將約束施加于A 端，觀察B 端的變形量，位移云圖如圖4 所示。由圖4 可知，動臂產生了19.28 mm 的變形量。實際焊接完成后動臂旁彎變形大，變形量在20 mm 左右。因此，焊接仿真結果與實際變形量能夠吻合。

圖3 焊接順序

圖4 位移云圖

采用本方案焊接的動臂其結構形式的特點為：兩條焊縫分布在動臂結構的一側，焊縫長度較大，焊接完成后，焊縫將會產生較大收縮量，同時，相同長度和相同焊高的焊縫，先焊接的焊縫產生的變形量要大于后焊的焊縫產生的變形量。在圖3 中，焊縫1 和焊縫2 是完全相同的兩條焊縫，且處于對稱位置，由于焊縫1 產生的收縮大于焊縫2 產生的收縮，所以焊接完成后將會產生向焊縫1 方向位移的旁彎變形。采用有限元的方法，仿真焊接過程，其產生的變形量與實際變形不但趨勢完全吻合，而且變形大小與實際的差別也較小，能夠符合實際焊接過程的要求。

3.2 方案2

由上述分析可知，完全相同的兩條焊縫中，先焊接的焊縫產生的變形量大于后焊接的焊縫產生的變形量。若想減小結構件的旁彎變形量，只需減小焊縫1 產生的變形量，由于焊縫1 和焊縫2 處于對稱位置，制定了如圖5 所示的焊接方案，即采用分段焊接的焊接順序，保持每段焊縫的長度相等，在對稱位置采用對稱焊接的焊接工藝，位移云圖如圖6 所示。由圖6 可知，焊后產生的旁彎變形量為4.61 mm。與方案1 中的焊接順序相比，本方案產生的旁彎變形量明顯降低。

圖5 焊接順序

圖6 位移云圖

3.3 方案3

在方案2 的基礎上制定了方案3，其焊接順序如圖7 所示。該方案仍采分段焊接的方法，主要改變了分段焊縫的焊接順序，在動臂剛性最強處（即中間位置）開始施焊，以保持兩側焊縫產生的變形量盡量相等，從而使兩側的變形相互抵消，降低產生的旁彎變形量，位移云圖如圖8 所示。由圖8 可知，焊后產生的旁彎變形量為0.91 mm。與方案2 相比，旁彎變形量再次明顯降低。

圖7 焊接順序

圖8 位移云圖

4 實際驗證

若要繼續降低該動臂的旁彎變形量，可以繼續加大焊縫分段數，但增加分段數量會使翻轉次數和焊接起弧和收弧次數增加，從而影響生產效率和焊接質量。因此，在實際焊接過程中，需要根據實際焊接要求控制焊縫分段數，從而保證焊接效率和焊接質量。

根據上述仿真結果，方案3 產生的變形量在1.0 mm 以內，在產品質量允許的公差范圍內。實際生產過程中，采用方案3 中的焊接順序跟蹤檢測一批次（10 臺）動臂的焊接變形量，產生的變形量均在0.5～1.0 mm 以內，與焊接仿真結果的吻合度較好。因此，基于生產效率和焊接產品質量等因素，采用方案3 的焊接順序較為合理。

5 結論

通過以上分析，可以得出以下結論。

（1）采用有限元的方法，分析動臂結構的焊接變形，理論仿真結果與實際結果的吻合度較好，此方法可以很好地指導實際生產。

（2）采用優化后的焊接順序，結構的旁彎變形量均能夠控制在1 mm 以內。