动臂梁焊接顺序优化减小焊接变形模拟预测
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摘要： 利用热弹塑性有限元法对装载机动臂梁结构的焊接变形进行热-力耦合数值模拟.建立分析模型，定量对比在同一约束条件下动臂板与动臂圆筒、摇臂板与动臂圆筒的焊接顺序对整体结构焊接变形的影响，按照对称组焊的原则优化焊接顺序.结果表明，对称结构的动臂梁采用交替焊接顺序与沿一个方向顺次焊接顺序相比，动臂板与摇臂板变形量都减小，先焊动臂板比先焊摇臂板-动臂板角变形小.得出整体结构的最佳焊接顺序方案，并将预测的在最佳焊接顺序下的变形模拟值和试验值进行对比，二者吻合良好.
关键词： 装载机； 动臂梁； 焊接顺序； 焊接变形； 数值模拟
中图分类号： TG404；TB115.28 文献标志码： B
Simulation and prediction for welding deformation reducing by
welding sequence optimization of movable arm beam
ZHOU Guangtao1，2， HU Jichao2， FANG Hongyuan1
（1. Postdoctoral Research Station， School of Materials Science and Engineering， Harbin Institute of Technology，
Harbin 150001， China；
2. Postdoctoral Work Station， Xiamen XGMA Machinery Co.， Ltd.， Xiamen 361023， Fujian， China）
Abstract： The thermal-mechanical coupling numerical simulation is performed on the welding deformation of a loader movable arm structure using the thermal elastoplastic finite element method. Under the same constraint conditions， an analysis model is built to quantitatively compare the effect of welding sequences of movable arm plate with movable arm cylinder and rocker arm plate with movable arm cylinder on the welding deformation of whole structure. The welding sequence is optimized according to the principle of symmetry welding. The results show that， as for the symmetrical structure of movable arm beam， the deformation of its movable arm plate and rocker arm plate decreases and is smaller under first welding movable arms plate than that under first welding ocker arm plate. The optimal welding sequence of the whole structure is obtained， under which the simulated deformation value is consistent with the measurement value better.
Key words： loader； movable arm beam； welding sequence； welding deformation； numerical simulation
收稿日期： 2013-08-15
基金项目： 厦门市科技计划项目（3502Z20133023）
作者简介： 周广涛（1973—），男，黑龙江巴彦人，副教授，博士，研究方向为焊接，（E-mail）；
方洪渊（1956—），男，黑龙江哈尔滨人，教授，博导，博士，研究方向为焊接，（E-mail）
0 引 言
装载机动臂是装载机工作装置中的关键支撑和主要受力结构，在工作中除承受较大的静工作载荷外，还要承受一定的冲击载荷.由于动臂结构经过多道连续焊接，受焊接应力的影响，动臂板与摇臂板会产生不同程度的变形.焊接变形将影响结构尺寸的精度，使结构之间装配困难，或者勉强装配后产生超过容许限度的装配应力而减弱承受能力[1-3].
焊接顺序对残余应力和变形产生的影响很大，因此，质量要求较高的焊接结构件均在其焊接工艺流程中安排合理的焊接顺序[4-6].控制焊接变形的方法很多，但大多基于实验室理论研究层次[7]；对于实际生产，通过安排合理的焊接顺序减小焊接变形的方法最易应用[8-9].
本文使用非线性有限元模拟软件Marc，以装载机动臂组合构件为对象，对动臂组合构件的6道焊缝的焊接顺序进行数值模拟计算.对提出的3种焊接顺序方案所产生的变形进行定量分析，得出最优化的焊接顺序，为减小焊接变形提供参考，并为实际焊接生产提供合理的组合方案.
1 动臂有限元模型建立
1.1 动臂结构及其网格划分
动臂梁由动臂圆筒、2块动臂板和2块摇臂板等焊接组合而成，动臂梁结构见图1.动臂板上2圆孔之间距离为2 632 mm，板厚为22 mm，2动臂板之间距离为820 mm；摇臂板长约为570 mm，厚度为15 mm，2摇臂之间距离为160 mm；动臂圆筒外圆直径为180 mm，厚度为20 mm，长度为820 mm.由于该结构尺寸较大，若采用均匀的网格划分，单元数目可达到几十万个.为节省运算时间、提高精度，在离焊缝比较近即温度梯度大的区域采用细密网格，在远离焊缝即温度梯度很小的区域采用粗大网格，整体表现为由密到疏的过渡方式.模型采用八节点六面体单元类型，整体结构有限元模型网格见图2，共含有7 384个单元和11 326个节点.
