叉车车架焊接变形分析及优化研究

文/ 朱坤

“焊接变形”是指焊接过程中，被焊工件受到不均匀温度场的作用，而产生的形状、尺寸变化。结构件焊接变形，对焊接结构会产生诸多不良影响：使装配发生困难，降低装配质量；
焊接变形产生的附加应力会使焊接结构的承载能力下降；
矫正焊接变形不仅增加成本，还会使焊接接头发生冷作、硬化，使塑性下降；
焊后还要增加矫正工序，提高了制造成本。

通过有限元分析软件Hypemesh、Simufact对车架进行焊接变形分析，优化其焊接顺序及焊接工艺参数，将变形量控制在2mm以内，可减少车架焊后校正工序，提高零部件制造精度，减少成本。

某叉车车架结构由支腿、车架底盘组成，图1为该车架支腿三维模型。支腿由槽钢和C型围板构成，两者焊接完成后再上车架模与底盘组焊。C型围板材料为Q235B钢，槽钢为进口合金钢18MnNb6。

图1 某叉车车架支腿

1.网格划分

模型采用六面体网格划分以提升计算精度，考虑到网格数量的控制和模拟结果的准确性，对断续焊的热影响区进行适当的网格细化，细化的网格尺寸为5×5×5 mm，整体网格数约为7万多，如图2所示。

图2 支腿网格划分示意图

2.有限元模型建立

采用Simufact welding软件建立支腿焊接过程的有限元模型，将焊条材质设为Q235钢。焊接顺序根据现场设定如图3，焊缝理论长度为120mm，间隔为240mm，共焊接8道焊缝，点焊采用模型中局部粘结点代替。

图3 焊接顺序

根据理论值并结合实际熔池形貌，设置焊接参数与热源模型见表1。

表1 焊接参数与热源模型参数

焊接方式为电弧焊，焊接过程为自由状态，无夹持无工装，因此为方便模拟计算，将模型设置为横躺于平台状态，并加设重力。环境温度设为20℃，整个模拟时间设置为1000s，其中焊枪作用时间约385s，焊后冷却时间约615s，并在每条焊缝焊接前设置1s的焊前停留时间。整个模型设置效果，如图4所示。

图4 槽钢支腿有限元模型

从温度场、应力情况、变形量三个方面进行分析，研究焊接过程中焊件温度的变化、残余应力分布情况以及焊后变形的趋势。

1.温度场分析

模拟过程分为焊接和冷却两个阶段，根据设定时间，t=2s时，开始进行第一条焊缝的焊接，t=286s时焊接结束，之后进入冷却阶段。由于每条焊缝设置条件相同，温度场变化相似，现选取第一条焊缝处进行分析。

图5所示为该处焊缝不同时刻的温度分布，可以看到在焊接初始阶段，焊接热源附近区域金属迅速升温，并超过金属熔点（1500℃)，随着热源移动，焊缝中心处的温度趋于稳定，31s后，此处焊缝焊接结束。通过观察发现，焊接进行过程中，热源附近高温区域前后呈不对称分布，熔池前沿热量高，温度梯度大，尾部热量减弱，温度梯度小，究其原因，是熔池前沿金属主要以热传导的方式传热，移动热源对前方金属始终起到预热作用，热量不能及时扩散，而热源在移动的过程中对焊后区域起到保温作用。图6为焊缝上某一点的温度变化曲线图，可以看出，焊接开始时，该点温度迅速上升，最高温度达到1600℃以上，当热源远离时，又逐渐冷却。由于热源的传热保温作用，节点的冷却速度小于加热速度。

图5 焊缝温度场云图

图6 焊缝中心温度变化曲线图

再选取槽钢内侧一追踪点进行追踪，其位置及温度变化曲线如图7所示。可以看出，温度对应的上升速度较快，最高温度达到150℃，下降速度小于上升速度，300s后温度趋于80℃。

图7 追踪点位置及温度变化曲线

焊后冷却温度云图如图8示，可以看出，在焊接完毕冷却615s后，焊缝周围区域温度大约都在50℃以下。

图8 冷却完成后温度分布云图

2.残余应力分析

在焊接过程中，由于温度变化，一般都会导致工件产生不同程度的残余应力，而当残余应力较大甚至超过材料屈服强度时，零件将产生不可逆转的塑性变形，从而降低焊件的承载强度，影响工件的使用性能和寿命。

图9为焊后工件冷却一定时间后的焊接残余应力分布云图。由图9可知，焊接残余应力主要分布在焊缝附近区域，并由焊缝向两侧逐渐减小；
焊后最大残余应力达到466 MPa，焊缝处大部分区域残余应力在400 MPa以下。在焊接时，焊缝附近金属受热膨胀受到未焊接金属的约束作用；
而在冷却时，随着温度的降低，工件产生收缩变形。槽钢整体不均匀加热和冷却导致了内部残余应力的增大，残余应力最终导致槽钢在焊后产生焊接变形。

