馬思群,劉業(yè)華,韓清凱，袁永文,谷理想

(1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024; 3.濟(jì)南軌道交通裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250000; 4.中國南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

?

焊接順序?qū)Ω咚倭熊噦?cè)墻焊接殘余應(yīng)力的影響

馬思群1,劉業(yè)華1,韓清凱2，袁永文3,谷理想4

(1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024; 3.濟(jì)南軌道交通裝備有限公司，山東 濟(jì)南 250000; 4.中國南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

按實際加工工藝，基于有限元軟件SYSWELD，采用有限元熱彈塑性分析方法和Fortran語言對焊接熱源進(jìn)行二次開發(fā)，獲得了所需要的熱源，并通過實驗驗證了熱源模型的準(zhǔn)確性.在此基礎(chǔ)之上，通過分析高速列車CRH380B側(cè)墻焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律和焊接順序?qū)τ趥?cè)墻焊接殘余應(yīng)力的影響，得到了側(cè)墻焊接最優(yōu)方案，為企業(yè)實際生產(chǎn)中的降低焊接殘余應(yīng)力方案選擇提供了依據(jù).

高速列車；側(cè)墻；焊接殘余應(yīng)力；熱源；焊接順序

0 引言

國內(nèi)的多種型號動車組，雖然外形各異，但車體的生產(chǎn)過程卻基本相似,中間車車體主要由左側(cè)墻、右側(cè)墻、車頂、底架及端墻五大部件組焊而成.焊接技術(shù)是高速列車制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一.由于鋁合金的線膨脹系數(shù)大，熔點低，焊接難度非常大，如果沒有良好的焊接工藝，車體會產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有較大影響[1-2].由于焊件內(nèi)部溫度場分布不均勻，可以分為：液相區(qū)、固相區(qū)、固液相區(qū).不同相之間的物理性能不同.由于溫度隨時間變化快，影響了實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性.數(shù)值仿真具有不受物理條件制約，成本較低等優(yōu)點，在輔以必要的試驗基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬可以獲得焊接部件任一位置的焊接溫度場以及殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，且展示方式形象直觀.關(guān)鍵部件焊接過程數(shù)值仿真技術(shù)的實現(xiàn)，對于優(yōu)化工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和清除安全隱患起著重要作用.因此通過計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對動車組關(guān)鍵部件的焊接過程進(jìn)行模擬分析，并通過必要的實驗來驗證模擬的準(zhǔn)確性，即可以預(yù)測焊接殘余應(yīng)力的大小，幫助設(shè)計師完善焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，保障產(chǎn)品的安全運行，又能夠節(jié)省大量的人力、物力和時間[3-4].

本文采用焊接專用軟件SYSWELD，對高速列車CRH380B側(cè)墻焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值仿真，并分析焊接順序?qū)?cè)墻焊接殘余應(yīng)力影響.

1 熱源模型

焊接熱源可以根據(jù)不同的作用方式按照平面分布熱源、體積熱源、集中熱源來模擬.由于高速列車采用鋁合金材料，其熔點低，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，利用軟件自帶的熱源很難完美的模擬出焊縫的實際形狀，同時也需要耗費大量的時間，因此采用Fortran語言對熱源進(jìn)行二次開發(fā)[5]，以降低計算時間.首先在相應(yīng)的焊接工藝條件下(焊接電流I=210A,電壓U=22V,焊接速度v=10mm/s,熱輸入效率η=0.7)，將總的有效輸入功率按照比例分配，每一部分與總功率的比值，成為分配系數(shù)，用χi來表示，則各部分熱源的能量為Qi=χiQ.此時各部分的功率之和為總功率，即：

一般情況采用兩個熱源組合進(jìn)行開發(fā)，本文主要進(jìn)行“雙橢球+圓柱體”熱源的研究.工件上半部分采用雙橢球熱源，下半部分采用圓柱體熱源，取η=0.7.

