基于BS EN 15085標準的焊縫質(zhì)量評估方法

王劍?┧锍? 馬紀軍

摘要：

根據(jù)BS EN 15085標準，提出軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)焊縫的評估流程。以英國BS 7608—1993標準提供的T型承載接頭為例，利用ANSYS二次開發(fā)，計算接頭應(yīng)力并進行靜強度評估；基于主SN曲線法界定標準和非標準接頭，分別設(shè)計疲勞強度計算方法，進而確定焊接性能等級和檢查等級。實現(xiàn)該流程可為工程師進行焊接產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和質(zhì)量檢查提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：

軌道車輛； 焊縫質(zhì)量； T型承載接頭； 應(yīng)力因數(shù)

中圖分類號： U213.9

文獻標志碼： B

Evaluation method of weld quality based on

BS EN 15085 standard

WANG Jian1，2， SUN Chang1， MA Jijun2

（1. College of Traffic and Transportation Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China；

2. CRRC Tangshan Co.， Ltd.， Tangshan 063035， Hebei， China）

Abstract：

According to the BS EN 15085 standard， the evaluation process of welding structure weld of railway vehicle is proposed. Taking Ttype bearing joint in BS 7608—1993 standard as an example， the secondary development of ANSYS is used to calculate the joint stress and evaluate the static strength； the standard and nonstandard joints are defined based on the principal SN curve method， and the fatigue strength calculation method is designed respectively； the welding performance level and inspection level are determined. The implementation of the process can provide data support for engineers to conduct welding product design production and quality inspection.

Key words：

railway vehicle； weld quality； Ttype bearing joint； stress factor

0 引 言

BS EN 15085標準是歐洲電工標準化委員會于2007年制定的，涵蓋鐵路車輛及其零件制造中各類金屬材料的焊接，是用于評估軌道交通裝備焊接質(zhì)量的國際標準。[1]

在國家“一帶一路”倡議的指導(dǎo)下，我國軌道交通裝備企業(yè)響應(yīng)“走出去”的號召，積極擴展海外業(yè)務(wù)，但在競爭激烈的國際市場中，產(chǎn)品必須依照國際標準進行設(shè)計、生產(chǎn)和質(zhì)量檢查才能提高競爭力。

軌道交通裝備結(jié)構(gòu)中存在很多焊接結(jié)構(gòu)，研究如何運用國際標準進行焊接產(chǎn)品開發(fā)與質(zhì)量評估是重要課題。很多學(xué)者對BS EN 15085標準進行過深入研究：周東海等[2]論述推行該標準的意義及重要性，闡述該標準的內(nèi)容和相關(guān)聯(lián)的其他歐洲標準、國際標準；朱志民[3]通過對浦鎮(zhèn)公司BS EN 15085標準體系CL 1級認證的經(jīng)驗總結(jié)，為該標準焊接質(zhì)量體系管理工作提出指導(dǎo)；劉洋等[4]基于該標準對牽引動力系統(tǒng)的構(gòu)架進行設(shè)計和優(yōu)化，并通過對構(gòu)架模型進行有限元分析，驗證結(jié)構(gòu)的合理性。

已有的研究工作大多集中在BS EN 15085標準下的質(zhì)量體系建設(shè)和標準說明，針對具體結(jié)構(gòu)案例的研究較少。此外，考慮到實際焊接結(jié)構(gòu)接頭的復(fù)雜性和研究中存在的誤區(qū)[5]，使每個接頭都找到與之對應(yīng)的標準進行評估十分困難。

本文以主SN曲線法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合國際通用的焊縫疲勞評估標準，將焊接接頭分為2類：標準接頭和非標準接頭。名義應(yīng)力和接頭形式能夠從標準中檢索到的接頭為標準接頭，可直接進行疲勞壽命分析并計算應(yīng)力因數(shù)；其余接頭統(tǒng)稱為非標準接頭，需采用主SN曲線法進行疲勞壽命分析和應(yīng)力因數(shù)計算。

1 焊接接頭質(zhì)量等級評估流程

BS EN 15085標準分別從焊接接頭的設(shè)計、生產(chǎn)、檢查等3個方面，確定接頭靜強度評估、接頭疲勞強度評估、應(yīng)力等級和應(yīng)力因數(shù)、安全等級、焊接性能等級、焊接檢查等級，以及相互之間的關(guān)系。在滿足強度要求的基礎(chǔ)上，BS EN 15085標準確定焊接接頭質(zhì)量等級的流程如下。

（1）計算應(yīng)力因數(shù)，即計算應(yīng)力值與適當(dāng)安全因數(shù)調(diào)節(jié)的許用疲勞應(yīng)力之比。應(yīng)力等級與應(yīng)力因數(shù)的關(guān)系見表1。

由此可見，焊接接頭質(zhì)量評估流程是一個邏輯性極強的完整流程，該流程對軌道車輛產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)的焊接接頭設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

2 焊接接頭質(zhì)量評估方法

基于焊接接頭質(zhì)量評估流程，在ANSYS中進行二次開發(fā)，實現(xiàn)包括靜強度評估在內(nèi)的焊接結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量等級評估。其基本思路為：計算接頭應(yīng)力水平，進行靜強度評估，判斷計算應(yīng)力是否大于靜強度的許用應(yīng)力。若不滿足強度要求，修改接頭局部特征；若滿足強度要求，考察疲勞應(yīng)力狀態(tài)。

