1、西安航空职业学院毕业论文有限元法分析筒形钣金件焊接变形与改进措施姓 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，对发动机某筒型件进行焊接模拟研究，并通过工艺试验对改进措施加以验证。模拟结果显示:夹具卸掉后，系统的受力平衡状态被打破，件 III 的夹具约束部位产生很大回弹，导致关键尺寸 131.70.2mm 超差；通过反变形法，自制 0.6mm 的垫片，放到焊接夹具的定位板与心轴之间，成功的补偿了焊后因为件 III 的约束部位回弹造成的尺寸缩短问题，焊后关键尺寸完全合格。关键词：焊接模拟；有限元分析；GH625；TI
2、G0 前 言航空某筒型钣金件焊后回弹严重，焊接变形难以控制，变形方向难以预测，给生产带来了不小的困难。其零件局部如图 1 所示，在生产中，筒型钣金件的焊后合格率低于 5%，图2 中的 131.7mm 尺寸在实际焊后为 130.9 至 131.2mm 左右，需要通过钳工长时间校正才能正常交付，由于该尺寸长期超差，被升级为关键尺寸。现役焊接夹具对可能发生收缩变形的地方已经做了约束，可能是零件的焊后收缩趋势没有掌握清楚，焊接夹具没有真正约束到发生变形的位置，导致现役焊接夹具无法保证焊后尺寸。图 1 零件局部图本文以法国 ESI 公司开发的焊接模拟软件SYSWELD 为平台，对零件进行焊接模拟，通过对
3、比焊接夹具卸掉前后的变形量来确定零件各个部位的变形趋势，对影响关键尺寸的变形采取工艺补偿措施。图 2 零件尺寸示意图(件 I 与件 III 通过焊接连接 )1 有限元分析1.1.1 有限元模型与参数模型如图 3 所示，接头采用搭接接头，焊缝处各单件厚度为 0.8mm，模拟不加丝钨极氩弧焊。实验参数见表 1。材料为 GH625，其材料性能如表 21。表 1 焊接模拟参数功率/W焊接速度/ mms-1约束状态计算时间/s卸掉夹具状态计算时间/s400 2 01800 18002000网格划分时，鉴于零件为回转体，且板料厚度相对于直径很小，模型采用二维面网格单元构建；焊缝中心的网格尺寸为 1mm，远
4、离焊缝处的网格尺寸为 2mm。图 3 零件有限元模型焊缝宽度约 4mm。模拟的约束状态为现役夹具的约束状态，即件 III 的 A 端面与件 II 的大端面全约束。模拟的初始温度设定为 20。表 2 GH625 的材料参数温 度 / 20 200 400 600 800 1290热 导 率 /Wm-1 -1 9.4 12.14 15.03 18.3 21.54 29.47密 度 /gcm- 8.44 8.44 8.44 8.44 8.44 8.44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 17
5、0 160 10泊 松 比 0.3 0.31 0.31 0.32 0.32 0.33线 膨 胀 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 51.1.2 热源模型双椭球体热源模型所产生的温度场可以精确的仿真出 TIG 焊温度场 2-4。图 3 双椭球热源模型如图 3 所示，该模型分前后半球两部分，前半球的功率密度为：（1）e22fbzaycx1R.Q后半球的功率密度为：（2）22bzaycx2R.a，b 分别为椭球的 Y 向、Z 向半轴，mm；cf，cb 分
6、别为前后半椭球 X 向半轴，mm；Qf ，Qb 分别为前后半球的热输入，W/mm 3。1.2 变形场结果图 4 焊接模拟变形场结果（a，夹具未卸时的室温变形状况；b，夹具卸掉后保持 200s 时的变形状况）如图 4 所示，红色代表变形量超过 0.45mm，蓝色代表变形量为 0。按照服役焊接夹具约束状态，经焊接模拟后发现，单件 I 的焊缝端在焊后向下收缩，且收缩量很大，其最大收缩量为 0.54mm；件 III 的 A 端面（图 4a 的 A 处）由于夹具的约束作用，其变形量在0.010.05mm 之间；卸掉夹具后并计算 200s 时发现，件 III 的 A 处的变形量变为 0.48mm 左右，且
7、方向向下。II 在夹具卸掉前后焊接收缩量均很小，低于 0.05mm。由模拟结果可知，导致焊后出现大变形的主要原因是：件 I 在焊接收缩应力作用下向下变形，但是与其焊接在一起的件 III 处于全约束状态，导致焊后在件 III 与件 I 的连接处产生弹性变形；夹具卸掉后，发生弹性回复，带动件 III 向下变形，造成件 III 的 A 处到件 II 的大端面尺寸，即高度131.70.2mm 变短，尺寸无法保证。2 工艺改进需要采用反变形的手段补偿焊接收缩。由于焊接模拟没有考虑实际定位焊的额外热输入影响以及考虑到焊接模拟结果的粗略性，根据焊接模拟的收缩量，自制 0.6mm 的垫片，放到焊接夹具的定位板
8、与心轴之间，如图 5 的 B 处，将件 I 与件 III 的焊接组件整体垫高，并保持焊缝间隙。图 5 车削件 II 的焊缝端面本次试验一共 4 个零件，零件号分别为 1#、2#、3#、4#，焊接电流为 35A，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# 132.1 131.62# 132.2 131.63# 131.9 131.54# 132.3 131.8焊后尺寸完全保证在 131.70.2mm，成功的解决关键尺寸成批超差的问题。3 结论通过以上分析得出以下结论：（1）通过焊接模拟分析，预测出筒型钣金件焊后的回弹变形方向，由于焊接
9、夹具卸掉后，系统的受力平衡状态被打破，件 III 与件 I 发生了回弹变形，导致关键尺寸超差。（2）通过反变形法，自制 0.6mm 的垫片，放到焊接夹具的定位板与心轴之间，成功的补偿回弹变形造成的尺寸缩短问题。焊缝件 II件 I 与件 III 焊接组件B参考文献：1 颜鸣皋等.中国航空材料手册第 2 卷M.中国标准出版社,2002.2 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，2010.3 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 宇慧平,韩长录,张亦良等.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.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!