上半部分的能量PV1=χ1Q，又因為電流主要分布在工件的上半部分，因此將χ1取大一些，取為0.74.設(shè)H1為雙橢球熱源在工件厚度方向的作用高度，有如下公式：

下半部分的能量PV2=χ2Q,假設(shè)H2為圓柱體熱源的作用高度，d為板厚，則有以下公式:

經(jīng)過輸入適當(dāng)?shù)膮?shù)，計算該混合熱源的溫度場如圖1所示，計算結(jié)果顯示模擬的焊縫融合區(qū)，上表面寬度為8.4mm，下表面寬度為4.3mm，與實驗結(jié)果基本相似，通過這種方法既節(jié)省了時間，又改善了模擬的精度.

圖1 基于“雙橢球熱源+圓柱體熱源”計算的溫度場

正常焊接條件下，焊接熱源都是以一定速度沿焊縫移動的.所以，相應(yīng)的焊接溫度場也是不斷運動的.由電弧或其他的集中熱源產(chǎn)生的運動溫度場，在開始加熱時，溫度升高的范圍會逐漸擴(kuò)大，而達(dá)到一定的極限溫度后就不再變化，只隨熱源移動.即熱源周圍的溫度分布變?yōu)楹愣ǎ瑢⑦@種狀態(tài)稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)[6].將達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱源與實驗值進(jìn)行對比，以驗證熱源模型建立的準(zhǔn)確性.

2 熱源準(zhǔn)確性驗證

2.1 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時熔池形狀與實驗比對

為了驗證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將熔池橫截面上宏觀形狀的計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比，如圖2(a)所示，將熔池寬度的計算結(jié)果與實測結(jié)果對比，如圖2(b)所示，從圖中可以看出模擬出的焊縫上下表面寬度以及熔合線在工件內(nèi)部的走向都與實驗值相符合.

(a)橫截面

(b)熔池寬度

表1具體的給出了達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時，熔池的形狀參數(shù)與實驗結(jié)果的對比.熔池上表面寬度和長度與實驗結(jié)果相比，相對誤差分別為2.3%和4.3%，熔池下表面的寬度和長度與實驗結(jié)果相比，相對誤差為6.5%和8.5%.從具體數(shù)據(jù)角度證明了計算結(jié)果與實驗結(jié)果的吻合，同時也表明了該有限元解能準(zhǔn)確的模擬焊接溫度場的分布.

表1 計算的熔池形狀參數(shù)與實驗參數(shù)的對比

2.2 實驗驗證

由上文可知，為了降低計算上的難度，對焊接溫度場和應(yīng)力場的計算模型進(jìn)行簡化，但其是在保證仿真模擬與實際焊接過程的主要特征(如焊接工藝參數(shù)、約束條件等)近似的前提之下.因此，為了驗證仿真分析的準(zhǔn)確性，必須輔以必要的實驗驗證.本文主要通過運用X射線法測量焊后殘余應(yīng)力來驗證計算的結(jié)果，這種測試應(yīng)力的方法效率高，測試結(jié)果可靠性高[7].由于X射線法測量殘余應(yīng)力受到焊縫深度的限制，因此選取焊縫表面點作為測試點，測試點如圖3所示.

圖3 焊接殘余應(yīng)力測試點選取

焊接應(yīng)力包括沿著焊縫長度方向的縱向焊接殘余應(yīng)力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接殘余應(yīng)力和沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力.測試時選擇焊縫中心處各點縱向焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖4所示，由圖可知，仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果有一定的差異，但相差不大，具體的仿真數(shù)據(jù)與實驗測試數(shù)據(jù)如表2所示.由表2可知，仿真值與實驗值最大誤差為11.1%,最小誤差為1.1%，誤差在工程允許范圍之內(nèi)，證明了

圖4 殘余應(yīng)力計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比

運用焊接專用軟件SYSWELD進(jìn)行焊接溫度場和應(yīng)力場仿真分析的可行性和可靠性，為后續(xù)的焊接溫度場和應(yīng)力場研究奠定了基礎(chǔ).