對標準接頭，依照名義應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力標準進行疲勞應(yīng)力計算，求得應(yīng)力集中因數(shù)（stress concentration factor，SCF）；對非標準接頭，依照結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算標準計算疲勞應(yīng)力。參考BS EN 15085標準，確定焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)、安全狀態(tài)和質(zhì)量等級，進而確定焊接性能等級和檢查等級。評估流程的實現(xiàn)過程見圖1。

ANSYS是開放二次開發(fā)的有限元分析軟件，為用戶提供的常用二次開發(fā)工具有：參數(shù)化設(shè)計語

言APDL、宏MARCO、用戶可編程特性UFPs和用戶界面設(shè)計語言UIDL。[6]鑒于ANSYS提供的界面開發(fā)功能較薄弱，且開發(fā)過程相對復(fù)雜，將程序簡易、功能全面的工具命令語言TCL/TK利用在ANSYS的二次開發(fā)中。[7]利用APDL參數(shù)化設(shè)計語言編制宏程序，UIDL開發(fā)菜單界面，TCL/TK開發(fā)對話框界面，可形成一套完整的用戶圖形界面。[8]基于以上思路，建立UIDL自定義菜單（見圖2），用于調(diào)用TCL/TK自定義程序界面（見圖3）。

3 T型承載接頭的焊縫質(zhì)量評估實例

以BS 7608—1993標準[9]提供的鋼質(zhì)、受拉標準T型承載接頭（見圖4）為例，分別采用名義應(yīng)力標準和結(jié)構(gòu)應(yīng)力標準2種方法對接頭焊縫進行評估，驗證焊接接頭焊縫質(zhì)量評估的完整流程。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)和靜強度校核

材料參數(shù)和模型尺寸見表5，建立標準T型承載接頭有限元模型（見圖5），縱向拉伸載荷為5 100 N。

3.2 基于名義應(yīng)力的疲勞強度校核

通過名義應(yīng)力計算方法對該接頭進行名義應(yīng)力評估，在ANSYS中調(diào)用基于TCL/TK開發(fā)的程序界面中的名義應(yīng)力計算模塊，定義單元和節(jié)點，通過程序計算得到焊線上各節(jié)點的名義應(yīng)力值σn為35.83 MPa。

3.3 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疲勞強度校核

采用fesafe中的Verity模塊進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算，得到焊線上各個節(jié)點的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，見圖7。

3.4 標準許用應(yīng)力與SCF

根據(jù)BS EN 15085標準中計算應(yīng)力等級的方法，分別計算名義應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)于疲勞標準中

許用名義應(yīng)力

σref的應(yīng)力因數(shù)。σref為依據(jù)疲勞標準中SN曲線計算公式求出的

許用

疲勞應(yīng)力，可通過自定義界面程序中的參考應(yīng)力計算模塊進行計算。此處計算得到的σref為40 MPa。

令SCF等于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值，作為標準接頭中名義應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力互相轉(zhuǎn)換的中介，在已知其中任意一個應(yīng)力的情況下，利用該因數(shù)即可求得另一個應(yīng)力值。[10]

3.5 計算結(jié)果與分析

焊線節(jié)點應(yīng)力分布和SCF見表6。根據(jù)BS EN 15085標準中關(guān)于安全等級的確定方法，確定焊接接頭安全等級（鑒于算例使用的是承載接頭，此處設(shè)定安全等級為中）。根據(jù)應(yīng)力等級、安全等級要求和焊接性能等級，可確定焊接接頭檢查等級。

應(yīng)力等級為高，安全等級為中，則焊接性能等級為

CP B，焊接檢查等級為CT 2，即可確定該焊縫所需的檢查方法。

4 結(jié) 論

（1）基于BS EN 15085標準，對焊接結(jié)構(gòu)進行典型焊縫接頭質(zhì)量評估方法的研究，分析焊接接頭評估流程，引入SCF，有利于提高接頭設(shè)計效率。

（2）基于ANSYS進行二次開發(fā)，建立UIDL自定義菜單，利用TCL/TK開發(fā)用戶程序界面，進行模塊化計算。

（3）采用BS 7608—1993標準中的標準接頭作為計算實例，建立有限元模型，校核靜強度，分別計算名義應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和SCF。按照BS EN 15085標準評估流程，確定焊接接頭的應(yīng)力等級，根據(jù)接頭的安全性要求，確定焊縫的安全等級和檢驗等級，為軌道交通裝備焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

參考文獻：

[1] 鐵路上的應(yīng)用——鐵路車輛及其部件的焊接： BS EN 15085—2007[S].

[2] 周東海， 李加良. 在鐵路貨車行業(yè)推行歐洲標準BS EN 15085“軌道車輛及其零部件的焊接”[J]. 焊接， 2010（6）： 1921.

[3] 朱志民. 基于BS EN 15085焊接質(zhì)量體系的管理和應(yīng)用[J]. 焊接， 2010（11）： 5759.

[4] 劉洋， 莘海萍， 李良杰. 基于BS EN 15085標準的牽引動力系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計[J]. 機車電傳動， 2013（5）： 3537. DOI： 10.13890/j.issn.1000128x.2013.05.013.

[5] 兆文忠， 李季濤， 方吉. 軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計過程中的認識誤區(qū)[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報， 2016， 37（5）： 17. DOI： 10.3969/j.issn.16739590.2016.05.001.