熱加工車間排熱方案_鎢極氬弧連續和間斷焊接的殘余應力對比分析

摘要：結合工程實際，應用熱彈塑性理論、耦合場（熱、固耦合）和瞬態傳熱的基本模型 ， 使用Ansys的APDL語言編寫程序 進行移動熱源的有限元建模計算。數值計算表明，鎢極氬弧間斷焊接在構件葉片上產生的殘余應力數值較大的區域比連續焊接更深。證明了回爐熱處理能降低焊接的殘余應力。

關鍵詞：鎢極氬弧焊； 間斷焊接；殘余應力

中圖分類號：TG404；O343.6 　　文獻標識碼：B

javascript:showjdsw(’showjd_0’,’j_0’)">Comparative Analysis of Residual Stress in Tungsten Inert Gas Arc Welding with Continuous and Discontinuous Condition

Abstract: The finite element modeling calculation for javascript:showjdsw(’showjd_0’,’j_0’)">moving heat source is carried out by applying the basic model of thermal elastic and plastic theory, coupled field (thermal and solid coupling) and transient heat transfer and using APDL language programmer of Ansys with the combination of engineering practice. The numerical calculation shows that the area with higher value of residual stress caused by tungsten inert gas arc welding with discontinuous condition on component blade is deeper than the continuous welding condition. The fact that the return heat treatment can lower the residual stress of welding is verified.

Abstract : tungsten inert gas arc welding; discontinuous welding; residual stress

0　 引言

　　鎢極氬弧焊（TIG焊）以燃燒于非熔化電極與焊件間的電弧作熱源，電極核電弧區及熔化金屬都用一層氬氣保護[1]。鎢極氬弧焊接是離心壓縮機 葉輪常用的加工方式之一，它的作用是將軸盤固接在葉片和蓋盤上 ，使葉輪成為一體。在焊接過程中，很可能由于機器故障或者操作者的失誤導致焊接過程不連續，即在焊接同一個葉片的過程中焊接中斷，之后重新點火，在中斷的位置重新焊接。這樣主要是為了避免產生結構缺陷，例如，“弧坑”等。在中斷的情況下重新焊接，葉輪上的溫度場必然重新分布,熱加工車間排熱方案。由熱彈塑性理論可知，材料的物理和力學性能是溫度的函數，溫度的不均勻變化就會產生熱應力[2-3]。

　　實際工程中由熱輻射邊界條件和物性參數隨溫度變化引起的非線性瞬態傳熱問題很復雜，一般需依賴近似解法求解。目前廣泛采用的數值方法是有限元法[4-5]。本文用有限元方法，結合非線性熱傳導方程和彈性力學公式進行非線性耦合場分析。

　　根據焊接試驗建立熱源模型。計算連續焊接和間斷焊接的溫度場，以溫度場作為溫度載荷計算殘余應力，得到構件殘余應力場的分布。根據間斷時間的不同，分別進行數值模擬，得到不同間斷時間條件下的溫度場和殘余應力場。本文還證明了焊接后的熱處理是必要的，可以降低焊接的殘余應力。在研究工作中，結合熱彈塑性理論和有限元法，主要對比分析連續焊接和間斷焊接,濟南負壓風機價格，及對比焊接后是否熱處理，找出葉片上殘余應力的分布規律，以期加深對焊接殘余應力的認識，為設計者優化葉輪設計提供參考。

1 計算數學模型及流程圖

　　材料熱性能和邊界條件隨溫度變化，并且考慮輻射傳熱，屬非線性分析范疇。

1.1 非線性三維瞬態熱傳導方程

　　在一般三維問題中，瞬態溫度場φ（x,y,z,t)在直角坐標中應滿足的微分方程和邊界條件分別為[6-7]

　　式中ρ為材料密度,kg/m3；c為材料比熱容,J/(kg·℃)；t為時間,s；kx,ky,k2分別是材料沿x，y，z方向的熱傳導系數，W/（m·℃）；Q=Q(x,y,z,t)為物體內部的熱源密度，W/kg；nx,ny,nz為邊界外法線的方向余弦；φ＝φ(Г,t)為Г1邊界上的給定溫度；q=q(Г,t)為Г2邊界上的給定熱流量，W/m2；H為放熱系數，W/（m2·℃）；在自然對流條件下，φa是外界環境溫度；在強迫對流條件下，φa是邊界層的絕熱壁溫度。邊界應滿足Г1+Г2+Г3=Г, 其中Г是Ω的全部邊界。

1.2 焊接熱彈塑性力學模型[8]

　　熱彈塑性問題基本假設：

　�。�1）材料的屈服服從Mises屈服準則；

　�。�2）塑性區內的行為，服從流變法則，顯示出應變硬化；

　�。�3）彈性應變、塑性應變與溫度應變是可分離的；

　�。�4）材料的機械性能(Е,бs,a)隨溫度變化而變化；

　　（5）與溫度相關的機械性能、應力應變在微小的時間增量內線性變化。

　　在熱載荷和機械載荷作用下，材料總應變增量包括彈性應變增量、塑性應變增量和溫度應變增量為

　　　