表2 仿真數(shù)據(jù)與實驗測試數(shù)據(jù)對比

3 焊接殘余應(yīng)力仿真研究

焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度以及抗應(yīng)力腐蝕能力具有較大的影響.因此，針對焊接殘余應(yīng)力的研究，已經(jīng)成為焊接工程研究領(lǐng)域的重點問題[8-9].鑒于此，針對高速列車CRH380B頭車側(cè)墻單道焊進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力數(shù)值仿真.

利用上文溫度場模擬時，建立的側(cè)墻模型對高速列車CRH380B頭車側(cè)墻進(jìn)行應(yīng)力場數(shù)值分析.由于截取的側(cè)墻模型由8條焊縫組焊而成，進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力場數(shù)值仿真分析時，必須先確定焊接順序，才能開展后續(xù)工作.如圖5所示，為截取的頭車側(cè)墻焊縫編號及有限元模型.焊接時先從焊縫編號為1的焊縫開始焊起，按照以下順序：W1—W2—W3—W4—W5—W6—W7—W8，從低到高依次焊接，每焊完一道焊冷卻到50～100℃時進(jìn)行下一道焊縫的焊接.

(a)側(cè)墻有限元模型 (b)側(cè)墻焊縫編號

圖5 頭車側(cè)墻焊縫編號及有限元模型

為了準(zhǔn)確的反映出熱輸入對于焊接殘余應(yīng)力的影響，減小裝卡條件帶來的影響，計算仿真時采用最小的三點約束.數(shù)值仿真結(jié)果如圖6所示:

(a)編號1-4

(b)編號為5-8

由于橫向殘余力產(chǎn)生的直接原因是由于焊縫冷卻時的橫向收縮，間接原因是焊縫的縱向收縮，側(cè)墻進(jìn)行焊接時采取最小三點約束，呈自由狀態(tài)，邊緣處無約束，所以主要起因是縱向收縮造成的，所以值較小，本文將重點考察縱向焊接殘余應(yīng)力.從圖6兩幅圖可以看出，側(cè)墻8條焊縫附近區(qū)域縱向殘余應(yīng)力值較大，焊縫起弧和收弧部位縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力較??；焊縫中間區(qū)域縱向殘余應(yīng)力分布均勻，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力較大，數(shù)值變化很小.

由計算結(jié)果可見，側(cè)墻最大焊接殘余應(yīng)力值較大，過大的焊接殘余應(yīng)力將影響構(gòu)件的使用性能.那么，在主要焊接工藝參數(shù)既定的情況下，根據(jù)企業(yè)以往加工經(jīng)驗及查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，合理的安排焊接順序?qū)p小焊接殘余應(yīng)力，因此對側(cè)墻8條焊縫設(shè)置另外兩種方案進(jìn)行數(shù)值仿真，以研究焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力的影響.

側(cè)墻各條焊縫不同的焊接順序會使殘余應(yīng)力造成一定的差異，本文分別對側(cè)墻的三種焊接順序進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力數(shù)值仿真.先依次焊接外側(cè)焊縫，再焊內(nèi)側(cè)焊縫，為方案1；先依次焊接內(nèi)側(cè)焊縫，再焊外側(cè)焊縫，為方案2；外側(cè)和內(nèi)側(cè)焊縫同時焊接，為方案3(原方案)，即：

方案1：W2—W4—W6—W8—W1—W3—W5—W7

方案2：

W1—W3—W5—W7—W2—W4—W6—W8

方案3：

(W1、W2)—(W3、W4)—(W5、W6)—(W7、W8)(原方案)

對三種焊接順序下所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真計算，將每種焊接順序，每條焊縫上最大的縱向應(yīng)力統(tǒng)計如表3所示.

