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摘要：后倾式离心风机叶轮是离心风机的核心部件，叶轮的制造质量对风机的性能和寿命有着巨大的影响，一直以来受到相关风机企业的重视。后倾式离心风机叶轮是由多个薄壁件通过焊接成型，板材薄且焊缝数量多，因此在进行机器人焊接时，不但要选择合适的焊接参数来保证各条焊缝的焊接质量，还要对各条焊缝的焊接顺序、焊接方向进行严格控制，从而在最大程度上减少焊接变形，提高产品质量。
关键词：后倾式离心风机叶轮；机器人焊接技术；优化
本文综合运用热弹塑性有限元法和固有应变法对焊接工艺参数、焊接顺序和焊接方向进行优化。首先，运用基于热弹塑性有限元法的Visual-Environment软件对不同焊接参数导致的焊缝情况进行模拟和验证，找出最优的焊接参数。其次，在已知焊缝固有应变的情况下，采用基于固有应变法的Weld-Planner软件对后倾式风机叶轮在不同焊接顺序下产生的焊接变形进行数值模拟，从而找出机器人焊接的最优焊接顺序。
1 后倾式离心风机叶轮焊接数值分析建模
1.1 后倾式离心风机叶轮有限元模型与网格划分
后倾式离心风机叶轮由Q345钢板拼装焊接成型，其组件包括上盖板、叶片和轮盘。本研究针对的叶轮型号为HTFC-V-630，其上盖板和叶片的板厚都是3mm，轮盘厚度是6mm。该产品的接头形式主要是以T型接头不开坡口的形式两面单道焊接成型，总计32道焊缝。为了能探究全部焊缝在不同焊接顺序下对后倾式离心风机叶轮焊后变形的影响，采用Hypermesh软件对后倾式离心风机叶轮进行3D网格划分，划分后的网格类型主要是六面体网格，划分网格时为了能减少运算时间同时保证分析的准确性，在焊缝及近焊缝区域的网格进行了加密处理。
1.2 局部有限元模型的创建和网格划分
根据叶轮板材厚度和接头形式，采用Visual-Mesh模块参照板厚和所对应的焊脚尺寸建立T型焊接接头的局部仿真模型，并对其进行网格划分。由于焊接过程是一个不均匀的加热过程，焊接热源及其热影响区的温度梯度变化很大，为了保证分析结果的准确性和提高运算速度，对焊缝及其周围位置的网格进行加密处理，远离焊缝的位置采用稀疏划分网格的方式。
1.3 焊接热源模型的建立
仿真结果的准确性取决于是否选择正确的热源模型、材料属性、以及散热面等，其中热源模型的选择直接影响到焊接熔池的分布情况。当前对于焊接熔池分布形态主要包括2D高斯热源、3D高斯热源和双椭球热源模型。由于后倾式离心风机叶轮机器人焊接系统采用的是MAG焊接工艺，Goldak等人提出的双椭球热源模型更符合其实际熔池情况。
2 基于局部有限元模型的焊接参数模拟与验证
焊接参数主要包括：焊接电流、焊接电压以及焊接速度等，由于在焊接参数设置过程中焊接电压一般与焊接电流有一定的匹配关系，因此本文重点研究焊接速度和焊接电流对焊缝质量的影响。在实际生产中，企业为提高生产效率往往将焊接速度的调节置于首位，后续再通过调节焊接电流来保证焊缝质量。对此，本文结合企业生产所采用的方式首先对焊接速度进行优化，后续再对焊接电流进行优化，以此在保证焊缝质量的前提下尽可能的提高生产效率。本实验机器人焊接系统选用的焊接电源为FANUC:SFP-P400iB多功能焊接机，焊丝型号选择天津金桥的ER50-6，焊丝直径为1mm，保护气体为80%氩气+20%二氧化碳。
2.1 焊接电流、电压相同，焊接速度不同对焊缝质量的影响
