焊接顺序对座椅连接轴焊接残余应力和变形的影响.pdf

工艺仿真IM投稿网站： 2023年增刊 197焊接顺序对座椅连接轴焊接残余应力和 变形的影响刘成杰1，2，3，潘华 2，3，韦习成 1（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2.宝山钢铁股份有限公司中央研究院汽车用钢研究所，上海 201900；3.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室，上海 201900）摘要：基于 MSC.MARC 有限元软件对座椅连接轴焊构件熔化极气体保护焊的仿真建模，分析了该结构件焊接残余应力和变形。结果表明，焊接残余应力聚集在焊缝附近且接近材料的屈服强度，最大变形为两侧边板。通过对四条焊缝的焊接顺序进行全排列优化，发现使残余应力和变形可控制的最佳焊接顺序，推荐用此工艺顺序来焊接该焊接构件。关键词：座椅连接轴；焊接顺序；有限元分析；焊接残余应力和变形1引言近几年，全球汽车工业的发展突飞猛进。汽车行业为适应各国国家环保法律法规的要求，白车身大势所趋般地采用高强、减薄。因此，更高强度、更具特色的汽车板不断涌现。市场对汽车板的使用提出了一系列更高的技术需求，如发展热成形技术、2C1B 涂装技术等；对连接方面也提出了进行连接结构可靠性分析的需求。连接结构可靠性分析并非是新鲜的事物，它在航空航天、军工等大型装备的焊接分析中有许多的案例；而在汽车领域却刚刚起步。但是，市场端的技术需求非常迫切，原因就在于钢制构件焊后残余应力会引起构件内应力重新分配，使构件的装配、服役性能等发生变化。尤其是多条焊缝并存的构件，准确掌握内应力分布是一件极其困难的事。为此，计算机仿真技术被用来解决这一棘手的难题。廖孟安1等采用有限元软件 MSC.Marc，对使用高强钢制造的工程机械常用局部加强贴板焊接结构进行焊接残余应力数值模拟计算分析，合适地设计焊接结构和焊接顺序降低结构的焊接残余应力，提高焊接结构的可靠性。董华2基于 ABAQUS 有限元软件的热弹塑性分析方法，分析了 32mm 厚 Q345 钢对焊接头在熔化极气体保护焊下的残余应力和残余变形，发现优化焊接顺序对温度场影响不大，但可降低焊接残余应力和变形。兰亮云3等利用有限元软件分析了 Q690 钢 T 型接头焊接顺序对接头残余应力和变形的影响，结果表明：最低的焊接残余应力和最低的焊接变形工艺方案不同。刘国宁4等采用双椭球热源模型，利用 Simufact.welding 焊接仿真分析软件，对四种不同焊接顺序下 T 型接头焊接温度场、应变场、应力场进行了数值模拟。通过对比分析应力和应变的仿真结果，得出了不同焊接顺序的优劣排序，对 T 型接头IM工艺仿真198 2023年增刊焊接工艺优化有指导意义。饶刚6等通过运用有限元模拟，对比不同形状模型的焊接变形，找到最优焊接顺序，可以最大限度降低焊接变形。虽然国内外学者对各种焊接结构件的焊接残余应力和变形控制开展了大量的研究，但针对座椅行业的焊接构件研究较少。基于此，本文对焊接座椅连接轴开展焊接仿真分析，并研究焊接顺序对该焊接构件的焊后残余应力和变形的影响，期待找到最优的焊接工艺。2试验方法2.1焊接结构概况本论文研究焊接结构为座椅靠背连接轴，其零件的三维几何形状如图 1 所示，该零件共有四条焊缝，如图 1中标明的 14 所处的位置。这四条焊缝均为管板连接，焊接方式为熔化极气体保护焊，该座椅靠背连接轴通过工装夹具定位和约束后进行焊接，焊接过程为机器人焊接，使用直径为 1.2mm 的 ER50-6 的焊丝，保护气体为二氧化碳，所有焊缝的焊接工艺参数见表 1。