重卡结构件激光-GMAW复合焊接变形数值模拟研究.pdf
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1、Electric Welding MachineVol.53 No.7Jul.2023第 53 卷 第 7 期2023 年7 月重卡结构件激光-GMAW复合焊接变形数值模拟研究殷琪安1,2,陶武1,牟刚3,樊雪1,任闻杰1,杨上陆11.中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 2018002.中国科学院大学,北京 1000493.福州大学,福建 福州 350108摘要:利用热弹塑性有限元分析,对材料为Q235钢的重卡结构件激光-GMAW复合焊接的温度场及焊接变形进行数值模拟计算。将平面高斯热源与高斯倒锥体热源结合,建立了适用于激光-GMAW复合焊接的组合热源模型,计算所得的焊缝横截面形状和尺寸与
2、试验吻合较好。对于整个焊接结构的焊接顺序分成多个部分进行规划,包括了两个待焊面的整体先后顺序、局部的焊接起始位置以及焊接路径选择,焊接路径包括顺序焊、分步退焊、跳焊。在结构上选取4条关键路径,并将路径上各点的z方向位移量进行标准差计算,并取平均值,作为整个结构z方向变形程度系数,建立了针对具有复杂变形趋势和变形分布的焊接结构的变形严重程度定量评估方法。将各步骤内的最优方案进行结合,最终得到的最优焊接顺序方案为先焊A面后焊B面,且B面采用跳焊路径,3号位置作为焊接起始位置。最优方案焊接变形程度系数为 0.2 mm,与最差焊接方案相比,焊接变形程度系数降低了28.6%。关键词:激光-GMAW复合焊
3、接;组合式体积热源;热弹塑性分析;焊接顺序中图分类号:TG456.7 文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2023)07-0016-08Laser-GMAW Hybrid Welding Weld-Formation Simulation and Distortion Suppression of Semi-truck Welding StructureYIN Qian1,2,TAO Wu1,MOU Gang3,FAN Xue1,REN Wenjie1,YANG Shanglu11.Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,Chi
4、nese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China3.Fuzhou University,Fuzhou 350108,ChinaAbstract:This paper predicts the temperature field and post-weld deformation of semi-truck structures with Q235-steel fillet welds fabricated by laser-
5、GMAW hybrid welding via thermo-mechanical FEM analysis.A combined volumetric heat source consisting of planar gaussian heat source and conical volumetric heat source.was applied in the thermal analysis.The numerical results showed that the computed cross-sectional shape and weld size coincides well
6、with the experimental ones.This consistency proves the validity of the combined planar and conical gaussian heat source in the temperature-field simulation of laser-GMAW hybrid welding.The welding sequence has been planned step by step,including the overall sequence of double-side structures,the sta
7、rting position,and the selection of welding paths between sequential welding,backstep welding,and jump welding.Four key paths have been selected and the average value of z-direction displacement of points at each path has been calculated as the deformation coefficient of the entire structure so that
