雷其會，陳柯鑫，劉孝艷，馬龍東，龐洪賓，王　萌（中國重汽集團濟南豪沃客車有限公司，濟南　250220）

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全承載式客車骨架典型焊接接頭應力變形分析

雷其會，陳柯鑫，劉孝艷，馬龍東，龐洪賓，王萌
（中國重汽集團濟南豪沃客車有限公司，濟南250220）

摘要：對全承載式客車骨架焊接中的T型接頭建模和數(shù)值模擬，通過計算得出結論：在保證焊縫質量的前提下，優(yōu)先選擇小的焊接電流和電弧電壓、較快的焊接速度進行順序焊接，以減小焊接變形，控制車身精度。

關鍵詞：全承載式客車；骨架焊接接頭；應力應變；數(shù)值模擬

全承載式車身的整體化框架結構形象地被稱為“鳥籠結構”，骨架焊接的應力變形必須得到有效的控制。一方面，如果骨架焊接變形較大，會嚴重影響下一步“蒙皮”工藝的實施；另一方面，如果客車骨架中存在較大的焊接殘余應力和較大的焊后變形，在客車尤其是城市客車時常超員超載和頻繁起停的運行過程中，會降低整個客車的承載能力和服役壽命，并會產生安全隱患[1-3]。如果要對客車骨架進行焊后消應力處理及焊后變形矯正，勢必增加車輛制造的成本，降低車輛制造的效率。因此，在客車骨架的制造過程中，焊接變形和殘余應力必須得到有效的控制。

焊接應力變形的控制一直是焊接生產制造和焊接工藝研究的難點之一。鑒于焊接熱作用的局部性和瞬時性特點，試驗研究很難揭示焊接變形和應力變形的演變過程，數(shù)值計算越來越得到焊接科技人員的青睞[4-5]。本文采用數(shù)值模擬的方法，對全承載式客車骨架焊接過程中的典型T型焊接接頭的溫度場、焊接應力變形等進行計算，所以進一步優(yōu)化設計全承載式客車骨架焊接的焊接電流、電弧電壓、焊道順序和焊接速度等參數(shù)。

1　計算模型的建立

1.1結構模型及材料參數(shù)

整個焊接骨架模型龐大?；诂F(xiàn)有計算機運算能力和內存限制，將整個焊接骨架建立一個模型進行應力變形的計算幾乎是不可能的；在全承載式客車骨架焊接結構中，型鋼的連接方式主要為對接接頭、T型接頭和角接頭。根據(jù)這一工藝特點，初步研究中，建立典型的T型接頭CAD模型進行計算分析。根據(jù)骨架焊接生產實際及數(shù)值計算的便利性，選擇2 mm×40 mm×40 mm型鋼產品進行計算。對于T型接頭，橫柱長度為700 mm，縱柱高度為120 mm。通過計算分析，對該模型的計算網格如圖1所示。

圖1　焊接接頭數(shù)值計算的　計算網格

根據(jù)全承載式客車底架材質的選擇，骨架母材為Q345B低碳合金鋼[6]。材料在焊接的整個過程中都存在溫度變化，并且材料的楊氏模量、泊松比和密度等力學性能參數(shù)隨溫度的變化而變化，如圖2（a-c）所示[7-9]。材料的導熱系數(shù)、比熱容和線膨脹系數(shù)等熱物理性能參數(shù)也會隨著溫度的變化而變化，如圖3（a-c）所示。

1.2熱源模型

要想準確地計算焊接殘余應力和焊后變形，必須首先保證焊接熱循環(huán)計算的準確性，建立合理的熱源模型是數(shù)值模擬計算結果準確可靠的前提。目前常用的熱源模型有面熱源模型和體熱源模型，因面熱源忽略了電弧或束流對焊接熔池的挖掘作用，僅考慮熱量通過焊接構件表面的一個小區(qū)域傳導進入焊件的各個區(qū)域，所以在現(xiàn)有的計算機水平下，焊接科技人員更多地選用體熱源模型進行數(shù)值模擬計算[10-13]。

常用的體熱源模型有均勻分布高斯柱體熱源模型、峰值熱流沿深度衰減的高斯柱體熱源模型、半徑沿深度變化的旋轉體熱源模型和雙橢球形功率密度分布體熱源模型。對于焊條電弧焊和鎢極氬弧焊等焊接方法，利用高斯柱體熱源模型就可以得到理想的模擬計算結果。而對于全承載式客車骨架焊接過程中采用的CO2氣體保護焊焊接工藝，因其電弧穿透能力較大。一般采用雙橢球形功率密度分布體熱源模型進行數(shù)值模擬計算。

本文中采用的雙橢球形體熱源模型如圖4所示。雙橢球體分布熱源公式：式中：af、ar、bh、ch是橢球的半軸；ff、fr是前后半橢圓內熱輸入的份額；q表示熱流密度，其中ff=af/（af+ar）、fr=ar/（af+ar）。

圖4中，熱源中心前面的熱流密度變化梯度比后面的熱流密度變化梯度陡得多；而后面的熱量分布要較前面多。橢球的特征參數(shù)可以改變熱流密度以及控制體積中的熱流分布，從而決定焊接熱模擬的熔池形狀。

