焊接顺序对高速列车侧墙焊接残余应力的影响

2015-04-20马思群刘业华韩清凯袁永文谷理想

大连交通大学学报 2015年3期

马思群,刘业华,韩清凯，袁永文,谷理想

(1.大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连 116028; 2.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024; 3.济南轨道交通装备有限公司，山东济南 250000; 4.中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111)

马思群1,刘业华1,韩清凯2，袁永文3,谷理想4

按实际加工工艺，基于有限元软件SYSWELD，采用有限元热弹塑性分析方法和Fortran语言对焊接热源进行二次开发，获得了所需要的热源，并通过实验验证了热源模型的准确性.在此基础之上，通过分析高速列车CRH380B侧墙焊接残余应力分布规律和焊接顺序对于侧墙焊接残余应力的影响，得到了侧墙焊接最优方案，为企业实际生产中的降低焊接残余应力方案选择提供了依据.

高速列车；侧墙；焊接残余应力；热源；焊接顺序

0 引言

国内的多种型号动车组，虽然外形各异，但车体的生产过程却基本相似,中间车车体主要由左侧墙、右侧墙、车顶、底架及端墙五大部件组焊而成.焊接技术是高速列车制造过程中的关键技术之一.由于铝合金的线膨胀系数大，熔点低，焊接难度非常大，如果没有良好的焊接工艺，车体会产生很大的焊接残余应力，而焊接残余应力对焊接结构的疲劳强度、断裂强度和结构稳定性具有较大影响[1-2].由于焊件内部温度场分布不均匀，可以分为：液相区、固相区、固液相区.不同相之间的物理性能不同.由于温度随时间变化快，影响了实验结果的准确性.数值仿真具有不受物理条件制约，成本较低等优点，在辅以必要的试验基础上，通过数值模拟可以获得焊接部件任一位置的焊接温度场以及残余应力的分布规律，且展示方式形象直观.关键部件焊接过程数值仿真技术的实现，对于优化工艺参数，提高产品质量和清除安全隐患起着重要作用.因此通过计算机数值模拟技术对动车组关键部件的焊接过程进行模拟分析，并通过必要的实验来验证模拟的准确性，即可以预测焊接残余应力的大小，帮助设计师完善焊接工艺，提高焊接质量，保障产品的安全运行，又能够节省大量的人力、物力和时间[3-4].

本文采用焊接专用软件SYSWELD，对高速列车CRH380B侧墙焊接残余应力场进行数值仿真，并分析焊接顺序对侧墙焊接残余应力影响.

1 热源模型

焊接热源可以根据不同的作用方式按照平面分布热源、体积热源、集中热源来模拟.由于高速列车采用铝合金材料，其熔点低，热传导系数大，利用软件自带的热源很难完美的模拟出焊缝的实际形状，同时也需要耗费大量的时间，因此采用Fortran语言对热源进行二次开发[5]，以降低计算时间.首先在相应的焊接工艺条件下(焊接电流I=210A,电压U=22V,焊接速度v=10mm/s,热输入效率η=0.7)，将总的有效输入功率按照比例分配，每一部分与总功率的比值，成为分配系数，用χi来表示，则各部分热源的能量为Qi=χiQ.此时各部分的功率之和为总功率，即：

一般情况采用两个热源组合进行开发，本文主要进行“双椭球+圆柱体”热源的研究.工件上半部分采用双椭球热源，下半部分采用圆柱体热源，取η=0.7.

上半部分的能量PV1=χ1Q，又因为电流主要分布在工件的上半部分，因此将χ1取大一些，取为0.74.设H1为双椭球热源在工件厚度方向的作用高度，有如下公式：

下半部分的能量PV2=χ2Q,假设H2为圆柱体热源的作用高度，d为板厚，则有以下公式:

经过输入适当的参数，计算该混合热源的温度场如图1所示，计算结果显示模拟的焊缝融合区，上表面宽度为8.4mm，下表面宽度为4.3mm，与实验结果基本相似，通过这种方法既节省了时间，又改善了模拟的精度.

