离心压缩机风筒法兰焊接坡口优化的数值模拟研究

冯魁　郝建国　翁吉铭　张江楠　张思宇

摘要：本项目基于MSC.Marc软件，针对离心压缩机风筒法兰焊接变形问题开展数值模拟研究，根据工件制造实际，建立了可靠的有限元模型建立方法和焊接过程数值模拟方法，并利用经过验证的方法，计算得到对称坡口对焊接变形的改善效果。

关键词：离心压缩机;焊接风筒;数值模拟;焊接坡口;焊接变形

0  引言

离心压缩机风筒多为焊接结构，即风筒弯板与法兰采用焊接方式连接在一起形成风筒。该环形焊缝为单边V型坡口，风筒弯板厚度多在16mm以上，且法兰直径较大，常需要采用多层多道焊焊接，焊接量大，由于焊接热输入的影响，最终导致风筒弯板与法兰焊接后，法兰平面存在四周向上翘起的碟型变形。

上述焊接变形将直接影响压缩机机壳加工精度，主要表现为机壳采用龙门铣床等设备进行精加工后，风筒法兰环向厚度存在一定程度的不均匀性。此前对该类焊接变形问题进行工艺改进多采用试验件方式进行，但试验件存在工程量大、成本高、耗时长等实际问题。

笔者基于焊接过程数值模拟分析技术，利用MSC.Marc软件，将有限元模拟技术应用到压缩机焊接工艺改进领域中，采用数值分析结合试验验证的方式，不断优化模拟方法，持续提升压缩机风筒法兰的焊接模拟精度。

1  焊接过程数值模拟技术概述

焊接具有局部高温加热、短时保温、快速冷却等不平衡特点。在压缩机制造业中的焊接多采用气体保护焊、焊条电弧焊等方法进行多层多道焊接。由于焊接填充量较大，多层多道焊接过程结束后往往都会产生包括纵向收缩、横向收缩等较大的焊接残余变形。这不仅改变了结构件的原本形状，还有可能产生降低结构疲劳强度和服役时间的应力集中和附加弯矩。

传统焊接问题的研究工作依赖于在统计和试验基础上得到的经验公式或经验曲线，然而仅从实验方面研究此类问题难度很大，且无前瞻性，不能全面预测和分析焊接过程、客观评价焊接质量。随着计算机水平的高速发展和有限元理论的不断提升，为焊接过程的有限元模拟研究提供了非常有效的理论和工具，通过仿真可以将研究模式转变为“理论-模拟-生产”，进而有效提高焊接以及材料加工领域的科研能力，同时节约研究的成本和人力。

2  离心压缩机风筒法兰焊接过程数值模拟过程与结果分析

模拟过程包括几何模型的建立、网格划分、材料参数、初始条件、边界条件、工况的确定等，需要通过不断调整焊接模型，比对实际焊接变形量，验证模拟计算方法的合理性。

2.1 有限元模型的建立

利用SolidWorks软件将某型号离心压缩机焊接风筒二维图纸转化为三维模型，风筒弯板组件与法兰件之间坡口形式采用与实际相符的双边30°对接坡口。考虑到该风筒的对称结构，为便于后续网格划分，建模采用了1/4镜像方式对三维模型进行网格划分，将焊缝分为四层四道焊，各道网格均选用六面体网格。焊缝区域因为热输入大，温度、应力变化梯度大，对模拟结果影响较大，采用小网格划分;由于风筒弯板上段区域距离焊缝较远，网格尺度对模拟结果影响较小，采用大网格划分。而包括焊接热影响区的下段弯板和法兰区域，则在网格划分过程中，利用偏置间隔单元，实现网格由密向疏的过渡（见图1），防止畸变的产生。实践证明，该方法在保证模拟准确的条件下，有效的减少了单元数量，提高了计算效率。

将划分好网格的1/4模型导入到Marc软件中，进行镜像补全，得到风筒法兰的整体网格模型。

2.2 材料参数的选取

对于本研究中的Q345R钢，在模拟中涉及到的物理参数包括比热容、热膨胀系数、屈服强度、杨氏模量、导热系数等参量。本项目选用MSC公司提供的S355材料相关性能参数进行焊接模拟，由于实际焊接过程选用的H02Mn2SiA焊丝与母材性能相近，故数值模拟过程中的母材与焊材均采用S355材料替代。

