畢 勝

高速列車焊接結(jié)構(gòu)的早期疲勞時(shí)效是造成軌道列車事故的主要誘因，在其結(jié)構(gòu)優(yōu)化和受力分析等方面還未得到充分研究。焊接過(guò)程中，鋁合金焊接接頭受到內(nèi)應(yīng)力以及熱循環(huán)載荷的綜合作用，表現(xiàn)出焊后性能減弱的現(xiàn)象。因此，采用合理的工藝和結(jié)構(gòu)疲勞方案是提高鋁合金焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵。鋁合金結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性受到焊后余高的影響，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而降低了結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，因此采用機(jī)械沖擊、熔修、磨削等工藝可以對(duì)焊縫幾何形狀的優(yōu)化和應(yīng)力集中的減弱起到積極作用。本文提出了一種新型碾壓整形工藝，并對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭在該工藝下的疲勞性能進(jìn)行了研究。電弧焊廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，由于母體金屬的熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散作用，電弧焊過(guò)程中，電力損失占整個(gè)焊接能源消耗的主要部分。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)提高焊接點(diǎn)處金屬溫度、減少母體金屬的熱擴(kuò)散等方式合理控制工件中的能量流，減少熱損失。通過(guò)綜合分析焊接過(guò)程中熱量的傳輸可確定能量損失，有研究曾給出了假設(shè)條件下溫度場(chǎng)分析模型。焊接過(guò)程中，單位長(zhǎng)度消耗的能量與電弧功率呈正比，與噴燈移動(dòng)速率呈反比。

1 有限元分析

本文從厚度為12.5mm的高速列車用不同批次的A7N01鋁合金焊板上截取了4個(gè)試樣，分別編號(hào)為1、2、3、4。統(tǒng)計(jì)焊接接頭試件的幾何形狀，以研究其對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響。給出了鋁合金焊接接頭試件的宏觀形貌。對(duì)4個(gè)試件的幾何參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求其得平均值為焊縫最大寬度B為22.865mm，正面余高h(yuǎn)1為2.675mm，背面余高h(yuǎn)2為1.863mm，焊趾角為24.75°。文章給出了焊接接頭的幾何模型和參數(shù)優(yōu)化方案。即在焊趾處增加焊道和過(guò)渡圓弧，焊道的寬度為w、焊趾角為，圓弧的半徑為r。采用有限元軟件計(jì)算A7N01鋁合金焊接接頭的應(yīng)力分布。幾何參數(shù)的優(yōu)化方法為保持余高和焊趾角不變，焊道寬度分別取0mm、3mm、6mm和8 mm，焊趾半徑分別取4mm、6mm、8mm和10 mm。按照統(tǒng)計(jì)的鋁合金焊接接頭的平均幾何參數(shù)建立有限元模型，模型參數(shù)設(shè)置為：彈性模量為89 GPa，泊松比為0.3；單元類型為4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，焊趾處細(xì)化網(wǎng)格的最小尺寸為0.1 mm；加載單軸拉應(yīng)力為60 MPa的。

通過(guò)有限元分析計(jì)算表明，原始焊接接頭產(chǎn)生了很大的焊趾應(yīng)力集中，系數(shù)高達(dá)2.0。這是因?yàn)檩^大的接頭余高導(dǎo)致焊趾位置產(chǎn)生顯著的幾何不連續(xù)性。給出了增加焊趾過(guò)渡圓弧后的應(yīng)力集中系數(shù)變化曲線?？梢钥闯?，應(yīng)力集中系數(shù)伴隨焊趾圓弧半徑的增大逐漸減小，這是由于焊趾處的幾何形狀趨于平滑；應(yīng)力集中系數(shù)伴隨焊道寬度的增加有所增加，這是由于接頭形狀優(yōu)化受焊道寬度的影響有限；應(yīng)力集中系數(shù)在原始焊接接頭上直接增加過(guò)渡圓弧時(shí)，顯著降低，并在焊趾半徑為8 mm時(shí)達(dá)到最小值1.12。