8、 a quantitative evaluation method for complicated-structure deformation was established.The optimum method in each step has been combined and the final 收稿日期:2023-05-30基金项目:上海市科技计划项目(22xtcx00500)作者简介:殷琪安(1994),男,博士研究生,主要从事激光焊接工艺与焊接过程数值模拟研究。通讯作者:杨上陆(1975),男,研究员,博士生导师,主要从事先进激光制造技术及先进焊接的研究。E-mail:。DOI:1
9、0.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.03strategy is to weld A side first and to adopt jump welding path and No.3 starting position when welding B side.The optimized welding deformation coefficient of the post-welding structure is 0.2 mm,which is 28.6%lower than the worst welding sequences coefficient of 0
10、.28 mm.Keywords:laser-GMAW hybrid welding;combined volumetric heat source;thermo-mechanical analysis;welding sequence optimization引用格式:殷琪安,陶武,牟刚,等.重卡结构件激光-GMAW复合焊接变形数值模拟研究 J.电焊机,2023,53(7):16-23.Citation:YIN Qian,TAO Wu,MOU Gang,et al.Laser-GMAW Hybrid Welding Weld-Formation Simulation and Distortio
11、n Suppression of Semi-truck Welding StructureJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):16-23.0 前言激光-GMAW复合焊能实现上表面较大的熔宽,因此在焊接装配体结构时,对于错边、对中偏离、装配间隙等具有较高的容忍度1。此外,激光电弧复合焊相较于传统电弧焊能够实现更高的熔深、更好的焊缝成形质量、较小的热输入和热影响区、较小的焊后变形,能很好地适用于中厚板结构焊接2。实际工程中,大型结构焊接主要通过以往项目经验和大量试验来控制焊后变形,或依靠焊后矫正方法来修正不符合设计尺寸精度的焊接结构。大量试验会带来很大的经济
12、成本,尤其对于造价高昂的被焊材料和待焊结构。而焊后矫正方法需要消耗大量时间,大大降低了生产效率3。优化焊接顺序是最简单易行且成本低廉的控制焊接变形的方法。随着热弹塑性分析理论的完善、计算机硬件的迭代更新以及商业有限元软件的不断发展,有限元数值模拟成为预测和控制焊接变形的重要手段,节约了巨大的经济与时间成本。Zhang等人4通过有限元方法对厚板T型结构多道填丝焊进行了模拟,研究了单条焊缝不同焊道填充顺序对于角变形的影响,结果表明采用从坡口一侧向另一侧逐步填充焊丝的方法相对于从下至上逐层填充焊道的常规焊接顺序,焊接结构角变形减少20%30%。董华等人5研究了焊接顺序对于X型坡口双侧多层多道厚板焊接
13、的影响,研究表明双侧焊道多次交替的焊接顺序使结构厚度方向上的变形得到显著抑制,比单次交替焊接顺序所得焊接变形降低97.60%。Chen等人6研究了焊接顺序对于加劲板焊接变形的影响,并证明焊接顺序对于带有T型角焊缝平板结构弯曲变形量有显著影响。Teng等7着重研究了焊接顺序对于X型坡口多道填丝焊、单道直焊缝和环形焊缝残余应力分布的影响,对于不同焊接结构,残余应力分布最小化的最优焊接顺序是不同的,根本原因是焊接顺序对于焊缝附近刚性拘束和容许受热膨胀和收缩的空间大小有着差异化的影响。本文利用有限元分析技术对激光-GMAW复合焊重卡结构件的焊接变形控制策略进行研究,重点分析焊接顺序和焊接起始位置对重卡
14、结构件焊接变形的影响。1 试验材料与方法结构材料为Q235钢,各零件厚度均为10 mm。试验设备为 IPG YLS-10000 激光器、福尼斯焊机(CMT Advanced 4000)和库卡KR 60机器人。焊接前对各焊件上关键接触位置进行点焊连接和固定,焊接过程中对试样进行夹持。试样外观、主要尺寸及装夹方式,如图1所示。图1零件外观及主要尺寸和夹持装置示意Fig.1Schematic diagram of parts with main dimensions and clamping device第 7 期殷琪安,等:重卡结构件激光-GMAW 复合焊接变形数值模拟研究strategy is
15、to weld A side first and to adopt jump welding path and No.3 starting position when welding B side.The optimized welding deformation coefficient of the post-welding structure is 0.2 mm,which is 28.6%lower than the worst welding sequences coefficient of 0.28 mm.Keywords:laser-GMAW hybrid welding;comb