图1 基于“双椭球热源+圆柱体热源”计算的温度场

正常焊接条件下，焊接热源都是以一定速度沿焊缝移动的.所以，相应的焊接温度场也是不断运动的.由电弧或其他的集中热源产生的运动温度场，在开始加热时，温度升高的范围会逐渐扩大，而达到一定的极限温度后就不再变化，只随热源移动.即热源周围的温度分布变为恒定，将这种状态称为准稳态[6].将达到准稳态热源与实验值进行对比，以验证热源模型建立的准确性.

2 热源准确性验证

2.1 准稳态时熔池形状与实验比对

为了验证数值计算结果的准确性，将熔池横截面上宏观形状的计算结果与实验结果对比，如图2(a)所示，将熔池宽度的计算结果与实测结果对比，如图2(b)所示，从图中可以看出模拟出的焊缝上下表面宽度以及熔合线在工件内部的走向都与实验值相符合.

(a)横截面

(b)熔池宽度

表1具体的给出了达到准稳态时，熔池的形状参数与实验结果的对比.熔池上表面宽度和长度与实验结果相比，相对误差分别为2.3%和4.3%，熔池下表面的宽度和长度与实验结果相比，相对误差为6.5%和8.5%.从具体数据角度证明了计算结果与实验结果的吻合，同时也表明了该有限元解能准确的模拟焊接温度场的分布.

表1 计算的熔池形状参数与实验参数的对比

2.2 实验验证

由上文可知，为了降低计算上的难度，对焊接温度场和应力场的计算模型进行简化，但其是在保证仿真模拟与实际焊接过程的主要特征(如焊接工艺参数、约束条件等)近似的前提之下.因此，为了验证仿真分析的准确性，必须辅以必要的实验验证.本文主要通过运用X射线法测量焊后残余应力来验证计算的结果，这种测试应力的方法效率高，测试结果可靠性高[7].由于X射线法测量残余应力受到焊缝深度的限制，因此选取焊缝表面点作为测试点，测试点如图3所示.

图3 焊接残余应力测试点选取

焊接应力包括沿着焊缝长度方向的纵向焊接残余应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接残余应力和沿厚度方向的焊接残余应力.测试时选择焊缝中心处各点纵向焊接残余应力进行测试，结果与模拟结果对比如图4所示，由图可知，仿真结果与实验测试结果有一定的差异，但相差不大，具体的仿真数据与实验测试数据如表2所示.由表2可知，仿真值与实验值最大误差为11.1%,最小误差为1.1%，误差在工程允许范围之内，证明了

图4 残余应力计算结果与实验结果对比

运用焊接专用软件SYSWELD进行焊接温度场和应力场仿真分析的可行性和可靠性，为后续的焊接温度场和应力场研究奠定了基础.

表2 仿真数据与实验测试数据对比

3 焊接残余应力仿真研究

焊接残余应力对构件的结构稳定性、结构疲劳强度以及抗应力腐蚀能力具有较大的影响.因此，针对焊接残余应力的研究，已经成为焊接工程研究领域的重点问题[8-9].鉴于此，针对高速列车CRH380B头车侧墙单道焊进行了焊接残余应力数值仿真.

利用上文温度场模拟时，建立的侧墙模型对高速列车CRH380B头车侧墙进行应力场数值分析.由于截取的侧墙模型由8条焊缝组焊而成，进行焊接残余应力场数值仿真分析时，必须先确定焊接顺序，才能开展后续工作.如图5所示，为截取的头车侧墙焊缝编号及有限元模型.焊接时先从焊缝编号为1的焊缝开始焊起，按照以下顺序：W1—W2—W3—W4—W5—W6—W7—W8，从低到高依次焊接，每焊完一道焊冷却到50～100℃时进行下一道焊缝的焊接.

(a)侧墙有限元模型 (b)侧墙焊缝编号

图5 头车侧墙焊缝编号及有限元模型

为了准确的反映出热输入对于焊接残余应力的影响，减小装卡条件带来的影响，计算仿真时采用最小的三点约束.数值仿真结果如图6所示:

(a)编号1-4

(b)编号为5-8

由于横向残余力产生的直接原因是由于焊缝冷却时的横向收缩，间接原因是焊缝的纵向收缩，侧墙进行焊接时采取最小三点约束，呈自由状态，边缘处无约束，所以主要起因是纵向收缩造成的，所以值较小，本文将重点考察纵向焊接残余应力.从图6两幅图可以看出，侧墙8条焊缝附近区域纵向残余应力值较大，焊缝起弧和收弧部位纵向残余应力表现为拉应力，且拉应力较小；焊缝中间区域纵向残余应力分布均匀，表现为拉应力，且拉应力较大，数值变化很小.