　　式中［Ｄ］為彈性或彈塑性矩陣；｛Ｃ｝為與溫度有關的向量。

　　塑性區的加載卸載由下式判定，對于λ，若λ＞０加載過程；λ＝０中性過程；λ＜０卸載過程。

　　焊接過程中葉輪的溫度場和位移場相互作用，是熱-固耦合場。構件溫度場的邊界改變是微小的，可以認為位移場對溫度場的作用可以忽略。這樣把原問題歸結為弱耦合的問題，即先求溫度場，之后以溫度作為載荷，求解位移場。

１.3 殘余應力對疲勞的影響[5]

1.3.1 宏觀殘余應力的影響

　　一般情況下，當受到交變應力的構件存在壓縮殘余應力時，該構件的疲勞強度就會提高，而存在拉伸殘余應力時其疲勞強度就會降低。

1.3.2 微觀殘余應力的影響

　　微觀殘余應力的影響是由于微觀組織的不均勻性造成的，它在應力交變中，會使微觀區域內的塑性變形積累起來，并在該區域產生應力集中狀態，從而影響到組織內裂紋的發生。

1.4 材料的熱學與力學特性

　　根據材料的成分，用專業鑄造軟件PROCAST算出材料高溫下的熱學和力學特性。將材料特性的數值作為縱坐標，溫度作為橫坐標，見圖1,工廠車間通風降溫。

　　其中在間斷焊接的位置重新焊接，是為了避免結構缺陷，例如“弧坑”等。

1.5　 計算流程圖

　　計算流程見圖2。

羅茨鼓風機扭葉葉輪的簡易數顯加工
Simply Machining with Numerical-display of Twisted Impeller for Roots Blower

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　劉鵠然/上海機電學院
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　C.Y.Chan /香港理工大學

摘要：根據曲面加工原理，利用2個數顯裝置實現了羅茨鼓風機扭葉葉輪的簡易加工。
關鍵詞：羅茨鼓風機 扭葉葉輪 數顯加工
中圖分類號：TH444 文獻標識碼：B
文章編號：1006-8155（2005）05-0026-02
Abstract: According to the camber machining theory, the simple machining of Roots blower twisted impeller is realized using two numerical-display units.
Key wards: Roots blower Twisted impeller Numerical-display machining

1 引言
　　羅茨鼓風機扭葉葉輪齒面從本質上說就是一般螺旋面，但由于槽數很少，只有2～3個齒槽，所以不能用成形銑刀和成形法加工。當然，也曾考慮研制專門的數控刨床，但加工效率不高，設備成本也很高。故限制了它的推廣。本文根據曲面加工的原理，提出了簡化方法。

2 簡易數顯加工方法　　圖1中半徑為r 的兩個圓是轉子的瞬心線，齒頂的齒廓是半徑為ρ 的圓弧。圓心C0 至回轉中心的距離為a ，當兩瞬心線相互滾動時，包絡出對應的齒根齒廓。坐標系O1-X1,Y1,Z1和O2-X2,Y2,Z2分別與輪1和 輪2相固連；固定坐標系xy與機架相固連。齒頂方程為

　　對于扭葉羅茨輪，上述兩式只是其端面齒形，考慮到螺旋角，齒面方程和法矢得出：　　　式中A,B,C 為刀心坐標，A 為橫向，B 為高度方向，C為縱向。當刀具表面與被加工表面正確接觸時，兩曲面法矢應平行共線，接觸點坐標應相同：

　　上式共有5個方程，包含u,θ,δ,ω,A,B 等6個未知數。依次給定的一系列u 代表被加工曲面上一系列加工點，可由上述5個方程求解5個未知數。其中A,B為加工該點時刀機心的橫向和高度坐標。當工件的旋轉和刀具移動的復合運動形成螺旋運動，就可加工出該點對應的那條螺旋線。依次給出一系列ui ,求出對應的AiBi， 多次走螺旋運動便可加工出所需齒形。其中，刀具中心的縱向位置C是保持不動的，而工件做旋轉與移動的復合運動。
　　具體實現：可以在普通萬能銑床的橫向拖板和床身高度方向安裝光柵和數顯裝置，操作時根據事先算好的AiBi 調節刀具位置，再多次作螺旋銑削運動便可。并不需專門的數控機床。
　　有的學者（包括國內最早研究扭葉葉輪的）以為在銑扭葉葉輪時，只要根據端面齒形再考慮刀偏便可，正如在銑直齒羅茨葉輪時一樣。這是不對的，因為銑扭葉葉輪時沿同一條端截線，齒面法矢并不在同一端面內，如圖3所示。因此會造成齒形誤差，很容易出廢品。由于法矢是偏來偏去的，如要讓刀具與工件在同一端截面線上接觸，刀具需在A,B,C三個方向有數顯裝置。

3 結束語　　采用該方法，只需2個數顯裝置，故是最簡單的方法。這時，刀具與工件接觸線不在同一條端截線上。為避免產生進刀刀痕，起始接觸位置應在工件一端虛擬延長的一段螺旋面上。參 考 文 獻[1] 李特文.齒輪嚙合理論. 機械工業出版社,1984.[2] 吳大任.微分幾何.科學出版社，1984.[3] 何兆太，劉鵠然.曲面三階局部切觸及應用.機械,2002(4).

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