图 1座椅连接轴三维模型图表 1各焊缝工艺参数焊缝序号焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/（mm/s）焊缝长度规格/mm1195401023219540101731954010334195401033焊接过程为高温过程，而钢的热物理性能与温度有关，为了保证模拟的准确性，必须考虑焊接材料的热物理性能。因此本论文直接调用与产品材料成分相同的 Marc软件材料库中 42CrMo4 材料参数，加载该材料的热物理性能参数和力学性能参数。其中，该材料的热膨胀系数、杨氏模量、比热、热导率（导热系数、密度、泊松比）和屈服强度随温度的变化关系曲线分别如图 2 中 ae 所示。图 242CrMo4 热物性参数与温度的关系曲线图工艺仿真IM投稿网站： 2023年增刊 199图 242CrMo4 热物性参数与温度的关系曲线图（续）2.2焊接结构有限元模型建立在有限元分析中，网格划分的合适与否与计算结果的精度和计算效率息息相关。网格划分越细，计算精度越高，但所花费的计算时间越长；反之，虽然所花费的计算时间较短，但计算精度将较低。构件网格划分细致到一定程度时，计算精度变化将不明显，甚至不发生变化，所以对于网格划分重点是确定好网格的疏密程度。在焊接过程中，焊缝和焊接热影响区的温度梯度变化较大，这区域要采用加密的网格进行划分，而远离焊缝的区域，温度梯度变化相对较小，可以采用相对稀疏的网格尺寸。如图 3a 所示为采用 Hypermesh 软件建立的座椅靠背连接轴零件三维网格模型。焊缝位置的局部网格如图 3b 所示。焊缝及附近区域的网格尺寸较为密集，网格尺寸为 0.75mm 左右，远离焊缝处的网格较粗，网格尺寸为 4mm 左右，疏密过渡的网格，可以在保证模拟计算精度的情况下，提高计算的效率。一般认为在电弧热量辐射的范围内，存在 4 个单元左右较好，如果结构尺寸过大，无法保证此条件，至少在每个增量步尺寸内存在一个节点。a）三维网格模型图b）焊缝位置局部网格图图 3座椅连接轴网格模型2.3热源模型焊接热源模型是实现焊接过程数值模拟的基本条件。焊接热源具有集中、移动的特点，易形成对空间和时间梯度都很大的不均匀温度场，这种不均匀的温度场正是形成焊接残余应力和变形的根本原因。因此焊接热源模型的建立是焊接温度场模拟的重要部分。目前主要的热源模式包括高斯函数分布热源模型、双椭球热源分布模型及复合热源模型等。本项目采用熔化极气保焊，选用双椭球热源分布模型，该型能更好的模拟电弧穿透作用，这种模型将焊接熔池的前半部分作为一个 1/4 椭球，后半部分作为另一个 1/4 椭球。双椭球热源模型的热源分布如图 4 所示。前半部分椭球内热源分布函数：f Qq x y z tea eb ec（1）后半部分椭球内热源分布函数：f Qq x y z tea eb ec（2）IM工艺仿真200 2023年增刊图 4双椭球热源模型的热源分布图 （3）式中，ff、fr分别为总的输入功率在熔池前、后两部分的分配指数，通常中 ff+fr=2，参数 a1，a2，b，c 为焊接热源参数，可由实验获得。根据焊接参数，对焊接热源的各个参数进行定义，选定热源前椭球长 a1为 1mm、后椭球长 a2为 5mm、椭球宽度 c 为 16mm、椭球深度 b 为 16mm；焊接速度 10mm/s。2.4边界条件焊接过程模拟边界条件主要包括热学边界和位移边界条件。本研究中分别对焊接温度场的边界条件和焊接应力变形的边界条件进行定义。焊接温度场边界条件：定义4条焊缝焊接时加热范围，焊接热源的加热区域，即热流边界条件，如图 5a 所示，Apply1-Apply4 分别对应于四条焊缝的热源边界，Apply5定义了工件表面与环境的换热条件。