張春玉，張洪國，張益銘

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062 )

激光焊作為一種新的焊接方式，在某出口地鐵車體側(cè)墻組成上進(jìn)行了應(yīng)用.按照合同技術(shù)條件要求，在設(shè)計(jì)階段需要對(duì)激光焊接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析和驗(yàn)證，以保證整車具有足夠的強(qiáng)度和剛度.

激光焊技術(shù)主要應(yīng)用于不銹鋼和碳鋼車體，具有很多突出優(yōu)點(diǎn).激光焊接頭組織較電弧焊熱影響區(qū)小、因此焊接過程中不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，能夠保證焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性[1-2].激光焊接頭晶粒細(xì)小均勻，且強(qiáng)度與母材強(qiáng)度相當(dāng)[3].此外，相比于傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊技術(shù)，激光焊車體側(cè)墻外表光滑,更加美觀.通過應(yīng)用激光焊技術(shù)，一方面可以提高產(chǎn)品的焊接效率，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化產(chǎn)品的質(zhì)量.另一方面，與傳統(tǒng)的不銹鋼車體比較，激光焊接的不銹鋼車體在重量方面有所減輕，從而可以達(dá)到車體輕量化的目標(biāo)[4].激光焊接技術(shù)在日本和美國的高速列車和輕軌中有一些應(yīng)用[5-6]，德國和加拿大也在研究這種技術(shù)在車體中的應(yīng)用.目前，國內(nèi)也在積極開展對(duì)激光焊的研究，但大多集中在焊接工藝方法和結(jié)構(gòu)[7-11].雖然有一部分仿真分析[12-13]，但是沒有建立整車級(jí)別的激光焊分析，更沒有建立完整可靠高效的整車激光焊強(qiáng)度評(píng)估體系.

由于沒有現(xiàn)成的針對(duì)激光焊強(qiáng)度和疲勞的分析方法，有限元仿真分析過程中需要結(jié)合理論知識(shí)和分析經(jīng)驗(yàn)，并借鑒點(diǎn)焊分析方法制定合理的建模、強(qiáng)度分析和評(píng)估方法.

本文基于該出口地鐵車體強(qiáng)度分析，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)激光焊仿真分析模擬方法及強(qiáng)度評(píng)估進(jìn)行了研究.

1 激光焊試驗(yàn)

為了給仿真分析提供可靠的支撐和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)不同的板厚組合進(jìn)行了大量的強(qiáng)度和疲勞測試.試驗(yàn)所用拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為WE-30型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，載荷示值誤差≤±1%，引伸計(jì)傳感器位移測量精度≤±0.001 mm.

試驗(yàn)基于SUS301L材料，與仿真分析以及實(shí)際產(chǎn)品所用材料一致.為了防止等厚板焊接試樣在激光焊縫偏置試驗(yàn)過程中產(chǎn)生偏心，在上、下板均焊上墊板，以保證焊接接頭受力均勻.標(biāo)準(zhǔn)接頭試樣形狀及尺寸如圖1所示.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)接頭試樣形狀及尺寸

激光焊縫長度可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，且不同長度的焊接接頭強(qiáng)度也不一致，故在焊接試驗(yàn)及后續(xù)的力學(xué)性能檢測時(shí)應(yīng)明確焊縫長度，為了簡化試驗(yàn)參數(shù)，采用的焊接參數(shù)如下：焊接功率為950 W；離焦量為0 mm；焊接速度為30 mm/s；焊縫長度分別為20、30、40、50 mm.進(jìn)行了不同長度焊縫的焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用了0.6+2的板厚組合，即上板厚度t1為0.6 mm，下板厚度t2為2 mm.

圖2 不同焊縫長度的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊接完成的接頭強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示，對(duì)比不同長度焊縫的接頭力學(xué)性能可知，接頭力學(xué)性能隨焊縫長度的增加而增加，且具有比較好線性關(guān)系.

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合可得

F=0.2677L+0.78

(1)

式中，F(xiàn)為焊接接頭的斷裂拉力(kN)，L為焊縫長度(mm).

上述擬合結(jié)果的R2為0.94，顯示出原始數(shù)據(jù)具有比較好的擬合特性.通過上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了焊接接頭的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)與焊縫長度成正比，故可以采用某一固定的長度進(jìn)行后續(xù)焊接試驗(yàn)研究，以簡化試驗(yàn)變量，減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量.因此，在接下來的試驗(yàn)中，選定30 mm長的焊縫進(jìn)行研究，其他長度焊縫的斷裂拉力可通過擬合公式進(jìn)行計(jì)算獲得.