用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件求解上述模擬線性自生GTA焊接過(guò)程的傳輸方程組。COMSOL可以解決多種物理現(xiàn)象耦合模型。COMSOL多物理場(chǎng)以有限元法為基礎(chǔ)。對(duì)全部偏微分方程二次離散化。最大元為0.08mm的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格被應(yīng)用到位于熔池處的流體域。在工件只有溫度場(chǎng)和電磁場(chǎng)的區(qū)域，網(wǎng)格比較粗糙，最大尺寸達(dá)到了0.25mm。 為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步改進(jìn)了MATLAB代碼。

2 焊后整形后的疲勞性能

有限元分析表明，缺口位應(yīng)力集中現(xiàn)象在焊趾處加工半徑為8 mm的過(guò)渡圓弧后得到大幅減弱，焊接構(gòu)件的抗疲勞強(qiáng)度也隨之提高。本文設(shè)計(jì)了一套新型碾壓整形裝置，其原理是焊縫幾何形狀在碾壓輪施加的機(jī)械力作用下得到優(yōu)化，從而減小焊趾應(yīng)力集中。該套裝置主要由前碾壓輪、后碾壓輪、沖擊桿軸、碾壓輪軸、碾壓輪導(dǎo)向架和碾壓輪后座六部分組成。由于前輪的直徑較大且輪緣為凸面，因此先與工件接觸并對(duì)焊后余高起到捶打作用；后輪直徑較小且輪緣為凹面，因此在焊趾處于工件接觸，并對(duì)焊趾幾何形狀起到優(yōu)化作用。通過(guò)設(shè)計(jì)多組直徑的碾壓輪，保證后輪與焊趾接觸，以適應(yīng)不同的焊縫寬度。

整形試驗(yàn)選用兩塊A7N01鋁合金板料，規(guī)格為500×250×12.5mm，開角度為60°的單邊V形坡口。施焊方法與MIG焊相同，填充材料為直徑為2.5 mm的SAF 5356焊絲，焊接電流與電壓分別為220 A和23 V，焊接速度為40 cm/min。采用機(jī)械沖擊碾壓技術(shù)對(duì)一塊焊板實(shí)施整形。將焊板裝夾在工作臺(tái)上后，連接沖擊氣錘與碾壓機(jī)構(gòu)，調(diào)整位置使前后碾壓輪的輪緣分別與焊縫余高和焊趾接觸；打開沖擊氣錘與工作臺(tái)的開關(guān)，焊縫余高以及焊趾幾何形狀在氣錘的沖擊作用下得到優(yōu)化。按照國(guó)標(biāo)要求，分別在未整形焊板和整形焊板上截取8個(gè)試樣，經(jīng)拋光打磨后采用MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，載荷設(shè)置為脈動(dòng)載荷，最大應(yīng)力為100 MPa。

相比原始焊接接頭，焊趾過(guò)渡更加平滑，缺口應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。原始焊接接頭和整形焊接接頭的疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知，原始焊接接頭的疲勞壽命的平均為0.81×106周次，僅有1個(gè)試件的疲勞斷裂出現(xiàn)在焊縫處，其余7個(gè)均出現(xiàn)在焊趾處，這是由于焊趾幾何不連續(xù)性導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題導(dǎo)致的。焊接接頭整形降低了應(yīng)力集中，疲勞壽命的平均值提高到了3.06×106周次，遠(yuǎn)高于高速列車的疲勞強(qiáng)度要求（2.0×106周次）。其中，試件4、6、7均在母材上發(fā)生斷裂，試件3在循環(huán)10×106周次后仍未斷裂。