焊接过程中，热量散失主要包括工件表面与周围环境辐射和对流，综合考虑两者的影响，定义换热系数为 40W/（m2），环境温度为 20。力学边界条件：焊接模拟分析中，通常根据实际结构的装夹条件进行力学边界条件的设置，根据结构的装卡特点，本研究建立了有限元模型的约束条件，如图5b所示。其中施加的位移约束条件，固定 z 方向的位移：Apply6，固定 x、y、z 三个方向的位移：Apply7、Apply13，固定x 方向的位移：Apply8、Apply11，固定 y、z 两个方向的位移：Apply9，固定 y 方向的位移：Apply12。这些约束条件建立位置尽量与实际装夹位置相同，使得建立的模型与真实的装夹情况相近，从而使模拟过程结果更加实际情况。a）焊接温度场边界b）力学边界图 5模型边界条件3仿真结果及分析3.1焊接温度场分析本部分首先对座椅靠背连接轴零件在原设计工艺下开展了仿真分析，对该焊接构建的焊接温度场、焊接应力场及焊接变形进行分析。座椅靠背连接轴零件 4 条焊缝焊接过程的温度场模拟结果，如图 6 所示。观察焊接温度场分布云图可以发现，随着焊接热源向前移动，温度场分布不断发生变化，熔池随热源一起移动，热源前方的温度梯度较大，而热源后方温度梯度相对较小。由于焊接速度较快，所以在熔池的后方有一个较长的拖尾。并且从所得的焊接温度场的结果中可以看出，离熔池距离越近，这一位置能达到的温度峰值越大。位置越靠近熔池升温和降温过程的温度梯度较大，温度陡升陡降的特性越明显。通过观察结构件焊缝及附近某些数据点的热循环曲线，可以分析整个焊接的加热和冷却过程，以及不同位置的温度场的变化规律。图 7 为构件表面垂直于焊缝方工艺仿真IM投稿网站： 2023年增刊 201向上三个节点处的热循环曲线，节点依次远离焊缝。由于焊接具有较高的加热速度和冷却速度，因此热循环曲线上升速度极快，温度梯度大，温度迅速达到峰值，且距焊缝越近的点温度上升越快，峰值温度越高。在冷却阶段，温度下降相对缓慢，温度梯度相对较小。图 7焊缝及其附近的热循环曲线3.2残余应力模拟结果与分析在焊接过程中，热源加热过程使焊缝及其周围金属受热膨胀，在热源作用位置的前方和焊缝的热影响区内存在一个压应力区；在热源作用的局部小区域内，由于温度超过了材料的熔点，此处的应力很小，认为其处于零应力状态；在热源作用的后方，由于焊缝处于凝固过程，温度逐渐降低，金属开始冷却凝固，焊缝区的纵向应力逐渐上升到拉应力，应力值随焊缝的冷却而逐渐增 a）第 1 条焊缝 b）第 2 条焊缝 c）第 3 条焊缝 d）第 4 条焊缝图 6焊接温度场计算结果IM工艺仿真202 2023年增刊大，且应力分布区域在逐渐扩大。在四条焊缝处及其附近均产生了应力集中，应力峰值接近了材料的屈服强度，远离焊缝处的应力数值相对较小。3.3焊接变形模拟结果与分析焊后试件的变形计算结果如图 8 所示，为方便观察，保留零件原始形状的轮廓线，并把变形的数值放大 10 倍显示。从图 8a 和 8b 可以看出，由于焊接过程的不均匀加热，使得焊缝产生了横向和纵向收缩，导致结构件在焊缝附近发生了一定的变形，焊接前为圆形的横截面，在焊接后变成了类似椭圆形的形状，但变形量相对较小。a）观察角度 1 b）观察角度 2图 8零件焊后变形的计算结果为更清楚分析该零件的焊后变形，如图 9 所示对结构件的 A、B、C 三处位置，沿三条路径分别提取 3 个方向即：径向（X）、周向（Z）和轴向（Y）的变形曲线，其中，A、B 为位于环绕结构件的环形路径，C 为沿着结构件轴向的直线路径。图 9变形曲线的提取位置路径 A 的径向位移变形呈 W 型，正负交替地偏移零线。路径 B 的径向位移变形整体位于零线以下。