摘要
大型支承底盘作为大型钻探设备的支承平台，通常由大量钢板通过焊接装配而成，焊接残余应力和残余变形会对底盘的强度和刚度产生一定的影响。本文运用有限元分析方法，选取高斯移动热源，针对大型支承底盘中具有代表性的T形焊接接头建立了有限元模型，分别采用4种不同的焊接顺序和焊接速度，分析了其对焊接应力和变形的影响，得到了优化的焊接顺序和焊接速度。在此基础上，对底盘的整体焊接方案做出优化，对比分析了优化前后的焊接应力和变形，结果表明：优化后残余应力减少了约7%，最大变形减少了约26%。研究成果可为焊接工艺的制定提供参考。
大型支承底盘作为大型钻探设备的支承平台，起到支承、连接和固定钻探设备其他部件的作
相关研究人员利用数值模拟方法，对不同焊接方法下焊件的应力和变形做了大量的研究，但其实验对象大多是简单的平板结构和焊接接头。也有一些学者运用通用或专用有限元软件，对大型复杂结构件进行了焊接仿真研究。李
本文运用有限元软件ANSYS Workbench，对某大型钻探设备支承底盘的焊接过程进行热力耦合分析。以单条焊缝为基础，探究不同焊接工艺下应力和变形的变化规律，在此基础上，对该底盘原有焊接方案进行优化。本文的研究工作可为各种焊件的焊接工艺制定提供参考。
某大型钻探设备支承底盘如
图1 底盘结构
Fig.1 Chassis components
材料 类型 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 泊松比 | 密度/(kg∙ | 弹性模量/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| Q235A | 235 | 450 | 0.3 | 7850 |
2.1×1 |
| Q345A | 345 | 550 | 0.3 | 7850 |
2.1×1 |
底盘上面板为一整块水平放置的钢板，因其上安装设备的功能要求局部开孔，与所有的中间纵横立板均以焊接连接，如
焊接工艺参数是影响焊接质量的关键因素，包括焊接顺序、焊接速度、焊接电压和焊接电流等。其中焊接顺序和焊接速度的改变对残余应力和变形的影响十分显
该底盘的焊接方式为CO2气体保护电弧焊，焊接时的电弧电压U=30 V，焊接电流I=210 A，焊枪移动速度v=5 mm/s，绝大多数焊缝为高度5 mm的角焊缝。
底盘中间立板可以分为侧板和筋板，侧板和筋板通过焊接来连接和支撑上下面板。如
焊接过程的模拟需要焊接热源的支撑，正确选择焊接热源模型对于准确模拟焊接温度场和应力变形有着极其重要的作
高斯移动热源函
| （1） |
式中：q——加热斑点热流密度；x、y、z——各方向坐标值；t——时间；η——焊接热效率，一般电弧焊接热效率为40%~75%，选取η=0.50；U——焊接电压；I——焊接电流，见本文1.2节；r——该点到加热斑点中心的距离；R——电弧有效加热半径，取5 mm。
假设T形接头的焊缝在XOY平面，焊接起点为坐标原点，沿着x轴正向焊接，则
| （2） |
由于焊接的起始时间和坐标位置均不一样，每条焊缝都需要一个高斯移动热源函数。
选择
图2 T形接头几何尺寸
Fig.2 T‑joint geometry
在进行焊接数值模拟时，通常着重考虑温度场、应力、变形及显微组织之间相互影
良好的网格应该在应力变化较大或重要的区域，网格更加精细，而在不太重要的区域，适当降低网格密
图3 T形接头网格划分结果
Fig.3 T‑joint meshing result
对有大量焊缝的结构，调整焊接顺序可以减小结构残余应力和焊接变
T形接头共有2条焊缝，可以分4个方案对其进行焊接，如
图4 4种方案焊接顺序
Fig.4 4 schemes welding sequence
4种方案焊接过程中的最高温度随时间变化曲线如
图5 不同焊接顺序最高温度随时间变化曲线
Fig.5 Maximum temperature with time for different welding sequence
4种方案焊接过程中的最大应力随时间变化曲线如
图6 不同焊接顺序最大应力随时间变化曲线
Fig.6 Maximum stress with time for different welding sequence
| 方案 | 峰值应力/MPa | 最大残余应力/MPa |
|---|---|---|
| a | 1075 | 189 |
| b | 998 | 146 |
| c | 1177 | 204 |
| d | 1030 | 161 |
方案b和d为2条焊缝反向焊，相比于方案a和c的2条焊缝同向焊，峰值应力降低了约10%，最大残余应力降低了约20%。焊接顺序的改变并没有改变其峰值应力的位置，4种方案均位于焊缝的终点位置。焊接结束后，相比其他位置，焊件在焊缝终点位置会更快速冷却并收缩，导致产生较大的应力。4种焊接方案残余应力的分布基本一致，最大残余应力的位置均在侧板下底面靠近焊缝的地方，
图7 方案b残余应力云图
Fig.7 Residual stress nephogram of scheme b
4种方案中的峰值应力和最大残余应力，方案b均最小，方案c均最大，方案b的最大残余应力比方案c降低了近30%，可见通过改变焊接顺序来降低残余应力很有意义。
图8 不同焊接顺序最大变形随时间变化曲线
Fig.8 Maximum deformation with time for different welding sequences
由
