焊接结构生产的模拟仿真优化方案

5.2.1　焊接结构件应力变形仿真

焊接是一种局部加热的工艺过程。焊接实施过程中、焊后，构件中不可避免地会产生焊接应力和变形。焊接应力是形成各种焊接裂纹的因素之一。焊接应力与变形在一定条件下还影响焊接结构的性能，如强度、刚度、尺寸精度和稳定性、受压时的稳定性以及抗腐蚀性等。不仅如此，过大的焊接应力与变形，还会大大增加制造工艺中的困难和经济消耗，而且往往因焊接裂纹或变形过大无法矫正而导致产品的报废。如图5－2所示。整个焊件涉及到板—板、板—管多种接头形式的焊接，板材为Q235，板厚为10 mm。由于压力容器对焊接质量要求高，并且结构由钢板拼焊而成，因此焊接过程中拘束度非常大，会产生较大的焊接残余应力。因此，应在机架的装配过程中制定相应的技术措施来控制和减小焊接残余应力。

图5－2　压力容器示意图

一、制定控制焊接应力的措施

1.装配－焊接顺序制定

本任务中焊缝主要是对接焊缝和角焊缝。制定装配方案，小组讨论，分析其优缺点，装配主要有两种方案：

方案1（整装－整焊）：先把所有零件装配定位好，点焊10～15 mm固定，然后焊施完成最终焊接操作。

方案2（随装－随焊）：先把板板组对，然后再组箱，最后再完成其它焊缝焊接。

2.两种方案优缺点分析

方案1可以保证焊件装配尺寸，但是由于先定位焊固定，会造成对接焊接收缩受阻，会影响焊缝质量。

方案2可以满足对接焊缝的自由收缩，能有效的降低残余应力。提高焊接质量，但是由于板板组对反变形量的控制无法精准，会导致组对后焊件的平面度，最终会造成组箱困难，影响焊件外观尺寸。

3.焊接顺序

根据工艺措施，应尽量使焊缝自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝、工作时受力大的焊缝，因为先焊的焊缝收缩时受阻力较小，因而残余应力就比较小；拼板时，先焊错开的短缝，再焊直通的长缝。对接焊缝的收缩量往往比角焊缝的收缩量大。分组按上述两个方案分别进行装配，方便对比方案的优缺点。

4.合理的工艺措施

（1）采用多层多道焊。多层焊包括多层单道焊和多层多道焊，一层焊缝可以由若干道焊道组成。如果坡口角度小，熔敷一道就可以是一层；坡口角度较大，熔敷两道及以上焊道才能组成一层焊缝，就是多道焊。多层焊主要应用于焊接大厚壁结构，较之相同情形下采用单层焊，可以减小热输入量，而减小变形和焊接缺陷。

（2）层间温度。层间温度应不高于200℃。对焊件进行多层多道焊时，当焊接后道焊缝时，前道焊缝的最低温度称为层间温度。对于要求预热焊接的材料，当需要进行多层焊时，其层间温度应和预热温度大致相同，如层间温度低于预热温度，应重新进行预热。

二、操作步骤

现以方案1以例讲解主要的操作步骤：

1.把对接的板板底板和侧板进行装配，完成定位焊。

2.划装配基准线

由图样可以看出，底板是装配基准，底板的中心线为装配基准线，因此在装配前应在底板上划出基准线，即划出底板的两条中心线和支板和肋板的装配界线和定位线。

3.组箱操作

将侧板按底板划好的装配定位线和图样要求装配在底板上，装配时，用90度角尺检查支板的垂直度。确定好位置后进行定位焊。定位焊时的焊接参数与正式焊接相同。定位焊后清除焊缝上的焊渣，用90度角尺测量焊件的垂直度。

4.管板装配

将直管、封管板和管接头进行定位焊，需保证管与孔的同轴度。在直管与板孔之间插一节同径的直管保证同轴度，将直管焊件与侧板进行装配，将直管焊件与顶板进行装配定位焊。

5.装配顶板

将装配好的顶板焊件与箱体焊件进行最后的装配，保证顶板四周尺寸，进行定位焊，注意焊接位置。

三、焊接模拟仿真技术

焊接结构件应力应变模拟仿真一般使用计算机＋软件进行，即虚拟仿真和软件信息化技术，具体针对焊接结构件某一部分进行模拟。

四、焊接应力与变形产生的原因

产生焊接应力与变形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响。

如不同条件下的应力与变形仿真：

1.不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形根据前面对变形知识的讨论，不受约束的杆件在均匀加热与冷却时，其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形，如图5－3a所示。

图5－3　杆件均匀加热时的应力与变形

a）自由状态　b）自由延伸—限制收缩状态c）限制延伸—自由收缩状态　d）限制延伸—限制收缩状态

2.受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形根据前面对非自由变形情况的讨论，受约束的杆件的变形属于非自由变形，既存在外观变形，也存在内部变形。

如果加热温度较低（T＜Ts），材料处于弹性范围内，则在加热过程中杆件的变形全部为弹性变形，杆件内部存在压应力的作用。当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，既不存在残余变形也不存在残余应力。我们把压应力达到屈服强度бs时的温度称为屈服点温度Ts（对于低碳钢来说，就是加热到600℃）。