路径 B与焊缝距离较远，受到的焊接热影响作用比 A 处小；且路径 B 距离结构件端部较远，受到周围的约束，因而变形较 A 要小。路径 C 的径向位移变形，左半部分为正，右半部分为负，最后陡升为正。这是由于结构件两侧的焊缝交叉布置，选取的路径 C 左端没有穿过焊缝，该处变形为正；而右端穿过了焊缝，该处因焊缝收缩的影响，该处变形为负。3.4焊接顺序优化对于该焊接结构，尝试改变其焊接顺序，寻求一个优化的焊接工艺。该焊缝的位置和编号如图 10 所示，焊接的原始焊接顺序为 1-2-3-4，本研究中改变焊接顺序对四条焊缝进行全排列组合，共计 24 种。对比分析所有组合焊接后的残余应力和变形情况，寻求一个最佳的焊接工艺。不同焊接顺序下零件的应力和变形仿真结果见表 2。图 10焊缝位置与编号由表 2 可知，在先焊接 1#焊缝前提下，1-3-2-4 和1-3-4-2 两种焊接顺序的应力和变形均较小；在先焊接 2#焊缝前提下，2-1-3-4 焊接顺序的应力和变形均较小；在先焊接 3#焊缝前提下，3-2-1-4 和 3-4-2-1 焊接顺序的应力和变形均较小；在先焊接 4#焊缝前提下，该焊接顺序工艺仿真IM投稿网站： 2023年增刊 203组合中的应力和变形均较大，不宜以该方式焊接。由以上分析可以看出，以 1-3-2-4；1-3-4-2；2-1-3-4；3-4-2-1 顺序焊接时，其焊接残余应力和变形比较小，为可选择的优化工艺。综合考虑变形和残余应力，推荐以1-3-2-4 顺序焊接，其残余应力和变形相对都较小。表 2不同焊接顺序下零件的应力和变形仿真结果焊接顺序残余应力/MPa焊接变形/mm焊接顺序残余应力/MPa焊接变形/mm1-2-3-49130.562-1-3-48840.541-2-4-39100.882-1-4-38900.901-3-2-48940.502-3-1-48870.571-3-4-28860.532-3-4-18840.621-4-2-38960.832-4-1-38870.701-4-3-28910.942-4-3-18920.763-1-2-49120.544-1-2-39120.703-1-4-28930.534-1-3-28950.793-2-1-48900.524-2-1-38820.833-2-4-18860.554-2-3-18870.773-4-1-29120.614-3-2-19120.823-4-2-18840.534-3-1-28920.894结论（1）本研究中座椅连接轴在焊缝处产生了应力集中，应力峰值接近了材料的屈服强度，远离焊缝处的应力数值相对较小。焊后结构存在一定的变形，焊缝附近的端面受热影响较为严重，因而成为椭圆形。（2）通过对座椅连接轴焊接构件的数值模拟，对焊接顺序进行全排列的仿真优化，发现焊接顺序 1-3-2-4 不仅可以减小焊接残余应力，同时可有效抑制结构件的变形，推荐用此工艺顺序来焊接该焊接构件。参考文献1 廖孟安，荣冉升焊接结构和顺序对焊接残余应力影响研究 J热加工工艺，2012，41(1)：137-1392 董华，苏文学，张国，等焊接顺序对 Q345qD 钢厚板焊接接头残余应力和变形的影响 J焊接，2023(4)：21-283 兰亮云，邵国庆，张一婷，等焊接顺序对 Q690 钢 T型接头残余应力和变形的影响 J东北大学学报（自然科学版），2020，41(12)：1741-17464 刘国宁，李楠楠，宋晓辉，等焊接顺序对 T 型接头焊接温度场、应变场和应力场的影响 J热加工工艺，2019，48(13)：142-1475 饶刚，丰帆，姜燕，等加筋板结构及焊接顺序对焊接变形的影响 J制造业自动化，2020，42(1)：30-35