焊接順序和反變形量對電機吊架補強焊接殘余應(yīng)力與變形的影響

傅利斌，孫進發(fā)，胡文浩，楊鑫華

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035； 3.大連市軌道交通裝備焊接結(jié)構(gòu)與智能制造技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116028)

0 引言

電機吊架作為高速動車組特有的懸掛驅(qū)動裝置，是使兩臺牽引電機連接起來共同組成高速動車組重要的牽引部件.隨著運行速度的不斷提升，為避免電機吊架在使用過程中過早的產(chǎn)生裂紋從而影響列車的使用壽命及運行安全，根據(jù)設(shè)計要求，要在原結(jié)構(gòu)的蓋板與立板處進行補強焊接來提高電機吊架的使用壽命，且焊后變形需控制在0.3 mm內(nèi)，保證無需二次機加工.同時在保證變形的前提下，要合理控制殘余應(yīng)力范圍.而焊接過程的特殊性，使其在補焊過程中難以避免地會出現(xiàn)殘余應(yīng)力和變形，如何有效控制焊接補強過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和變形是建立合理焊接工藝方案保證補強焊接質(zhì)量的重要內(nèi)容[1].

本文從有效控制焊后變形的角度出發(fā)，提出了基于不同焊接順序以及反變形量的變形控制方案，并基于熱彈塑性有限元方法，對不同補強方案下焊接變形和殘余應(yīng)力情況進行仿真，通過對比，得到了合理的工藝方案[2].

1 有限元模型的建立

1.1 有限元網(wǎng)格模型建立

電機吊架幾何模型如圖 1所示，其中，需在立板2和上蓋板處通過筋板進行補強焊接，補強采用多層、多道焊接方式進行，筋板兩側(cè)分別焊3道，筋板端部與上蓋板處焊5道，立板2與筋板連接處焊4道.根據(jù)已有的實體模型進行網(wǎng)格劃分，焊縫區(qū)域網(wǎng)格密度大，隨著距焊縫距離的增大，網(wǎng)格密度逐漸減小.因為在焊接過程中，焊縫附近的溫度梯度較大，密度較大的網(wǎng)格能夠更好的控制模擬溫度場的形態(tài)，但考慮到計算機的計算能力與效率，距離焊縫區(qū)較遠的區(qū)域采用較大尺寸的網(wǎng)格[3].所建的有限元網(wǎng)格模型如圖 2所示.

圖1 電機吊架結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 電機吊架網(wǎng)格模型

為保證計算精度，本模型全部采用八節(jié)點六面體單元，在該網(wǎng)格模型中，共建實體單元58 786個、80 000個節(jié)點以及40 560個表面散熱單元，以及相應(yīng)的焊接線、參考線等相關(guān)單元群.

1.2 電機吊機補強約束條件

約束條件的設(shè)置目的是為了保持結(jié)構(gòu)的靜定，但不同工裝裝卡位置與方式會導(dǎo)致工件產(chǎn)生不同的變形和殘余應(yīng)力.按照六點定位的基本原理以及工藝流程和焊接工藝要求，在補強焊接時電機吊架的約束位置如圖3所示.

圖3 電機吊架工裝約束

約束條件建模，應(yīng)盡可能與實際工裝約束相一致.根據(jù)前期變形仿真結(jié)果，在機座襯套處會有Z向上超差構(gòu)件變形，在這兩個方向上需施加兩個反變形約束.吊架仿真約束加載定義如圖4所示.

圖4 電機吊架模型約束加載簡圖

1.3 補強焊接順序等方案設(shè)計

本文重點在于通過不同焊接順序和反變形量對比分析，實現(xiàn)吊架補焊的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力的控制.因此分別設(shè)定兩種焊接順序、三種反變形量，按照排列組合的方式，設(shè)定六種研究方案，分別進行仿真模擬，研究電機吊架焊接變形和殘余應(yīng)力的分布規(guī)律以獲得最佳焊接方案[4].

兩種焊接順序分別如圖5所示.

(a) 補強焊接順序一

(b) 補強焊接順序二(多次翻轉(zhuǎn))

通過對機座襯套加載約束，以對電機吊架施加反變形量，分別為自由、0 mm反變形約束和0.5 mm反變形約束.根據(jù)以上兩種焊接順序、三種反變形設(shè)定六種仿真模擬方案，如表1所示.

表1 焊接方案

2 焊接仿真結(jié)果分析

本文基于Sysweld焊接專用仿真平臺，對表1中所述的六種焊接方案進行了仿真，并得到相應(yīng)等效殘余應(yīng)力結(jié)果和變形結(jié)果[5].

2.1 補強焊接變形結(jié)果

通過對電機吊架補強焊接的仿真，以方案六為例得到其整體變形結(jié)果如圖6所示.

圖6 整體變形云圖

吊架補強焊接中，要求控制上蓋板以上部分的X方向變形和Z方向變形,因此只考察吊架補強六種方案X方向變形和Z方向變形.X方向最大變形對比如圖7所示.其中X正方向為發(fā)生在B端機座襯套變形結(jié)果，X負方向為A端機座襯套變形結(jié)果.

圖7 六種方案X方向最大變形對比

六種方案X方向的最大變形均在電機吊架的機座襯套處，方案一～方案三變形在0.2 mm左右，三種方案變形相當(dāng)，均小于0.3 mm，說明反變形對吊架X方向的變形影響較小.方案四～方案六的X方向變形在0.3 mm左右，方案五變形較大，為0.7 mm.其中方案一～方案三采用焊接順序1，方案四～方案六采用焊接順序2，可以看出，焊接順序1在X方向的變形小于焊接順序2.

