基于ABAQUS的缸筒环焊缝焊接工艺优化研究

【摘 要】焊接是缸筒加工的最重要工序之一。采用PRO/E建立了三维的缸筒连接装配图并导入有限元软件ABAQUS中，采用温度—位移耦合计算方式，单元类型选用C3D8T单元，通过固定热源方式施加热力载荷。通过焊接优化工艺的对比分析可知，优化后的焊接工艺可在残余应力基本不变的情况下将最大变形量降低40%以上。

【关键词】缸筒；有限元；环焊缝；工艺优化

【Abstract】Welding is one of the most important processes in cylinder barrel processing.Using PRO/E to establish the three-dimensional cylinder connection assembly，and export into the finite element software ABAQUS.During the coupled temperature displacement calculation，C3D8T unit type is selected and the thermal load is applied by fixed source method.Through the comparative analysis of the welding optimization process，it can be known that the optimized welding process can reduce the maximum deformation by more than 40% while the condition that the residual stress is basically unchanged.

【Key words】Cylinder barrel；FEA；Girth weld；Process optimization

0 引言

焊接工藝是当今制造业不可或缺的加工方式之一，其通过局部加热、加压等方法将不同的金属零件进行拼接或结合[1]。对于缸筒零件，受焊接高温的影响，接头将不可避免地产生焊接热应力和热疲劳。焊接的作用可使分离的金属原子结合，使其形成牢固的接头，而且焊缝接头的强度要优于母材。但是由于缸筒零件对于焊后的尺寸精度要求较高，需要严格控制母材受到的热影响，减小形变量和残余应力，可有效地避免焊接缺陷，比如变形过大、接头失效甚至焊缝缺陷等问题[2]。为此，本文基于ABAQUS对优化前后的焊接工艺进行对于分析，验证工艺的合理性。

1 焊缝热应力产生的原理

在进行缸筒焊接时，焊池内的温度非常高，达到熔融状态，而焊件母材的温度较低，不同温度下的金属具有不同的膨胀值，导致焊接后出现不同位置的内应力和变形。焊缝会导致焊件的局部变形比较明显，为了避免对精度要求较高的部位造成不良影响，需要进行合理的工艺设计。根据焊后特性可知，若焊件属于低碳钢，则焊后的塑性变形比较明显；若焊件属于高碳钢，则焊后出现裂纹的几率较大。焊接之后，接头内部存下较大的热应力，大大降低了焊缝的强度，因此，需要根据实际要求进行热处理操作。支柱缸筒在焊接时，焊池内部温度超过1500℃，温升的位置出现热膨胀，并向低温位置扩散，整个过程伴随着时间变化。

缸筒焊缝存在热应力，但是满足内部的平衡力系关系，即整体的内力与内力矩的矢量和为零。当缸筒受温度影响发生变形时，高温位置出现压缩应力，低温位置出现拉伸应力，而且焊件在焊接过程中的约束程度越大，应力峰值越高[3]。热应力必然会导致热疲劳，特别是在温度交变条件下的焊接过程中，严重时将产生热裂纹。热裂纹是焊接研究领域中的难点之一，其主要发生在焊缝的热影响区，也是力学特性最差的部分。热裂纹一般沿表面垂直受热方向扩展，特殊情况下向表面内纵深方向延伸。为了降低热裂纹的发生率，在缸筒焊接时需要进行焊前热处理与焊后热处理。文中所分析的缸筒材质为30CrMoSi，在焊接过程中出现的屈服流动与高温蠕变在一定程度上可降低内应力与变形，并且焊后的刚度、静载能力、结构脆性、结构疲劳强度等相对良好[4]，因此，重点需要解决的问题为构件精度以及尺寸稳定性等问题。

2 焊缝热应力分析

2.1 焊接工艺

本文所分析外缸筒的连接结构示意如图1所示，图中可以看出：传统的连接结构为外筒和钢箍对接，外筒的端部通过内轴肩完成定位，然后通过过盈配合热装后焊接成一体，环焊缝位置为钢箍的端部；优化后的结构将外筒的轴向尺寸增大，与钢箍的端部平齐，通过两道环焊缝完成加工工艺。通过基于ABAQUS的有限元分析，验证优化结构的残余热应力和塑性变形特性。

2.2 模型前处理

在三维软件PRO/E中，根据实际尺寸建立外缸筒连接部件，其中，为了降低有限元模型的计算量，将外缸筒连接处的倒角等对分析结果影响小的结构省略，最终得出三维装配模型，将模型保存为Parasolid格式，导入ABAQUUS中。