综合考虑残余应力与残余变形，4种方案中方案b为最优焊接顺序，即先焊接T形接头一条焊缝，再反向焊接另一条焊缝。
焊接速度的改变会对焊件的应力和变形产生重大影响。如果焊接速度过快，焊接产生的热量无法完全熔化金属材料，导致焊缝内部产生了大量的冷却应力，从而使得焊缝内部形成了较大的残余应力；如果焊接速度过慢，过多的热量会导致焊缝内部存在较大的热应力，从而导致较大的焊缝变
按照3.1节最优的焊接顺序（方案b）进行焊接，调整焊接速度进行试验。方案a~方案c的焊接速度分别为：10、8、6和5 mm/s，4种方案冷却时间均设定为100 s。
4种方案焊接过程中的最高温度随时间变化曲线如
图9 不同焊接速度最高温度随时间变化曲线
Fig.9 Maximum temperature with time for different speed
4种方案焊接过程中的最大应力随时间变化曲线如
图10 不同焊接速度最大应力随时间变化循环曲线
Fig.10 Maximum stress with time for different speed
| 方案 | 焊接速度/ （mm· | 峰值应力/ MPa | 残余应力/ MPa |
|---|---|---|---|
| a | 10 | 643 | 156 |
| b | 8 | 807 | 130 |
| c | 6 | 909 | 162 |
| d | 5 | 998 | 147 |
焊接速度的大小会影响焊后残余应力的大小，其中焊接速度为8 mm/s的残余应力最小为130 MPa，比最大的残余应力小20%左右。焊接速度对残余应力的分布影响不大，4种焊接速度的残余应力最大值均位于侧板底面靠近焊缝的地方，残余应力云图与
不同焊接速度下的最大变形随时间变化曲线如
图11 不同焊接速度最大变形随时间变化曲线
Fig.11 Maximum deformation with time for different speed
在焊接过程中，金属受热膨胀，焊接后会发生变形。焊接速度越大，焊接区域的加热和冷却时间就越短，金属在短时间内经历的温度变化就越小，从而导致焊接残余变形也就越小。然而过快的焊接速度会导致熔池形状不均匀和焊缝中夹杂物等质量问题，从而增加残余变形的产生。所以残余变形与焊接速度之间的关系较为复杂。4种方案焊接变形的分布基本一致，都是远离焊缝的地方变形大。
图12 方案a变形云图
Fig.12 Deformation nephogram of scheme a
综合考虑残余应力与焊接变形，4种方案中8 mm/s为最优的焊接速度。
根据前面对焊接顺序和焊接速度的研究，对底盘焊接工艺做出优化，并对优化前后的结果进行综合分析，为实际生产提供指导。
某企业现有的焊接方案为：在上面板上焊接各个中间立板时，先对各个钢板通过点焊装配到位。因底盘左右对称，从对称面将其分为左右2个区域，2个焊工同时从左、右两边进行焊接。焊接顺序如
图13 底盘焊接顺序示意
Fig.13 Chassis welding sequence
根据前面对T形接头焊接过程数值模拟结果，针对底盘的焊接顺序和焊接速度进行优化。上面板与各个立板的焊接都可以看做T形接头，先后反向焊接2条焊缝，将焊接速度由5 mm/s加快到8 mm/s。
针对较长的焊缝，如
图14 不同焊缝焊接示意
Fig.14 Different welds welding
假设焊接过程不停歇，2个焊工同时焊接，使用优化方案焊接上面板与所有中间立板需时间约5000 s，焊接立板之间的竖直焊缝需要约500 s，之后冷却200 s，总计时间为5700 s。而优化前的方案焊接过程总时间约9000 s。
焊接方案优化前后最高温度随时间变化曲线如
图15 优化前后最高温度随时间变化曲线
Fig.15 Maximum temperature with time before and after optimization
焊接方案优化前后最大应力随时间变化曲线如
图16 优化前后最大应力随时间变化曲线
Fig.16 Maximum stress with time before and after optimization
由
优化前后的残余应力分布云图类似，优化后的残余应力云图如
图17 优化后残余应力云图
Fig.17 Residual stress nephogram after optimization
图18 优化前后最大变形随时间变化曲线
Fig.18 Maximum deformation with time before and after optimization
图19 优化前后变形云图
Fig.19 Deformation nephogram before and
after optimization
（1）焊接顺序和焊接速度会影响焊件的焊接质量。对于单条焊缝的焊接件，最优的焊接顺序为：先焊接一条焊缝，再反向焊接其另一条焊缝。焊接速度与焊件的焊接质量之间不是简单的线性关系，对于一般的焊件焊接速度可定为8 mm/s。
（2）某大型钻探设备底盘采用优化后的焊接方案，最大残余应力减少了约7%，最大焊接变形减少了约26%。这使得底盘的焊接后处理能较经济顺利达到减少残余应力和残余变形的要求，使得上面板的机加工能顺利达到切削厚度的要求。
（3）大型焊接结构件一般焊缝多，其中大多数焊接可以看做T形接头，本文的研究对大型焊接结构件焊接工艺的制定有一定的指导意义。
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