基于焊接角變形的輔具優(yōu)化設(shè)計

孫全喜, 王偉, 石智成, 宋亞輝, 李海豹, 梁家煜, 尹飛

(1.中國兵器工業(yè)集團第五二研究所,內(nèi)蒙古 包頭 014034;2.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐煙臺地區(qū)軍事代表室,山東 煙臺 264000)

0 前言

鈑金加工工藝主要涵蓋著下料、折彎、焊接、打磨及后續(xù)的表面加工等工序,而焊接工藝卻是不同于其他機械加工工藝,焊接過程會因為材料種類、焊接順序、電流參數(shù)及熱源等其他因素導致產(chǎn)生一定的變形量,使得成品精度受到影響,焊接也是一種增材制造,是將金屬材料連接在一起的成形方法[1-3]。國內(nèi)外的學者對于焊接及其產(chǎn)生的變形進行了大量的相關(guān)研究,王能慶等學者[4]通過有限元模擬分析,得出熱源模型形狀參數(shù)對于焊接角度有重要影響;程計棟等學者[5]通過試驗分析不同順序下的焊接工藝產(chǎn)生的變形,并得出影響變形量的主要因素是彈性變形和機械力;嚴浩東等學者[6]通過軟件模擬和實際工藝對焊接順序進行優(yōu)化有效控制了焊接產(chǎn)生的變形;Pandey等學者[7]通過對焊絲進行提前預熱升溫,以使得焊接變形量達到最小,并得出最優(yōu)預熱時的電流值;Kim[8]通過在船體焊接中的變形,提出了塑性反變形法(Plastic counter-deforming method, PCDM),并通過大量模擬計算和焊接測量得出該方法有效可靠。以上研究均是針對焊接變形量的分析與控制,而針對在焊接過程中使用合理的輔具進行變形量補償尚未涉及。為此,對于焊接變形量的模擬并對焊接輔具尺寸進行優(yōu)化設(shè)計成為實際生產(chǎn)的一個重點,以此來降低后期修復的人工成本,該文就是以此為背景進行展開研究分析的。

1 焊接變形和輔具設(shè)計簡介

目前,薄板焊接產(chǎn)品應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域,尤其在軍工行業(yè),由于其特殊的使用安裝要求,使得產(chǎn)品在加工精度方面要求極高,而此次薄板焊接形成的焊縫均在連接板根部,致使焊接產(chǎn)生的角度變形直接影響薄板頂部的位置精度,兩者呈正相關(guān)關(guān)系。由此想要達到整體的裝配精度,且根據(jù)設(shè)計要求,各部分的焊接角度公差要進行精確控制在±0.5°內(nèi),所以焊接輔具的設(shè)計成為解決該問題的關(guān)鍵所在。

1.1 薄板焊接變形及輔具設(shè)計簡介

焊接是兩塊薄板連接到一起的成形方法,但在整個焊接的過程中,由于產(chǎn)生的熱應(yīng)力使得板與板之間的拼接角度發(fā)生變形,導致兩板之間的角度并不在公差范圍之內(nèi),使得成品精度達不到要求,而且導致后期修復困難,增加生產(chǎn)成本。為此通過設(shè)計相應(yīng)的輔具來降低后期成本,但輔具設(shè)計應(yīng)當考慮預留出焊接變形量,以達到使焊接產(chǎn)生的變形量與預留變形量疊加之后的結(jié)果在公差允許范圍之內(nèi)。薄板在焊接過程中產(chǎn)生的角變形,即焊接板2在有輔具的情況下焊接前后位置變化詳細如圖1所示。在有輔具定位的情況下,焊接板1與焊接板2進行焊接,理想焊接位置如圖焊接板2所示,但實際焊接成形位置卻如圖中焊接板2′參照所示,進而造成焊接角度的誤差,導致成品精度不夠,增加了后期修復過程的成本,由此對于焊接角度變形余量的預測成為輔具角度優(yōu)化的一個重要因素。

圖1 焊接前后角度變形

1.2 薄板焊接變形模型及輔具優(yōu)化設(shè)計

焊接過程是將兩塊金屬薄板通過復雜的理化變化結(jié)合在一起,而變形量的產(chǎn)生主要是因為不均勻溫度和熱應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變[9]。薄板焊接是涉及多項參數(shù)綜合影響的加工工藝,復雜且不易控制。薄板焊接過程實質(zhì)上是一個局部迅速升溫加熱熔化的過程,經(jīng)常由于焊接電流、電弧電壓參數(shù)設(shè)置不當出現(xiàn)燒穿過燒等現(xiàn)象,且還會導致焊縫高度和寬度發(fā)生變化,影響焊接表面質(zhì)量,同時也給后期表面打磨處理工序增加困難。

1.2.1薄板焊接變形模型介紹

文中研究的焊接輔具主要是在薄板焊接過程中起到支撐限位作用,使各板塊能按照設(shè)計要求進行組裝焊接。但在實際焊接過程中,焊接處總會產(chǎn)生一定形變,進而導致焊接完的角度與設(shè)計角度存在較大偏差。影響焊接變形的主要因素有以下幾個:材料因素、焊接工藝及焊縫位置等[10-11]。焊接工藝參數(shù)主要包括:電弧電壓、焊接電流、焊接速度及焊接順序等[12-15]。焊接電流和電弧電壓二者主要是通過影響焊接中溫度的大小及分布情況來使焊接產(chǎn)生變形的,而且在氣體保護焊的過程中,二者隨工況的變化也一直在實時調(diào)節(jié),并不是固定值。所以,在確定設(shè)定的相關(guān)參數(shù)范圍后,使得設(shè)計優(yōu)化后的焊接輔具角度在抵消焊接所產(chǎn)生的角度變形量后,達到使焊接完的工件尺寸與圖紙設(shè)計尺寸在公差范圍之內(nèi)的目的,以此滿足圖紙的設(shè)計要求。焊接過程中發(fā)生的變形收縮量Δδ的大小由如式(1)所示:

(1)

式中:L為焊縫長度,m;η為電弧熱效率;U為電弧電壓,V;I為焊接電流,A;v為焊接速度,m/s。

薄板焊接應(yīng)力應(yīng)變而產(chǎn)生的焊接變形,主要是因為各個方向溫度動態(tài)變化而產(chǎn)生的,焊接是局部受熱,而旁邊溫度相對低,導致溫度場發(fā)生瞬變,進而產(chǎn)生應(yīng)力。根據(jù)參考文獻[16],焊接處溫度場隨時間的空間動態(tài)分布函數(shù)如式(2)所示:

(2)

因焊接過程是一個金屬間的連接,故根據(jù)金屬材料的彈塑性變形原理可得到等效應(yīng)力、應(yīng)變計算模型如下式(3)及式(4)所示:

(3)

式中:σx,σy,σz分別為x,y,z空間坐標方向的應(yīng)力,MPa。

(4)

式中:εx,εy,εz分別為x,y,z空間坐標方向的應(yīng)變;ν為泊松比。

1.2.2焊接輔具優(yōu)化模型介紹

假定產(chǎn)品的基本尺寸為l,焊接電流為I,電弧電壓為U,板厚為h,所產(chǎn)生的變形量大小為Δδ,產(chǎn)品的上限尺寸為lmax,下限尺寸為lmin。

在焊接過程中,由于焊縫位置的變化,焊點可以在薄板的兩側(cè)位置均可分布,但該次試制的焊點位置基本在薄板同一側(cè)位置,不同位置的焊點將會導致薄板向不同方向產(chǎn)生變形量,進而使得焊接輔具角度j與焊接變形量Δδ之間形成了矢量計算,即這里設(shè)定步長Δε=0.01,通過Powell一維搜索尋找一個最優(yōu)步數(shù)k,使得角度優(yōu)化函數(shù)F(j)達到最小值,以求得輔具最優(yōu)的設(shè)計角度值,由此焊接輔具的設(shè)計優(yōu)化角度可由式(5)所示:

(5)

式中:Imax,Imin為焊接電流的最大值、最小值,A;Umax,Umin為電弧電壓的最大值、最小值,V;l,l1為焊接角度過程量。在焊接電流、電弧電壓及板厚確定的情況下,尋找一個最優(yōu)輔具設(shè)計角度j,使得輔具設(shè)計角度與變形量矢量疊加,得到焊接后成品的角度在設(shè)計尺寸極限范圍之內(nèi),便達到了設(shè)計的要求。輔具角度優(yōu)化流程圖如圖2所示。

圖2 輔具角度優(yōu)化流程圖

2 模型現(xiàn)場應(yīng)用

以國內(nèi)某研究所對1.5 mm,3.0 mm,5.0 mm厚的冷軋板料進行相互焊接試制,該次產(chǎn)品試制屬于鈑金行業(yè)模塊,涵蓋板材下料、折彎、焊接及最后的表面處理。該次試制尺寸問題主要是出現(xiàn)在焊接這道工序,其他工序尺寸均在要求范圍內(nèi),不做誤差來源分析。由于焊接是多塊板料連接在一起,且有一些多為小尺寸零部件,使得操作者焊接不便,便設(shè)計了相關(guān)輔具進行輔助焊接,一是提高焊接精度,有效降低了后期修復的人工費用;二是方便操作者進行焊接,防止受傷。

因為首次試制輔具設(shè)計的角度并非最優(yōu)設(shè)計,選用的是基本尺寸作為輔具設(shè)計的角度,導致焊接以后的角度偏差較大,且在尺寸設(shè)計要求范圍內(nèi)的合格產(chǎn)品很少,導致后期修復困難,增加了產(chǎn)品的試制成本。相關(guān)焊接工藝參數(shù)見表1,尺寸的誤差分布如圖3所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖3 超出尺寸誤差分布

根據(jù)輔具設(shè)計優(yōu)化模型,3類產(chǎn)品對應(yīng)優(yōu)化前后的焊接輔具角度設(shè)計及相應(yīng)的產(chǎn)品合格率見表2。

表2 輔具角度優(yōu)化前后對比

在進行輔具角度優(yōu)化后,試制生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率大幅度提高,對于仍有存在誤差的產(chǎn)品進行過程分析,發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品尺寸誤差存在人為因素,因操作不當導致板料未能有效貼合在輔具表面,導致尺寸偏差。該次輔具優(yōu)化大量降低了后期由于焊接變形而導致的修復費用,有效提高了生產(chǎn)效益,對產(chǎn)品批量生產(chǎn)具有重要意義。

3 結(jié)論

(1)針對板材焊接精度不夠,且不易操作等問題,難以達到設(shè)計尺寸要求,由此設(shè)計了相應(yīng)的焊接輔具來避免此類問題出現(xiàn)。

(2)輔具設(shè)計角度不當,焊接的產(chǎn)品尺寸超差嚴重,增加了額外的修復成本。根據(jù)基本尺寸和焊接變形量的矢量運算,得到最優(yōu)焊接輔具角度,有效解決焊接角度變形尺寸超差問題。

(3)薄板焊接易產(chǎn)生角度變形,建立輔具角度優(yōu)化模型,優(yōu)化后焊接輔具的設(shè)計有效解決焊接角度變形問題,大量降低了后期修復成本,對生產(chǎn)效益的提高具有顯著意義。