弓瑞明，陳剛輝，朱忠尹

(1.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 江門 529100；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

焊接是動車組車體制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)，可以實現(xiàn)高集成性、高氣密性的焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于動車組車體制造之中。動車組車體鋁合金材料具有線膨脹系數(shù)高、熱導(dǎo)率大等特點，同時鋁合金焊接接頭熱影響區(qū)寬，無論是熔化焊還是固相焊，焊接殘余應(yīng)力與變形都是動車組車體制造面臨的突出問題。焊接殘余應(yīng)力與變形不僅影響車體外觀尺寸精度，還會影響車體結(jié)構(gòu)強度和安全運行可靠性[1-2]。焊接殘余應(yīng)力的大小及分布很難通過一般簡單的數(shù)學(xué)模型及經(jīng)驗公式進(jìn)行分析，即便是采用試驗的手段也只能是采用點對點的方式進(jìn)行應(yīng)力測量，然而，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及焊接模擬有限元理論的不斷完善和成熟，采用有限單元法對大型中空鋁合金型材焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力與變形進(jìn)行分析預(yù)測已經(jīng)發(fā)展成為較為可靠的手段之一[3]。動車組中側(cè)墻與車頂焊接構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車頂凹陷變形是車體在生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)的典型問題，因此，本文通過研究成品車和凹陷車側(cè)墻與車頂?shù)湫秃附訕?gòu)件殘余應(yīng)力的大小和分布，并結(jié)合有限元模擬計算來評價車體結(jié)構(gòu)的各種機(jī)械性能、力學(xué)性能等[4]，從而正確指導(dǎo)焊接生產(chǎn)，提高車體結(jié)構(gòu)的尺寸精度、抗應(yīng)力腐蝕能力、疲勞強度和疲勞可靠性，保證列車運行安全。

1 焊接數(shù)值模擬與分析

1.1 程序設(shè)計

SYSWELD軟件作為SYSWORLD系列軟件中的一支，其基本實現(xiàn)了機(jī)械、熱學(xué)和金屬冶金學(xué)的相互耦合計算。SYSWELD軟件在進(jìn)行焊接溫度場模擬時，主要分為6個獨立的步驟[5]，如圖1所示。

數(shù)值模擬的幾何模型和網(wǎng)格劃分都不是在SYSWELD軟件中進(jìn)行的，為獲得較為復(fù)雜的幾何模型以及較好的網(wǎng)格處理，本文采用三維建模軟件Pro/E對動車組成品車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件進(jìn)行建模。采用Visual-Mesh對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行定義。Pro/E建模生成*.iges格式導(dǎo)入Visual-Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]，并在Visual-Mesh中定義焊接線、參考線、開始單元、開始節(jié)點、結(jié)束節(jié)點等5個重要定義，完成所有定義后導(dǎo)出模型，生成*_MESH_DATA1000.ASC格式的文件以便SYSWELD能讀取。

1.2 典型焊接構(gòu)件有限元模型

根據(jù)圖紙建立幾何模型，按照實際尺寸進(jìn)行建立。由于實際車體上側(cè)墻與車頂連接焊縫較長，在計算時一般從車體中截取適當(dāng)?shù)拈L度進(jìn)行模擬[7]。在網(wǎng)格劃分時，考慮到網(wǎng)格劃分軟件Visual-Mesh對劃分單元的限制，為了更好地控制網(wǎng)格精度和計算規(guī)模，對實際模型進(jìn)行了部分簡化，但又要保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性及收斂性，焊縫單元長度在構(gòu)件長度方向上的尺寸一般控制在0.5～1 mm。由于鋁合金型材屬于薄壁結(jié)構(gòu)，側(cè)墻與車頂連接焊接局部構(gòu)件上的鋁合金型材壁厚一般為2～3 mm，因而在焊縫厚度方向上一般將網(wǎng)格控制在1 mm以內(nèi)。成品車、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件網(wǎng)格劃分分別如圖2、圖3所示。實際焊接時是外側(cè)先焊、內(nèi)側(cè)后焊，在模擬時也采用這樣的焊接順序和焊接工藝。成品車焊縫處的單元大小一般控制在0.5 mm左右，隨著離焊縫處的距離增大，單元尺寸逐步增大。圖2中所示的成品車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件模型中共有142 800個solid單元。圖3中所示的凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件模型中共有221 300個solid單元。

