角接接頭旋轉電弧焊接數值模擬研究.pdf

1、角接接頭旋轉電弧傳感器焊接是焊接行業(yè)新技術，其焊接工件冷卻后，工件力學性能較好、焊道寬等優(yōu)點，是國內外焊接行業(yè)研究的熱點。又因隨著建筑、船舶等行業(yè)的發(fā)展，旋轉電弧焊接應用越來越廣，普通焊接不能滿足工件質量的要求，迫切需要對旋轉電弧角接接頭焊接特性進行研究。
　　旋轉電弧焊接過程中，由于角接接頭焊縫自身的特性，影響工件質量的焊接工藝參數因子較多，各因子互相交叉影響，使焊縫成形、熔池形狀及焊后工件變形、焊縫缺陷的研究變得復雜，與非旋轉

2、電弧焊接相比，焊絲端部具有旋轉運動作用，也導致其焊接熱源模型更加復雜。而不同焊接因子及焊接熱源，會導致焊接溫度場、應力場及焊后工件變形的不同。為獲得較好焊接質量與控制變形，有必要對其焊接工藝參數進行優(yōu)化及焊接數值模擬進行研究。
　　本文根據文獻分析與前期研究，設旋轉電弧為順時針，旋轉半徑為3 mm，焊炬夾角為45?，以5mm厚碳鋼為母材，采用MAG（Metal Active Gas Arc Welding）焊接。首先對焊接工藝參數

3、進行優(yōu)化研究，結合經驗法及參考文獻，并考慮各個因子互相作用，在Minitab軟件中，設焊接電壓、焊接電流分別與焊接速度、旋轉頻率互相交叉作用，而旋轉頻率又與焊接速度、干伸長相互交叉影響，采用焊接電壓、焊接電流、焊接速度、旋轉頻率、干伸長及氣體流量，6因子3水平的方法，利用田口算法，建立正交模型。根據回歸分析法、方差法及平均值法進行分析，得出不同因子之間的關系及好的焊接工藝參數，結果表明，焊縫成形質量分數在11.8分，熔寬誤差在1.4附近

4、，余高誤差0.31~0.34，會出現畸變現象。
　　針對角接接頭旋轉電弧焊接熱源模型建立，考慮其焊縫特性并引入焊炬夾角，在雙橢球熱源基礎上對其熱源模型進行改進，建立新的焊接熱源模型，使其能夠更加精確描述旋轉電弧焊縫形成過程。文中設焊炬夾角為45?，對角焊縫進行分析，提出焊縫參數分布不對稱的特點，并求出焊縫熱源參數之間的關系，得出寬度比例系數k=1.11，建立焊絲端部運動軌跡，并根據不同旋轉頻率分析焊絲端部軌跡運動情況。
　　

5、對于焊接工件，其熔池形態(tài)尺寸，焊縫成形特點、工件殘余應力分布、裂紋大小分布及變形都與工件質量密切相關，為解決焊接中出現的問題，因此需要對旋轉電弧角接接頭焊接溫度場分布，應力場分布進行數值模擬。首先根據文獻得出不同溫度下的物理材料性能參數及熱焓值，其次在Ansys軟件中，選用SOLID70單元，進行溫度場模擬分析，在應力場數值模擬時，選用SOLID5單元，采用直接耦合法模擬。在焊縫與熱影響區(qū)采用拖拉及掃略網格劃分，在其他地方采用映射網格，

6、采用單元組件及節(jié)點組件進行殺死或激活。根據實際焊接情況設置初始邊界條件，采用物理化學處理及反演算法，得出改進型旋轉電弧雙橢質量分數，并對其數值模擬。得出角接接頭旋轉電弧焊接熔池的形成過程；分析了不同時刻的熱循環(huán)曲線，動態(tài)熱源溫度場變化，得出靠近上側板能量較高，易形成咬邊，靠近熱源中心前端的溫度要高于熱源中心處及后面部分，上側板散熱梯度要大于下側板；研究了動態(tài)應力場分布，冷卻后應力分布，不同路徑應力變化及工件變心等問題，得出初始焊接時上側

7、板變形角度為3°10′大于下側板變形的2°30′；在焊接末端下側板變形角度為3°20′，上側板變形角度為2°28′比無旋轉時變形??；接近熱影響區(qū)內1.31 mm左右，拉應力急劇增大應力變量減小，增量斜率為負；在冷卻后,上側板在X,Y,Z殘余應力最大值及畸變程度要小于下側板，并且下側板變形更加不規(guī)則，出現危險區(qū)域頻率更高。
　　以上研究成果，可為角接接頭旋轉電弧焊接工藝參數選擇，結構設計、焊接裝夾設計、防止工件變形及工程施工提供理論