焊接顺序对某飞行器叉形结构焊接变形的影响



黄尊月1，　罗　震1，　敖三三1，董建涛2

(1. 天津大学 材料科学与工程学院，天津　300072; 2. 首都航天机械公司，北京　100076)

摘　要：焊接变形影响了结构的承载能力和精密性，尤其对飞行器等精密结构将造成非常严重的后果. 为了对某钛合金飞行器叉形结构的焊接变形进行精确测量从而达到控制焊接变形的目的，制作了简化的1∶3钛合金模型，根据不同测量方法的特点，对钛合金模型采用数值仿真计算对整体变形进行了模拟，采用数字图像相关技术对远焊缝区域进行检测，并采用三维扫描对工作臂变形角度测量等三种方法，对焊接变形进行测量分析，较于传统测量，采用模拟和试验测试相结合的方法能够紧密联系工程实际，更加全面准确，量化了焊接顺序对焊接变形的影响，找到最佳焊接顺序方案.

关键词：焊接变形；数值模拟；数字图像相关技术；三维扫描

中图分类号：TG 404

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)08-0031-04

0　序　　言

在焊接过程中，不均匀的热输入导致焊接结构的变形. 不均匀的温度场，使结构各个部分热胀冷缩不能同步. 焊缝处金属熔化、凝固的过程中会产生相变、膨胀和收缩等，体积会产生较大的变化，从而引起焊接结构的变形．影响焊接变形的因素有很多，对于形状、材料和焊接参数确定的构件来说，焊接顺序是控制焊接变形量的关键. 所以对于精密结构而言，找到合理的焊接顺序是至关重要的.

在焊接变形测量方面，各国学者都投入了大量的时间和精力来研究焊接变形的测量方法．目前，测量焊接变形的方法一般可以分为两大类：静态测量方法和动态测量方法[1]．静态测量只能测得焊后变形，具有一定局限性. 动态测量方法能够直观的显现工件在焊接过程中实时变形的历程，有助于深入了解焊接变形的机理. 然而，由于焊接是一个复杂的动态过程，采用常规的方法很难实现对整个工件变形的动态测量. 采用三维扫描和数字图像相结合的方法，相较于传统的测量方法，可以实现与工件非接触并且精度高. 通过对某飞行器叉形结构制作1∶3的简化模型，采用有限元热-力耦合法对整体进行模拟、使用非接触数字图像法对距焊缝区较远处表面变形进行检测并且使用三维扫描法对工作臂的变形角度进行分析，全面测量焊接变形，同时确定了该结构的最佳焊接顺序.

1　有限元仿真模拟变形

1.1　叉形零件的焊接工艺

文中叉形零件如图1所示，其焊接位置位于管与板的接缝处. 在大板与工件臂的连接处，小板与工件臂的连接处均为焊缝，共24道，为不填丝角焊缝. 结构材料为TC4,制作实用结构的1:3的简化后模型,采用的是TIG焊，由大量试验结果找到最佳焊接参数进行焊接．

图1　简化后的叉形结构示意图

Fig.1　Schematic of the simplifid fork structure

由工程实际经验和大量试验，选择四种最常用的典型焊接顺序，如图2所示，在四种典型的焊接顺序中，箭头方向代表焊接方向；不带括号的阿拉伯数字表示正面焊缝，括号里面表示背面焊缝；阿拉伯数字表示焊缝的先后施焊顺序，比如1就代表第一道

图2　焊接顺序方案示意图

Fig.2　Schematic of welding sequence

焊缝，2代表第二道焊缝，括号里面的3表示背面的第三道焊缝，以此类推，按照图2中标明的数字和方向，上半部分代表大板与工件臂的焊接，下半部分代表工件臂与小板的焊接(选取其一表示，实为同时焊接)，完成整个工件的焊接．

1.2　有限元模型的建立

采用有限元软件ANSYS，基于热物理方程，通过热-力耦合算法[2]对焊接过程中结构的变形进行研究．对结构进行分区划分网格，焊缝区域密集，其他区域稀疏，总节点个数为：131 046个，单元个数为：114 480个．焊接热源采用高斯热源[3]. 初始温度设置为20 ℃. 采用热焓法处理相变潜热. 材料的常数见文献[4]. 热物性参数与温度密切相关,随温度的变化而变化,900 ℃以上的物性参数由外推法获得,见文献[5]. 热源模型等其余模拟参数见文献[6].

