角接接頭旋轉(zhuǎn)電弧焊接數(shù)值模擬研究.pdf

1、角接接頭旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊接是焊接行業(yè)新技術(shù)，其焊接工件冷卻后，工件力學(xué)性能較好、焊道寬等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外焊接行業(yè)研究的熱點(diǎn)。又因隨著建筑、船舶等行業(yè)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)電弧焊接應(yīng)用越來越廣，普通焊接不能滿足工件質(zhì)量的要求，迫切需要對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧角接接頭焊接特性進(jìn)行研究。
　　旋轉(zhuǎn)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(zhì)量的焊接工藝參數(shù)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(fù)雜，與非旋轉(zhuǎn)

2、電弧焊接相比，焊絲端部具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作用，也導(dǎo)致其焊接熱源模型更加復(fù)雜。而不同焊接因子及焊接熱源，會(huì)導(dǎo)致焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及焊后工件變形的不同。為獲得較好焊接質(zhì)量與控制變形，有必要對(duì)其焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及焊接數(shù)值模擬進(jìn)行研究。
　　本文根據(jù)文獻(xiàn)分析與前期研究，設(shè)旋轉(zhuǎn)電弧為順時(shí)針，旋轉(zhuǎn)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(duì)焊接工藝參數(shù)

3、進(jìn)行優(yōu)化研究，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法及參考文獻(xiàn)，并考慮各個(gè)因子互相作用，在Minitab軟件中，設(shè)焊接電壓、焊接電流分別與焊接速度、旋轉(zhuǎn)頻率互相交叉作用，而旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)回歸分析法、方差法及平均值法進(jìn)行分析，得出不同因子之間的關(guān)系及好的焊接工藝參數(shù)，結(jié)果表明，焊縫成形質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11.8分，熔寬誤差在1.4附近

4、，余高誤差0.31~0.34，會(huì)出現(xiàn)畸變現(xiàn)象。
　　針對(duì)角接接頭旋轉(zhuǎn)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(chǔ)上對(duì)其熱源模型進(jìn)行改進(jìn)，建立新的焊接熱源模型，使其能夠更加精確描述旋轉(zhuǎn)電弧焊縫形成過程。文中設(shè)焊炬夾角為45?，對(duì)角焊縫進(jìn)行分析，提出焊縫參數(shù)分布不對(duì)稱的特點(diǎn)，并求出焊縫熱源參數(shù)之間的關(guān)系，得出寬度比例系數(shù)k=1.11，建立焊絲端部運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)不同旋轉(zhuǎn)頻率分析焊絲端部軌跡運(yùn)動(dòng)情況。
　　

5、對(duì)于焊接工件，其熔池形態(tài)尺寸，焊縫成形特點(diǎn)、工件殘余應(yīng)力分布、裂紋大小分布及變形都與工件質(zhì)量密切相關(guān)，為解決焊接中出現(xiàn)的問題，因此需要對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧角接接頭焊接溫度場(chǎng)分布，應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。首先根據(jù)文獻(xiàn)得出不同溫度下的物理材料性能參數(shù)及熱焓值，其次在Ansys軟件中，選用SOLID70單元，進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬分析，在應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí)，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(wǎng)格劃分，在其他地方采用映射網(wǎng)格，

6、采用單元組件及節(jié)點(diǎn)組件進(jìn)行殺死或激活。根據(jù)實(shí)際焊接情況設(shè)置初始邊界條件，采用物理化學(xué)處理及反演算法，得出改進(jìn)型旋轉(zhuǎn)電弧雙橢質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并對(duì)其數(shù)值模擬。得出角接接頭旋轉(zhuǎn)電弧焊接熔池的形成過程；分析了不同時(shí)刻的熱循環(huán)曲線，動(dòng)態(tài)熱源溫度場(chǎng)變化，得出靠近上側(cè)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(cè)板散熱梯度要大于下側(cè)板；研究了動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)分布，冷卻后應(yīng)力分布，不同路徑應(yīng)力變化及工件變心等問題，得出初始焊接時(shí)上側(cè)

7、板變形角度為3°10′大于下側(cè)板變形的2°30′；在焊接末端下側(cè)板變形角度為3°20′，上側(cè)板變形角度為2°28′比無旋轉(zhuǎn)時(shí)變形?。唤咏鼰嵊绊憛^(qū)內(nèi)1.31 mm左右，拉應(yīng)力急劇增大應(yīng)力變量減小，增量斜率為負(fù)；在冷卻后,上側(cè)板在X,Y,Z殘余應(yīng)力最大值及畸變程度要小于下側(cè)板，并且下側(cè)板變形更加不規(guī)則，出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域頻率更高。
　　以上研究成果，可為角接接頭旋轉(zhuǎn)電弧焊接工藝參數(shù)選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接裝夾設(shè)計(jì)、防止工件變形及工程施工提供理論