王 婷 ， 何成乾 ， 張 融

(1.武昌工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.綠色風(fēng)機(jī)制造湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430065）

0 引言

近年來，隨著國家生產(chǎn)力大跨步的邁進(jìn)，有關(guān)研究突飛猛進(jìn)，關(guān)于焊后熱處理方向研究也日益增多[1]。 由于諸多論文研究的焊后熱處理模擬多是大型輪船葉輪或有色金屬風(fēng)機(jī)葉片為保證質(zhì)量的堆焊的焊后熱處理， 涉及到小型風(fēng)機(jī)葉片一類的研究在國內(nèi)尚屬空白[2]，故本文使用ANSYS 對軸流風(fēng)機(jī)葉片的焊后熱處理進(jìn)行了數(shù)字建模與有限元模擬。

1 風(fēng)機(jī)焊后熱處理的定義和內(nèi)容

1.1 軸流風(fēng)機(jī)

軸流風(fēng)機(jī)是一種通過外界提供機(jī)械能對氣體作用，使其升壓并派送氣體的流體機(jī)械。 由于具有良好的通風(fēng)換氣性能，軸流風(fēng)機(jī)對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮著巨大的作用[3]。 其被廣泛應(yīng)用于礦道、工廠、化工、航空、航天等行業(yè)[4]。軸流式風(fēng)機(jī)葉片的目的是使氣流進(jìn)入葉輪后與中心軸同向，達(dá)到排風(fēng)送氣的效果，故其橫截面一般為翼剖面，如圖1 所示。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)葉片剖面圖

1.2 焊后熱處理的必要性

焊前預(yù)熱及焊后熱處理對于保證焊接質(zhì)量非常重要。 重要結(jié)構(gòu)件、合金鋼及厚大復(fù)雜型部件的焊接，都要求在焊后必須熱處理。

葉片在經(jīng)過焊接后，焊接組織會在熔池中重結(jié)晶，如果不加處理， 在空氣中形核會使晶粒粗大， 尤其是奧氏體。 其韌性及塑性會大幅度下降，這代表焊縫周圍區(qū)域脆性會增加，在工作時(shí)極容易產(chǎn)生裂痕或斷層，成為葉片脫落的最主要原因，將嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的安全使用和壽命，為此必須在焊接后進(jìn)行熱處理以細(xì)化晶粒提高組織韌塑性，保證工件良品率和使用價(jià)值[5]。

1.3 熱分析模擬

ANSYS 熱分析包括熱傳導(dǎo)（thermal conduction）、熱對流 （thermal convection/heat convection） 及熱輻射(thermal radiation)三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。

2 風(fēng)機(jī)葉輪的數(shù)字建模以及有限元分析

2.1 葉輪、葉片及焊縫的構(gòu)建

應(yīng)用Solidworks 對軸流風(fēng)機(jī)的三維模擬結(jié)果如圖2所示。

為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，通常只取一個(gè)葉片進(jìn)行單獨(dú)研究分析后再進(jìn)行擴(kuò)展結(jié)果，模型簡化后的葉片，如圖3 所示。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)的葉輪

圖4 焊縫類型

由圖4（c）可知，焊縫尺寸可按照直角焊縫計(jì)算，表面為半圓且半徑為5mm，故可以先在葉片與葉輪相交的焊腳處掃描一橫截面為r=0.005m 的圓，掃描路徑為兩面交線，如圖5 所示； 又發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中無法顯示焊腳軌跡線，推斷原因是掃描出的圓柱實(shí)體重合了兩面交線。故利用“曲面縫合”的命令將整個(gè)風(fēng)機(jī)葉片表面縫合為一個(gè)整體，再使用“曲面切割”命令對整個(gè)葉片和葉輪進(jìn)行抽殼切除了葉輪內(nèi)部多余的焊縫實(shí)體，最后向葉輪表面使用“加厚”命令得到完美焊縫實(shí)體，如圖6 所示。