图9 冷却完成后温度分布云图

3.焊接变形分析

首先对比模型焊接前后的形态，如图10中（a）所示，为方便观察变形趋势，对其变形程度进行20倍放大处理，可以看到槽钢的端部出现了翘起变形。

图10 焊接前后效果及焊后变形量分布图

整个过程分为焊接和冷却两个阶段，焊接过程中会产生较大焊接变形，并随着焊接的进行，变形不断增加或抵消，在冷却后槽钢会产生最终的焊后变形。图10（b）-（d）所示，分别为焊后支腿整体总变形量云图及槽钢沿X 方向和Y 方向分变形量云图。可以看出，槽钢最大变形量达到1.66mm，冷却后趋于1.55mm，而槽钢的弯曲变形主要发生在Y负方向。

在槽钢内侧选取4个点进行过程追踪，观察每个点的变形过程，取点位置及结果如图11所示。可以看出，随着焊接的不断进行，各个点的变形量也在不断变化，各个点在相邻的焊缝焊接时都会有较大的变形量，焊接结束后会有一定程度的变形回复，整体焊接结束冷却过程中，焊接变形在逐渐缩小，这说明在焊后冷却过程中，槽钢存在一个自动的变形回复过程。

图11 追踪点总变形量及分变形量（Y方向）随时间变化曲线图

针对变形较大的区域，为更准确地分析焊缝焊接与其形变之间的关系，将总变形量曲线图的时间集中在350s内，并观察跟踪点1，如图12示。可以看到，约在t=90s时，槽钢端部位置开始发生形变，此时正值第四条焊缝准备焊接，这说明当焊接靠近槽钢端部时影响开始产生，在t=100s至t=285s焊接全部结束这段时间里，槽钢端部发生了持续的形变，在最后一条靠近端部的焊接结束前，还出现了轻微的变形回复过程，而在焊后冷却的这段时间内，槽钢端部的形变并未停止，随着冷却的进行，变形速度逐渐减慢，直至最大变形值之后又缓慢下降，产生微弱的回弹并最终稳定。

图12 追踪点变形量局部曲线

端部再另取三点追踪观测，追踪点选择如图13所示，还可以看到槽钢端部两侧的变形是不同步的。

图13 追踪点位置及对应总变形量曲线图

根据以上模拟结果，为解决端部变形量较大的问题，现探究两种方案，一是改变焊接顺序，二是调整模型与焊接条件。基于这两种方案，重新设计模型并进行模拟分析。

1.改变焊接顺序

改变焊接顺序时，其余条件不变，新设顺序如图14 所示。改变焊接顺序后的支腿整体总变形量云图结果如图15 示，其中追踪点位置同上。可以看出，焊后变形量最大达到1.56mm（之前模拟结果为1.66mm），冷却后变形量趋于1.42mm（之前结果为1.55mm），变形量略小于之前的模拟结果。根据分析，槽钢端部变形的主要原因，可能是靠近端部的焊缝开始焊接时，该位置因没有了围板的加强作用而导致的，因此焊接顺序的调整对端部变形的优化效果就并不明显。

图14 新设焊接顺序

图15 总变形云图及变形量曲线

2.模型与焊接条件的改变

焊接过程中大量热的产生，对焊后变形的影响是显而易见的，因此可以从减小热源模型对焊件的影响范围着手。首先对模型进行微调，将围板的坡口尺寸由原来的6mm倒角改为3mm，如图16所示，焊接电流与电压调低，热原模型也进行相应的调整，新的焊接参数与热原模型见表2。

图16 模型改动示意图

表2 焊接参数与热源模型参数

模拟运算完成后，再次观察焊件的变形情况，如图17所示，可以看到，槽钢的整体变形趋势不再明显，槽钢端部的翘起变形也几乎消失，从焊后变形云图可以看出整个槽钢的相对变形量已经很小，最大处为0.63mm，小于钢板直线度要求的2mm（表3所示），且没有出现局部过度变形的现象。对比模型改进前后在稳定焊接过程中焊缝处的热源情况，如图18所示，可以看出改进后的模型其熔池熔深等都明显小于前者。

表3 钢板平面度公差值

图17 焊接前后效果及焊后变形量分布图

图18 模型改进前后焊缝热源对比

根据以上分析，可以得出以下结论：

1.焊接顺序的改变，对车架支腿焊后变形的影响是存在的，只是影响作用不明显。

2.优化坡口尺寸，减少焊接材料填充，在保证焊接熔深1～3mm的前提下，能有效降低焊后变形程度，满足焊接件技术要求的变形量在2mm以内，基本可以达到焊后不矫正，直接进入车架组装工序的目的。优化前及优化后，二者的焊缝成形系数（焊缝宽度/焊缝厚度）均大于1.4，成形优良。

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