王春生 王文權(quán) 王洪瀟 徐國成

摘要：針對激光焊接工藝和電阻點焊工藝在不銹鋼軌道客車側(cè)墻組上的應(yīng)用進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析。分別測試SUS301L不銹鋼薄板激光焊接和電阻點焊搭接的側(cè)墻結(jié)構(gòu)件的拉剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，對于相同長度的接頭，激光焊接接頭的力學(xué)性能比電阻點焊接頭更好。在施加相同載荷條件下，對兩種焊接接頭的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，應(yīng)力集中現(xiàn)象和最高應(yīng)力水平均出現(xiàn)在電阻點焊接頭中，理論分析和實驗結(jié)果都證明激光焊接的軌道客車側(cè)墻受力更均勻、變形更小、外觀質(zhì)量更好。

關(guān)鍵詞：激光焊接;電阻點焊;不銹鋼軌道客車;側(cè)墻組成;有限元數(shù)值模擬

中圖分類號：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）07-0109-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.17

0 前言

隨著高速軌道客車的快速發(fā)展，越來越多的不銹鋼軌道客車投入運(yùn)營。與碳鋼和鋁合金材質(zhì)的車輛相比，不銹鋼軌道客車具有整車質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀美觀和使用維護(hù)成本低的特點[1-4]。傳統(tǒng)上，軌道客車部件連接和側(cè)墻組對焊接中大量采用電阻點焊，一般會導(dǎo)致軌道客車側(cè)墻的變形、密封性不佳，并且密集分布的焊點也導(dǎo)致車身存在美觀性差等缺點。近年來，國外采用激光焊接進(jìn)行不銹鋼軌道客車側(cè)墻的焊接，很好地解決了上述問題。例如，日本川崎公司很早就采用激光部分熔透焊接不銹鋼軌道客車側(cè)墻。我國軌道客車制造企業(yè)對此開展了大量的實驗研究工作，并取得了較大進(jìn)展，但相關(guān)文獻(xiàn)報道卻很少[5-9]。

基于此文中針對不銹鋼薄板的電阻點焊接頭和激光焊接接頭在相同外加載荷條件下進(jìn)行了測試和有限元數(shù)值模擬比較[10-11]，以找出兩種焊接工藝在不銹鋼軌道客車側(cè)墻組對焊接上的優(yōu)缺點，為生產(chǎn)實際中采用激光焊接代替電阻點焊焊接不銹鋼軌道客車側(cè)墻提供理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)支撐，以便為客戶提供更高質(zhì)量的產(chǎn)品。目前激光焊技術(shù)已經(jīng)在美國波士頓地鐵項目中批量化生產(chǎn)使用。

1 試驗方法

選用NASTOA公司生產(chǎn)的中頻逆變式直流點焊機(jī)在厚度1.5 mm的不銹鋼薄板上進(jìn)行電阻點焊，其工藝參數(shù)如圖1所示。焊點數(shù)量5個，焊點之間間隔60 mm，電阻點焊接頭結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

激光焊設(shè)備選用ESAB公司生產(chǎn)的Nd：YAG盤式固體激光器，工藝參數(shù)如表1所示，選取的激光焊縫長度252 mm，其接頭形式示意如圖3所示。

用于生產(chǎn)不銹鋼軌道客車側(cè)墻的電阻點焊裝置以及基于點焊工藝的側(cè)墻外板的形貌如圖4、圖5所示。用于生產(chǎn)不銹鋼軌道客車側(cè)墻的激光焊裝置以及基于激光焊工藝的側(cè)墻外板的形貌如圖6、圖7所示。對比圖5和圖7可知，激光焊接的軌道客車側(cè)墻具有更好的外觀和更小的累積變形。

采用數(shù)值模擬方法對比研究1.5 mm的不銹鋼薄板SUS301L搭接的電阻點焊接頭和激光焊接接頭。在此假定電阻點焊的焊點輪廓為規(guī)則的圓形，直徑6 mm;激光焊縫為直線形狀，寬度2 mm，且板材兩側(cè)為完全對稱分布?？紤]到應(yīng)力集中現(xiàn)象并不嚴(yán)重，在模擬過程中采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格劃分方式，計算可得，節(jié)點數(shù)量為488 646個，小立方單元體數(shù)量為364 026個，且假定其均為剛性，邊長0.5 mm。電阻點焊接頭和激光焊接接頭的應(yīng)力和應(yīng)變在施加相同外部載荷條件下進(jìn)行計算。在x、y和z方向上的載荷分別設(shè)定為Fx=7 000 N，F(xiàn)y=5 000 N和 Fz=600 N，然后根據(jù)模擬結(jié)果對電阻點焊工藝和激光焊接工藝在不銹鋼軌道客車側(cè)墻上應(yīng)用的優(yōu)缺點做出綜合分析、比較。

