案例-排气装置焊接变形分析与控制
背景结构工艺分析
航空发动机中排气装置是重要的承力和排气部件，其前端为动力涡轮，后端为减速器。排气装置的主要作用是将动力涡轮中流出的燃气分流排出，高温及高载荷状态的服役环境对其焊接质量具有较高的要求。排气装置材质为GH4169钢，焊缝对接处厚度为2.5mm，焊缝在服役时要承载高载荷，而且前、后安装边在装配时具有一定的精度要求。因结构原因，前期的焊接技术方案为先组合筒体、流道、安装边，再进行焊接，此时焊缝有2条纵向焊缝和2条环焊缝，焊接路线如图1所示。
1 排气装置先组合再焊接技术路线 ( 手工氩弧焊)
采取先组合再焊接的技术路线时，焊接过程中存在以下技术难点:①焊接时，筒体内部流道与自动焊焊枪干涉，无法进行自动氩弧焊;②筒体内部流道的存在增大了手工氩弧焊的操作难度;③筒体两侧的2个装配流道的开口存在，降低了零件的刚性;④筒体内部流道的存在，使焊接夹具夹持点减少，对焊接变形的控制有限。
结构调整后可以采用先整体焊接再组合的技术方案，焊接时仅存在2条环焊缝，可以进行自动氩弧焊并可避免以上技术难点，技术路线如图2所示。
图 2 排气装置先焊接再组合技术路线 ( 自动氩弧焊)
1 有限元仿真路线
目前对焊接变形预测、焊接质量控制、焊接工艺参数调整优化、焊接顺序调整及焊接过程夹持控制优化的主流有限元计算方法有热弹塑性法、固有应变法。热弹塑性法计算结果准确，计算精度高于固有应变法，可得到零件中应力、应变分布规律和几何位移发生变化的趋势，同时可高效处理夹持卸载的相关计算问题，可准确计算零件仿真过程残余应力和应变的变化。热弹塑性法仿真分析可全时域评估预测焊接过程的热力学过程，对各部分的耦合分析比较全面，可以较准确地预测实际焊接温度场和应力场。但是计算时间比较长，计算量比较大。综合考虑计算精度和计算量，本次仿真采用热弹塑性法进行有限元仿真分析，具体的有限元仿真分析路线如图3所示。
图 3 有限元仿真分析路线图
2 焊接变形有限元仿真
2. 1 有限元模型及工艺参数
手工氩弧焊和自动氩弧焊的仿真参数见表 1。
表 1 手工氩弧焊和自动氩弧焊仿真参数
4a为手工氩弧焊有限元3D壳体模型及模拟夹持图，有限元总数量为22394个。图4b为自动氩弧焊有限元3D壳体模型及模拟夹持图，有限元数量为38352个。由于氩弧焊焊接为极快加热且极为不均匀的冶金过程，网格划分过程中对焊缝及热影响区有限元网格进行细化，并在焊缝及热影响区进行渐变处理，远离焊缝及热影响区位置的母材处有限网格一般粗化处理。
图 4 有限元网格模型及模拟夹持方式
排气装置手工氩弧焊因流道的影响，其夹持点避开窗口位置，采用上下安装边各4点的约束。自动氩弧焊不受流道影响，其夹持采用安装边上6点和下3点的均布约束。模拟焊接参数按表1的焊接工艺参数进行，手工氩弧焊焊接顺序为: 焊缝A→焊缝B→焊缝C→焊缝D; 自动氩弧焊的焊接顺序为: 打底焊(焊缝A→焊缝B) ，盖面焊(焊缝A→焊缝B) 。排气装置焊缝处厚度为2.5mm，两侧各开坡口1.5mm，仿真为填丝手工氩弧焊和填丝自动氩弧焊。焊缝对接处材料为GH4169钢，熔点1260～1320℃，其在不同温度下的材料性能参数见表2。
表 2 GH4169 钢不同温度下的材料性能参数
2. 2 热源模型
氩弧焊为移动热源，越靠近热源其热输入就越高，充分考虑氩弧焊的电弧对零件热输入、熔池搅拌作用及电弧的移动效应，本次氩弧焊仿真采用双椭球体热源模型。
