李俊儀++孫鳳蓮++劉洋++胡曉磊

摘要：為解決汽輪機(jī)隔板外環(huán)堆焊后焊接變形大導(dǎo)致裝配精度低以及物理試驗成本高的問題，依據(jù)焊接溫度場相似準(zhǔn)則應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)建立有限元模型研究了焊拉筋對焊接變形的控制，設(shè)計了梁型和米字型兩種拉筋形式，并對比了梁形拉筋和米字型拉筋控制焊接變形能力.通過模擬結(jié)果得到隔板外環(huán)焊后在軸向、周向和徑向的變形規(guī)律以及拉筋后隔板外環(huán)焊后變形情況.通過模擬結(jié)果得到如下結(jié)論，米字型拉筋控制焊接變形的能力要優(yōu)于梁型拉筋，隔板外環(huán)外圓三個方向的變形量都要大于內(nèi)圓的變形量，

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)隔板外環(huán)；焊接變形；數(shù)值模擬；相似理論

DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.011

中圖分類號：TB34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0056-05

O 引 言

焊接生產(chǎn)中，焊接變形會影響結(jié)構(gòu)的形狀尺寸和承載能力.在實際生產(chǎn)過程中主要通過經(jīng)驗公式以及物理試驗對焊接變形過程進(jìn)行預(yù)測.但是大型結(jié)構(gòu)的焊接變形過程較為復(fù)雜，經(jīng)驗公式已不能較好的預(yù)測焊接變形規(guī)律，同時結(jié)構(gòu)尺寸大焊接量大導(dǎo)致試驗成本高影響影響企業(yè)效益.因此，本文通過增加剛性固定焊拉筋的辦法控制焊接變形，并通過數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測了焊接變形過程，為實際工程提供指導(dǎo)依據(jù).

1 汽輪機(jī)隔板外環(huán)簡介

汽輪機(jī)隔板是汽輪機(jī)重要部分起到固定靜葉和防止級間漏氣的作用.本文涉及的某型號隔板由于其服役環(huán)境特殊為提高其使用壽命，需要在其外環(huán)的外圓A處和內(nèi)圓B處堆焊不銹鋼耐腐蝕層.隔板外環(huán)材料為ZG230-450，不銹鋼焊材為ICr18Ni9.外圓堆焊位置為A橫截面積約為2728mm2，內(nèi)圓堆焊位置為B橫截面積約為2364mm2.隔板外環(huán)橫截面示意圖如圖1所示.

2 焊接工藝

2.1 焊接參數(shù)

焊接方法采用C02氣體保護(hù)焊，外圓和內(nèi)圓各6道焊縫.焊接電壓30-35 V，焊接電流為220 -230 A，外圓焊接速度為7 mm/s，內(nèi)圓焊接速度為6 mm/s.內(nèi)外圓焊接速度不同是為保證內(nèi)外圓可以同時完成堆焊獲得較好的變形過程.內(nèi)外圓同時開始焊接，外圓和內(nèi)圓焊道采用正反向交替焊接，正反向交替焊接的好處是在實際生產(chǎn)過程中可以減少變位機(jī)的使用提高生產(chǎn)效率，焊接順序示意圖如圖2所示，數(shù)值模擬過程中通過設(shè)置焊道的方向可以實現(xiàn)焊接的正向和反向，通過設(shè)置6個焊接工況，每個工況含有一條內(nèi)外焊道和一條外圓焊道，按照焊接順序依次運行每個工況就可以實現(xiàn)交替焊接.第一道焊縫某節(jié)點熱循環(huán)曲線如圖3所示，通過熱循環(huán)曲線可以得到層間溫度約為37℃，對于奧氏體不銹鋼一般要求層間溫度低于120℃，這顯然是符合要求的.

2.2拉筋工藝

常用控制焊接變形的方法有優(yōu)化焊接參數(shù)，改變焊接方法，調(diào)整焊接順序，增加剛性固定和反變形等，其中增加剛性固定即焊拉筋的辦法是很多企業(yè)在控制大型結(jié)構(gòu)焊接變形中常用的辦法，其主要優(yōu)勢是一般只需要筋板大致尺寸即可，制作簡單經(jīng)濟(jì)實惠，安裝操作方便效果明顯，

本文根據(jù)堆焊位置設(shè)計了兩種拉筋方式，每種拉筋方式都使用4根筋板.第一種稱為“米字型拉筋”其示意圖如圖4所示，第二種稱為“梁型拉筋”其示意圖如圖5所示.筋板為方鋼，截面尺寸為150 mm×150 mm.

2.3裝夾設(shè)計

為保證兩種拉筋方式焊后的模擬結(jié)果具有對比性，因此選擇相同的裝夾方式.裝夾情況如圖6所示，在焊接前將兩塊隔板拼裝起來，每塊隔板施加3個軸向約束.

3 基于溫度場相似準(zhǔn)則建立有限元

模型

本文涉及的結(jié)構(gòu)尺寸和堆焊量都過大，如果選擇建立1：1的模型并模擬全部的焊接過程，計算量會非常大并且對計算機(jī)性能的要求也非常高.清華大學(xué)蔡志鵬和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姬書得等都推導(dǎo)出了不受物性參數(shù)隨溫度變化影響的焊接條件下的溫度場相似準(zhǔn)則，相似準(zhǔn)則的結(jié)論如下：

其中，q代表焊接功率；v代表焊接速度；a代表表面換熱系數(shù)；帶腳標(biāo)m表示模型參數(shù)；s表示幾何比例.根據(jù)焊接溫度場相似準(zhǔn)則的內(nèi)容保證焊接溫度場相似那么焊后的應(yīng)力場和變形場就應(yīng)該是相似的.本文按照6= 1/10縮小實際結(jié)構(gòu)建立模擬結(jié)構(gòu)，圖7、8、9分別是汽輪機(jī)隔板外環(huán)、梁型拉筋和米字型拉筋的有限元模型，熱源模型選擇雙橢球熱源，運用生死單元法模擬焊接過程中金屬逐步填充的過程.