2.3 热源模型的设置

焊接熱源与实际热源的相似程度直接关系着焊接应力场、焊接变形模拟的准确性。由于双椭球热源是目前公认最接近实际厚板多层多道焊接的热源模型，本项目采用双椭球热源模型仿真实际焊接过程的MAG焊热源。

综合考虑模拟计算效率和实际焊接过程，本项目将风筒弯板与法兰之间焊缝分为4层，根据每层实际尺寸、焊接模拟过程中温度分布及熔池尺寸设定双椭球热源参数。

2.4 边界条件的确定

焊接过程中焊接材料与外界有强烈的热交换，因此在焊接过程数值仿真中要设定合理的温度边界条件。本项目设置周边环境初始温度20℃，对流系数0.02，单层焊接完成后，冷却30分钟。

模型建立过程中对工件的固定和焊接速度的实际拟合程度将直接影响焊接结果。考虑到实际工件焊接过程中，法兰与弯板之间圆周连接，故在模型中对焊缝尖点选取四点进行刚性固定，控制其Z向位移。焊接速度设置为5mm/s，焊接顺序为有内至外，单圈连续焊接。

2.5 焊缝填充过程“生死单元”技术的应用

本文利用Marc软件的生死单元技术拟合风筒法兰多层多道焊实际材料填充过程，提高模拟计算精度。生死单元技术是在仿真中考虑材料添加方法的关键技术。生死单元技术是指在焊接前将焊缝单元“杀死”，然后随着热源的移动再将单元逐步“激活”。在Marc中将单元杀死并非真正的删除这部分单元，而是为它们的热传导系数赋予一个很小的值，在保证刚度矩阵稳定的前提下，将这部分单元的作用降到最小，这样在热源未移动到的位置，这些单元就相当于不存在。然后焊接过程中随着热源的移动逐步将这部分单元激活，即将它们的热传导系数恢复原值，相当于模拟焊接过程中的材料添加过程。

2.6 风筒法兰外圆焊接变形计算结果与分析

按照前期选定的计算模型，应用边界条件和材料参数，开展计算，得到各位置焊接变形计算结果。法兰外圆变形云图如图2所示，风筒Z向变形最大值为4.06mm，出现在法兰外圆，从变形云图中可以看出，风筒法兰外圆各点出现翘起变形，变形趋势与生产写实过程实测值一致。

各测量点最终变形量记录于表1，计算结果表明，各测量点变形量3-4mm左右，最大值4.03mm，最小值2.60mm，圆周方向变形较为均匀，与实测结果基本吻合。

3  工艺优化措施的焊接过程数值模拟结果与分析

对于多层多道焊接，坡口形式直接影响焊接变形量，对称的热输入可能一定程度上减小焊接变形。本节将原有设计图纸中60°V型坡口，改变为60°X型坡口，采用焊接数值模拟方法，研究坡口形式对零件焊接变形的影响。改进前后坡口形式对比如图3所示。

按照前期经过验证的计算模型，仅改变焊接坡口形式，其余与原有计算一致，单层四道焊缝焊完之后，同样增加冷却30min工况，开展计算，得到各位置焊接变形计算结果。

法兰外圆变形云图如图4所示，风筒Z向变形最大值为1.33mm，出现在法兰外圆，从变形云图中可以看出，风筒法兰外圆各点出现翘起变形，变形量比较均匀。

各测量点最终变形量记录于表2，计算结果表明，各测量点变形量1.2mm左右，最大值1.32mm，最小值1.23mm，圆周方向变形较为均匀，相比较单侧坡口焊接模拟和实测值，变形量大幅度降低。

由于两侧收缩量均匀分布，变形量得到一定减小，由此表明，相比较原有V型坡口，X型坡口对于风筒法兰焊接变形的减小具有明显定效果。

4  结论

①通过建立合适的有限元模型，选用合理的边界条件，采用可靠的数值模拟方法，可以实现离心压缩机风筒焊接过程变形的精准预测。

②对于大壁厚焊接风筒，焊接过程中采用对称坡口焊接，即将V型坡口改进为X型坡口，可大幅降低焊接导致的法兰外圆的翘起变形。

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