3 焊接有限元分析

AISI1018鋼的線性自生GTA焊接模擬了不同組合的能量輸入和焊接速度情況。工件長(zhǎng)200mm（x軸方向）、寬50mm(y軸方向)、厚3mm（z軸方向）。出于200mm長(zhǎng)的工件，焊接噴燈前長(zhǎng)30mm，焊接噴燈后長(zhǎng)170mm。噴燈的位置被認(rèn)為是構(gòu)架的起點(diǎn)。需要說(shuō)明的是，模擬過(guò)程中熱源的有效面積是4.0 mm。一次整個(gè)熔池能夠處在熱源之下。電弧與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使縱向焊縫兩邊不對(duì)稱。熔池表面的溫度分布范圍時(shí)從熔池邊緣的熔化溫度到最大滲透深度上的最大溫度。焊接速度達(dá)到2.0mm/s時(shí)，流體流動(dòng)由Marangoni對(duì)流驅(qū)動(dòng)。焊接熔池表面的流體從中心流向四周。當(dāng)焊接速度達(dá)到2.5mm/s和3.0mm/s時(shí)，流動(dòng)模式經(jīng)過(guò)渡轉(zhuǎn)為更復(fù)雜的多渦流模式。這種情況下，滲透深度有所加強(qiáng)。當(dāng)焊接速度為2.0mm/s時(shí)，流動(dòng)模式為環(huán)渦，3xz平面和yz平面證實(shí)了此結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由Marangoni對(duì)流引起。這種對(duì)流主要是相鄰熔池表面間的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。熔池深度隨著焊接速度的增加而增加，這種情況下，洛倫茲力誘導(dǎo)熔體沿熔池底部向熔池邊緣流動(dòng)，并產(chǎn)生漩渦以加強(qiáng)熱量向熔池底部傳輸。這說(shuō)明洛倫茲力在增加熔池深度上起著重要作用。因此，在相同的能量或熱量輸入的情況下，隨著焊接速度從2.0mm/s增加到2.5mm/s再到3mm/s，熔體流動(dòng)模式從簡(jiǎn)單漩渦結(jié)構(gòu)過(guò)渡到復(fù)雜的漩渦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這時(shí)，熱傳輸能夠增加熔池深度。下面我們仔細(xì)看看在工件表面上的溫度分布；這將為我們理解為何在熱量輸入總量和材料特性相同時(shí)，較高焊接速度和較大的能量輸入使熔池?cái)U(kuò)大提供額外的幫助。焊接速度2.0mm/s、輸入功率600W和焊接速度3.0mm/s、輸入功率900W時(shí)的工件上表面的溫度分布。這兩種方案單位長(zhǎng)度的熱量輸入都是300J/MM但是后一個(gè)方案的最高溫度比前一個(gè)高出了24%。然而，兩個(gè)方案的平均溫度很接近。

佩克萊特?cái)?shù)用來(lái)表示對(duì)流與擴(kuò)散的相對(duì)比例。因?yàn)檠芯恐胁牧咸匦院碗娀⌒螤钍冀K不變，因而佩克萊特?cái)?shù)僅與焊接速度有關(guān)。焊接速度為2mm/s和3mm/s時(shí)，佩克萊特?cái)?shù)分別是1.16和1.74。隨著佩克萊特?cái)?shù)的增加最大溫度隨之增加，這意味著電弧與工件之間平動(dòng)散熱速度要大于熱導(dǎo)入材料速率。然而，電弧單位距離熱輸入為常數(shù)，這意味著隨著輸入功率增加，電弧下端的溫度也在增加。由于洛倫茲力增強(qiáng)熔池?cái)嚢璩潭?，因此熔池?nèi)溫度提高，金屬熔化速率加快。表面溫度提高、熔池對(duì)流速度加快導(dǎo)致了焊縫熔深加深。