图 1 动臂梁结构，mm
Fig.1 Movable arm structure， mm
图 2 整体结构有限元模型网格
Fig.2 Finite element mesh of whole structure
1.2 材料特性
动臂结构采用Q345材料（16Mn）焊接而成，材料热物理和力学性能参数均随温度变化而变化.随着温度的升高，弹性模量和屈服极限等力学参数都随之减小，这对焊接模拟结果的准确性有重要作用.模拟采用的Q345材料热物理和力学参数[3]见表1.
表 1 Q345材料热物理和力学参数
Tab.1 Thermal-mechanical parameters of Q345
1.3 热源模型
焊接过程模拟计算是热-力耦合过程，焊接温度场决定焊接应力场和变形场，而温度场计算精确与否取决于热源模型.因此，很有必要选择合适且计算效率高的热源模型.本文模拟采用最能接近电弧焊熔池精度的三维双椭球热源模型（见图3）[3]，并用恒温热源模拟焊接过程.双椭球热源模型的前、后2部分采用不同的表达式，前半部分椭球内热源分布的表达式为q（x，y，z，t）=63f1Qπabc1πexp-3x2a2exp-3y2b2exp-3（z-vt）2c21 （1）后半部分椭球内热源分布的表达式为q（x，y，z，t）=63f2Qπabc2πexp-3x2a2exp-3y2b2exp-3（z-vt）2c22 （2）式中：Q=ηUI；η为热源效率；U为焊接电压，V；I为焊接电流，A；a，b和c分别为椭球形状参数；f1和f2为前、后椭球热量分布函数，f1+f2=2.
图 3 双椭球热源模型
Fig.3 Double ellipsoid heat source model
2 不同焊接顺序下变形计算结果
2.1 焊缝安排和焊接顺序
焊缝位置见图4，共有6条焊缝，分为2种焊缝类型：（1）2动臂板与动臂圆筒之间通过2条环角焊缝1和6焊接而成；（2）2摇臂板与动臂圆筒之间共4条半环角焊缝2，3，4和5焊接而成.
图 4 焊缝位置
Fig.4 Positions of welding seams
根据实际焊接经验，采用交替焊接顺序有利于减小焊接变形，结合2种焊缝类型，共提出3种焊接方案.
方案1 从左到右顺序焊接，即依次焊接焊缝1—2—3—4—5—6.
方案2 先焊接动臂和动臂圆筒，然后焊接摇臂和动臂圆筒，焊接顺序为1—6—2—5—3—4.
方案3 先焊接摇臂和动臂圆筒，然后焊接动臂和动臂圆筒，焊接顺序为2—5—3—4—1—6.
动臂梁焊接变形是影响其焊接成型质量的主要因素之一.变形主要表现为动臂板的挠曲变形和摇臂板的角变形，变形结果直接影响动臂的后续加工装配以及产品使用.焊接顺序的不同对焊接变形大小有重要影响，因此，本文从动臂板的收缩角变形量和摇臂板的收缩角变形量这2个方面衡量焊接变形的优劣.本文以变形后结构中沿板长度方向的点在焊接前、后偏离量为衡量变形大小值的考察值，见图5.
图 5 变形考察值的参考方向
Fig.5 Reference direction of deformation
2.1 3种焊接顺序方案的结构变形趋势
采用3种不同焊接顺序焊后所产生的变形，在整体上都表现出2动臂板向内侧弯曲变形；摇臂板的变形量虽小，但变形情况比较复杂.模拟结果显示，3种焊接顺序的总体变形趋势大致相似，但具体变形值不同；为体现变形的直观性，在提取计算结果时增加变形显示系数.图6为具有代表性的方案1的变形结果.
