付 宇

（南車青島四方機車車輛有限公司，山東 青島266111）

動車組鋁合金車體側(cè)墻采用型材拼接組焊工藝制造[1~3]。側(cè)墻生產(chǎn)使用專用組焊胎位，所用型材吊運至正面組焊胎位完成拼接并對其外輪廓度進行測量。正常情況下，側(cè)墻經(jīng)過正、反面自動焊組焊工藝后外輪廓度可以滿足設(shè)計要求。但是由于型材來料尺寸、型材拼接間隙、工裝限位以及焊接變形等綜合原因，個別制造出的側(cè)墻的外側(cè)焊縫及其熱影響區(qū)位置會出現(xiàn)變形的情況。為此，需要使用火焰調(diào)修的方法，對側(cè)墻外側(cè)輪廓度進行調(diào)修?；跀?shù)值模擬研究具有研究周期短，投入少，安全等特點，模擬現(xiàn)實生產(chǎn)產(chǎn)品的狀態(tài)，采用有限元模擬分析的方法對側(cè)墻調(diào)修的變形規(guī)律進行分析。

1 側(cè)墻輪廓度調(diào)修工藝

1.1 調(diào)修方法的選擇

由于側(cè)墻型材以及側(cè)墻拼接后的結(jié)構(gòu)特點，側(cè)墻外側(cè)焊縫位置變形的調(diào)修方法采用加熱矯正法。

加熱矯正法是采用氧氣和丙烷火焰加熱，利用材料在局部加熱后通過水冷卻而形成的局部收縮，達到矯正焊接變形的目的。根據(jù)側(cè)墻焊縫區(qū)域的變形特點，火焰加熱方式選用線狀加熱法對焊縫凹陷區(qū)域進行加熱，即火焰沿著直線方向慢慢移動或同時做橫向擺動，形成一個加熱帶的方式。

1.2 調(diào)修工藝參數(shù)

動車組鋁合金車體側(cè)墻型材材質(zhì)為A6N01，熱處理狀態(tài)為T5，因此，選取的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 側(cè)墻調(diào)修加熱溫度及加工溫度

2 調(diào)修變形原理分析

2.1 有限元模型的建立

在實際生產(chǎn)中，當(dāng)側(cè)墻外側(cè)焊縫區(qū)域出現(xiàn)變形時，可以通過對相應(yīng)焊縫位置進行加熱后水冷的方法進行調(diào)修。截取如圖1所示單元對側(cè)墻自動焊縫進行加熱變形分析，A側(cè)為側(cè)墻外側(cè)，B側(cè)為側(cè)墻內(nèi)側(cè)。

圖2 動車組鋁合金側(cè)墻自動焊縫

根據(jù)現(xiàn)車型材結(jié)構(gòu)特點，可將其斷面視其為桁架連接組合結(jié)構(gòu)，將其進行簡化，構(gòu)建有限元分析模型，如圖2所示。

圖3 有限元分析模型

2.2 有限元仿真模擬計算及變形分析

使用ANSYS軟件對建立模型進行有限元分析，仿真過程采取先加熱后快速冷卻至設(shè)定溫度的方式模擬實際調(diào)修情況。采用面熱源加熱，溫度設(shè)定為200℃（低于鋁合金固相線溫度），對如圖3（a）中所示位置進行加熱。圖3為仿真模擬加熱步驟完成后狀態(tài)。

圖3 模型完成加熱步驟后變形狀態(tài)

從圖3中可以看出，鋁合金在加熱后由于熱脹發(fā)生了明顯的變形。同時Y軸方向兩根立筋同樣受熱膨脹。由于立筋在Y軸負方向上的變形量大于加熱B側(cè)腹板的Y軸負方向的變形量，并且，模型兩端剛性固定，應(yīng)力在X軸方向上得不到有效釋放，因此使得兩根立筋受到了壓應(yīng)力的作用。由圖3（a）中可以看出，由于應(yīng)力的傳遞，立筋對模型未加熱A側(cè)平板起到了“上頂”的效果。當(dāng)完成加熱過程后，將模型快速冷卻至20℃，其作用是模擬實際工作中水冷效果。

由于快速冷卻，原高溫膨脹位置產(chǎn)生強烈收縮。B側(cè)平板是收縮變形的主要發(fā)生區(qū)域。同樣，立筋受熱影響作用同樣發(fā)生冷卻收縮，并且兩者在Y軸方向的變形均為正方向。由于變形量差異的原因，在冷卻過程中，立筋再次受到了壓應(yīng)力的作用，致使A側(cè)平板受到壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生變形。

由于桁架結(jié)構(gòu)主要承受拉、壓應(yīng)力，模型在加熱變形過程中斜筋對于Y軸方向的變形影響很小。因此，可以看出，對于此類結(jié)構(gòu)的模型，在單側(cè)采用低溫加熱后快速冷卻的方法，可以使其相對面發(fā)生與加熱方向相同的變形趨勢。

3 結(jié)束語

在實際生產(chǎn)中，側(cè)墻的外側(cè)焊縫及其熱影響區(qū)位置如果出現(xiàn)下凹變形的情況，需要對其對應(yīng)位置的內(nèi)側(cè)焊縫實施火焰加熱調(diào)修；相反，如果出現(xiàn)上凸變形的情況，則需要對上凸的側(cè)墻外側(cè)焊縫進行火焰加熱調(diào)修。通過ANSYS仿真模擬軟件對側(cè)墻焊縫位置模型進行模擬分析，模擬現(xiàn)車生產(chǎn)中火焰調(diào)修時型材的變形趨勢，模擬結(jié)果符合現(xiàn)場工藝實施的實際情況。因此，對于生產(chǎn)中使用的加工工藝，輔助ANSYS、SYSWELD、ABAQUS等仿真模擬軟件進行數(shù)值模擬，可以更有效地觀察、分析現(xiàn)實中無法確定的應(yīng)力及應(yīng)變情況，從而有效地改進工藝方法，指導(dǎo)生產(chǎn)。

[1]錢仲侯.高速鐵路概論[M].北京：中國鐵道出版社，1999.