SY35 平臺MAG 焊接變形模擬分析和調控

邵貞先,李天慶,吳藝鵬,彭思維,房俊杰

(1.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013；2.三一重機有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 前言

小型挖掘機是“新基建”戰略中的重要工程機械。挖掘機平臺是上車部分主要承載結構件，是挖掘機的重要組成部分[1]。駕駛室、發動機等都要安裝在平臺上。平臺的尺寸精度要求較高。焊接是挖掘機平臺制造的主要工藝。焊接過程會導致工件發生焊接變形，產生焊接應力。平臺焊接過程中產生的焊接變形會影響平臺尺寸，影響駕駛室、發動機安裝。因此，控制挖掘機平臺焊接變形具有重要意義[2-3]。

國內外學者針對焊接變形開展了一些研究工作，取得了一些結果。設計措施和工藝措施是控制焊接變形2 種主要手段[4-5]。常用的設計措施有設計合理的焊縫形狀和尺寸、設計可以減少焊縫數量的結構、設計焊縫位置安排合理的結構等；常用的工藝措施有：采用合理的裝配—焊接順序、采用合理的焊接方法和焊接工藝參數、采用合理的工裝夾具實現剛性固定、采用合適的反變形、適當留余量補償收縮變形、采用在焊縫對稱位置上施加熱量的熱平衡法控制變形、采用合適方法將焊接處熱量帶走的散熱法減小變形[6-9]。盡管采用了各種措施來防止和控制焊接變形，然而一些構件的焊接變形還是難以避免。因此，對于構件已經出現的焊接變形，一般通過手工錘擊矯形、機械矯形、火焰加熱矯形等矯正方法來實現焊接變形的矯形。目前，SY35 平臺焊接制造過程產生的焊接變形較大，不能滿足后續駕駛室、發動機等的裝配要求。如何減小和控制焊接變形是SY35 平臺焊接制造的關鍵。SY35 平臺有100 多道焊縫。從SY35 平臺實際焊接制造情況來看，優化焊接順序和焊接工裝約束是控制SY35 平臺焊接變形的重要手段。

針對SY35 平臺MAG 焊接開展研究，構建SY35平臺MAG 焊接變形數值分析模型，分析焊接順序和焊接工裝約束對SY35 平臺焊接變形的影響，提出有利于控制SY35 平臺MAG 焊接變形焊接順序和焊接工裝約束。

1 建立SY35 平臺MAG 焊接變形數值分析模型

首先，根據圖紙建立SY35 平臺三維圖，如圖1 所示；然后，構建SY35 平臺上的焊縫，并對所有焊縫進行編號，方便后續進行模擬仿真；最終建立SY35 平臺焊接變形模擬仿真的幾何模型。圖2 是焊縫WELD_1026，WELD_1027，WELD_1044，WELD_1045，WELD_1046 的位置及編號，焊腳尺寸見表1。SY35 平臺其他焊縫位置及編號見文獻[10]。WELD_1XXX 表示分部件組對焊接編號，共有43 條焊縫；WELD_2XXX表示平臺正面焊接編號，共有136 條焊縫；WELD_3XXX 表示平臺背面焊接編號，共有1 條焊縫。可見，平臺正面焊接時，焊縫多，對SY35 平臺焊接變形影響較大，是該研究重點優化的焊接順序。因此，該研究將針對SY35 平臺正面焊接136 條焊縫的焊接順序進行優化。

表1 焊縫編號及焊縫尺寸

圖1 SY35 平臺三維圖

圖2 焊縫位置及編號

該研究采用SYSWELD 軟件對SY35 平臺焊接變形進行模擬仿真，采用六面體網格進行網格劃分，為提高計算效率采用了疏密網格相結合的方式（靠近焊縫位置的網格更密，遠離焊縫位置的網格更疏）。SY35 平臺采用MAG 進行焊接，保護氣體為80%Ar +20%CO2。

