孫全喜, 王偉, 石智成, 宋亞輝, 李海豹, 梁家煜, 尹飛

(1.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)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(tái)地區(qū)軍事代表室,山東 煙臺(tái) 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(jī)械加工工藝,焊接過(guò)程會(huì)因?yàn)椴牧戏N類(lèi)、焊接順序、電流參數(shù)及熱源等其他因素導(dǎo)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(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于焊接及其產(chǎn)生的變形進(jìn)行了大量的相關(guān)研究,王能慶等學(xué)者[4]通過(guò)有限元模擬分析,得出熱源模型形狀參數(shù)對(duì)于焊接角度有重要影響;程計(jì)棟等學(xué)者[5]通過(guò)試驗(yàn)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(jī)械力;嚴(yán)浩東等學(xué)者[6]通過(guò)軟件模擬和實(shí)際工藝對(duì)焊接順序進(jìn)行優(yōu)化有效控制了焊接產(chǎn)生的變形;Pandey等學(xué)者[7]通過(guò)對(duì)焊絲進(jìn)行提前預(yù)熱升溫,以使得焊接變形量達(dá)到最小,并得出最優(yōu)預(yù)熱時(shí)的電流值;Kim[8]通過(guò)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(guò)大量模擬計(jì)算和焊接測(cè)量得出該方法有效可靠。以上研究均是針對(duì)焊接變形量的分析與控制,而針對(duì)在焊接過(guò)程中使用合理的輔具進(jìn)行變形量補(bǔ)償尚未涉及。為此,對(duì)于焊接變形量的模擬并對(duì)焊接輔具尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為實(shí)際生產(chǎn)的一個(gè)重點(diǎn),以此來(lái)降低后期修復(fù)的人工成本,該文就是以此為背景進(jìn)行展開(kāi)研究分析的。

1 焊接變形和輔具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dá)到整體的裝配精度,且根據(jù)設(shè)計(jì)要求,各部分的焊接角度公差要進(jìn)行精確控制在±0.5°內(nèi),所以焊接輔具的設(shè)計(jì)成為解決該問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

1.1 薄板焊接變形及輔具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

焊接是兩塊薄板連接到一起的成形方法,但在整個(gè)焊接的過(guò)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(dǎo)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(dá)不到要求,而且導(dǎo)致后期修復(fù)困難,增加生產(chǎn)成本。為此通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔具來(lái)降低后期成本,但輔具設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮預(yù)留出焊接變形量,以達(dá)到使焊接產(chǎn)生的變形量與預(yù)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(guò)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(xì)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(jìn)行焊接,理想焊接位置如圖焊接板2所示,但實(shí)際焊接成形位置卻如圖中焊接板2′參照所示,進(jìn)而造成焊接角度的誤差,導(dǎo)致成品精度不夠,增加了后期修復(fù)過(guò)程的成本,由此對(duì)于焊接角度變形余量的預(yù)測(cè)成為輔具角度優(yōu)化的一個(gè)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(jì)

焊接過(guò)程是將兩塊金屬薄板通過(guò)復(fù)雜的理化變化結(jié)合在一起,而變形量的產(chǎn)生主要是因?yàn)椴痪鶆驕囟群蜔釕?yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變[9]。薄板焊接是涉及多項(xiàng)參數(shù)綜合影響的加工工藝,復(fù)雜且不易控制。薄板焊接過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)局部迅速升溫加熱熔化的過(guò)程,經(jīng)常由于焊接電流、電弧電壓參數(shù)設(shè)置不當(dāng)出現(xiàn)燒穿過(guò)燒等現(xiàn)象,且還會(huì)導(dǎo)致焊縫高度和寬度發(fā)生變化,影響焊接表面質(zhì)量,同時(shí)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(guò)程中起到支撐限位作用,使各板塊能按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組裝焊接。但在實(shí)際焊接過(guò)程中,焊接處總會(huì)產(chǎn)生一定形變,進(jìn)而導(dǎo)致焊接完的角度與設(shè)計(jì)角度存在較大偏差。影響焊接變形的主要因素有以下幾個(gè):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(guò)影響焊接中溫度的大小及分布情況來(lái)使焊接產(chǎn)生變形的,而且在氣體保護(hù)焊的過(guò)程中,二者隨工況的變化也一直在實(shí)時(shí)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(jì)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(dá)到使焊接完的工件尺寸與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸在公差范圍之內(nèi)的目的,以此滿(mǎn)足圖紙的設(shè)計(jì)要求。焊接過(guò)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(zhǎng)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?yàn)楦鱾€(gè)方向溫度動(dòng)態(tài)變化而產(chǎn)生的,焊接是局部受熱,而旁邊溫度相對(duì)低,導(dǎo)致溫度場(chǎng)發(fā)生瞬變,進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力。根據(jù)參考文獻(xiàn)[16],焊接處溫度場(chǎng)隨時(shí)間的空間動(dòng)態(tài)分布函數(shù)如式(2)所示:

(2)

因焊接過(guò)程是一個(gè)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(jì)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(biāo)方向的應(yīng)力,MPa。

(4)

式中:εx,εy,εz分別為x,y,z空間坐標(biāo)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(guò)程中,由于焊縫位置的變化,焊點(diǎn)可以在薄板的兩側(cè)位置均可分布,但該次試制的焊點(diǎn)位置基本在薄板同一側(cè)位置,不同位置的焊點(diǎn)將會(huì)導(dǎo)致薄板向不同方向產(chǎn)生變形量,進(jìn)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(jì)算,即這里設(shè)定步長(zhǎng)Δε=0.01,通過(guò)Powell一維搜索尋找一個(gè)最優(yōu)步數(shù)k,使得角度優(yōu)化函數(shù)F(j)達(dá)到最小值,以求得輔具最優(yōu)的設(shè)計(jì)角度值,由此焊接輔具的設(shè)計(jì)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(guò)程量。在焊接電流、電弧電壓及板厚確定的情況下,尋找一個(gè)最優(yōu)輔具設(shè)計(jì)角度j,使得輔具設(shè)計(jì)角度與變形量矢量疊加,得到焊接后成品的角度在設(shè)計(jì)尺寸極限范圍之內(nèi),便達(dá)到了設(shè)計(jì)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(chǎng)應(yīng)用

以國(guó)內(nèi)某研究所對(duì)1.5 mm,3.0 mm,5.0 mm厚的冷軋板料進(jìn)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(wèn)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(lái)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(jì)了相關(guān)輔具進(jìn)行輔助焊接,一是提高焊接精度,有效降低了后期修復(fù)的人工費(fèi)用;二是方便操作者進(jìn)行焊接,防止受傷。

因?yàn)槭状卧囍戚o具設(shè)計(jì)的角度并非最優(yōu)設(shè)計(jì),選用的是基本尺寸作為輔具設(shè)計(jì)的角度,導(dǎo)致焊接以后的角度偏差較大,且在尺寸設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)的合格產(chǎn)品很少,導(dǎo)致后期修復(fù)困難,增加了產(chǎn)品的試制成本。相關(guān)焊接工藝參數(shù)見(jiàn)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(jì)優(yōu)化模型,3類(lèi)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)優(yōu)化前后的焊接輔具角度設(shè)計(jì)及相應(yīng)的產(chǎn)品合格率見(jiàn)表2。

表2 輔具角度優(yōu)化前后對(duì)比

在進(jìn)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(duì)于仍有存在誤差的產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)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(dāng)導(dǎo)致板料未能有效貼合在輔具表面,導(dǎo)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(dǎo)致的修復(fù)費(fèi)用,有效提高了生產(chǎn)效益,對(duì)產(chǎn)品批量生產(chǎn)具有重要意義。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)板材焊接精度不夠,且不易操作等問(wèn)題,難以達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸要求,由此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的焊接輔具來(lái)避免此類(lèi)問(wèn)題出現(xiàn)。

(2)輔具設(shè)計(jì)角度不當(dāng),焊接的產(chǎn)品尺寸超差嚴(yán)重,增加了額外的修復(fù)成本。根據(jù)基本尺寸和焊接變形量的矢量運(yùn)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(wèn)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(jì)有效解決焊接角度變形問(wèn)題,大量降低了后期修復(fù)成本,對(duì)生產(chǎn)效益的提高具有顯著意義。