1.3　有限元模拟得到的焊接应力云图

文中采用热—力耦合有限元算法，先计算焊接过程中的温度场分布，将焊接加热和冷却过程的温度场读入，形成热载荷施加在模型上进行焊接热应力计算，得到四种方案的等效应力图，如图3所示.

从四种方案焊后的工件整体的等效应力云图可以看出，应力集中最大处，均在大板部分的焊缝附近，四种方案中近焊缝区域应力范围分别为：271～407 MPa,275～413 MPa,275～412 MPa和278～417 MPa. 焊件自身具有抵抗塑性变形的能力，焊件应力越大，则焊件变形越小，所以从控制焊接变形的角度来说，方案四的焊接顺序是最为合理的.

图3　焊接完成时的应力场

Fig.3　Stress field at the moment of welding finished

为了更为直观地比较四种方案对工件变形的影响程度，同时由于近焊缝的高温强光在试验中不易测量，因此均在大板近焊缝处抽取同一点进行计算，在焊件上的位置，如图4所示(距离工件臂2 cm).

图4　大板近焊缝处观测点

Fig.4　Observation point on the big board

比较四种方案的三维变形量如图5所示，可以发现四种方案的变化趋势大致相同，取其最终的焊接变形量进行定量比较，如表1所示,可以看到方案四在xyz三个方向的焊接变形量分别为0.57 mm,0.21 mm,0.47 mm均小于其他三个方案.

2　数字图像技术实测焊接变形量

数字图像相关技术是近些年发展迅速的非接触测量方法之一，之前Stryckerp等人[7]验证了使用数字图像相关技术测量弧焊过程中变形的可行性. 文中首次将数字图像技术应用到钛合金TIG焊接中，用于测量不同焊接顺序下结构的远焊缝区域表面变形量随时间的变化．

图5　观测点在焊接过程中的位移量

Fig.5　Deformation of the observation point in the welding process

表1　四种方案中点位移变化量比较

Table 1　The displacement of four schemes

方案编号x方向位移U/mmy方向位移V/mmz方向位移W/mm方案10.640.260.54方案20.630.300.54方案30.690.400.55方案40.570.210.47

2.1　数字图像相关技术

采用两台CCD相机，使用滤光片滤去强烈的弧光，施加辅助光源获得均一光源环境，对整个焊件制作均一随机散斑后，采集整个焊接过程中的焊接变形图片数据，为避免弧光对相机造成伤害，对远离焊缝的区域进行检测. 得到x，y方向上的变形量，采集流程如图6所示. 一台相机采集焊接过程中工件臂的变形量，另一台相机采集大板上的焊接变形量.

图6　数字图像采集过程流程图

Fig.6　Tree of the image collection process

2.2　数字图像相关技术测量具体焊接变形量

文中已经采用有限元分析法得出了在四个试验方案中，方案四在近焊缝区域的焊接变形量最小. 现采用数字图像相关技术对远焊缝区域进一步验证，通过有限元数据发现方案二和方案四是变形量最小的两种方案，考虑到用材的节约性，在这两种方案下施焊和验证即可. 大板和工件臂的焊接变形量是工程实践中最关注的部分，故选择这两个部位上的远焊缝点进行验证,选择点如图7所示.

图7　选取的工件臂和大板上的观测点

Fig.7　Observation point of the big board and the arm

在整个焊接过程中，同一时刻,对点P1和P2之间距离变化的绝对值(即P1和P2的相对位移量)测量了28次，其测量结果如下图8所示，可以清晰的看到在焊接过程几乎任意时刻，工件臂上点的变形量在方案四中均小于方案二，这一点与有限元模拟结论具有一致性.