2.3 3种焊接顺序对结构变形数值的影响
3种焊接方案的动臂板1变形见图7，可知，沿动臂板1长度方向焊接变形量依次减小；到达中点时焊接变形量达到最小；然后，沿着动臂板1长度方向焊接变形量又逐渐增大；焊接变形量在长度两端达到最大，约为12 mm，变形量分布曲线成V形分布.产生这种变形的主要原因是动臂板与动臂圆筒间的焊缝产生收缩应力，使动臂板产生挠曲变形.3种方案在沿动臂板1长度方向上的变形量变化范围在0～12 mm.在3种方案中，焊接方案2变形量最小，方案3次之，方案1的焊接变形量最大.
（a）整体变形
（b）摇臂变形图 6 方案1的焊接变形云图，m
Fig.6 Welding deformation contours fo scheme 1，m
图 7 3种焊接方案的动臂板1变形
Fig.7 Deformation of movable arm plate 1 under three
welding schemes
3种焊接方案动臂板2的变形见图8，变形方式与动臂板1相似，但变形方向相反，变形量大小范围在1～13 mm.焊接方案2变形量最小，方案3次之，方案1变形量最大.
图 8 3种焊接方案动臂板2的变形
Fig.8 Deformation of movable arm plate 2 under three
welding schemes
3种焊接方案摇臂1的变形见图9，可知，3种焊接方案情况下，摇臂1的变形情况不同.在焊接方案2和方案3情况下，摇臂变形量沿长度方向先逐渐减小到0，然后沿反方向变形，变形量逐渐增大.二个方向上变形量最大值都约为0.2 mm.在焊接方案1情况下，摇臂板1的变形量沿长度方向上逐渐减小，变形量最小为0.3 mm，最大为0.6 mm.3种焊接方案中，方案1的变形量最大，方案2与方案3的变形量相近.
图 9 3种焊接方案摇臂1的变形
Fig.9 Deformation of rocker arm plate 1 under three
welding schemes
3种焊接方案摇臂2的变形见10.
图 10 3种焊接方案摇臂2的变形
Fig.10 Deformation of rocker arm plate 2 under three
welding schemes
由图10可知，3种焊接方案情况下，摇臂2的变形情况不同.在焊接方案2和方案3情况下，摇臂2变形量沿长度方向上先逐渐减小至0，然后沿反方向变形，2个方向上的变形量最大值分别为0.3 mm和0.15 mm.在焊接方案1情况下，摇臂板2的变形量沿长度方向上逐渐减小，变形量最小为0.05 mm，最大为0.70 mm.3种焊接方案中，方案1的变形量最大，方案2与方案3的变形量相近.
2.4 方案比较
对3种方案，通过4种焊接变形评价标准判别焊接方案的优劣.总结3种方案的对比结果，3种焊接方案的焊接变形对比见表2，可知，在3种焊接顺序方案中，方案2最优，方案3次之，方案1最差.
表 2 3种焊接方案的焊接变形对比
Tab.2 Welding deformation comparison under three
welding schemes
对上述最佳焊接顺序方案进行实际焊接测量，动臂板实际测量值小于计算值，摇臂板实际测量值大于计算值.在方案2实际测量值中，动臂板1变形量为9.2 mm，动臂板2变形量为9.4 mm，摇臂板1变形量为0.25 mm，摇臂板2变形量为0.32 mm.方案2对比数值见表3.
表 3 方案2计算值与测量值比较
Tab.3 Comparison of calculation value and measurement
value under scheme 2
3 结 论
（1）对3种不同焊接顺序方案进行数值模拟计算，得出最佳焊接顺序是方案2.方案1的动臂板与摇臂板的焊接变形量均为最大.方案2与方案3相比，前者可减少动臂板的变形量，二者的摇臂板变形量相近.
（2）焊接顺序为方案2时，焊接变形量最小.对该焊接顺序进行实际焊接试验，结果表明实测变形量值与计算值吻合，证明模拟计算的正确性.
（3）研究结果对实际生产起参考作用，建议在不增加太大成本的前提下，在控制焊接顺序的基础上采取其他措施，进一步完善结构变形.参考文献：
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