六種不同焊接速度的熔池橫截面（yz）和上表面（xy）。這些方案中，單位長(zhǎng)度總熱量輸入為常數(shù)300J/mm。在這六種方案中，盡管單位長(zhǎng)度的熱量輸入相同，但是焊接熔池的幾何形狀卻明顯不同。每個(gè)方案中最大滲透深度處焊接熔池的橫截面。隨著輸入功率和焊接速度的提高，熔池滲透深度和該處橫截面的面積也相應(yīng)增加。觀察1號(hào)熔池到6號(hào)熔池的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接速度和功率輸入提高150%時(shí)，熔池滲透深度提高了兩倍。焊接速度和輸入功率越大，焊接熔池的上表面的長(zhǎng)（沿x軸）、寬（沿y軸）也相應(yīng)增加，但是延長(zhǎng)率要大于寬度擴(kuò)張率。當(dāng)單位熱量輸入分別為350J/mm、300J/mm、250J/mm時(shí)，焊縫滲透深度與焊接速度的關(guān)系曲線。需要說(shuō)明的 是，為了保證單位熱量輸入為常數(shù)，電弧功率與焊接速度呈比例增長(zhǎng)。例如，當(dāng)單位長(zhǎng)度的熱量輸入為300J/mm時(shí)，隨著焊接速度從2mm/s提高到3mm/s，電弧功率也應(yīng)相應(yīng)地由600W增加到900W。可以看出，對(duì)恒定的熱量輸入，焊接速度和輸入功率的提高導(dǎo)致了焊縫深度的增加。

為獲得某一焊縫滲透深度，我們選擇了不同組合的單位熱量輸入和焊接速度。例如，如果要獲得1.25mm的焊縫滲透深度，我們可以從圖中曲線讀出相應(yīng)的熱量輸入和焊接速度參數(shù)組合。這些方案的輸入功率分別是784W、918W、1100W。這說(shuō)明采用較高焊接速度和輸入功率的焊接工藝，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還能夠降低能耗。當(dāng)單位熱量輸入分別為350J/mm、300J/mm、250J/mm時(shí)，焊縫熔池的深寬比與焊接速度的關(guān)系曲線。單位長(zhǎng)度熱量輸入為常數(shù)時(shí)，在母體金屬表面熔化速度較低且熔池較淺，因此深寬比有最小值。隨著焊接速度的增加，熔池深度增加要快于寬度增加，因此深寬比總是不斷增加。深度的變化趨勢(shì)和深寬比的變化趨勢(shì)及其相似；然而，焊接速度較低時(shí)，深寬比曲線的斜率較大。方案a、b、c、中深寬比分別是0.240、0.243、0.246。

單位長(zhǎng)度焊縫輸入總熱不同時(shí)工件最大溫度和平均溫度關(guān)于焊接速度變化關(guān)系。隨著焊接速度和佩克萊特?cái)?shù)的增加，最大溫度也隨之提高。最大溫度和平均溫度的變化曲線都接近線性。隨著焊接速度的增加，盡管平均溫度僅有微小增加，但最大溫度增加明顯。最大溫度的提高導(dǎo)致了焊縫幾何特征的變化，如焊縫熔深、深寬比。另一方面，因?yàn)槠骄鶞囟然颈３植蛔?，在較高焊接速度和輸入功率時(shí)，熔池冷卻速度加快。冷卻速度是影響熔池金屬凝固和形成金屬間化合物相的關(guān)鍵因素。最大溫度和金屬蒸發(fā)和殘余應(yīng)力的發(fā)展呈正比例。值得一提的是，為避免模擬過(guò)程復(fù)雜化，本文規(guī)定蒸發(fā)最大溫度低于鐵的沸點(diǎn)。

對(duì)焊縫滲透深度相同的三種方案a-c，可以看出最大溫度有明顯的差別。a、b、c三種方案的最大溫度分別是2547K，2660K，2836K。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熔化效率在1.8%到17.3%之間變化。這說(shuō)明只有很少一部分熱量用于熔化金屬，大部分熱量都由于母體金屬的熱傳導(dǎo)作用而浪費(fèi)掉了。通過(guò)選擇合適的焊接速度和輸入功率組合，能夠有效提高熔化效率。a、b、c所顯示的熔化效率分別是12.9%、14.8%和17.3%。盡管a中單位長(zhǎng)度熱輸入量比c高40%但是c的熔化效率要比a高出38%。這就是兩者幾何方面相似的原因。為了驗(yàn)證某個(gè)方案通過(guò)數(shù)值模擬得到的焊縫縱截面的預(yù)測(cè)圖，我們將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。選擇的方案參數(shù)為：焊接速度4.4mm/s、輸入功率1100W，即方案a。比較了焊縫的縱截面圖。實(shí)驗(yàn)中，為獲得1100W的輸入功率，我們將電弧電流設(shè)置為125A，電弧電壓為12V并假設(shè)電弧效率為75%。文獻(xiàn)詳述了獲得該焊縫的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。本文的對(duì)比研究進(jìn)一步證實(shí)了COMSOL有限元法。需要說(shuō)明的是，研究中忽略了重力對(duì)GTA焊接過(guò)程的影響。

