焊接方向对H型构件焊后变形的影响研究

岳国柱，王国安，徐武彬，李 冰

（广西科技大学机械与交通工程学院，广西 柳州 545616）

1 引言

H型构件是生产中常用的构件，根据其结构形式及特点，在航空航天、石油化工、车辆和农业设备、港口起重机械等方面应用广泛［1-2］。目前H型构件主要是通过焊条电弧焊，熔化极活性气体保护焊，埋弧焊、电阻焊和钎焊等焊接方法［3-4］，将H型构件的上下两块翼板与中间的腹板焊接在一起。H型构件在焊接过程中与其他焊接件一样，由于受热不均，从而产生残余应力与焊接变形，无法达到装配要求。在焊接后仍需要矫正装置对构件变形进行矫正，这样就增加工序，增加了生产时间，同时增加了生产成本。

通常减小结构焊接变形的方法有调节焊接顺序、调节焊接方向、优化结构、改变热输出、采取合理的焊接工艺、反变形法或加强焊接约束等［5-6］，相对于其他焊接方法，通过改变焊接方向从而减小H型构件在焊接后变形的方法具有很高的可实现性［7］。焊接方向同时又是引起构件在焊接后产生变形的重要因素之一，通过对焊接方向的优化可以有效地控制扭转变形，对焊接结构的设计与制造工艺方法选择有着重要的意义［8-10］。这里采用了热弹性变形法，建立了有限元仿真模型，对不同的焊接方向进行研究，通过分析焊后H型构件的变形数据，揭示了不同的焊接顺序对H型构件的扭转变形的规律，为焊接方向对H型构件焊后变形的影响研究提供了相应的理论基础。

2 模型的建立

2.1 H型构件有限元模型的建立

这里的H型构件模型，如图1所示。主要采用两块Q345钢板与一块Q345 圆柱进行对接焊接，所选取焊接钢板的厚度为10mm，长和宽分变为500mm 和80mm；中间圆柱横梁直径为40mm，高度为160mm。建立了六面体网格模型，整体网格的边长在15mm左右，其中焊缝及焊缝周围处有限元网格大小为（2×2×2）mm，离焊缝距离越远有限元网格模型越大，最大网格的边长在（15～18）mm之间。

2.2 材料的特性

Q345钢的焊接工艺参数及化学成分［11］，如表1所示，由于本次研究采用的是三层三道焊，第一层焊缝的焊接速度为6mm/s，第二层焊缝的焊接速度为5mm/s，第三层焊缝的焊接速度为5mm/s，焊接时采用CO2气体保护焊，焊接电流为（125 5）A，电弧电压为（25 5）V。

表1 Q345钢的焊接工艺参数及化学成分Tab.1 Welding Process Parameters and Chemical Composition of Q345 Steel

3 H型构件焊接仿真模拟

3.1 H型构件的焊接方向方案设计

为了便于研究焊接顺序对H型构件的扭转变形的影响，对构件的结构进行了编号，上翼板左右两端分别为a端和b端；下翼板左右两端分别为c端和d端；x方向为横向变形，y方向为纵向变形，z方向为扭转变形。焊接方向示意图，如图2所示。

图2 焊接方向示意图Fig.2 Schematic Diagram of Welding Direction

同时结合焊接操作的方便性，可实施性，选取某一方向为焊接正方向，用“+”表示，相反的方向为负方向，用“-”表示，计焊接顺序方案，如表2所示。

表2 焊接方向方案Tab.2 Welding Direction Scheme

3.2 构件的纵向变形分析

利用Sysweld软件对其进行变形计算分析，焊接方案为1、2、3构件的纵向变形云图，如图3 所示。不同焊接方案纵向形对比图，如图4所示。

图3 纵向变形云图Fig.3 Longitudinal Deformation Cloud Map

图4 不同焊接方案纵向变形量对比Fig.4 Comparison of Longitudinal Deformation of Different Welding Schemes