圖5 焊縫實(shí)體拉伸

圖6 曲面切割后的焊縫實(shí)體

因?yàn)楸疚闹皇菍τ陲L(fēng)機(jī)葉輪上葉片與輪轂的焊后熱處理， 展現(xiàn)的是焊縫及其周圍工件區(qū)域所受焊縫成型時(shí)的熱量交換引起的葉輪整體的變化。 故可設(shè)定兩條焊縫為熱傳導(dǎo)源，溫度隨時(shí)間按環(huán)境溫度400℃下的冷卻速度平均10℃/h 向外散熱，影響面（Convection）為整個(gè)葉輪和葉片表面，熱輻射隨溫度變化而變化，焊縫熱通量變化設(shè)置如圖7 所示。

圖7 焊縫熱通量變化設(shè)置

2.2 焊后處理結(jié)果

通過有限元分析軟件在模擬后輸出的結(jié)果報(bào)告，可以得到關(guān)于模型和有限元分析的結(jié)果以及通過改進(jìn)出現(xiàn)變動的相關(guān)量值，也即變量值。通過對出現(xiàn)的變量進(jìn)行分析，可以得到對分析結(jié)果改進(jìn)優(yōu)化的切入點(diǎn)。由表1 可得相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

表1 模型相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3 焊后熱處理云圖

第一次熱量分布云圖如圖8 所示。

圖8 第一次熱量分布云圖

3 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 問題總結(jié)

由于葉片表面并沒有經(jīng)過特殊處理以至于在傳熱過程中過冷度不夠，晶粒粗大化，葉片的內(nèi)應(yīng)力沒有完全消除，使葉片在經(jīng)過處理出爐后易折斷、磨損，在焊后熱處理模擬的熱量分布云圖中出現(xiàn)了耀斑。

3.2 解決方案

在葉片表面增加一層涂層，模擬了風(fēng)機(jī)葉片表面，覆蓋了足夠的涂層或合格的堆焊， 使用方法即取消風(fēng)機(jī)葉片表面的自然對流， 并單獨(dú)設(shè)定與輪轂相同的溫度場變化，葉片溫度場設(shè)定如圖9 所示。

圖9 葉片溫度場設(shè)定

圖10 優(yōu)化后熱量分布云圖

導(dǎo)致分析時(shí)對葉輪重新建模并對網(wǎng)格進(jìn)行了優(yōu)化，得到了結(jié)果變化如圖10 所示，并且在對比圖8 以及圖10 之后可以明顯發(fā)現(xiàn)耀斑消失， 說明葉片表面的熱量集中現(xiàn)象得到了解決，這樣可以使葉輪性能及使用壽命受到影響最低。

4 結(jié)語

經(jīng)過初步研究，對風(fēng)機(jī)葉片的焊后熱處理進(jìn)行了有限元分析， 基于ANSYS 的后處理得到的溫度云圖以及生成的結(jié)果數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)葉片在焊接之后出現(xiàn)葉片脫落問題的主要原是葉片表面無涂層或涂層質(zhì)量太差，導(dǎo)致焊后熱處理時(shí)葉片表面熱應(yīng)力集中導(dǎo)致了葉片過早脫落。

本文對于風(fēng)機(jī)葉片的焊后熱處理數(shù)值模擬僅是初步的單一溫度場下焊后工件熱傳導(dǎo)的模擬分析，對于工件的變形以及內(nèi)部晶粒尺寸變化僅僅是通過經(jīng)驗(yàn)推斷，并未得到有效確切的數(shù)據(jù)，而且在車間生產(chǎn)的過程中，溫度場的變化是有波動的，故還可以在模擬了焊接之后得到熔池模擬數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確得到本文前處理之類的數(shù)據(jù)，另一方面也存在著在焊后的變形問題對產(chǎn)品使用的影響，但文章篇幅有限，不再贅述。