堆焊速度对三维堆焊成型质量影响的数值模拟与实验研究

研究背景与问题提出

施传锐、周建平、伊里哈木·阿布都热木三位研究人员在《热加工工艺》2019年第15期发表了关于堆焊速度对堆焊成型质量影响的研究成果。该研究得到新疆维吾尔自治区自然科学基金资助，基于Visual-Environment三维仿真软件建立了单道多层堆焊有限元模型，并通过实验验证了仿真结果的可靠性。堆焊速度是堆焊工艺中最重要的参数之一，直接影响堆焊层的几何形貌、热输入、残余应力分布和成型质量。在三维堆焊成型中，堆焊速度不仅影响单道焊缝的宽度和高度，还影响多层堆焊时层间结合质量和整体残余应力分布。该研究通过数值模拟与实验验证相结合的方法，系统分析了堆焊速度对三维堆焊成型质量的影响规律，为堆焊工艺参数的优化提供了科学依据。

堆焊速度对残余应力分布的影响规律

垂直于焊道方向的应力变化

数值模拟结果表明，垂直于焊道方向，随着堆焊速度的增加，焊道处的拉应力呈现减小的趋势。堆焊速度增加，单位长度焊道上的热输入减小，熔池体积缩小，热影响区范围变窄，焊后冷却过程中的温度梯度减小，因此垂直于焊道方向的残余拉应力降低。这一规律对于控制堆焊层的横向裂纹具有重要意义。在工程实践中，横向裂纹是堆焊层最常见的缺陷之一，适当提高堆焊速度有利于降低横向残余拉应力，减少横向裂纹的产生倾向。

沿焊道方向的应力变化

沿焊道方向，随着堆焊速度的增加，焊道与基板连接处的残余应力逐渐增大，而稳定焊接区域的残余应力逐渐减小。这一现象反映了堆焊速度对熔池形成和凝固过程的影响。堆焊速度增加时，熔池长度变长，焊道与基板连接处位于熔池尾部，该处在凝固过程中受到较大的收缩约束，因此残余应力增大。而稳定焊接区域远离起弧和收弧端，热输入分布均匀，冷却过程相对稳定，残余应力随堆焊速度增加而减小。起弧和收弧区域由于热输入不稳定和约束条件复杂，残余应力集中现象较为突出，是堆焊层裂纹的敏感区域。

堆焊速度与成型质量、效率的综合权衡

该研究确定的最佳堆焊速度为6 mm/s，这一数值是在综合考虑残余应力、成型效率和表面质量三个因素后得出的优化结果。在6 mm/s堆焊速度下，垂直于焊道方向的拉应力已明显降低，沿焊道方向的残余应力增长尚不显著，表面质量保持较好，成型效率适中。这一工艺窗口在工程应用中具有较高的参考价值。

工程实践中的工艺优化策略

在三维堆焊成型中，堆焊速度的选择不能孤立进行，需要与堆焊电流、电弧电压、送丝速度、焊道搭接率等参数协同优化。该研究采用数值模拟方法，大大减少了工艺试验的工作量，为堆焊工艺参数的快速优化提供了高效途径。在工程实践中，我们可以借鉴这一方法，针对具体的堆焊材料和工件结构，建立相应的有限元模型，通过模拟分析确定最优工艺参数组合，再通过实验验证，实现工艺参数的精准控制。此外，起弧和收弧区域是堆焊层缺陷的敏感区域，在工程实践中应采取相应的工艺措施，如采用引弧板和收弧板、设置起弧和收弧程序、调整起弧和收弧时的堆焊速度等，以减小起弧收弧缺陷的产生。该研究主要针对单道多层堆焊，对于多道多层堆焊和复杂结构件的堆焊成型，还需进一步研究堆焊速度与其他参数之间的耦合关系，以及堆焊路径规划对残余应力分布的影响。在大型结构件的堆焊修复中，堆焊速度的选择还应考虑工件的刚度和散热条件，对于刚度大的工件，适当降低堆焊速度有利于减小残余应力；对于散热条件差的工件，适当提高堆焊速度有利于防止过热和变形。