由图4、图5 可以看出，纵向变形主要发生在上下翼板的两端，两端距离中心圆柱横梁较远，没有支撑，变形较大，且当上下翼板的焊接方向均为正时，右端变形比左端大，当上下翼板的焊接方向均为负时，右端变形比左端小，当上下翼板焊接方向相反时，两端变形相当。虽然焊接方向对焊后纵向变形有影响，但表现为一端增大另一端缩小的现象，并不能减小整体纵向变形情况。

3.3 构件的扭转变形分析

扭转变形为构件在z轴方向上的变形，在上下翼板的两端均有用来装配的孔，如图2 所示。焊接后左端两孔的相对变形量（AC在Z轴方向上的相对变形量）和右端两孔的相对变形量（BD在Z轴方向上的相对变形量），会决定后续是否需要矫正工序来满足装配要求。

不同焊接方案扭转变形对比图，如图5所示。由图可以看出方案1与方案3的两端在Z轴方向的相对变形量较小，在0.02mm以内，满足两孔的同轴度为0.002mm的装配精度要求，不需要焊后矫正工序；方案2与方案2与方案3的两端在Z轴方向的相对变形较大，最大为0.117/mm，不能满足装配要求。

图5 不同焊接方案扭转变形量对比Fig.5 Comparison of Torsional Deformation of Different Welding Schemes

4 实验验证

4.1 实验设计

为了探究仿真的准确性，对仿真进行了实验验证，采用了欧地希FD-B4型弧焊工业机器人进行焊接实验，如图6所示。焊接试验采用的焊接电流为（125±5）A，电弧电压为（25±5）V，第一层焊缝的焊接速度为6mm/s，第二层焊缝的焊接速度为5mm/s，第三层焊缝的焊接速度为5mm/s，材料为Q345钢，采用CO2气体保护焊，每组仿真焊接方案做4组实验，共16组。

图6 欧地希FD-B4型弧焊工业机器人Fig.6 OTC FD-B4 Arc Welding Industrial Robot

4.2 分析结果

焊接完成后的工件，如图7所示。通过用三维坐标测量仪对焊接后工件的纵向变形量的测量以及在Z轴方向上的扭转变形量的测量，得到每组4次不同焊接方向的实验焊后变形量平均值。

图7 焊后工件图Fig.7 Post-Weld Workpiece Diagram

不同焊接方向纵向变形量仿真实验对比图，如图8所示。其中，左端纵向变形量仿真实验对比图，如图8（a）所示。右端纵向变形量仿真实验对比图，如图8（b）所示。不同焊接方向扭转变形量仿真实验对比图，如图9所示。其中，左端扭转变形量仿真实验对比图，如图9（a）所示。右端扭转变形量仿真实验对比图，如图9（b）所示。

图8 不同焊接方向纵向变形量仿真实验对比图Fig.8 Comparison of Simulation Experiments of Longitudinal Deformation in Different Welding Directions

图9 不同焊接方向纵向变形量仿真实验对比图Fig.9 Comparison of Torsional Deformations in Different Welding Directions

由仿真实验对比图可以看出，实验结果与仿真结果基本保持一致，方案2中右端的实验纵向变形量与扭转变形量均为最大，分别为3.956mm和0.134mm，与实验的误差为16.22%和12.69%；方案1 中左端的实验纵向变形量与扭转变形量均为最小，分别为3.148mm和0.014mm，与实验的误差为11.32%和16.67%；实验得出的变形量与仿真得出的变形连均在17%以内，认为误差在17%以内仿真结果预实验结果是一致的。

5 结论

（1）焊接方向对H构件焊后的变形有影响，对纵向变形影响较小，对扭转变形影响明显。（2）当上下翼板的焊接方向相同时，上下翼板在焊接后朝着相同的方向发生扭转变形，上下翼板的相对扭转变形较小，在0.02mm以内，在一定程度上不需要后续矫正工序即可满足装配需求。（3）当上下翼板的焊接方向相反时，上下翼板在焊接后朝着相反的方向发生扭转变形，上下翼板的相对扭转变形较大，最大为0.117mm，需要后续矫正工序。