1、西安航空职业学院毕业论文基于有限元分析 J 形件焊接变形趋势与改进措施姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：以焊接模拟软件 SYSWELD 为平台，用双椭球热源模型，对 J 形件的焊后合格率低于 10%的原因进行模拟研究，并通过工艺试验对改进措施加以验证。试验结果表明：模拟分析得出，由于夹具压紧力的作用，零件焊接收缩方向发生变化，使得现役焊接夹具无法保证焊后尺寸，导致关键尺寸超差；通过留余量法，在焊接变形的反方向留足够的余量，焊后成功的保证了零件的关键尺寸。关键词：有限元分析；GH625;SYSWELD；TIG0 引言J 形件是发动机上的重要组成部分，如图 1
2、所示，其中尺寸 23mm 会影响到发动机的使用性能。生产过程中，该零件的焊后合格率低于 10%，主要是由于图 2 中的 23mm 尺寸在焊后为 22.4 至 22.6mm 左右，严重影响正常的生产周期，该尺寸被升级为关键尺寸。零件的焊接变形趋势与其具体结构有关，设计焊接夹具首先要判断焊接变形趋势，如果判断出现错误，则会加重焊接变形。该 J 形件的焊接夹具是基于单件 I 焊后向焊缝侧收缩的假设进行设计的。如何正确判断焊接变形趋势，是设计焊接夹具、控制焊接收缩的关键。图 1 零件局部图本文采用 Sysweld 焊接模拟软件 1，对零件进行焊接过程仿真，通过仿真焊后夹具卸掉前后的变形量来确定零件焊后
3、变形趋势。图 2 J 形件剖面图1 模拟分析1.1.1 仿真模型及参数零件焊接接头为对接形式，仿真不填丝钨极氩弧焊（如图 3） 。仿真参数如表 1 所示。焊接处材料为 GH625，壁厚为 0.8mm。其材料数据如表 22。表 1 仿真参数功率/W焊接速度/ mms-1约束状态计算时间/s焊后非约束状态计算时间/s400 2 0500 500 700网格划分时，考虑到零件为回旋结构，且壁厚很薄，本次仿真采用二维面网格单元建模；焊缝处网格大小为 1mm，其余部分网格大小为 2mm。图 3 零件有限元模型根据实际焊缝尺寸，仿真分析的正面焊缝宽度约 3mm，背面焊缝宽度约 2mm。同时，焊接约束状态为
4、实际焊接时的夹具约束状态，如图 3 所示。试件的初始温度为 20，其热辐射损失采用斯蒂芬-波尔兹曼方程计算，吸射率取经验值 0.8，对流损失取经验值 25W/m2。表 2 GH625 材料数据温 度 / 20 200 400 600 800 1290比热容 /Jkg-1 -1 412.5 455.1 502.2 550 598.5 717.3弹 性 模 量 / GPa 205 195 185 170 160 10密 度 /gcm- 8.44 8.44 8.44 8.44 8.44 8.44热 导 率 /Wm-1 -1 9.4 12.14 15.03 18.3 21.54 29.47线 膨 胀
5、系 数 /10-6 -1 12.32 13.04 13.5 14.34 15.44 17.79屈 服 强 度 / MPa 498.7 456.5 409.6 361.4 285.3 5泊 松 比 0.3 0.31 0.31 0.32 0.32 0.331.1.2 热源模型零件采用钨极氩弧焊，选用双椭球热源模型（见图 4） ，可以精确的仿真出钨极氩弧焊温度场 3,4。通过调整模型的高斯参数来调节热流密度在模型中的分布，获得符合实际焊缝的熔核尺寸。模型的数学表达式如下：（1）e22fczbyax1R.Q（2）22r2图 4 双椭球热源模型其中，Q R2 为椭球 r 功率密度，单位 W/mm3QR1
6、 为椭球 f 功率密度，单位 W/mm3Qr 为椭球 r 热输入量，单位为 W/mm3Qf 为椭球 f 热输入量，单位为 W/mm3；ar， af， b，c 为模型的高斯参数。1.2 变形场结果图 5 焊接模拟变形场结果（a，夹具未卸时的室温变形结果；b，夹具卸掉后保持 200s 时的变形结果）如图 5 所示，红色区域指向上变形（如图 a 所示）超过 0.03cm，蓝色区域指变形为0cm。根据焊接夹具的约束状态，经焊接仿真计算后发现：夹具未卸掉时，件 III 处于全约束状态，没有发生变形；件 I 在夹具的压紧力与支靠面的同时作用下发生微小的向下变形。夹具卸掉后，与件 II 铆接的件 III 向
7、上移动，且移动量很大，其最大移动量为 0.45mm，如图 4(b)中的 A 处；件 I 几乎没有发生变形。根据仿真计算结果分析，导致焊后出现大变形的原因如下：在夹具压紧力与焊接收缩力的共同作用下，件 II 的焊缝端在焊后向下变形，导致与其连接在一起的件 III 有个向上移动的趋势，由于件 III 的 A 端面是全约束状态，所以件 III 处于受力平衡状态而未发生变形。当焊接夹具卸掉后，件 III 受力平衡遭到破坏，为了达到新的力学平衡而向上移动；因为焊接夹具压紧力的作用，抵消了件 I 的焊接收缩变形，使得件 I 几乎未发生变形，最终造成关键尺寸 23mm 偏小。2 工艺改进通过对尺寸链的分析，
8、为保证后续普车工序有余量加工，以保证零件最终尺寸，该关键尺寸必须在 2324mm 之间。结合模拟分析结果，需要通过留余量法来补偿焊接收缩变形，即需要车削件 II 的焊接侧的端面，如图 6 所示，保证尺寸 。2.07图 6 车削件 II 的焊缝端面本次分析一共试验 5 个零件，编号分别为 1#5#，焊接电流为 40 安培，焊接速度为 2 mms-1。焊后关键尺寸如表 3 所示。表 3 关键尺寸测量值组别 焊前尺寸 焊后尺寸1# 23.98 23.742# 23.95 23.73# 23.87 23.594# 23.74 23.45# 23.68 23.39焊后尺寸完全保证在 2324mm 之间，
9、成功的解决关键尺寸成批超差的问题。3 结论通过上述分析得出以下结论：（1）通过仿真模拟分析，正确预测出零件焊后的变形方向，由于夹具压紧力的作用，零件焊接收缩方向发生变化，使得焊后件 III 向上移动，而件 I 几乎不发生变化，导致关键尺寸超差。（2）通过留余量法，车削件 II 的焊缝端面，保证尺寸 ，再与件 I 对接焊接，焊后2.075 个试验件的关键尺寸均在 2324mm 之间，成功解决关键尺寸超差问题。参考文献：1 宇慧平,韩长录等.矩形压力容器焊接残余应力的数值分析J.焊接技术,2014,43(6):7-11.2 颜鸣皋等.中国航空材料手册第 2 卷M.中国标准出版社,2002.3 莫春立, 钱百年. 焊接热源计算模式的研究进展J. 焊接学报,2001,6(22):93-96.4 德亚莎.T 型接头焊接温度场与应力场的数值仿真D.内蒙古呼和浩特：内蒙古工业大学，2010.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
