基于ANSYS的开关杠杆焊接工艺研究

程双胜 方思源



基于ANSYS的开关杠杆焊接工艺研究

程双胜 方思源

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

杠杆在焊接过程中由于温差及焊后冷却方式的不同均会出现不同程度的焊接应力，本文通过ANSYS高斯热源的加载算法对杠杆焊接及焊后冷却方式的不同情况进行数值对比分析，确定合适的焊接工艺参数，形成最优焊接工艺方法指导生产，提高开关焊接质量。

ANSYS 焊接应力 高斯热源 杠杆

0 引言

开关杠杆材料为45号碳钢，其特点是强度较高，且有较好的韧性，切削性优良，经调质处理后能获得较好的综合力学性能，无回火脆性；但与低碳钢相比，其焊接性较差，母材近缝区容易产生低塑性的淬硬组织，有一定的淬硬倾向。焊料选用不当或焊接工艺参数选择不当时，容易出现冷裂纹。另外在焊接时由于母材的熔化，焊缝含碳量增加，焊缝容易产生热裂纹。

在焊接结构设计和工艺分析中，一般是通过大量焊接工艺试验来评定工艺因素的变化对焊接残余应力和变形乃至使用寿命的影响。近年来，随着数值计算理论和有限元方法的发展以及计算机的普及和性能的提高，焊接过程的数值模拟得以实现。通过数值模拟计算、动态仿真焊接过程，预测不同焊接工艺条件下的残余应力和变形，而实现对焊接工艺的优化设计。

本文运用ANSYS软件并采用高斯热源对杠杆焊接过程及后处理进行模拟分析，得出焊件的应力分布图，形成最优焊接工艺方法。

1 焊接参数

1.1 试验件的选择

本次使用δ5钢板45#与Φ45圆钢45#加工成如下所示形状并进行焊接，如图1所示：其中项1为δ5钢板45#、项2为Φ45圆钢45#、项3为Φ12圆钢45#，本次对A与B焊道焊接过程进行研究。共进行试验焊接件6件，分别按1#—6#进行编号。

1.2 焊接方法与材料的选择

杠杆焊接可以采用多种焊接方法进行焊接，如手工电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊及氩弧焊等，一般使用手工电弧焊和氩弧焊接。手工焊接目前工艺比较成熟，焊接时选材比较灵活，但焊接效率低劳动强度大，对焊工要求高，且焊缝表面可观性差。而钨极氩弧焊接质量较好，焊面较光滑。杠杆材料为含碳量在0.42%-0.45%的中碳钢，焊接时通常根据焊接件母材的化学成分和力学性能选择合适焊条或焊丝作为焊接的填充金属。因此，本次以手工氩弧焊接进行焊接。并使用与其成分相似的ER50-G焊丝和可获得塑性良好焊缝的Cr-Ni不锈钢焊丝进行对比分析研究。

图1 杠杆

1.3 焊接模型

图2所示为杠杆焊接示意图，项1与项2均为45#钢，采用氩弧焊将项1与项2焊接成形。焊接按先焊道1后焊道2进行。其焊接过程中可以归结为一个沿圆周移动的高斯热源载荷作用下的传热过程。

图2 热源加载及焊接示意

焊接参数为：焊接电流100-130 A，焊接速度4.0-5.0 m/s，焊接热源半径2.5 mm，焊接热输入0.75 kJ/mm，焊接效率η=0.825；在Ansys中按热流率加载，高斯热源模型能够表征焊接电弧的热流分布特征。

1.4 焊接参数

焊接参数是影响焊接质量的一个重要因素，由于杆杠板厚在4-10 mm之间，焊接时应使用小电流、慢速焊或多层焊，具体参数如表1。

1.5 焊接前后处理

45号碳钢焊接完后，由于高温导致材料组织发生变化，焊前进行预热，可减低中碳钢热影响区的最高硬度，降低热影响区的淬硬倾向，防止产生冷裂纹，而且还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。预热温度为150℃—250℃。焊后进行回火热处理，温度600℃—650℃。

表1 氩弧焊接参数

表2 焊接参数

2 有限元分析

2.1 焊接仿真有限元模型

本文采用ANSYS中3D热实体单元SOLID70进行分析计算，建模时，为了减少计算时间，对不同区域的网格密度分别进行处理，离焊接区域近的地方网格较密，以便于提高计算的准确性和较少时间，具体模型如图3。

图3 杠杆有限元模型

2.2 模拟结果

本次运用ANSYS有限元分析对以上试件进行模拟3种情况下的焊接应力分布图：

试件开始不进行预热，焊接完后缓慢冷却，如图4所示。

试件开始进行预热，焊接完后缓慢冷却，如图5所示。

试件焊前预热，焊后立刻高温回火，缓慢冷却，如图6所示。

图4 VM应力分布

图5 VM应力分布

由以上应力图分布情况可以看出，杠杆焊件焊前进行预热与不预热对最后焊接残余应力的分布情况不明显，然而，焊后是否进行热处理对于焊接完后的残余应力分布影响比较明显，如图5与图6。对于整个焊件的最大应力均低于材料屈服应力0.193e11Pa。

3 X射线探伤

焊后X射线探伤结果如图：其中1#—6#试件探伤后组织结构完好，均未出现焊接裂纹及气泡。

图6 VM应力分布

图7 X探伤示意图

通过对以上试验件的焊接与分析，在焊接电流一定的情况下，使用不锈钢焊丝焊和ER50-G焊丝均可得到比较满意的焊缝，然而在用不锈钢焊接时，试件氧化层较ER50_G少，且焊缝颜色光亮；在X射线探伤下，6件实验件均未出现裂纹或气孔。

4 结论

通过对以上6种试件对比焊接分析，可得出以下结论：

1）使用钨极氩弧焊接可以得到理想的焊缝，且无裂纹及气孔；

2）使用ER50-G和不锈钢焊丝均可，优选不锈钢焊丝作为填充料；

3）杠杆板厚5-8，其焊接电流120 A比较合理；

4）焊前预热对于焊接后残余应力的影响比较小，主要在于焊件较小，因此可根据焊件实际情况决定是否预热，对于大型焊件必须预热；

5）焊接完后必须进行600℃—650℃高温回火，然后缓慢冷却，可减少焊接残余应力；

6）对于此类45号钢杠杆的焊接，可选用钨极氩弧焊接，不锈钢焊丝或ER50-G，焊后立即去应力回火，可以得到较好的焊接质量。

[1] 中国机械工程学会. 焊接手册[M]. 北京: 机械工业出版社，1992．21-26.

[2] 李萌盛，王传标．关于钨极氩弧焊热源模型适用性的探讨.

[3] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社，1988.

[4] 周宁等编著. ANSYS APDL高级工程应用实例分析与二次开发[M]. 中国水利水电出版社, 2007.

The Switch Lever Jointing Technology of Based on ANSYS

Cheng Shuangsheng, Fang Siyuan

（Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute, Wuhan 430064, China）

2013-07-24

程双胜（1981-），男。研究方向：机电产品设计与制造。

TG404

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1003-4862（2014）04-0025-03