因为氩弧焊热源处于移动状态，故其热量的空间分布朝着热源移动的方向温度梯度分布较陡，远离热源移动方向温度梯度分布较缓，而双椭球热源模型所产生的温度场却能够精确地反映出钨极氩弧焊(TIG)的焊缝温度分布。双椭球热源模型在空间上为非轴对称三维热源模型，在热源模型的前、后两个部分分别为2个不同的半椭球，模拟氩弧焊移动焊接热源前半椭球进行熔化并产生熔池，在后半椭球进行熔池的凝固产生焊缝。如图5 所示，该模型分前后半球两个部分，前半球的功率密度为:
后半球的功率密度为:
式中: a为椭球的x向半轴，mm;b为椭球的y向半轴，mm; cf，cr分别为前、后半椭球z向半轴，mm;Qf，Qr 分别为前、后半球的热输入，J/mm; q为功率密度，W/mm^3; ff，fr分别为前、后椭球能量分数，且ff+fr= 2，为无量纲参数。
图 5 双椭球热源模型示意图
2. 3 热源校核
应用双椭球模型对焊接参数进行了热源校核。先使用相同接头和厚度的板材，采用手工焊和自动焊焊接2组试片，焊接参数见表1，外观如图6所示,2组焊缝金相显微组织如图7所示。
图 6 手工氩弧焊和自动氩弧焊焊接试片外观
图7 手工氩弧焊和自动氩弧焊焊接试片金相显微图
从图6，7可以看出，手工氩弧焊、自动氩弧焊焊接试片外观饱满、连续、均匀，焊缝全部焊透。金相试片中，手工氩弧焊焊缝熔宽7.40mm，自动氩弧焊焊缝熔宽6.32mm，熔深100%。手工氩弧焊中熔宽较大，焊缝两边平整度整体略低于自动氩弧焊焊缝的。这与手工氩弧焊热输入的持续性和稳定性低于自动氩弧焊密切相关。
同时按表1焊接工艺参数对热源进行了仿真模拟，测量焊缝熔池尺寸如图 8 所示。
图8 手工氩弧焊和自动氩弧焊焊接模拟熔池状态
图8中高于1320℃ 为灰色，即超过GH4169钢平均熔点温度的区域，即熔化区。软件测量模拟手工氩弧焊和自动氩弧焊熔化区最大宽度分别为7.7mm和6.6mm，与实际测量熔池宽度基本吻合。按表1设置的焊接工艺参数及选定的热源模型可以进行进一步仿真模拟。
3 模拟变形结果与分析
3. 1 整体变形对比
排气装置手动焊接和自动焊接焊后整体变形模拟结果如图9，10所示。
图9 手工氩弧焊接模拟整体变形云图
图10 自动氩弧焊接模拟整体变形云图
手工氩弧焊焊接后整体变形集中在筒体中部，最大变形量接近3.23mm，最大变形区域靠近安装边位置，这将导致前、后安装边变形不均，椭圆度增大。而自动氩弧焊的焊接模拟结果显示，零件整体变形均匀，最大变形量为0.89mm。进一步对排气装置手工氩弧焊、自动氩弧焊最大变形位置的整体变形量随时间的变化曲线进行了对比分析，如图11，12所示。手工氩弧焊一次实际热输入较大，约1050J/mm，焊接A焊缝后导致该位置变形超过6mm，导致整体变形过大。同时夹持点较少，变形应力在零件上得到局部释放，最终变形仍较大; 同时结构上存在窗口，零件刚性差，变形主要集中在筒体中部位置。
图11 手工氩弧焊最大变形位置变形量随时间变化的曲线
图12 自动氩弧焊最大变形位置变形量随时间变化的曲线
对于自动氩弧焊，每条焊缝采用2道2层焊接，一次实际热输入为441 J/mm，仅为手工氩弧焊热输入的42%，焊缝A打底焊后最大位置变形仅为0.88mm，且2道次的焊接间隙冷却使每次焊接变形控制较小范围; 同时夹具可约束位置多、零件结构上不存在窗口，刚性更好，结构更为稳定，应力可分散在筒体上更多的位置，有利于限制应力的局部集中释放而非在整体上释放。
在排气装置自动氩弧焊和手工氩弧焊热输入基本一致的情况下，自动焊焊接时无纵向焊缝热输入的影响，整体热输入小于手工氩弧焊的。再者，自动焊调整为2层2道焊接，减小了每次焊接的热输入。且调整焊缝分布后，自动焊焊接时零件刚性增大，有利于应力在零件更多部位释放。同时自动焊时的夹具可夹持部位多于手工氩弧焊的，变形控制优于手工氩弧焊的。最终模拟排气装置自动氩弧焊焊接的整体变形小于手工氩弧焊焊接的。
3. 2 轴向变形对比
