基于SYSWELD的新型动臂构件焊接工艺仿真优化.pdf

2023年 第9期 热加工52焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g基于SYSWELD的新型动臂构件焊接工艺仿真优化张晋刚，刘世权，朱海涛，李德明山推工程机械股份有限公司 山东济宁 272000摘要：动臂是推装机前工作装置的重要构成部分，主要为焊接结构。针对某新型产品的设计开发，引入SYSWELD虚拟仿真技术对动臂的焊接工序进行模拟及优化，得到可行结果后再采取物理样机进行验证。在创新了工艺开发手段的同时，减少了物理试错和前期开发成本，最后市场验证后按批量工艺保证能力进行量产化推进。采取理论与实际相结合的方式，从全流程进行分析验证研发制造过程，为方法论引入企业生产流程提供了一种全新思路。关键词：动臂构件；焊接仿真；工艺优化；样机验证1 序言近年来随着一体化技术的应用，工程机械产品逐渐向功能复合化、智能化方向发展。我公司推装机就是综合了履带式适应性强和轮式灵活性优点于一身的新型产品，同时具备推土机和装载机的功能，满足了复杂工况的需求。在其结构件中有工作使用的关重件动臂，由于功能作业要求，动臂是两端敞开式结构，环形焊缝填充量大，容易产生应力集中和焊接变形，同时由于履带式的抓地力强，动臂要比传统轮式装载机的受力更大、更复杂，利用传统经验很难精确获取动臂焊后的变形及应力情况，若直接采取样机试验验证，则开发周期长、成本高，同时制造风险大。随着计算机技术和仿真算法的发展完善，采用数值模拟的方法可预测焊接结构的温度场、应力场和焊后变形等，能够节省大量人力、物力和财力，已经成为智能化生产制造技术的关键环节之一。曾有学者采取ANSYS、SYSWELD工具对地铁牵引梁、地铁底架枕梁、压滤机滤框及汽车车身等结构的焊接变形进行数值模拟与仿真应用研究1-3，但在工程机械领域针对大型复杂结构件的研究较少，缺乏能直接指导企业实际生产的应用案例。本文是在作者分析推土机产品台车架4、车架5等工程机械部件模拟仿真指导生产的经验基础上，针对推装机动臂进行的又一次仿真探索。2 推装机动臂结构推装机动臂结构如图1所示，主要构件包括动臂主体侧板、中间横梁、液压缸安装座、轴套加强板及脚踏板等，构件材质分别为Q460C钢、Q355钢。横梁采取热轧圆钢管，壁厚为28mm，两端为机械加工的26mm45坡口，其他板材厚度为12第一作者：张晋刚，高级工程师，一号主机厂总经理，E-mail：。图1推装机动臂结构2023年 第9期 热加工53焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g60mm。制造工艺流程为先组对、焊接、加工中间横梁合件，同时在主体侧板上进行轴套加强板的定位焊组对，然后把横梁合件与主体侧板合件进行组对，定位焊工艺筋（80mm圆钢管），考虑到动臂向内侧收缩的趋势，在组对时增加单边3mm反变形收缩余量。3 模拟仿真分析与验证3.1 仿真模型建立为 验 证 新 产 品 工 艺 流 程 的 优 选 性，采 取SYSWELD仿真软件对结构进行仿真。根据产品结构，结合热弹塑性法、热循环法和固有应变法三种仿真方法的应用场景，考虑本次仿真主要关注点为工件的变形、应力情况，同时考虑仿真精度及计算工作量等，最终采取固有应变法进行本样件的仿真。其主要原理是采取典型接头的焊接进行热弹塑性法焊接变形数据库的提取，提取的位置是焊缝中间位置的一个截面的所有节点，通过求得该截面所有节点的平均曲线值，然后将其应用在大型工件焊接仿真中。将动臂的三维模型通过网格划分工具Visual-Mesh导入，为保证计算精度，模型采用六面体网格，网格平均大小10mm，最小5mm，网格共计393906个，焊缝共计50条，网格划分如图2所示。