圖2　材料的力學性能

圖3　材料的熱物理性能

圖4　雙橢球體熱源模型

2　仿真計算結果分析

對于典型T型接頭，分別改變焊道順序、焊接電流和焊接速度，對殘余應力和焊接變形的演變過程進行了仿真研究，同時選擇ANSYS分析軟件，將Q345B型鋼的楊氏模量、泊松比、密度、導熱系數(shù)、比熱容和線膨脹系數(shù)等物理性能參數(shù)在軟件中添加，并對結果加以分析對比。

2.1焊接電流和電弧電壓的影響

對于T型接頭，數(shù)值模擬計算中，焊接速度選為10 mm/s，采用“左焊法”對接頭的四道焊縫進行焊接，焊接電流和電弧電壓分別為I：焊接電流90 A，電弧電壓20 V；II：焊接電流120 A，電弧電壓21 V；III：焊接電流150 A，電弧電壓22 V。

采用不同的焊接電流和電弧電壓進行焊接，對于每道焊縫焊接結束時（對應圖中0點）和焊后120 s內五個時間階段焊接應力峰值和焊接變形峰值的變化如圖5所示。隨著焊接電流和電弧電壓的增大，焊接熱輸入逐漸增大。從圖中可以看出，焊接應力峰值和焊接變形峰值的變化情況。焊后120 s，焊接應力峰值逐漸上升，焊接變形峰值明顯變大。圖5（b）中，隨著參數(shù)的變化可看出，1點對于其它點明顯偏低。在實際焊接生產中，在焊接電弧穩(wěn)定燃燒和焊縫質量有保障的前提下，優(yōu)先選擇較小的焊接電流和電弧電壓實施焊接。

圖5　型接頭不同焊接電流和電弧電壓焊接應力和變形峰值變化

2.2焊道順序的影響

兩根矩形管型鋼形成T型接頭的焊接過程中，總共存在四條焊縫，分別標記為焊道1、焊道2、焊道3和焊道4，如圖6所示。每條焊道均采用“左焊法”實施焊接。

圖6　型接頭焊道分布

數(shù)值模擬計算中，焊接電流120 A，電弧電壓21 V，焊接速度10 mm/s。三種焊道順序如下：

I-順序焊接：焊道1→焊道2→焊道3→焊道4；II-逆序退焊：焊道4→焊道3→焊道2→焊道1；III-跳序焊接：焊道1→焊道3→焊道2→焊道4。

采用不同的焊道順序進行焊接，對于每道焊縫焊接結束時（對應圖中0點）和焊后120 s內五個時間階段焊接應力峰值和焊接變形峰值的變化如圖7所示。從圖中可以看出，改變焊道順序，順序焊接的焊接應力峰值比其他兩種焊道順序焊接稍大；而焊后120 s，三種焊道順序焊接變形峰值差別不大。在實際焊接生產中，為了焊接作業(yè)的便利性，優(yōu)先選擇順序焊接。

圖7　型接頭不同焊道順序焊接應力和變形峰值變化

2.3焊接速度的影響

計算不同焊接速度對T型接頭的影響。焊接電流120 A，電弧電壓21 V，采用“左焊法”對接頭的四道焊縫進行順序焊接，焊接速度分別為I：5 mm/s、II：10 mm/s、III：15 mm/s。

采用不同的焊接速度進行焊接，對于每道焊縫焊接結束時（對應圖中0點）和焊后120 s內五個時間階段焊接應力峰值和焊接變形峰值的變化如圖8所示。提高焊接速度，單位時間內的焊接量減小，所焊接部位焊接時間就相應減小。因此，焊接熱輸入減小。從圖中可以看出，隨著焊接速度的增大，焊接應力峰值和焊接變形峰值變化不大；焊后120 s，焊接應力峰值變化不明顯；而焊接變形峰值則明顯減小。在實際焊接生產中，為了減小焊接變形和提高焊接生產效率，在保證焊接質量和焊工實際操作可行的前提下，優(yōu)先選擇較快的焊接速度進行焊接。

圖8　型接頭不同焊接速度焊接應力和變形峰值變化

3　結束語

為了提高焊縫成形質量、提高焊接生產效率和控制焊接變形，本文通過焊接生產分析和T型接頭的有限元數(shù)值模擬計算，得出如下結論：在保證焊縫質量的前提下，優(yōu)先選擇小的焊接電流和電弧電壓、較快的焊接速度進行順序焊接，以控制焊接變形和焊接應力。

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修改稿日期：2015-08-17

Stress and Deformation Analysis on Typical Weld Joints of Monocoque Coach Framework

Lei Qihui，Chen Kexin，Liu Xiaoyan，Ma Longdong，Pang Hongbin，Wang Meng
（Sinotruk Jinan Howo Bus Co., Ltd, Jinan 250220, China）

Abstract：Through moldelingand numerical simulation of T-shaped weld joints ofmonocoque coach framework, the authors calculate and get the conclusion that on the premise of ensuring weld quality, priority should be given to small weld amperage, small arc voltage and faster weld speed to orderly weld so as to reduce the weld deformation and control the bodyaccuracy.

Key words:monocoque coach; framework weld joint; stress and deformation; numerical simulation

作者簡介：雷其會（1981-），男，碩士；工程師；從事客車骨架設計、客車工藝以及骨架有限元分析工作。

中圖分類號：U463.83+1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-3331（2016）01-0007-04