基于SYSWELD压滤机滤框焊接变形数值模拟

周三平，王 恒，郑宏涛

(1.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065；2. 西安航天华威化工生物工程有限公司，陕西 西安 710100)

压滤机是在过滤介质一侧施加机械力实现过滤的机械，主要用于化工生产、污水处理、食品药品制造过程中的固液分离，是环境治理和资源回收利用的理想设备。滤框作为立式压滤机的核心构件，它的质量好坏直接影响到压滤设备的密封可靠性，过滤设备的效率。由于滤框结构细长，在焊接过程中极易出现变形，因此减少滤框的焊接变形对提高压滤机工作效率与物料的利用率具有非常重要的意义。

焊接变形的影响因素众多，一个构件的焊接变形往往是多因素综合作用下的结果。目前国内外控制焊接变形的方法主要包括两个方面：一是在结构设计上采取措施，控制焊接变形，比如尽量减少焊缝数量[1-2]，合理化分配焊缝位置[3-4]等等。二是在焊接工艺上采取措施控制焊接变形，比如优化焊接顺序[5-6]，焊接方法[7-9]，刚性固定[9-10]等。但在面对不同的焊接结构件时应根据实际情况的不同选取合适的方法来达到控制变形的目的，目前还没有看到控制压滤机滤框焊接变形方面的文献。

针对立式压滤机滤框的结构特性，本文从结构设计和优化焊接顺序两方面入手，采用SYSWELD焊接模拟软件对两种不同结构的滤框模型在不同的焊接顺序下分别进行针对性模拟研究，从中找出最优的滤框结构与焊接顺序，并在最优结构的基础上对焊缝进行分段，制定不同的焊接顺序，找出最优焊接顺序，为实际的焊接工艺设定提供参考依据。

1 数值模拟前处理过程

1.1 几何模型

1-长边；2-转角；3-短边；4-围板；5-托架

滤框为矩形框式结构，由两条长边、两条短边和四个转角结构连接而成，每条边及转角由围板和托架焊接在一起组成，其几何结构如图1所示。焊接时，先将每条边及四个转角的围板及托架焊接在一起，然后组焊成滤框。由于长边的长度较长，焊接起来更容易变形，所以以如图1所示的840mm的矩形滤框的长边作为研究对象。

在现场焊接中，为了减小焊接变形，托架一般采用带圆弧倒角和减荷沟槽的横截面形状，其目的是为了减少应力集中和焊接残余应力，最终减少焊接变形，该结构不妨称作结构2，如图1(b)所示。

为了做对比研究，这里构建了一种没有进行进行任何处理的梯形横截面结构，如图1(a)所示，为了描述方便，不妨称作结构1。为了具有可比性，这两种结构的外形尺寸一致，结构2就是在结构1的基础上进行倒圆角和加工减荷沟槽而来的。

1.2 有限元模型建立

将建立好的几何模型文件导入VisualMesh中进行网格划分。围板和托架的焊接有两条焊缝，不妨称作焊缝1和焊缝2，如图2所示。焊缝作为热源输入位置，温度梯度大，变形量大，周围的网格划分细密，单元网格长度为2mm，远离焊缝的部位采取较粗的过渡方式进行网格划分，单元网格长度为4mm，结构1的网格数共计61707个节点，54200个单元。结构2的网格数共有54672个节点，46600个单元。由于结构1、2大体结构类似，网格模型也十分相似，限于篇幅，在这里只示出了结构1的网格模型，如图2所示。建立如图2所示的坐标系，平行围板面横截面方向为X轴，垂直围板面向上为Y轴，沿长度方向为Z轴。

图2 结构1网格模型

1.3 材料性能参数、焊接工艺参数及边界条件设置

实际焊接中，往往将需要焊接的托架和围板的相对位置先点焊固定住，这里在长边两端点焊两个点，在模拟中以两个部分接触面共节点的形式实现，然后正式施焊。实际焊接中，将图2中A、B、C、D四个点固定住，在模拟时，将这四个点设置刚性固定点。