圖3 凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件網(wǎng)格劃分

成品車與凹陷車的側(cè)墻與車頂連接內(nèi)部焊縫處由于焊道數(shù)量不同，成品車為一道焊接完成，凹陷車內(nèi)側(cè)因尺寸偏差過大，需焊兩道才能焊滿，為了保證模擬計算的準(zhǔn)確性，采用了不同網(wǎng)格數(shù)量來進(jìn)行模擬計算。

1.3 焊接工藝參數(shù)及熱源模型

動車組車頂與側(cè)墻連接焊縫焊接工藝采用自動MIG焊，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 車頂與側(cè)墻連接焊縫焊接工藝參數(shù)

對其熱源模型進(jìn)行分析后，擬采用雙橢球模型對其熱源擬合[8]。雙橢球體熱源模型的熱流公式分為兩部分，分別表示雙橢球熱源的前半橢球能量和后半橢球能量，總的能量為前后兩部分能量之和[9]。雙橢球模型如圖4所示。車頂與側(cè)墻連接焊縫模型及宏觀斷面對比如圖5所示。

Qf.前端熱輸入；Qr.后端熱輸入；af、ar.高斯參數(shù)；b.熔寬的一半；c.熔深。

圖5 車頂與側(cè)墻連接焊縫模型及宏觀斷面

1.4 初始條件和邊界確定

在焊接數(shù)值模擬中，母材默認(rèn)為沒有初始應(yīng)力和變形，所需要定義的初始條件主要是初始溫度，若焊前需預(yù)熱，則初始溫度設(shè)定為預(yù)熱溫度；若無需預(yù)熱則設(shè)定為焊接環(huán)境溫度。本研究中的焊接構(gòu)件無需預(yù)熱，取環(huán)境溫度為20 ℃[10]。

設(shè)定位移邊界條件的目的是防止有限元模型在計算過程中有剛性移動，若計算模型出現(xiàn)剛體位移情況，則會導(dǎo)致計算剛度矩陣無法收斂。本研究中主要針對各焊接構(gòu)件實際工裝進(jìn)行約束定義，主要設(shè)置X、Y、Z3個方向[11]。

焊接結(jié)構(gòu)在焊接電弧的作用下，在熔池中的金屬溫度會比周圍金屬以及周圍工作環(huán)境高很多，主要有3種散熱方式進(jìn)行熱交換，即對流、傳導(dǎo)以及熱輻射。散熱邊界條件即為焊接結(jié)構(gòu)的熱量向周圍散熱的體現(xiàn)。設(shè)置初始溫度為20 ℃，與周圍金屬間散熱系數(shù)為75 W/(m2·℃)。

2 結(jié)果分析

2.1 成品車數(shù)值模擬計算結(jié)果與實測值對比

車頂與側(cè)墻連接構(gòu)件所采用的XRD測試數(shù)據(jù)均是外側(cè)焊縫的殘余應(yīng)力值，數(shù)值模擬時仍采用外側(cè)焊縫殘余應(yīng)力值，數(shù)值對比見表2、圖6。

表2 側(cè)墻與車頂連接局部構(gòu)件縱向焊接殘余應(yīng)力測試值與計算值

圖6 側(cè)墻與車頂連接局部構(gòu)件焊接縱向殘余應(yīng)力

從表2、圖6中可以看出，無論是成品車還是凹陷車，兩者的側(cè)墻與車頂連接焊縫在焊縫上均呈現(xiàn)拉應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)基本呈現(xiàn)壓應(yīng)力，應(yīng)力分布趨勢一致，但XRD測試值普遍要小于計算值；側(cè)墻與車頂連接局部構(gòu)件XRD測試峰值為122.81 MPa，達(dá)到其屈服強度的0.6。大量的試驗結(jié)果已經(jīng)表明，對于6系鋁合金材料，其焊接殘余應(yīng)力一般都比較低，不會超過其屈服強度，峰值應(yīng)力可能會達(dá)到母材屈服強度的0.6～0.8。從目前測試的結(jié)果來看，測試結(jié)果與經(jīng)驗值基本吻合。 通過數(shù)值模擬計算值與XRD測試值相互驗證了測試規(guī)律的一致性和測試結(jié)果的可靠性。