对于大板上的点，分焊接小板和焊接大板两个过程分别进行检测，发现焊接小板的过程中，大板上的点几乎没有焊接变形；在大板焊接过程中，大板上的点的焊接变形较大，如图9所示，方案二在x和y方向上的变形量的绝对值分别为1.22 mm和0.73 mm,方案四在x和y方向上的焊接变形量的绝对值分别为0.78 mm和0.23 mm,在x和y方向上，均小于方案二的焊接变形量. 表明方案四为最优焊接方案.

图8　焊接过程中P1与P2距离的变化

Fig.8　Distance from P1 to P2

图9　大板焊接过程中点P3的位移量

Fig.9　Displacement of P3 in the welding process

3　三维扫描测量焊接变形

应用PhotoScan软件进行三维模型重建，由三维模型得到焊后模型，目前在焊接领域中应用激光三维扫描比较常见[8],非激光三维扫描测量焊接变形还是首次．通过对模型焊件采用1200万像素数码相机进行360°全景拍摄图片，每旋转5°拍摄一张图片，采用三个视角分别进行拍摄，分析计算得到点阵云图，进行几何重建，得到焊接几何模型如图10.

图10　三维扫描几何模型

Fig.10　Geometric model by scanning

对方案二和方案四焊件进行三维重建模型，用于测量三维模型上两个工件臂的夹角，使整个焊件的测量更为全面. 方案二下焊后两个工件臂的夹角为38.7°，方案四下焊后两个工件臂之间夹角为39.3°. 相较于焊前装配工件角的40°而言，分别变化了1.3°和0.7°. 因此方案四更优于方案二.

4　结　　论

(1) 将数值模拟、数字图像相关技术和三维扫描综合应用到测量某飞行器叉形结构简化模型的焊接变形测量中,构建了全面测量焊接变形系统.

(2) 测量和比较了叉形结构在四个典型焊序的焊接变形量，找到方案四为最佳的施焊方案.

参考文献：

[1]　阮星谊, 包晔峰, 石忠贤. 焊接变形测量方法[J]. 电焊机, 2005, 35(5): 60-62.

Ruan Xingyi, Bao Yefeng, Shi Zhongxian. Measuring methods of welding deformation[J]. Electric Welding Machine, 2005, 35(5): 60-62.

[2]　拉达依. 焊接热效应温度场、 残余应力、 变形[M]. 熊第京, 译. 北京： 机械工业出版社, 1997.

[3]　赵　欣. 焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择[C]//中国焊接学会计算机应用技术专业委员会. 第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集. 2008: 426-433.

[4]　中国航空材料手册编辑委员会编. 中国航空材料手册(4)[M]. 第2版. 北京： 中国标准出版社, 2002.

[5]　李　菊. 钛合金低应力无变形焊接过程机理研究[D]. 北京： 北京工业大学, 2004.

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[6]　何小东, 张建勋, 裴　怡, 等. 钛合金薄板激光焊接和TIG焊接残余应力数值模拟[J]. 机械工程材料, 2005, 39(3): 25-28.

He Xiaodong, Zhang Jianxun, Pei yi, et al. Numerical simulation of the residual stress in laser beam welded and TIG welded joints of thin plate of titanium alloy[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2005, 39(3): 25-28.

[7]　Strycker M De, Lava P, Paepegem W Van, et al. Measuring welding deformations with the digital image correlation technique[J]. Welding Journal, 2011, 90: 107-112.

[8]　何洪文, 赵海燕, 钮文翀, 等. 应用三维激光扫描法测量板材的焊接变形[J]. 焊接学报, 2011, 32(12): 9-12.

He Hongwen, Zhao Haiyan, Niu Wenchong, et al. A method to measure welding deformation of plate by three dimensional laser scanner[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2011, 32(12): 9-12.