滤框材质为316L不锈钢，焊丝选用材质为022Cr17Ni12Mo2。模拟过程中焊接电压、电流等焊接工艺参数根据现场焊接过程确定，焊缝1采用普通电弧焊，焊缝2采用氩弧焊，焊接工艺参数如表1所示。焊接热源采用双椭球体热源模型进行模拟。

2 模拟结果及分析

2.1 两种截面形状及焊缝1和焊缝2的焊接顺序对焊接变形的影响

为了分析焊缝1和焊缝2的先后焊接顺序对焊接变形的影响，这里模拟了两种焊接方案，分别是先焊焊缝1再焊焊缝2的方案1和先焊焊缝2再焊焊缝1的方案2。焊接件冷却至室温时方案1和方案2的模拟变形云图分别如图3、图4所示。由于结构1和结构2的变形规律相似，限于篇幅，这里只示出了结构2的变形结果。

图3 采用方案1时结构2的焊接变形云图

由于焊接时滤框长边沿轴线方向即Z方向的两端固定，滤框变形主要是横截面方向即X、Y方向的变形，滤框由托架和围板两个组件组成，其变形必能不一样，为了便于分析这两个组件沿长度方向的变形情况，分别在托架和围板这两个组件上定义了两条变形量最大的路径：路径1和路径2，如图4所示。

图4 采用方案2时结构2的焊接变形云图

从图3、图4中可以发现，最大变形点都出现在滤框中部附近，这与实际的工况趋于一致，方案1的最大变形点在托架上的路径1上，方案2的最大变形点在围板上的路径2上，结构1的变形情况与结构2类似，两种结构最大变形点的位移量如表2所示。

表2 两种结构在不同方案下的最大变形量

由表2可以看出：(1)无论哪种焊接方案，结构1即托架为梯形横截面结构的滤框长边的焊接最大变形量明显小于结构2即托架带圆弧倒角和减荷槽横截面结构的滤框长边的焊接最大变形量。这主要是由于同样横截面外形尺寸的结构1材料的实体面积大，刚性大，变形量必然小；而结构2是对结构1进行了圆弧倒角并剔除了减荷槽部分的材料，横截面上材料的实体面积明显小于结构1，降低了它的刚性，所以结构2的变形量自然较大，这与文献资料[12-13]是相一致的。由此可见，仅从焊接变形的角度来讲，托架为梯形横截面结构的滤框变形量反而小，因此没有必要进行圆弧倒角和加工减荷槽。(2)先焊焊缝1再焊焊缝2的焊接方案1明显好于先焊焊缝2再焊焊缝1的焊接方案2。

2.2 焊接变形的主要方向

为了分析焊接变形的主要方向，分别提取结构1根据焊接方案1和焊接方案2的模拟结果在路径1和路径2上各点X，Y方向上的变形位移量，如图5、图6所示。

图5 采用方案1时结构1路径1和路径2在X、Y方向的变形

图6 采用方案2时结构1路径1和路径2在X、Y方向的变形

由图5、图6可见：无论是方案1还是方案2，路径1和路径2上各点在Y方向的最大变形量大于X方向的最大变形量。这是因为Y方向的尺寸小于X方向的尺寸，所以Y方向更容易变形。