2.2 成品車和凹陷車殘余應(yīng)力數(shù)值模擬計算結(jié)果對比分析

成品車和凹陷車縱向殘余應(yīng)力云圖分布分別見圖7、圖8；成品車、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫(外側(cè))縱向殘余應(yīng)力計算結(jié)果對比見表3、圖9；成品車、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫(內(nèi)側(cè))縱向殘余應(yīng)力計算結(jié)果對比見表4、圖10。

表4 成品車、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫(內(nèi)側(cè))縱向殘余應(yīng)力計算結(jié)果

圖7 成品車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件焊接縱向殘余應(yīng)力云圖

圖8 凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫局部構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力云圖

從表3、圖9中可以看出，成品車焊縫中心處殘余應(yīng)力大于凹陷車，這主要是因為當(dāng)外側(cè)焊縫先焊后，凹陷車在側(cè)墻與車頂連接內(nèi)側(cè)焊縫比成品車要多焊一道，因而此處的焊縫收縮量要比成品車的收縮量大，使得在外側(cè)焊縫垂直方向上呈現(xiàn)拉伸載荷，外側(cè)焊縫兩端受壓應(yīng)力作用，降低了焊縫中心殘余拉應(yīng)力，同時使母材處的壓應(yīng)力增加。

表3 成品車、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫(外側(cè))縱向殘余應(yīng)力計算結(jié)果

圖9 成品車、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫(外側(cè))縱向殘余應(yīng)力計算結(jié)果對比

從表4、圖10中可以看出，凹陷車側(cè)墻與車頂連接內(nèi)側(cè)焊縫處殘余應(yīng)力大于成品車，這主要是由于該位置焊了兩道，兩次熱循環(huán)累積形成的塑性變形量要比一次熱循環(huán)產(chǎn)生的塑性變形量大，因而凹陷車側(cè)墻與車頂連接內(nèi)側(cè)焊縫處產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力比成品車的大。

圖10 成品車、凹陷車側(cè)墻與車頂連接焊縫(內(nèi)側(cè))縱向殘余應(yīng)力計算結(jié)果對比

3 測試及數(shù)值模擬誤差分析

從圖6中還可以看出，雖然XRD測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果規(guī)律基本一致，但兩者數(shù)值上有一定的差異，數(shù)值模擬計算值均大于XRD測試值，這主要是以下幾方面因素造成的：

(1) X射線穿透深度約為30 μm，XRD測試的是該淺表層的平均應(yīng)力；而數(shù)值模擬計算值則是構(gòu)件整個厚度上的平均應(yīng)力。

(2) XRD測試值是鋁合金焊接殘余應(yīng)力真實狀態(tài)的一種反應(yīng)；而數(shù)值模擬計算值則是在很多假設(shè)的前提下，是一種理想狀態(tài)下的模擬值，且數(shù)值模擬會受到構(gòu)件幾何模型、單元尺寸以及邊界條件等多種因素的影響。

(3) XRD測試時需要對已經(jīng)打磨余高的焊縫進(jìn)行電解拋光處理，電解拋光在去除附加應(yīng)力層的同時也使表層真實應(yīng)力得到一定程度上的釋放，這也可能導(dǎo)致測試所獲得的殘余應(yīng)力值有所降低。

(4) 鋁合金型材擠壓成型后，其本身已經(jīng)存在擠壓應(yīng)力。XRD測試的構(gòu)架殘余應(yīng)力實際上是型材本身內(nèi)應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力的綜合作用應(yīng)力；而數(shù)值模擬計算時則不會考慮型材本身的加工殘余應(yīng)力，這也可能會使XRD測試值與數(shù)值模擬計算值之間存在一定的差異。

4 結(jié)論

側(cè)墻與車頂連接構(gòu)件外側(cè)焊縫焊接殘余應(yīng)力計算值和XRD測試值分布趨勢一致；焊縫殘余應(yīng)力峰值基本都低于其屈服強度，一般其峰值應(yīng)力均在(0.6～0.8)σs，有限元計算值和經(jīng)驗值比較吻合；從殘余應(yīng)力測試結(jié)果來看，凹陷車側(cè)墻與車頂連接內(nèi)部焊縫中心殘余應(yīng)力要比成品車大，在實際動車組生產(chǎn)過程中，需要加強尺寸精度控制，做到避免多層焊或者盡量控制焊接次數(shù)。