在ABAQUS中，首先需要设置被焊件的材料属性，为了得出更加准确的计算值，充分考虑材料参数与温度之间的关系，根据30CrMoSi的物理特性赋予元件材料属性。在网格划分方面，单元类型选用了具有温度—位移耦合特性的C3D8T单元，该单元为八节点六面体单元，能够实现三向线性位移和温度的求解。为了划分质量更高的网格，提升运算精度，将元件在轴肩位置进行分区，并采用六面体扫略形式完成网格划分。为了重点研究缸筒处的热应力状态，文中采用固定热源的加热方式来模拟焊缝的能量输入。在载荷输入中，定义幅值曲线，即在0～100s内持续输入热量（初始环境温度为20℃），该过程中有生热、热传导、热辐射和热对流现象，在100～180s内停止能量输入，仅保持热传导和热对流作用。

3 结果分析

3.1 位移场分析

为了对比分析结构优化前后的效果，将模型的分析步、接触属性、网格划分以及载荷条件等前处理保持一致，对优化后的模型进行有限元分析，得出最终状态（180s时刻）下的位移场云图如图2所示。从图2可以看出，优化后的最大变形量为0.733mm，相比优化前的最大变形量1.25mm，降低了41.3%。变形区域较为均匀，没有明显的膨胀变形问题，这对于提升缸筒的尺寸稳定性有非常好的效果。

应力场云图如图3所示，可以看出，优化后的最大应力值为439MPa，相比优化前的最大应力值435MPa，仅仅提升了0.9%，几乎保持不变，而且应力集中问题明显改善，可明显改善焊缝接头的强度。

4 热应力消除方案

热应力在焊缝中有着诸多不良影响，因此，需要通过一定的方法和手段将其降低或者消除。当焊接完成后，可采用小锤敲击的方式释放焊缝的内应力，其中，当焊修缸筒温度处于800℃左右时效果最好，当温度较低时，要求击打力降低，当温度低于300℃，不建议进行锤击操作，否则容易造成机械裂纹。除了锤击法以外，热处理方法也是消除热应力的最常见方法之一[5]。将焊接后的缸筒放置与加热炉内，将温度调节至500～600℃，保温一段时间，将其在空气中或者炉内缓慢冷却。通过热处理方法，可明显地降低接头内部应力峰值，并提升接头的拉伸强度。

由于缸筒焊缝的焊接面较小，为了降低焊接热应力，可降低焊接电流，并采用保护气体焊接方法，获得质量较高的焊缝。在焊接之前，可以根据要求进行焊接预热，降低温差效应[6]，同时，可采用机械固定的方式降低热变形。文中总结消除热应力或热变形方法主要有：

1）预热法。通过预热不仅可以降低热应力，同时可以减少热裂纹的发生率。

2）反变形法。根据焊件变形的方向与大小预先将缸筒加工成非标准尺寸的零件，以便适应变形后的尺寸，但是存在一定的不确定性。

3）水冷法。在焊接过程中，采用喷水冷却或者浸水冷却的方式降低热影响区的温度，将补焊位置留出，不仅可以降低热变形量，同时可以提升接头强度。

4）固定法。在进行缸筒焊接时，可设计特定的刚度较大的工装，从而可以防止受温度影响产生的热变形，在壁厚较薄的焊接工艺中应用较多。

5）工序调整。合理的焊接工序同样可以降低热应力与热变形，比如在焊接过程中采用分段焊接的方式，将每段的焊缝采用相反的方向施焊，也就是逆向焊接。

5 结语

缸筒作为典型环焊缝焊接件，对于焊后的尺寸和残余应力有着较为严格的要求。通过基于有限元的热力学分析，充分考虑热传导、热辐射、热对流、热变形、蠕变等因素的作用，能够有效的验证焊接工艺方案的可行性，不但能够有效的降低生产成本，而且能够保证产品的质量及可靠性。

【参考文献】

[1]陈家权，肖顺湖，杨新彦，等.焊接过程数值模拟热源模型的研究进展[J].装备制造技术，2005，3：10-14.

[2]陈家权，肖顺湖，吴刚，等.焊接过程数值模拟热源模式的比较[J].焊接技术，2006，35（1）：9-11.

[3]蔡志鹏，赵海燕，等.焊接数值模拟中分段移动热源模型的建立及应用[J].中国机械工程，2002，13（3）：208-210.

[4]蔡志鹏，赵海燕，鹿安理，等.串热源模型及其在焊接数值模拟中的应用[J].机械工程学报，2001，37（4）：25-28.

[5]程久欢.Ti-3Al 金屬间化合物激光焊温度场的数值模拟[D].武汉理工大学，2004.

[6]吉巧杰.封闭焊缝焊接温度场和应力场的数值模拟[D].华中科技大学，2007.

[责任编辑：田吉捷]