如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T＞Ts），则杆件中产生压缩塑性变形，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成，甚至全部由塑性变形组成（T＞600℃）。当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：

（1）如果杆件加热时自由延伸，冷却时限制收缩，那么杆件中既有残余应力又有残余变形，如图5－3b所示。

（2）如果杆件加热时不能自由延伸，可以自由收缩，那么杆件中没有残余应力，只有残余变形，如图5－3c所示；

（3）如如杆件受绝对拘束，那么杆件中存在残余应力而没有残余变形，如图5－3d所示。

实际生产中的焊件，就与上述的第一种情况相同，焊后既有焊接应力存在，又有焊接变形产生。

3.长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形如图5－4a所示的长度为L0，厚度为δ的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上进行加热，为简化讨论，我们将板条上的温度分为两种，中间为高温区，其温度均匀一致；两边为低温区，其温度也均匀一致。

加热时，如果板条的高温区与低温区是可分离的，高温区将伸长，低温区不变，如图5－4b，但实际上板条是一个整体，所以板条将整体伸长，此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形，如图5－4c。

冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复，所以，如果高温区与低温区是可分离的，高温区应缩短，低温区应恢复原长，如图5－4d。但实际上板条是一个整体，所以板条将整体缩短，这就是板条的残余变形，如图5－4e。同时在板条内部也产生了残余应力，中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应力。

4.长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形如图5－5a所示的材质均匀的钢板，在其上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄条组成，则各窄条在加热时将按温度高低而伸长，如图5－5b所示。但实际上，板条是一整体，各板条之间是互相牵连、互相影响的，上一部分金属因受下一部分金属的阻碍作用而不能自由伸长，因此产生了压缩塑性变形。由于钢板上的温度分布是自上而下逐渐降低，因此，钢板产生了向下的弯曲变形，如图5－5c所示。

钢板冷却后，各板条的收缩应如图5－5d所示。但实际上钢板是一个整体，上一部分金属要受到下一部分的阻碍而不能自由收缩，所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形，如图5－5e所示。同时在钢板内产生了如图5－5e所示的残余应力，即钢板中部为压应力，钢板两侧为拉应力。

图5－4　钢板条中心加热和冷却时的应力与变形

a）原始状态　b）、c）加热过程　d）、e）冷却以后(www.xing528.com)

图5－5　钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形

a）原始状态　b）假设各板条的伸长　c）加热后的变形d）假设各板条的收缩　e）冷却以后的变形

由上可知：

（1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。

（2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。

（3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。如果这种收缩能充分进行，则焊接残余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，则焊接残余变形小而焊接残余变形大。

（4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。

5.2.2　机器人弧焊VR模拟仿真

在仿真模拟领域，国内外厂商提供的产品和服务主要分为三种形式，分别为专用模拟器、仿真应用开发及仿真系统集成，其中，模拟器市场是仿真模拟训练领域的构成主体，仿真系统集成是基于通用仿真软件和硬件为用户搭建一个应用开发平台。

仿真模拟应用的关键技术：

1.iMotionCap精准定位技术。

2.实时同步的触碰感和力反馈感。

3.操作零延时实时操作体验。

4.实时学员训练辅助功能。

5.iTrue真实的焊接熔池模型技术。

6.“虚拟教师—叠影”技术。

7.焊接录像可共享与随时回放。

8.实时广播教学模式。

9.3D立体视觉焊接模拟。

一、焊接模拟仿真

针对图5－6压力容器的每类焊接，进行焊接工艺参数模拟仿真，即平焊、立焊、平或立角焊缝，如果使用机器人焊接，焊缝位置设置在平位，便于保证焊缝质量。

先做焊缝外观试验，通过不同级别的焊接工艺参数，确定外观质量；然后，做力学性能实验，验证拉伸、弯曲、冲击三类力学性能指标能否符合使用要求。

一、坡口的清理

焊前对坡口周围20 mm范围内进行清理。

二、装配与定位焊

焊件装配的各项尺寸见表5－2所示

图5－6　压力容器示意图

表5－2

在焊件两端进行定位焊，定位焊缝长度为10～15 mm，定位焊时使用的焊丝及焊接参数与正式焊接时相同，定位焊后将定位焊缝两端用角向磨光机打磨成斜坡状，并将坡口内的飞溅物清理干净。

三、焊接参数

低碳钢板对接平焊半自动CO2焊的焊接参数选择见表5－3

表5－3　焊接工艺参数

四、焊条电弧焊接实施

1.焊前准备

（1）焊接材料：E4303型或E4315型，烘焙350～400℃，恒温2 h，随用随取。

（2）焊机：ZX5－400型

（3）焊接：组箱及管板焊接。

（4）工具：气体流量计、钢丝刷、锤子、钢丝钳、常用锉刀、活扳手、台虎钳、台式砂轮、角向磨光机。

2.装配定位焊

3.焊接参数见表5－4

表5－4　焊接工艺参数