2 焊接順序和工裝約束條件

該研究用采用了6 種焊接順序，分別為A，B，C，D，E，F，具體焊接順序見文獻[10]。SY35 平臺焊接順序A，B，C，D，E，F 設定的基本原則：先中心后外部；長焊縫分段退焊；相鄰分區焊縫交替焊接。焊接順序A，B，C，D，E，F 的主要區別在于相鄰分區焊縫交替焊接的順序。由于焊縫數量較多，文章篇幅限制，具體焊接順序不一一列出。SY35 平臺焊接工裝夾具設計的基本原則：裝夾簡單，可快速操作；保證SY35 平臺焊接位置的可達性；有效控制SY35 平臺焊接變形。

該研究設計了SY35 平臺焊接時的工裝夾具約束。為了能夠清晰的描述，不同焊接順序下的不同約束條件，該研究采用焊接順序和工裝約束相結合的方式對焊接算例進行定義，如：A0 表示僅點固，無工裝夾具約束；A1 為針對焊接順序A 設計了3 種針對性約束，如圖3～圖5 所示。

圖3 針對性約束1

圖4 針對性約束2

圖5 針對性約束3

3 模擬結果及分析

通過建立的SY35 平臺焊接變形數值分析模型，可以模擬出SY35 平臺焊接變形。圖6 展示了A1 條件下的SY35 平臺焊接整體變形。最大整體變形指的是距離參考位置的最大變形。A1 條件下，SY35 平臺焊接整體變形最大處如圖6 中圓圈所示，最大整體變形為2.77 mm。SY35 平臺底板是駕駛室、發動機等的承載體，SY35 平臺底板的變形程度對駕駛室、發動機等裝配精度有重要影響。該研究模擬了A1條件下的SY35 平臺底板的變形情況如圖7 所示。SY35 平臺底板變形最大處如圖7 中圓圈所示，底板最大整體變形為1.54 mm。圖8 描述了A1 條件下的SY35 平臺Y方向上的變形，在+Y方向上最大變形為1.53 mm，在-Y方向上最大變形為1.40 mm。可以看出，與平臺自身剛性約束大的位置相比，平臺自身剛性約束小的位置焊接變形較大。因此，針對SY35 平臺自身剛性約束小的位置，進行針對性的工裝夾具約束是減小SY35 平臺焊接變形的重要手段。

圖6 A1 條件下的SY35 平臺焊接整體變形

圖8 A1 條件下的SY35 平臺Y 方向上的變形

表2 描述了不同焊接順序和不同工裝夾具約束下的SY35 平臺整體最大變形量、底板上最大變形量、底板+Y方向最大變形量、底板-Y方向最大變形量。表2 中涉及的針對性約束如圖3～圖5 所示。為了更直觀地描述SY35 平臺整體最大變形量制作了圖9，為了更直觀地描述SY35 平臺底板變形量制作了圖10。只進行點固、無工裝約束時，方案E0（焊接順序E）的底板變形量相對最小，底板變形量為2.55 mm。只進行點固、無工裝約束時，焊接順序A，B，C，D，E，F，SY35 平臺焊接整體最大變形量都較大，方案E0 整體最大變形量最大，整體最大變形量為4.676 mm。增加工裝夾具約束后，SY35 平臺焊接整體最大變形量、底板上最大變形量、底板 +Y方向最大變形量、底板-Y方向最大變形量都明顯減小。方案A1 條件下SY35 平臺底板變形最小，變形量為1.54 mm。

表2 不同焊接順序和不同工裝夾具約束下的焊接變形

圖9 不同條件下的SY35 平臺焊接整體最大變形量

圖10 不同條件下的SY35 平臺底板變形量

4 結論

（1）建立了SY35 平臺焊接數理模型，模擬了16 組參數下的焊接變形。

（2）只進行點固、無工裝約束時，方案E0（焊接順序E）的底板變形量相對最小，底板變形量為2.55 mm。

（3）方案A1 條件下SY35 平臺底板變形最小，變形量為1.54 mm。

（4）SY35 平臺焊接變形控制，焊接順序和工裝夾具都非常重要，兩者結合才能較好地控制焊接變形。