4 模擬結(jié)果與分析

拉筋的目的是為了控制隔板外環(huán)焊后的變形，所以本文通過對比焊后隔板外環(huán)外圓和內(nèi)圓的軸向變形、徑向變形和周向變形來比較兩種拉筋形式控制變形的能力.比較這3個方向變形的原因是，軸向變形可以確定焊后隔板外環(huán)的垂直度，徑向變形可以確定焊后隔板外環(huán)的圓度，周向變形可以確定隔板焊后受熱膨脹情況.提取無筋板、梁型拉筋和米字型拉筋相同位置節(jié)點處的軸向變形、徑向變形和周向變形曲線，如圖10所示是汽輪機(jī)隔板外環(huán)無筋板、梁型拉筋和米字型拉筋時外圓軸向變形的對比情況，通過圖10中無筋板的軸向變形曲線可以得到，焊后軸向變形的最大位置在對稱軸處正負(fù)向最大變形為3.46 mm.梁型拉筋焊后正負(fù)向最大變形量為2.15 mm，變形減少1.31 mm.米字型拉筋焊后正負(fù)向最大變形量為0.56 mm，變形減少2.9 mm.通過圖10可以看出兩種不同的拉筋形式，焊后隔板外環(huán)的軸向變形形式基本不變，這說明拉筋形式不會改變隔板外環(huán)的軸向變形只能控制這種變形.

如圖11所示是汽輪機(jī)隔板外環(huán)無筋板、梁型拉筋和米字型拉筋外圓周向變形的對比情況，通過圖11中無筋板的周向曲線可以看出，外環(huán)外圓周向變形沿對稱軸是對稱的.由于周向變形是通過測量節(jié)點切線處的位移得到的，那么通過曲線可以得到，起弧和收弧位置外圓受熱膨脹方向與其他位置是相反的，周向最大正負(fù)向變形量為5.16 mm.梁型拉筋時，隔板外環(huán)外圓周向變形過程不會發(fā)生變化，但是周向變形方向發(fā)生改變的位置變成筋板與外環(huán)連接的位置，周向最大正負(fù)向變形量為3.27 mm，變形減少1.89 mm.米字型拉筋時，隔板外環(huán)外圓周向變形過程發(fā)生了改變，膨脹方向只發(fā)生一次改變，最大正負(fù)向變形量為1.34 mm，變形減少3.82 mm.

如圖12所示是汽輪機(jī)隔板外環(huán)外圓無筋板、梁型拉筋和米字型拉筋徑向變形的對比情況.通過圖12可以看出，隔板外環(huán)在堆焊的過程中會發(fā)生徑向收縮，無筋板時最大正負(fù)向變形量為2.56mm.梁型拉筋最大正負(fù)向變形量為2.44 mm，變形減少0.12 mm.米字型拉筋最大正負(fù)向變形量為2.09 mm.變形減少0.47 mm.如圖13所示是不同拉筋形式焊后隔板外環(huán)內(nèi)圓置軸向變形情況，通過圖13可以看出梁型拉筋焊后內(nèi)圓的軸向變形情況與無筋板時是一致的，米字型拉筋焊后內(nèi)圓軸向變形方向發(fā)生改變，通過對比圖10和13中無筋板的曲線可以看出，隔板外圓和內(nèi)圓的軸向變形方向是相反的，而米字型拉筋不僅可以控制變形還能使內(nèi)外圓的軸向變形方向保持一致，無筋板時內(nèi)圓最大正負(fù)向變形量為2.09 mm，梁型拉筋最大正負(fù)向變形量為1.05 mm，變形減少1.04 mm，米字型拉筋最大正負(fù)向變形量為1.5 mm，變形減少1.41 mm.

如圖14所示是不同拉筋形式焊后內(nèi)圓周向變形情況，對比圖11可以看出，內(nèi)外圓變形方式基本一致，內(nèi)圓無筋板時最大正負(fù)向變形量為3.22 mm，梁型拉筋焊后最大正負(fù)向變形量為2.39 mm，變形減少0.83 mm.米字型拉筋焊后最大正負(fù)向變形量為1.7 mm，變形減少1.52 mm.如圖15所示是不同拉筋形焊后內(nèi)圓徑向變形情況，通過圖15可以看出隔板內(nèi)圓焊后發(fā)生了徑向收縮，無筋板焊后內(nèi)圓最大正負(fù)向變形量為2.57 mm，梁型拉筋焊后最大正負(fù)向變形量為2.44 mm，變形減少0.13 mm，米字型拉筋焊后最大正負(fù)向變形量為2.1 mm，變形減少0.46 mm.

4 結(jié) 論

1）汽輪機(jī)隔板外環(huán)在無筋板時焊后軸向最大變形在對稱軸位置，對稱軸兩側(cè)周向變形是對稱的，徑向方向為壓縮變形.兩種拉筋形式都可以控制焊接變形，米字型拉筋控制變形能力要優(yōu)于梁型拉筋，控制周向變形有明顯優(yōu)勢，米字型拉筋可以使隔板外環(huán)焊后變形規(guī)律一致.

2）汽輪機(jī)隔板外環(huán)外圓焊接變形要大于內(nèi)圓焊接變形，所以選擇工藝?yán)顣r要重點考慮如何控制外圓焊接變形.