16、ined volumetric heat source;thermo-mechanical analysis;welding sequence optimization引用格式:殷琪安,陶武,牟刚,等.重卡结构件激光-GMAW复合焊接变形数值模拟研究 J.电焊机,2023,53(7):16-23.Citation:YIN Qian,TAO Wu,MOU Gang,et al.Laser-GMAW Hybrid Welding Weld-Formation Simulation and Distortion Suppression of Semi-truck Welding StructureJ
17、.Electric Welding Machine,2023,53(7):16-23.0 前言激光-GMAW复合焊能实现上表面较大的熔宽,因此在焊接装配体结构时,对于错边、对中偏离、装配间隙等具有较高的容忍度1。此外,激光电弧复合焊相较于传统电弧焊能够实现更高的熔深、更好的焊缝成形质量、较小的热输入和热影响区、较小的焊后变形,能很好地适用于中厚板结构焊接2。实际工程中,大型结构焊接主要通过以往项目经验和大量试验来控制焊后变形,或依靠焊后矫正方法来修正不符合设计尺寸精度的焊接结构。大量试验会带来很大的经济成本,尤其对于造价高昂的被焊材料和待焊结构。而焊后矫正方法需要消耗大量时间,大大降低了生产效
18、率3。优化焊接顺序是最简单易行且成本低廉的控制焊接变形的方法。随着热弹塑性分析理论的完善、计算机硬件的迭代更新以及商业有限元软件的不断发展,有限元数值模拟成为预测和控制焊接变形的重要手段,节约了巨大的经济与时间成本。Zhang等人4通过有限元方法对厚板T型结构多道填丝焊进行了模拟,研究了单条焊缝不同焊道填充顺序对于角变形的影响,结果表明采用从坡口一侧向另一侧逐步填充焊丝的方法相对于从下至上逐层填充焊道的常规焊接顺序,焊接结构角变形减少20%30%。董华等人5研究了焊接顺序对于X型坡口双侧多层多道厚板焊接的影响,研究表明双侧焊道多次交替的焊接顺序使结构厚度方向上的变形得到显著抑制,比单次交替焊接
19、顺序所得焊接变形降低97.60%。Chen等人6研究了焊接顺序对于加劲板焊接变形的影响,并证明焊接顺序对于带有T型角焊缝平板结构弯曲变形量有显著影响。Teng等7着重研究了焊接顺序对于X型坡口多道填丝焊、单道直焊缝和环形焊缝残余应力分布的影响,对于不同焊接结构,残余应力分布最小化的最优焊接顺序是不同的,根本原因是焊接顺序对于焊缝附近刚性拘束和容许受热膨胀和收缩的空间大小有着差异化的影响。本文利用有限元分析技术对激光-GMAW复合焊重卡结构件的焊接变形控制策略进行研究,重点分析焊接顺序和焊接起始位置对重卡结构件焊接变形的影响。1 试验材料与方法结构材料为Q235钢,各零件厚度均为10 mm。试验
20、设备为 IPG YLS-10000 激光器、福尼斯焊机(CMT Advanced 4000)和库卡KR 60机器人。焊接前对各焊件上关键接触位置进行点焊连接和固定,焊接过程中对试样进行夹持。试样外观、主要尺寸及装夹方式,如图1所示。图1零件外观及主要尺寸和夹持装置示意Fig.1Schematic diagram of parts with main dimensions and clamping device172023 年采用激光-电弧复合焊焊接本结构的A面和B面的焊缝,即先焊本结构一面的焊缝,然后再焊另一面。因此,在制定具体焊接变形控制方案之前,应先确定A面和B面焊接的总体先后顺序:先焊A
21、面后焊B面(AABB)和先焊B面后焊A面(BBAA),而焊件每个面内各焊缝之间先后顺序保持不变,焊接顺序编号如图2所示。激光-电弧复合焊接参数为:激光功率3 300 W,焊接电流297 A,焊接电压26.3 V,A面焊接速度为0.9 m/min,B面焊接速度为0.72 m/min。2 热源分析与模型建立2.1 有限元模型的建立模型单元为8节点六面体网格单元,最大边长为14 mm,最小边长为2 mm。为方便进行六面体网格的划分,对模型进行了简化,去除了零件上对于结构热力学计算结果无明显影响的倒圆角、螺纹孔等微小几何特征。为兼顾计算精度和效率,对焊缝及焊缝附近区域结构网格进行细化,并采用过渡网格实
22、现网格单元由小到大的快速过渡,降低模型单元总数。有限元模型网格划分如图3所示。单元总数为184 305,节点总数为227 106。图3有限元模型网格划分Fig.3FEM model meshing2.2 材料属性参数Q235的热学和力学性能参数随温度变化的曲线如图4所示8-9,材料泊松比0.3,熔点1 517.14,熔化潜热为256 400 J/kg,模型中的环境温度设置为20。2.3 热源模型的建立对于激光-GMAW复合焊接来说,由于电弧的作用,焊缝上表面熔宽较大,而在激光的作用下,随着焊缝深度的增加,熔宽急剧减小,呈“丁”字形,使用单一的体热源模型难以计算得到理想的焊缝轮廓,故采用“高斯平
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