摘    要：主要研究了基于InteWeld的焊接模擬仿真技術。首先，采用合理的焊接工藝及措施，對石油鉆機自動化設備中的支撐臂進行焊接。其次，以設置相同的焊接工藝和控制措施為前提，使用軟件InteWeld對支撐臂進行焊接虛擬仿真，獲得零件的整體變形結果。最后，對比實際生產測量值與軟件仿真計算結果，驗證使用InteWeld進行焊接模擬仿真所獲結果的準確性，為后續該項技術的推廣提供依據。

關鍵詞：支撐臂;焊接仿真;網格劃分;焊接變形;

0 引言

焊接技術是目前應用最廣泛的材料連接方式之一，同時也是歷史非常悠久的制造工藝[1]。隨著時代的發展，工程師們逐漸意識到焊接質量的好壞關乎鋼結構產品制造的成敗[2]。如何高效地提升焊接質量是工藝工程師們追求解決的核心。

而現階段，隨著計算機技術的發展，焊接模擬仿真技術應運而生，它的發展對生產制造具有十分重要的意義[3]。焊接三維仿真技術在我公司有廣泛的應用空間，隨著我公司各類新產品的增加，對結構件焊接的應力、變形、強度提出更高的要求。目前，已經多次遇到相關問題，按照以往的工藝設計經驗生產效率低下，因此需要采用先進的分析軟件加強工藝設計手段，縮短產品的研發制造周期[4]。

本文選取石油鉆機自動化設備中的支撐臂進行焊接和模擬仿真對比分析。由于其結構特點為長桿型，焊接時熱量集中，結構具有一定的拘束度，且板厚較薄，焊后易變形，因此需要采用合理的焊接工藝及措施控制焊接變形。本文對支撐臂進行三維建模、有限元網格劃分，并利用軟件InteWeld進行焊接模擬仿真。將仿真計算結果與實際焊接變形量進行對比，驗證仿真結果的可靠性，可為后續使用此項技術研究焊接變形提供重要的依據和可靠的數據支撐。

1 支撐臂的焊接

以石油鉆機自動化設備中的支撐臂作為焊接生產實例。支撐臂是典型的長桿結構，其三維模型如圖1所示。其特點為：結構不規則，焊縫型式多樣，板厚較薄（δ=6～8 mm）、結構易變形。

圖1 支撐臂結構圖  1.套管Ⅰ2.臂體3.套管Ⅱ

1.1 焊接方法及材料

套管Ⅰ、Ⅱ的材料為35鋼，臂體的材料為Q355D。確定使用的焊絲型號為ER50-6。焊接方法為混合氣體保護焊，保護氣體為80%Ar+20%CO2。

1.2 焊接規范

由于35鋼屬于典型的中碳鋼，在母材近縫區易產生低塑性的淬硬組織，具有一定的淬硬傾向，焊接性稍差。因此，焊前、焊后均要采取一定的措施防止產生裂紋。套管與臂體焊接前應預熱至150～230℃，層間溫度應不低于預熱溫度，焊后加熱至350℃，保溫10 min。Q355D屬于低合金鋼，焊接性良好，因此，臂體焊接無需此步驟。

施焊時采用的焊接規范參數如表1所示。支撐臂施焊過程如圖2所示。

1.3 變形測量

焊接24 h后測量支撐臂的變形，挑選3個易變形點進行開檔尺寸的測量[5]，如圖3所示。

表1 焊接規范參數

根據圖3的測量結果可以看出，焊接后支撐臂的C處變形量最大，A處變形量小。

2焊接模擬仿真

2.1模型簡化與網格劃分

使用UG對支撐臂進行三維建模，需對模型進行必要的簡化，如去掉小孔、倒角等[6]。然后對支撐臂進行有限元網格劃分，考慮到零件較大，因此網格劃分時，對焊縫及熱影響區的網格進行細化[7]，遠離焊縫區的母材網格尺寸設置略粗，網格劃分如圖4所示。

圖形網格總數約為151萬，最小網格精度為2 mm。

圖2 施焊支撐臂 

圖3 測量支撐臂變形

圖4 支撐臂網格劃分 

2.2參數設置

將網格模型導入到InteWeld軟件中。隨后，將人員全程跟蹤施焊過程記錄的數據（包括焊接工藝參數、施焊順序、施焊層道情況、預熱及后熱措施、防變形工藝撐[8,9,10]，設置在支撐臂的焊接仿真計算中[9]。