同时两根工艺筋只做刚性支撑，在整体焊后600s进行释放，不计入工件网格仿真部分。过Unconnect Edge连接，从而大大减少网格处理时间。3.2 工艺参数设定通过软件中的焊接顺序管理器设置焊接顺序、夹持顺序和释放顺序。根据变位机支撑、定位及夹持点位置进行工装夹具模型的创建和设置，并根据现场人工焊接模式进行设定，考虑到Q460C钢为动臂主体侧板的材质，为减少钢材的过热倾向，获得较好的焊后抗疲劳、低温韧性和焊缝外观质量，根据材料化学成分及力学性能，并参照CE（IIW）和冷裂敏感指数Pcm，制定了针对性的焊接参数，见表1。表1Q460C钢焊接参数层道焊接电流/A电弧电压/V气体流量/（L/min）焊接速度/（cm/min）层间温度/打底焊 24028025302036100150填充焊 30034030352540盖面焊 28032028322542根据相关焊接热源模型的求解路径及加载配置算法研究成果6-9，采取三维高斯双椭球的动态焊接热源模型，并结合现场Ar-CO2二元混合气体保护的电弧焊焊接参数实际对热源模型参数（尺寸）进行配置，使之与焊接工艺中几何形状吻合，具体校验热源模型参数设置见表2。双椭球热源模型如图4所示。设置完毕后，采取非线性、热学耦合求解器进行计算，并利用云图进行应力应变的结果输出和直观显示。表2热源模型参数设置双椭球热源参数/mm高斯参数M热源前端比例因子前轴长af后轴长ar宽度b深度d2.158.453.254.52.80.52图2台车架网格划分在整体模型网格划分完成后，结合实际焊接现场工艺装备及装夹方案，利用工具焊接流程向导逐项进行设置，同时将典型焊缝模型中提取的应变值加载到整体模型焊缝网格上，完成映射，利用Database数据库自建企标材料库，进行Q355钢、Q460C钢等材料属性的设置，并配置焊接材料ER50-6，添加夹具设置约束条件，夹持位置如图3所示。添加所有焊缝网格，完成焊缝激活，设置接触传热系数为20W/（m2K）。零件及焊缝网格通图3夹持位置示意2023年 第9期 热加工54焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g图4双椭球热源模型注：af为前轴长，ar为后轴长，b为宽度，d为深度。3.3 仿真结果分析（1）焊后变形及残余应力 为了验证仿真模型，达到优化焊接顺序、指导工装设计等新产品工艺开发的目的，对新型动臂的焊后变形情况以及焊接结束后的残余应力分布进行了预测，仿真结果如图5所示。由图5a可知，侧板装夹端和自由端的焊后总体最大变形量分别为2.30mm和8.33mm，最大变形位于动臂主体侧板对称两端部。由图5b可知，主要残余应力分布在焊缝和热影响区，剥离工件小孔应力集中无效部位，横梁主焊缝的最大残余应力值为449.35MPa，非常接近Q460C钢的屈服强度，考虑到安全系数因素，该结果无法满足设计要求。（2）条件重构仿真优化 基于上述结果可看出，动臂的焊接变形量较大，去除工艺筋后主体侧板端部向内收缩变形量为1315mm，由于侧板主体为60mm厚Q460C钢，焊后的动臂出现矫形困难，必须采取较大吨位的机械压力进行实施，从而有引起焊缝质量降低的风险，因此为进一步减少焊接变形，加强刚性工艺筋的强度，拟将图3所示的夹持位置更换为4根工艺筋进行刚性支撑，并将6根工艺筋纳入工件整体进行仿真，不再仿真过程中进行释放消除，直至焊接工件冷却至室温为止，同时对模型网格划分进行了优化处理，设定最小雅可比矩阵值为0.6，对退化或不良单元网格进行处理，确保良好网格单元占比达99.99%以上。针对残余应力值过大的问题，采取细化焊缝及热影响区网格，并在焊接瞬间启用激活生死单元的方法，进一步进行仿真。经过优化后的仿真结果如图6所示。