为了解排气装置手工氩弧焊、自动氩弧焊在轴向变形量上的差异，需要单独考察零件在高度方向上的变形量。零件手动焊接和自动焊接焊后高度变形量模拟结果如图13，14所示。
图13 手工氩弧焊焊焊后高度变形模拟结果云图
图14 自动氩弧焊焊焊后高度变形量模拟结果云图
由图13，14可见，手工氩弧焊时，在高度方向的变形较大，为1.05mm，主要集中在焊缝B处，即前安装边位置。自动氩弧焊在高度方向的变形较为均匀，最大收缩变形为0.70mm，收缩量也小于手工氩弧焊的。
从仿真结果来看，排气装置自动氩弧焊的焊接变形明显小于手工氩弧焊的，为排气装置的焊接结构、焊接方式、装配组合顺序调整提供了理论依据。
4 实际加工验证
根据仿真模拟结果，排气装置手工氩弧焊改为自动氩弧焊焊接，先整体焊接再组合的技术方案是可行的。以表1中自动氩弧焊工艺参数进行实际自动焊如图15所示，此时只存在2条环焊缝，其中1条纵焊缝为供货时已加工完成，对焊接变形基本无影响。
图15 排气装置自动氩弧焊焊接实际操作过程
按手工氩弧焊和自动氩弧焊进行加工的零件变形量及焊缝质量见表3。
表 3 排气装置手工氩弧焊和自动氩弧焊焊接变形量及焊缝质量
从表3可看出，排气装置改为采用氩弧焊焊接后，零件前、后安装边的轴向变形量从手工氩弧焊的-1.88～-1.68mm 减小至-0.54～-0.48mm，径向变形量控制在-0.4～+0.3mm，实际加工与焊接模拟结果基本相符。
5 结论
( 1) 对排气装置进行焊后变形有限元分析，预测自动氩弧焊的焊后变形小于手工氩弧焊的，分析相关控制焊接变形的因素为焊接方式、装配组合顺序、夹具夹持和提高零件的刚性，为实际零件加工改为自动氩弧焊提供理论依据;
( 2) 根据有限元分析结果，对排气装置的组合顺序进行调整，由原来的先组合再焊接改为先焊接再组合的技术路线，焊接方式改为自动氩弧焊，焊接变形得到有效控制。
仅限内部分享，不做商用。
机电君看下来，这篇仿真案例虽然没有提采用的软件，估计是采用ABAQUS/Explicit模块对焊接过程的温度场进行计算；再将温度场计算结果文件导入到后续的应力分析模型中，计算在焊接过程中由温度场变化引起的应力应变变形等变化。
并且仿真采用了一些假设：
1. 焊接电极之引入温度场，不引入应力场；
2. 忽略加工过程中的应力变化；
3. 认为材料结构内部无缺陷，各向同性材料；
4. 忽略内部化学反应以及金属融化流动的影响。
焊接过程中物理场的相互影响如下：
在焊接过程中，由于焊接部位的温度较高，会引起焊缝区域金属的显微组织发生，导致晶格发生移动、晶格结构变化，从而引起焊缝附近的应力场发生剧烈变化，应力的变化又继续导致形变。相反的，由于应力场的变化反过来又会导致金属的金相组织发生相应的变化，金相组织的变化又继续导致温度场发生一定的变化。
扩展了解：
在焊接过程中，热量通过电弧的形式传递到焊接件上，这个电弧的分布形式不是均匀的，在接近电极中心的位置热流密度大温度高，反之则温度较低，呈现不规则分布状态。因此不能采用ABAQUS中的载荷模块对温度场进行施加，需要通过FORTAN子程序对热源的形状进行定义，并设置其移动速度等参数。热源模型可以分为单椭球模型和双椭球模型，单椭球模型认为在焊接过程中热源的形状不受热源移动的影响。双椭球热源模型对于熔化极惰性气体保护焊而言，相当于有一个体热源作用于前面的椭球上模拟电弧的冲击作用，以及另一个体热流密度作用于后面的椭球上，后半部热源相对较长，模拟由于热源移动而导致的能量分布变化。相对于单椭球热源模型，双椭球热源模型对于热冲击敏感性较低但熔池深度较大，有效模拟了热源密度的分布的变化，热源输入量相对单椭球热源较小，从而使峰值温度较低更加接近实际温度。