2.3焊接接頭仿真

支撐臂焊縫形式多樣，為了提高焊接仿真的精確性，需從支撐臂中導出接頭建立多個焊接接頭模塊[11]，如圖5所示。

圖5 支撐臂的焊接接頭模型 

焊縫形式既有坡口焊縫，又有角焊縫。坡口深為6 mm，角焊縫焊腳尺寸為4、5 mm。接頭總網格數為30 000～100 000不等，最小的網格尺寸為0.5mm。將接頭計算結果導入總體結構進行仿真計算[12]。

圖6 多層多道焊接 

焊縫采用多層多道焊接[13]，焊層設置如果6所示。

2.4 仿真計算結果

圖7 焊接變形結果

支撐臂焊接仿真計算總用時約42h。焊接變形結果如圖7所示。

從變形結果可以看出，支撐臂的丫子開口端頭變形量最大，兩側翼板向內收縮。丫子尾端變形量小，丫子中段基本不變。

3 數據對比分析

將仿真計算結果和實際生產數據進行對比，如表2所示。

表2 實際位移與仿真位移數據對比

從表2可看出，支撐臂的仿真模擬總變形趨勢與生產實際測量的變形趨勢一致，整體向內側收縮。二者在數值上稍有差別。仿真性最優點在B處，仿真度達到83%。3處測量值平均仿真度為77%，具有穩定可靠的仿真性。

4 結論

本文對支撐臂采用合理的焊接工藝及措施進行焊接，焊后測量其變形值。并使用焊接虛擬仿真軟件InteWeld對支撐臂進行仿真計算。

1）當采用相同的焊接工藝和控制措施施焊時，軟件模擬仿真計算的零件變形情況和實際生產測量數值變化趨勢一致[14]，尚存在一定的差異性，最優處仿真度達到83%。平均仿真度達到77%。

2）證明了采用InteWeld仿真軟件對支撐臂的焊接模擬仿真計算結果是準確可靠的。驗證了仿真計算工藝參數、邊界條件等的設置是正確可行的[15]。

3）基于InteWeld的焊接仿真技術對焊接結構件的變形預測具有較強的實際參考意義。

參考文獻

[1] 丁大狀.基于仿真動臂焊接變形的控制方法[J].現代制造技術與裝備,2021,57(10):184-186.

[2] 李雪罡,郝悅,田愷.仿真技術在焊接工藝中的應用[J].科學技術創新,2019(16):164-165.

[3] 王櫟寧.Simufact. welding對壓圈焊接變形分析[J].上海大中型電機,2017(3):10-13.

[4] 李曉東.鋁合金薄板MIG焊焊接變形仿真預測的工程應用[J].焊接學報,2014,35(2):105-107.

[5] 王良濤.基于形狀精度的車門焊接仿真分析研究[D].長沙:湖大大學,2014:57.

[6] AYGUL M.Fatigue Analysis of Welded Structures Using the Finite Element Method[D]. Gothenburg, Sweden:Chalmers University of Technology,2012.

[7] 佚名.ESI發布2009版焊接模擬方案[J].國防制造技術,2009(6):72.

[8] 杜坤,高海洲,周景,等.轎車車門焊接精度調試方法研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2009,32(增刊1):112-114,119.

[9] 吳言高,李午申,鄒宏軍,等.焊接數值模擬技術發展現狀[J].焊接學報,2002,23(3):89-92.

[10] YAGHI A H,HYDE T H,BEECKER A A,et al.Residual Stress Simulation in Welded Section of P91 Pipes[J]. Journal of Materials Processing Technology,2005,167(2/3):480-487.

[11] 丁林,周永濤,李明喜.T型接頭激光焊接的溫度場和應力場的數值模擬[J].安徽工業大學學學報,2007,24(4):384-388.

[12] 張建,周訓謙.基于Simufact的Q345焊接熱循環主要參數研究[J].電焊機,2015,45(9):167-170.

[13] 高耀東,何建霞,喬云芳.焊接過程有限元分析[J].北京大學學報(自然科學版),2010,46(6):1007-1009.

[14] 陳霽恒,章煒,胡金成.船體焊接殘余應力的數值分析[J].艦船科學技術,2009,31(8):51-54.

[15] 羅宇,朱枳鋒,魯華益.船用大型焊接結構的焊接變形預測實例[J].造船技術,2005(3):34-37.

文章來源：機械工程師