吊架補強的六種方案中，Z方向最大變形對比如圖8所示. 其中Z正方向為發(fā)生在A端機座襯套變形結(jié)果，Z負方向為B端機座襯套變形結(jié)果.

Z方向的變形隨著不同的反變形量而變化.機座襯套處無約束時，Z向變形在0.5 mm左右；反變形為0 mm，即機座襯套處加約束時，Z向變形在0.2 mm左右；機座襯套處加反變形為0.5 mm時，Z向變形在0.01 mm左右.可以看出反變形量對電機吊架Z向變形有著明顯的影響，隨著反變形的增加，Z向變形逐漸減小，反變形量為0.5 mm時，Z向變形幾乎為0，故可以采取0.5 mm的反變形量來抵消Z向的變形.方案一～方案三和方案四～方案六在相同的反變形量下Z向變形基本相同，說明焊接順序?qū)向變形影響較小.

圖8 六種方案Z方向最大變形對比

2.2 補強焊接殘余應(yīng)力結(jié)果

通過對電機吊架補強焊接的仿真，以方案一為例得到其整體應(yīng)力結(jié)果如圖9所示.

圖9 等效殘余應(yīng)力云圖

補強焊縫共有4條，提取每條焊縫的上焊趾處的殘余應(yīng)力值，通過對六種方案焊縫的殘余應(yīng)力分布特點進行比較，分析焊接順序和反變形量對焊縫殘余應(yīng)力的影響.四條焊縫位置如圖4所示.

首先對坐標(biāo)規(guī)定如下：縱坐標(biāo)為殘余應(yīng)力Mises值，單位為MPa.所考察應(yīng)力的焊縫不僅包括直線焊縫，還存在與三維坐標(biāo)軸成不同角度的曲線焊縫.利用數(shù)學(xué)上無限分割，化曲為直的思想，即提取每個單元的邊長并求和作為橫坐標(biāo)[6]，單位為(mm).四條焊縫六種方案上焊趾殘余應(yīng)力分布曲線圖如圖10所示.

綜合以上圖示可以看出，在四條焊縫上焊趾應(yīng)力變化中，方案一～方案三殘余應(yīng)力曲線基本一致，方案四～方案六殘余應(yīng)力曲線基本一致且方案一～方案三整體應(yīng)力大于方案四～方案六整體應(yīng)力，說明反變形量對殘余應(yīng)力的影響比較小，焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響起主要作用.

(a) 焊縫1

(b) 焊縫2

(c) 焊縫3

(d) 焊縫4

3 結(jié)論

本文基于數(shù)值仿真方法，研究電機吊架補強焊接的變形和殘余應(yīng)力控制問題.通過對六種工藝方案的仿真及其結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

(1)從模型X方向的焊接變形結(jié)果來看，方案一～方案三(三種方案均采用焊接順序1，自由狀態(tài)、0 mm約束狀態(tài)、0.5 mm反變形)X方向變形變化較小，在0.2 mm左右；方案四～方案六(三種方案均采用焊接順序2，自由狀態(tài)、0 mm約束狀態(tài)、0.5 mm反變形)X方向變形變化較小，在0.4 mm左右；說明反變形量對X方向的變形影響不大，主要受焊接順序的影響且焊接順序1變形較小；

(2)從模型Z方向的焊接變形結(jié)果來看，在相同的反變形量下，采用焊接順序1與采用焊接順序2兩種方案Z方向變形基本相同，即焊接順序?qū)δＰ蚙方向的變形影響較小.Z向變形隨著反變形量從0～0.5 mm的增加而減小，即采用反變形能夠有效的減小模型Z方向的變形，當(dāng)反變形為0.5 mm時，模型Z方向的變形為0.09 mm，反變形量0.5 mm是合適的；

(3)從模型殘余應(yīng)力結(jié)果來看，反變形量對構(gòu)件補強焊接的殘余應(yīng)力影響比較小，焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響起主要作用，焊接順序1殘余應(yīng)力整體稍高于焊接順序2，兩種焊序應(yīng)力峰值相當(dāng).但焊序2在實際操作時需對工件多次翻轉(zhuǎn).

綜合考慮以上情況，焊接工藝方案三為最優(yōu)方案，即采用焊接順序一，反變形為0.5 mm時(見表1)，能將焊接變形量控制在要求范圍之內(nèi)，且殘余應(yīng)力結(jié)果較為理想.

[1]王偉，杜永強，連滿義，等. 高速動車組電動機吊架補強板加工工裝設(shè)計[J].金屬加工，2016，14:46- 48.

[2]陳建波,羅宇,龍哲.大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].焊接學(xué)報,2008(4):69- 72.

[4]YANG XINHUA，WANG CHUNSHENG，CHANG LI, et al.Numerical simulation of the welding deformation for the side sill of the bogie frame based on local-global methed [J].China welding,2007，16(4):11- 14.

[5]蘇杭,常榮輝,倪家強.基于SYSWELD的焊接模擬仿真[J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2013,34(2):79- 82.

[6]徐琳,余昌蓮,周旭春,等.焊接變形預(yù)測的研究進展[J].機械工程師,2006(2):27- 28.