圖3 激光焊對(duì)中與偏心對(duì)比試驗(yàn)樣件

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光焊接頭中心如果偏離加載力中心，測得的強(qiáng)度比對(duì)中時(shí)降低.為了檢驗(yàn)仿真分析能否模擬出偏心造成的影響，進(jìn)行了焊縫對(duì)中和偏心的對(duì)比試驗(yàn).試驗(yàn)樣件的具體幾何參數(shù)見圖3.

2 激光焊有限元建模

借鑒點(diǎn)焊不銹鋼車體仿真分析方法，建立了激光焊有限元模型.首先，分別采用節(jié)點(diǎn)連續(xù)的梁單元(Beam)和殼單元(Shell)進(jìn)行了對(duì)比建模，以確定最合理的激光焊單元形式.兩種網(wǎng)格有限元模型如圖4.在確定梁單元的直徑和殼單元的厚度時(shí)，依據(jù)的原則為：選定的激光焊焊縫中梁單元面積或殼單元面積與試驗(yàn)測得的激光焊焊縫最小截面積相等.激光焊縫的長度為30 mm，最小寬度為0.4 mm.這樣能保證仿真分析的結(jié)果比真實(shí)情況偏保守.

圖4 基于梁單元和殼單元建立的激光焊仿真模型

仿真分析采用0.6 mm+2 mm的板厚組合進(jìn)行模擬，拉伸位移為0.606 mm.根據(jù)第二章所介紹的試驗(yàn)方法，選取位移值為0.606 mm的數(shù)據(jù)三組，對(duì)應(yīng)三組不同加載力值，取該三組數(shù)據(jù)平均值(7.725 kN)驗(yàn)證有限元模型.仿真分析與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果將在第四節(jié)中介紹.

激光焊對(duì)中與偏心對(duì)比的有限元模型依據(jù)圖5所示參數(shù)建立.使用了6個(gè)梁單元模擬長度為50 mm的焊縫.圖5為激光焊中心偏離加載力中心的模型.

圖5 偏心激光焊有限元模型

3 仿真分析與試驗(yàn)對(duì)比

激光焊樣件分析試驗(yàn)均采用剪切力作為對(duì)比，圖6為0.6 mm+2 mm板厚組合連續(xù)梁單元與殼單元有限元分析結(jié)果對(duì)比.由結(jié)果可知，兩種方案變形趨勢基本一致.表1顯示的是各個(gè)單元的剪切力以及總剪切力.梁單元與殼單元模擬出的總剪切力(7 725 kN)非常接近，與試驗(yàn)值的誤差均小于15%.考慮到整車大量激光焊焊縫，以及殼單元對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，長寬比及翹曲度等參數(shù)都對(duì)分析結(jié)果有較大影響，確認(rèn)采用連續(xù)梁單元模擬激光焊焊縫，根據(jù)網(wǎng)格密度不同，用3～6個(gè)梁單元模擬50 mm長度的激光焊焊縫.

圖6 激光焊梁單元和殼單元模擬結(jié)果云圖

表1 激光焊梁單元和殼單元模擬結(jié)果數(shù)值 kN

基于25個(gè)偏心焊接樣件和36個(gè)對(duì)中焊接樣件的試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)中焊接強(qiáng)度明顯高于偏心焊接強(qiáng)度，見圖7.對(duì)中焊接的平均強(qiáng)度為32.3 kN，而偏心焊接的平均強(qiáng)度僅為22.5 kN.相比于對(duì)中焊接，偏心焊接偏移量為15 mm，而強(qiáng)度下降約30%.偏心焊接總強(qiáng)度降低主要是由于力的不均勻分布造成.焊縫單位長度所能承受的拉力是一定的，由于偏心，遠(yuǎn)離加載力中心的區(qū)域受力下降，導(dǎo)致整體承力能力下降.有限元仿真分析結(jié)果很好地復(fù)現(xiàn)了該差異，見圖8.仿真分析結(jié)果顯示，對(duì)中焊接的平均強(qiáng)度為32.7 kN，而偏心焊接的平均強(qiáng)度僅為22.5 kN.仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果的差異在1.5%以內(nèi)，充分驗(yàn)證了有限元模型可以準(zhǔn)確模擬載荷力與焊縫不對(duì)中所帶來的影響，從而為整車復(fù)雜受力下的激光焊強(qiáng)度評(píng)估提供有力的支撐.