由计算结果可见，侧墙最大焊接残余应力值较大，过大的焊接残余应力将影响构件的使用性能.那么，在主要焊接工艺参数既定的情况下，根据企业以往加工经验及查阅相关文献可知，合理的安排焊接顺序将会减小焊接残余应力，因此对侧墙8条焊缝设置另外两种方案进行数值仿真，以研究焊接顺序对焊接残余应力的影响.

侧墙各条焊缝不同的焊接顺序会使残余应力造成一定的差异，本文分别对侧墙的三种焊接顺序进行焊接残余应力数值仿真.先依次焊接外侧焊缝，再焊内侧焊缝，为方案1；先依次焊接内侧焊缝，再焊外侧焊缝，为方案2；外侧和内侧焊缝同时焊接，为方案3(原方案)，即：

方案1：W2—W4—W6—W8—W1—W3—W5—W7

方案2：

W1—W3—W5—W7—W2—W4—W6—W8

方案3：

(W1、W2)—(W3、W4)—(W5、W6)—(W7、W8)(原方案)

对三种焊接顺序下所产生的残余应力进行仿真计算，将每种焊接顺序，每条焊缝上最大的纵向应力统计如表3所示.

表3 不同焊接顺序时各条焊缝处的最大纵向应力 MPa

从表3可以看出方案3每条焊缝上最大的纵向残余应力均小于其余两方案每条焊缝上最大的纵向残余应力.方案1各条焊缝中纵向残余应力最大值134.4 MPa；方案2各条焊缝中纵向残余应力的最大130.2 MPa，方案3各条焊缝中纵向残余应力的最大值为126.4 MPa，三种方案中，序号为8的焊缝的最大残余应力均比其它7条焊缝的最大残余应力大.由上图表可以看出侧墙8条焊缝在焊接时，采用外侧和内侧焊缝同时焊接，可以使侧墙产生最小的焊接残余应力.

4 结论

(1)基于简体Fortran语言，对SYSWELD热源模式进行二次开发，获得所需要的热源，提高了仿真的精度和效率；

(2)实现了高速列车CRH380B侧墙焊接残余应力的数值仿真.鉴于焊后产生较大的残余应力，提出采用改变焊接顺序工艺方案，通过计算结果比较，合理的焊接顺序可以有效降低焊接残余应力，为企业实际生产中降低焊接残余应力的方案选择提供了依据.

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Research of Welding Sequence Effects on Welding Residual Stress of High-Speed Train Sidewall

MA Siqun1,LIU Yehua1,HAN Qingkai2,YUAN Yongwen3,GU Lixiang4

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong Universty,Dalian 116028,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 3.Jinan Railway Vehicles Equipment Co.,Ltd,Jinan 250000,China; 4.CSR Sifang Locomotive and Rolling Stock Company Ltd,Qingdao 266111,China)

According to the actual process and based on finite element software SYSWELD,finite element thermal elastic-plastic analysis method and Fortran language are used for the secondary development of welding heat source to obtain the required heat source,and verify the accuracy of heat source model by experiment.On this basis,the welding residual stress distribution of CRH380B high-speed trains sidewall and welding sequence effects on welding residual stress of high-speed train sidewall are analyzed.The obtained sidewall weld optimal solution provides the basis for enterprise scheme selection to reduce welding residual stress in actual production.

high-speed trains;sidewall;residual stress;heat source;welding sequence

1673-9590(2015)03-0068-05

2014-05-21

中国铁道总公司科技研究开发计划课题(2013J012-B)；国家自然科学基金资助项目(51220001)；大连市科技计划资助项目(2011D11ZC093)

马思群(1969-)，男，副教授，博士，主要从事大型焊接构件焊接残余应力预测、多学科优化设计、虚拟现实技术的研究E-mail:masiqun@djtu.edu.cn.