4 結(jié)論

采用有限元技術(shù)分析焊趾半徑和焊道寬度對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響，最終確定了焊縫的最優(yōu)幾何形狀為焊趾半徑為8mm時(shí)。針對(duì)焊縫幾何形狀的優(yōu)化問題，研制出了新型碾壓整形裝置，該裝置通過(guò)機(jī)械沖擊作用增大焊趾半徑，降低余高。通過(guò)對(duì)整形前后的焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，A7N01鋁合金焊接接頭在碾壓整形后的疲勞壽命大幅提高，焊趾應(yīng)力集中顯著減弱，疲勞斷裂主要出現(xiàn)在焊縫和母材處。本文使用基于有限元法的COMSOL多物理場(chǎng)軟件模擬了低碳鋼上的自生鎢電極惰性氣體保護(hù)焊。該模型包括焊接電弧產(chǎn)生的電磁場(chǎng)、焊接熔池內(nèi)熔體流動(dòng)速度場(chǎng)、整個(gè)工件的熱傳導(dǎo)過(guò)程。結(jié)果表明，在單位焊縫長(zhǎng)度輸入相同時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化焊接速度和電弧功率組合有效降低焊接過(guò)程的能耗。單位焊縫長(zhǎng)度輸入能量為常數(shù)，熔池內(nèi)熔體流動(dòng)速度場(chǎng)包括由Marangoni對(duì)流引起的從中心向上流動(dòng)的環(huán)渦；對(duì)流在焊接速度較低時(shí)占主要作用。焊接速度較高時(shí)，洛倫茲力產(chǎn)生的漩渦位于Marangoni環(huán)渦的下面，因此對(duì)流得到加強(qiáng)、熔池加深。隨著焊接速度和輸入功率的提高，熔體流動(dòng)最大速度也隨之增加。通過(guò)分析工件溫度分布場(chǎng)，我們發(fā)現(xiàn)，盡管熱輸入總量和材料特性不變，但同時(shí)提高焊接速度和輸入功率，焊接熔池最高溫度也隨之提高。通過(guò)比較佩克萊特?cái)?shù)，我們發(fā)現(xiàn)，在焊接速度較高時(shí)，熱對(duì)流比熱傳導(dǎo)作用更大，這導(dǎo)致了熱分布更集中于熱源的周圍，例如熱源下面的溫度更高并進(jìn)一步增加熔池尺寸和熔化效率。單位焊縫長(zhǎng)度熱輸入為常數(shù)，隨著焊接速度提高，焊縫熔深、深寬比、最大溫度以及熔化效率都相應(yīng)提高。換句話說(shuō)，通過(guò)選擇合適的焊接參數(shù)，同樣的耗能能夠得到更優(yōu)的焊縫特性。盡管焊縫熔深、深寬比以及熔化效率的提高總是有利的，但隨之帶來(lái)的更高的溫度可能導(dǎo)致更大的殘余應(yīng)力、熔融金屬蒸發(fā)加速以及形成有害金屬相。熱輸入量不同，選擇合適的焊接速度和輸入功率，可以在降低耗能的前提下實(shí)現(xiàn)某一焊縫熔深。例如，為獲得1.25mm的焊縫熔深，選擇的焊接參數(shù)可以是焊接速度2.24mm/s&輸入功率784W，也可以是焊接速度4.4mm/s&輸入功率1100W。與焊接速度2.24mm/s的方案相比，后者的溫度要高12%，能耗降低28%。