3 分段焊接对焊接变形的影响研究

通过模拟发现滤框的变形主要集中在构件的中间区域，且长度越长，变形量越大，为了减小焊接变形量，可以采用分段焊接法释放材料填充过程中累积的应力，从而减小焊接变形。

3.1 分段焊接方案排序

以结构1模型为基准，将焊缝1和焊缝2等分为三段，为描述方便，对每段焊缝进行编号，如图7所示。为了研究每小段的焊接顺序对焊接变形的影响，设定不同的焊接顺序。在设置焊接顺序时遵循四个原则：(1)前述研究表明先从焊缝1开始焊接，变形更小，所以在设置焊接顺序时，先从焊缝1开始排序：(2)焊缝1上的小段和焊缝2上的小段交叉焊接，即焊缝1上焊一小段然后焊缝2上焊一小段；(3)可以先焊中间后焊接两端，也可以先焊两端后焊中间；(4)焊缝1上的两端的小段4、6和焊缝2上的两端的小段3、5可以近端交叉焊，即4-3、6-5交叉焊，也可以远端交叉焊，即4-5、6-3交叉焊。根据上述四个原则，排列组合成了四种典型的焊接顺序，顺序1：先中间交叉焊后两端近端交叉焊，即2-1-4-3-6-5；顺序2：先两端近端交叉焊后中间交叉焊，即6-5-4-3-2-1；顺序3：先两端远端交叉焊后中间交叉焊，即：6-3-4-5-2-1；顺序4：先中间交叉焊后两端远端交叉焊，即：2-1-6-3-4-5。

图7 焊缝分段与编号

3.2 分段焊接结果分析

运用焊接模拟软件SYSWELD，对上述四种焊接顺序进行数值模拟，四种焊接顺序的变形云图如图8～11所示。由图8～图9可见：两端近端交叉焊最大变形在托架上路径1上中间位置；由图10～图11可见：两端远端交叉焊的最大变形位置在围板上的路径2上的中间位置。为便于比较，将这四种顺序焊接的最大变形值取出列于表2。

图8 顺序1变形云图

图9 顺序2变形云图

由表2可见：(1)不管先焊中间还是先焊两端，顺序3、4的两端远端交叉焊的最大变形小于顺序1、2的两端近端交叉焊，由此可知，两端远端交叉焊对两端近端交叉焊要好；(2)对同样的两端近端交叉焊顺序1和顺序2进行比较，先两端焊后中间焊的顺序2的最大变形小于先中间后两端的顺序1的最大变形；对同样的两端远端交叉焊顺序3和顺序4进行比较，先两端焊后中间焊的顺序3的最大变形小于先中间后两端的顺序4的最大变形，由此可知，在相同的两端交叉焊的情况下，先两端焊后中间焊要比先中间焊后两端焊要好。

图10 顺序3变形云图

图11 顺序4变形云图

表3 各焊接顺序下的最大变形量

根据这两个结论，顺序1由于既是两端近端焊，又是先从

中间焊开始，两个不好的因素它都占了，所以它的变形最大变形明显大于其它三种焊接顺序的焊接变形也就不难理解；同样的道理，顺序3既是两端远端交叉焊又是先两端焊后中间焊，两个最好的因素它都占了，所以的最大焊接变形最小所有其它的顺序的焊接变形也不难理解。

不过将表2与表1进行对比可以发现，分段焊接尤其是先两端远端交叉焊后中间焊，对减小焊接变形有一些好处，但是与先焊焊缝1再焊焊缝2的整段焊接方案1减小得并不多。

4 结论

采用SYSWELD焊接模拟软件，对压滤机滤框的两种横截面结构、滤框上两条焊缝的两种焊接顺序以及四种分段焊接组合顺序的焊接变形进行了数值模拟，得到以下结论。

(1)托架梯形横截面结构的滤框长边的焊接最大变形量明显小于托架带圆弧和减荷槽横截面结构的滤框长边的焊接最大变形量，仅从焊接变形的角度来讲，托架梯形横截面结构的滤框变形量反而小，因此没有必要进行圆弧倒角和加工减荷槽。

(2)先焊焊缝1再焊焊缝2的焊接方案1明显好于先焊焊缝2再焊焊缝1的焊接方案2。

(3)变形主要在垂直于围板面向上方向。

(4)分段焊接时，两端远端交叉焊好于两端近端交叉焊，先两端焊后中间焊好于先中间焊后两端焊，所以6-3-4-5-2-1是最好的焊接方案，但是与先焊焊缝1再焊焊缝2的整段焊接方案1相比焊接变形减小得并不多。