圖7 激光焊對(duì)中與偏心對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖8 激光焊對(duì)中與偏心對(duì)比試驗(yàn)樣件

4 整車激光焊評(píng)估方法

軌道交通車輛整車有限元仿真分析模型包含多種焊接方法.參照點(diǎn)焊不銹鋼車體仿真分析方法，對(duì)不銹鋼板、點(diǎn)焊、縫焊、塞焊采用殼單元和梁單元組合方式進(jìn)行等效模擬.針對(duì)激光焊局部焊接接頭形式，依據(jù)焊接接頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立試驗(yàn)樣件仿真分析模型進(jìn)行等效模擬，確定合理激光焊焊接接頭等效模擬方法.

整車激光焊強(qiáng)度評(píng)估首先根據(jù)設(shè)定的強(qiáng)度工況，對(duì)激光焊縫進(jìn)行初始評(píng)估，計(jì)算每個(gè)工況下的激光焊梁單元的合成剪切力值，根據(jù)許用力值F1對(duì)每個(gè)梁單元進(jìn)行評(píng)估，過濾滿足要求的激光焊縫，對(duì)不滿足要求的激光焊縫進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估.

其中,F1為梁單元許用力值，F(xiàn)Length為激光焊單位長度許用力值，LALL為激光焊長度，λ為網(wǎng)格不平均系數(shù)，n為梁單元最大個(gè)數(shù)；

將初始評(píng)估不滿足要求的激光焊梁單元進(jìn)行整理，在FEA模型中找到相關(guān)位置，測量每個(gè)梁單元在激光焊長度方向的占比，得到梁單元有效長度，根據(jù)許用力值F2對(duì)梁單元二次評(píng)估.

F2=FLength×L

其中,F2為梁單元許用力值，L為梁單元有效長度；當(dāng)詳細(xì)評(píng)估激光焊也不滿足要求是需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.

整車激光焊疲勞評(píng)估與強(qiáng)度評(píng)估類似，具體方法如下：第一步，應(yīng)用各方向疲勞組合工況來進(jìn)行模擬分析，得到合成工況下梁單元模擬的激光焊焊縫的剪切力列表；第二步，找到剪切力最大值所在焊縫(3～6個(gè)梁單元組成的該道激光焊焊縫)，依次找出該焊縫所有梁單元剪切力力值，根據(jù)存活率99%的疲勞許用力值對(duì)每個(gè)梁單元進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)一組激光焊長度梁單元個(gè)數(shù)不同時(shí)，以最多梁單元個(gè)數(shù)進(jìn)行求解許用疲勞評(píng)估值；第三步，根據(jù)激光焊梁單元的占比長度對(duì)激光焊進(jìn)行二次評(píng)估，不同板厚組合用不同數(shù)據(jù)評(píng)估.當(dāng)二次評(píng)估激光焊也不滿足疲勞要求時(shí)，查看每個(gè)工況下梁單元的軸向力，當(dāng)軸向力受壓時(shí)對(duì)激光焊局部局域進(jìn)行接觸分析，考慮結(jié)構(gòu)接觸剛度及摩擦，當(dāng)軸向力受拉時(shí)需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.

車體試驗(yàn)數(shù)采系統(tǒng)共接入75個(gè)應(yīng)變花和165個(gè)單向片，其余通道接入位移計(jì)及荷重傳感器等.將有限元結(jié)果與試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)對(duì)比，根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)應(yīng)力利用率小于15%不考慮，利用率介于15%到25%之間且誤差小于15%的測點(diǎn)不考慮，形成分析試驗(yàn)對(duì)比圖，參見圖9，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多數(shù)點(diǎn)的仿真分析結(jié)果與測試結(jié)果具有較好的一致性，誤差在技術(shù)要求范圍內(nèi)，證明了計(jì)算結(jié)果的可靠性.

圖9 試驗(yàn)應(yīng)力對(duì)比圖

5 結(jié)論

針對(duì)軌道車輛激光焊分析方法，在進(jìn)行有限元建模時(shí)采用梁單元或殼單元均能很好地模擬激光焊縫的受力情況，但是使用梁單元進(jìn)行模擬可以提高建模和計(jì)算的效率.激光焊縫的長度與強(qiáng)度呈線性關(guān)系.對(duì)于特定的板厚組合，在獲得某個(gè)長度激光焊強(qiáng)度之后，其他長度焊縫的斷裂拉力可通過擬合公式進(jìn)行計(jì)算獲得.盡管個(gè)別梁單元的模擬與激光焊縫的實(shí)際受力情況可能存在誤差，但是對(duì)整個(gè)激光焊縫涉及的所有梁單元進(jìn)行求和算得的總強(qiáng)度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度高，適合整車按照整個(gè)激光焊縫強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估的工況.