在工程实践中，为提高生产效率，往往提高焊接速度，焊接速度的大小会影响输入的焊接线能量。较低的焊接线能量会导致熔池温度不够高出现母材未熔透和焊缝出现气孔等缺陷；较高的焊接线能量则会出现母材过度熔化以及母材被焊穿等缺陷。
采用基于热弹塑性有限元法的Visual-Environment软件按照制定的焊接参数进行数值模拟得到的熔池截面云图与试验焊接得到的熔池截面状况均一致，因此热源模型的选择与实际焊接热源分布相符合[15]。根据软件模拟得到的焊接熔池截面云图结合实际焊接得到的焊缝情况表明：当焊接速度为0.35m/min和0.45m/min时，熔池截面过大导致试板焊穿或对母材进行过度熔化；当焊接速度为0.65m/min时焊接熔池截面过小，不能很好地融化母材；当焊接速度为0.55m/min时无论是数值模拟得到的熔池截面云图还是实验得到的焊缝形貌均满足对焊缝质量的要求。
2.2 焊接速度、电压相同，焊接电流不同对焊缝质量的影响
焊接电流的大小直接影响焊接质量和焊接效率，在保证焊接质量的前提下，尽可能选择较大的焊接电流，以达到提高焊接效率的目的。但电流过大会导致焊缝产生咬边和母材烧穿等缺陷；电流过小会导致电弧不稳定，容易形成气孔、未焊透和夹渣等焊缝质量缺陷。
3 后倾式离心风机叶轮焊接顺序的优化
3.1 固有应变的提取和施加
根据固有应变的概念，在焊接过程中，固有应变为塑性应变、热应变和相变应变之和。在焊后固有应变则是三者残余变量之和，假设在焊接低碳钢等材料时不考虑相变和热应变对应力变形的影响，则固有应变就等于残余塑性应变。焊接过程中焊缝及其焊缝周围位置的材料因热膨胀被温度较低的材料阻挡从而产生大量的压缩塑性应变，焊完冷却后焊缝及其附近单元存在的残余塑性应变就从根本上决定了结构件焊后的残余应力和变形[2,16]。对此如果知道残余应变的大小和分布，把它作为初始应变置于焊缝处进行一次弹性有限元计算就能够得出整个结构件的焊接变形。当前获取残余塑性应变即固有应变的方法主要为试验和基于热弹塑性有限元分析来确定它们的关系曲线。
3.2 不同焊接顺序下的变形分析
为了便于焊接顺序的说明，事先对后倾式离心风机叶轮的焊缝进行标记，如图10所示。其中标号1→8是叶片右侧与上盖板相连接的焊缝，9→16是叶片右侧与轮盘相连接的焊缝，17→24是叶片左侧与上盖板相连接的焊缝，25→32是叶片左侧与轮盘相连接的焊缝。由于后倾式离心风机叶轮焊缝多达32道，相应的焊接顺序不计其数，现有阶段无法对全部的焊接顺序下产生的变形进行数值模拟。
4 结论
(1)采用基于热弹塑性有限元法的Visual-Environment软件结合双椭球热源模型能够按照焊接参数对焊缝熔池情况进行准确模拟，从而找到最优的焊接工艺参数，大大减少了试验寻找最优焊接参数的问题。
(2)采用热弹塑性有限元法获取局部模型焊缝接头的固有应变，再结合基于固有应变法的Weld-Planner软件能够快速有效的模拟出不同焊接顺序和焊接方向下产生的焊后变形情况，从而根据变形情况找出最优的焊接顺序和焊接方向。
(3)采用热弹塑性有限元法与固有应变法相结合的方式能够对后倾式离心风机叶轮这种复杂薄壁件机器人焊后产生的变形情况进行有效的预测，从而为预测更加复杂的焊接结构件的焊后变形提供了有效的解决方案。
参考文献
[1] 张璞, 王驰. 离心式鼓风机叶轮裂纹补焊试验及应用[J]. 风机技术, 2007(03):35-37.
[2] 孟家其, 季炜, 王诚玉,等. 离心通风机叶轮焊接变形的控制[J]. 风机技术, 2004(01):22-23.
[3] 杨向阳. 离心风机叶轮磨蚀现场焊接修复技术[J]. 设备管理与维修, 2019, 000(009):56-57.