由图6可知，动臂在条件重构后焊接变形最大控制在3.85mm，去除工艺筋后最大为6.73mm，横梁主焊缝的焊接残余应力为392.45MPa，均小于选用Q460C钢的屈服强度，较原仿真结果精度提升的同时，6根工艺筋的动臂焊接应力应变得到有效控制，从理论角度来看工件结构是可行的。a）焊后变形a）焊接变形b）焊后残余应力图5焊接仿真结果b）残余应力图6优化后的仿真结果4 物理样机验证结合仿真分析结论，按生产排程计划进行2台样机生产及市场验证。为减少试制成本，具体采取通用式三维柔性平台进行组对，采取人工焊和火焰矫形工艺方法（见图7），通过样机的焊接工序验证，整个样件的焊接变形趋势、位置与仿真结果一致，变形量精度超差为20%。同时根据GB/T 313102014金属材料 残余应力测定 钻孔应变法规定2023年 第9期 热加工55焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g的盲孔法，利用应力测试仪通过对中打孔法对仿真应力最大的位置进行应力的实际检测，残余应力的吻合度在85%左右，位置基本一致，由此说明仿真的效果是可行的。样件安装至样机上，并在工况目标地需进行500h、1000h、1500h、2000h共4节点的市场验证。根据实时跟踪作业工况、验证数据等信息收集分析，未发生焊缝及结构方面的质量问题，表明新型动臂结构满足整车工况设计要求。6mm，产品变形一致性稳定，自主设计液压矫形专机进行矫正，同时总体焊达率达到95.8%，焊接生产效率提升明显。5 结束语针对某新型动臂的工艺开发，利用模拟仿真软件进行建模和仿真，根据焊接变形、残余应力等模拟结果优选焊接工艺流程，并在仿真结果可行的前提下开展物理样机试制验证。量产时，采取适合的双工位机器人实现自动焊，产品一致性和焊接效率提升明显。因此，本次新产品工艺开发采取仿真与物理验证相结合的方式是成功的，可为今后工艺开发提供借鉴。参考文献：1 唐琪，陈鹏，陈静青，等基于SYSWELD的激光复合焊焊接变形数值模拟J焊接学报，2019，40（3）：32-362 周三平，王恒，郑宏涛基于SYSWELD压滤机滤框焊接变形数值模拟J山东化工，2020，49（2）：125-1283 唐琪，陈鹏，黄菁婧，等基于SYSWELD的地铁底架枕梁焊接变形的数值模拟J电焊机，2017，47（6）：101-1044 李德明，宫涛，王彩凤，等基于虚拟仿真技术的推土机台车架结构优化设计J焊接，2022（10）：47-535 李德明，蒋富强，宫涛，等工艺仿真技术在工程机械结构中的应用研究J金属加工（热加工），2021（12）：20-246 李瑞英，赵明，吴春梅基于SYSWELD的双椭球热源模型参数的确定J焊接学报，2014，35（10）：93-967 王薇，金成，史春元网格尺寸对双椭球热源模型作用下焊接温度场计算的影响J机械设计与制造，2016，37（7）：60-628 顾颖，李亚东，强斌，等基于ANSYS优化设计求解双椭球热源模型参数J焊接学报，2016，37（11）：15-189 董克权，刘超英，陈英俊双椭球热源模型加载算法研究J机械设计与制造，2008（11）：60-6220230628 b）焊接 c）矫形图7现场制造a）组对图8焊接工作站方案考虑批量化生产制造工艺，采取双工位L形双回转焊接机器人工作站进行批量化生产，焊接工作站方案如图8所示。机器人焊接前，先将工件进行人工拼装定位焊处理，并对定位焊位置进行人工打磨，在必要位置进行预焊，然后人工吊装到变位机工装上，进行机器人焊接，同时采取液压自动装夹的方式，为后续自动上下料效率提升奠定基础。通过机器人自动焊，动臂最大焊接变形在主体侧板两端，向内变形，由于变位机液压装夹方式因素，装夹侧变形量为23mm，未装夹侧变形量为5