吊车梁焊接工艺优化及其焊接变形的数值模拟研究

摘要

焊接作为钢结构中的重要工艺，是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，焊接残余应力会严重影响结构的使用性能，因此，对焊接残余应力进行计算和分析具有很重要的现实意义。 本文运用有限元分析软件ANSYS对吊车梁T型接头焊接温度场和焊接残余应力场进行了三维动态模拟的研究，通过对各种焊接现象的计算机模拟，可以确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。 本文以吊车梁的焊接过程为研究对象，针对吊车梁T型接头多道焊的特殊情况，建立双热源模型，即高斯分布的热源函数作为表面热源与双椭球型体热源作为焊件熔池部分的内热源相结合的方式，两热源能量分配比为3:2，此热源模型计算结果基本符合实际情况。通过数值模拟方法能够较准确地模拟焊接温度场和残余应力场，实现了双热源模型的加载和生死单元对焊缝金属的填充、熔化和凝固的有效模拟，分析了T型接头的焊接变形，给出了焊缝横向和纵向热应力分布曲线以及焊缝部位残余应力的分布趋势，获得了比较接近于实际的分析效果，对吊车梁焊接工艺的研究具有指导意义。 根据焊接温度场和应力场的数值模拟，在其焊接工艺参数下，做了吊车梁T型接头模型的焊接试验，结果表明T型接头数值模拟所选用的焊接电流、电弧电压、焊接速度等符合实际焊接要求。并在此基础上，本课题采用合理的焊接工艺，如单面开坡口、不对称船型焊接及合理的焊接顺序，略去背面碳弧气刨清根，与传统吊车梁焊接工艺相比，节约了焊接工时，提高了焊接效率，达到了焊接质量，由此提出吊车梁上翼缘与腹板的埋弧焊新工艺。