基于SYSWELD的SMA490BW低合金钢构架焊接仿真

孙凯 顾庭瑞 郭伟

(四川工程职业技术学院,四川德阳 618000)

基于SYSWELD的SMA490BW低合金钢构架焊接仿真

孙凯 顾庭瑞 郭伟

(四川工程职业技术学院,四川德阳 618000)

焊接仿真的优点在于可以利用先进的仿真软件及后处理程序模拟复杂的焊接过程,可缩短工艺制定周期及成本,本文运用SYSWELD软件焊接仿真功能实现对其焊后残余应力及变形的仿真。通过材料化学成分及物理性质,建立SMA490BW低合金钢材料属性数据库,并输入简化后的焊接电压、焊接电流、线能量等焊接参数,确定了多焊缝焊接顺序。经仿真计算得到构架残余应力及变形结果,通过仿真计算结果和实验测量结果的比对,分析得出最大残余应力及沿焊缝方向残余应力分布规律相当吻合。为今后SMA490BW低合金钢产品改进焊接生产工艺、控制焊接成品质量打下基础。对其焊接生产过程提供指导依据。

SYSWELD SMA490BW低合金钢 焊接仿真 应力 变形

焊接工艺传统做法是通过积累经验来制定的,生产周期长,成本高。如今可以通过焊接模拟仿真缩短周期,节约成本。SYSWELD通过改变工艺参数得到理想的结果,分析后选择最优化工艺,对整个焊接工艺的改进提供理论依据[1]。

本文研究的SMA490BW低合金钢构架作为一种大型焊接结构件,整体尺寸跨度、超过了2米;双边侧梁为下凹型箱体结构,这种特殊结构对整个加工过程来说难度很大;各种吊座繁多且大小形状不一;构架结构复杂,机械加工面多,焊缝数量多,焊缝不规则分布,焊接难度高。

1 材料参数及焊接参数

1.1 材料性质

SMA490BW低合金钢,其金相组织为细小晶粒的铁素体和少量珠光体[2]。SMA490BW钢具有优良的综合力学性能,抗拉强度高,塑性好,同时具有较好的好的耐腐蚀性能,是生产交通运输工具构架的常用材料。

本文运用SYSWELD软件对整个SMA490BW低合金钢构架进行仿真计算。根据材料的力学性能参数,在软件中自定义材料参数,建立SMA490BW低合金钢材料属性数据库。

SMA490BW低合金钢,熔点1500℃,Ac1以及Ac3分别为727℃和867℃,密度为7．75g/cm3,伸长率大于15%。主要化学成分参数如表1所示。

图1 网格模型图

图2 等效应力云图

表1 SMA490BW低合金钢化学成分

焊接材料的物理性质都是随着温度的改变而发生变化的。仿真采用双椭球模型模拟计算得到焊接温度场变化[3]。

1.2 焊接工艺及参数

SMA490BW低合金钢构架整体结构主要是由横梁圆管(壁厚为11mm,外径为203mm)和侧梁(下盖板壁厚为12mm,其余均为8mm)构成,共12条焊缝。预计所有焊缝仿真计算时长控制在10000s内。采用富有氩气体保护焊(MAG)进行焊接,保护气体为80%Ar+20%CO2。在仿真时对焊接工艺参数进行简化,电压25V,电流250A,焊接速度8mm/s)同时考虑到MAG焊热效率系数为0．7～0．85,选取焊接线能量为600J/mm。

整个构架结构上分布有5对对称焊缝及其他两条焊缝,共12条焊缝。按生产工艺,其焊接顺序为：气室焊缝至环焊缝。

2 网格模型

在建立网格模型前需将SMA490BW低合金钢构架的几何模型简化。由于构架是对称结构,取其一半,并将侧梁简化成三部分,8mm上盖板、12mm下盖板、8mm腹板,横梁是壁厚为11mm,外径为203mm的横梁圆管,选取横梁与侧梁相交的一部分,构架结构共有焊缝12条,仿真计算时无法实现焊缝交叉的计算,所以在网格模型中,对交叉焊缝位置进行简化。

在焊接数值仿真中计算是一个非线性瞬态过程,在焊缝区及热影响区附近使用加密的网格得到较为精确的温度分布而远离焊缝区域用较稀疏的网格以减小运算规模。焊接过程中采用单元激活来实现焊接动态仿真。

图3 构架测点焊接应力

综上所述,建立网格模型包括各部件的三维单元、散热面的二维单元、焊接线的一维单元以及焊接轨迹的定位节点和约束节点,整个模型整体尺寸为1394x748x398(mm),网格共有89890个三维单

元,129598个节点。网格模型如图1所示。

图4 沿焊缝向应力结果比对曲线

图5 X-Y平面上变形

图6 Y向变形

3 仿真结果

3.1 应力仿真结果

图2为焊接完毕后SMA490BW低合金钢构架充分冷却下得到的焊接等效应力场云图,图中显示,残余应力的分布以焊缝附近两侧热影响区最大,等效应力峰值291．8MPa。

3.2 仿真结果与实验结果比对

构架残余应力实验测量主要采取X射线衍射法对焊缝结构进行残余应力测量,采用iXRD残余应力测量仪。选取构架上部分重要测点,共计8个测点,如图3所示。

比较所选测点数据为沿焊缝方向残余应力,以及垂直焊缝方向残余应力,测点数据如图3所示,经图4比对可知实验所得残余应力分布规律与仿真所得残余应力分布规律相似,仿真得到的残余应力分布结果整体高于测试值。

3.3 变形仿真结果

通过仿真计算,图5、图6分别为SMA490BW低合金钢构架部件在X-Y平面及Y方向上的变形情况,为了更清楚的将变形效果显示出来,图6中变形局部放大了50倍,实线部分为焊件原始位置的轮廓形状。

构架在多个方向上的轮廓形状产生了变形,焊后Y轴正方向存在较大弯曲。

4 结语

本文采用软件对SMA490BW低合金钢构架进行焊接仿真工作,结果能较好的反映焊接构架残余应力及变形结果,通过仿真计算及实验测量比对分析,当前焊接工艺计算结果与实验测量所得焊接残余应力沿焊缝方向存在一定的误差,实际焊接过程中涉及到多层多道焊造成残余应力偏大,但整体沿焊缝方向残余应力分布规律较为吻合。通过仿真计算可以将应力及变形结果数据用于改进焊接工艺,如改变焊缝焊接顺序,改进构架焊接夹具位置等方式减小焊接残余应力及变形。减少成本投入,提高焊接质量及生产效率。

[1]LiuB.C. The 4th international conference on frontiers design and manufacturing [C].Hangzhou,June 17-19,2000,1-7.

[2]李丹丹等.多次补焊对SMA490BW钢焊接过热区冲击性能的影响[J].热加工工艺,2011,17(40):161-163.

[3]汪建华,戚新海等.三维瞬态焊接温度场的有限元模拟[J].上海交通大学学报,1996,30(3):120-125.

孙凯(1982.5),男,硕士,助教,有限元分析、数值模拟,四川工程职业技术学院。