2 結(jié)果及討論

2.1 電阻點焊與激光焊接頭數(shù)值模型的建立

不銹鋼薄板電阻點焊有限元模型如圖8所示，激光焊接接頭的有限元模型如圖9所示。根據(jù)上文的假設(shè)，電阻點焊的焊點直徑為6 mm，激光焊縫寬度為2 mm，有限元模擬與實際情況一致。

由圖8、圖9可知，坐標(biāo)系約定如下：z軸與試樣表面垂直，x軸平行于焊接方向，y軸與焊縫方向垂直。

2.2 電阻點焊和激光焊接接頭的有限元分析

有限元模擬中，當(dāng)y軸施加的載荷為 Fy=5 000 N時，電阻點焊和激光焊接頭的應(yīng)力云圖如圖10和圖11所示。由圖10可知，應(yīng)力集中現(xiàn)象總是出現(xiàn)在點焊的焊點位置。由圖12可知，激光焊縫中的應(yīng)力分布比較均勻一致，僅在焊縫起始位置和結(jié)束位置出現(xiàn)低水平的應(yīng)力集中。在y軸施加的載荷Fy=5 000 N時，電阻點焊試樣焊點的變形狀態(tài)如圖12所示，與模擬結(jié)果一致，焊點邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中，變形量最大。在y軸施加的載荷為Fy=5 000 N時，激光焊焊縫的變形狀態(tài)如圖13所示，實際測試結(jié)果與模擬結(jié)果一致，在焊縫的起弧及收弧處焊縫變形量最大。

根據(jù)有限元模擬分析可知，應(yīng)力集中總是存在于電阻點焊的焊點位置，如圖14所示。在相同外部載荷條件下，激光焊縫內(nèi)部的最高應(yīng)力水平為126.998 MPa，而電阻點焊焊點最高應(yīng)力水平為351.822 MPa。可見在相同載荷下，激光焊縫承受的最高應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電阻點焊的焊點所承受的。需要說明的是，激光焊縫和電阻點焊接頭承受的最高應(yīng)力均低于不銹鋼的強(qiáng)度極限值（約為550 MPa）?？梢灶A(yù)測的結(jié)果是，當(dāng)在x軸方向施加載荷Fx=7 000 N時，與在y軸方向的模擬過程和結(jié)果相類似。不過x軸方向的最大應(yīng)力SMX=282.793 MPa和最大位移DMX=0.055 824 mm，而在y軸方向SMX=351.822 MPa 和 DMX=0.226 476 mm。

根據(jù)對比分析，一方面激光焊接接頭的應(yīng)力集中程度低于電阻點焊接頭;另一方面，x軸方向的最大應(yīng)力和最大位移遠(yuǎn)低于y軸方向，盡管在x軸方向施加的載荷要遠(yuǎn)高于在y軸方向施加的載荷。由此可見，焊接接頭在x軸方向的負(fù)載承受能力高于在y軸方向。z軸方向的有限元模擬結(jié)果與在y軸方向類似。因此，對于不銹鋼軌道客車側(cè)墻，激光焊接要優(yōu)于電阻點焊。

需要指出的是，上述的有限元模擬分析并不代表激光焊接的側(cè)墻強(qiáng)度一定高于電阻點焊，而是在當(dāng)前常見的激光焊與點焊工藝設(shè)置條件下，激光焊接頭的應(yīng)力分布更為合理。但是通過更改工藝條件設(shè)置，比如改變激光焊接頭的寬度、長度，以及點焊接頭的直徑、焊點間距，都可以有效地改善接頭的承載強(qiáng)度和應(yīng)力分布情況[12]。然而，由于點焊電流分流作用的限制，相鄰焊點需保持一定的間距。因此，實際應(yīng)用中激光焊接頭的應(yīng)力分布情況往往優(yōu)于點焊接頭。

3 結(jié)論

（1）有限元分析結(jié)果表明，在不同方向上施加相同載荷時，激光焊縫內(nèi)的應(yīng)力集中水平低于電阻點焊接頭，最高應(yīng)力水平和最大位移也小于電阻點焊接頭。

（2）對于激光焊接接頭，平行于焊縫方向的承載能力高于垂直于焊縫方向的承載能力。

（3）根據(jù)有限元分析和物理實驗的結(jié)果可知，對于不銹鋼軌道客車側(cè)墻，激光焊接比電阻點焊工藝更有優(yōu)勢，激光焊接獲得的不銹鋼軌道客車側(cè)墻在承載情況下應(yīng)力分布更為均勻，部件累積焊接變形更小，外觀質(zhì)量更好。

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