表3 不同焊接順序時各條焊縫處的最大縱向應(yīng)力 MPa

從表3可以看出方案3每條焊縫上最大的縱向殘余應(yīng)力均小于其余兩方案每條焊縫上最大的縱向殘余應(yīng)力.方案1各條焊縫中縱向殘余應(yīng)力最大值134.4 MPa；方案2各條焊縫中縱向殘余應(yīng)力的最大130.2 MPa，方案3各條焊縫中縱向殘余應(yīng)力的最大值為126.4 MPa，三種方案中，序號為8的焊縫的最大殘余應(yīng)力均比其它7條焊縫的最大殘余應(yīng)力大.由上圖表可以看出側(cè)墻8條焊縫在焊接時，采用外側(cè)和內(nèi)側(cè)焊縫同時焊接，可以使側(cè)墻產(chǎn)生最小的焊接殘余應(yīng)力.

4 結(jié)論

(1)基于簡體Fortran語言，對SYSWELD熱源模式進(jìn)行二次開發(fā)，獲得所需要的熱源，提高了仿真的精度和效率；

(2)實現(xiàn)了高速列車CRH380B側(cè)墻焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值仿真.鑒于焊后產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，提出采用改變焊接順序工藝方案，通過計算結(jié)果比較，合理的焊接順序可以有效降低焊接殘余應(yīng)力，為企業(yè)實際生產(chǎn)中降低焊接殘余應(yīng)力的方案選擇提供了依據(jù).

[1]殷春喜，黃軍慶，熊震東，等．鋁及鋁合金TIG焊接特性[J]．熱加工工藝,2011,40(1):136-139.

[2]劉志平，王金金，王立夫．CRH380B鋁合金高速動車組焊接技術(shù)[J]．金屬加工,2011(2):89-92.

[3]茍國慶，于金鵬，張立民．鋁合金車體結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力研究[J].電焊機(jī)，2011,41(11):35-38.

[4]賈奎，楊乾慧，馮偉剛．不同焊接工藝鋼結(jié)構(gòu)焊接件的殘余應(yīng)力分析[J]．浙江建筑,2011,28(11):62-65.

[5] 武傳松.穿孔等離子弧焊接溫度場的有限元分析[D].山東：山東大學(xué)，2007.

[6]劉俊，陸?zhàn)?，陳俊梅．Q345R焊接殘余應(yīng)力的溫度-組織-應(yīng)力禍合分析[C]．第六屆全國焊接學(xué)術(shù)會議論文集，1990:209-212.

[7]北京機(jī)電研究所.GB 7704-87 X射線應(yīng)力測定方法[S].北京：中國鐵道出版社，1987.

[8]傅利斌，楊鑫華，任瑞銘．構(gòu)架環(huán)形多道焊變形仿真與焊序選優(yōu)[J]．焊接學(xué)報,2012,33(3):26-29.

[9]鄧德安，清島祥一．焊接順序?qū)癜搴附託堄鄳?yīng)力分布的影響[J]．焊接學(xué)報,2011,32(12):79-82.

Research of Welding Sequence Effects on Welding Residual Stress of High-Speed Train Sidewall

MA Siqun1,LIU Yehua1,HAN Qingkai2,YUAN Yongwen3,GU Lixiang4

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong Universty,Dalian 116028,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 3.Jinan Railway Vehicles Equipment Co.,Ltd,Jinan 250000,China; 4.CSR Sifang Locomotive and Rolling Stock Company Ltd,Qingdao 266111,China)

According to the actual process and based on finite element software SYSWELD,finite element thermal elastic-plastic analysis method and Fortran language are used for the secondary development of welding heat source to obtain the required heat source,and verify the accuracy of heat source model by experiment.On this basis,the welding residual stress distribution of CRH380B high-speed trains sidewall and welding sequence effects on welding residual stress of high-speed train sidewall are analyzed.The obtained sidewall weld optimal solution provides the basis for enterprise scheme selection to reduce welding residual stress in actual production.

high-speed trains;sidewall;residual stress;heat source;welding sequence

1673-9590(2015)03-0068-05

2014-05-21

中國鐵道總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2013J012-B)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51220001)；大連市科技計劃資助項目(2011D11ZC093)

馬思群(1969-)，男，副教授，博士，主要從事大型焊接構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力預(yù)測、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究E-mail:masiqun@djtu.edu.cn.

A