不銹鋼軌道客車側(cè)墻激光焊接與電阻點(diǎn)焊數(shù)值模擬對(duì)比研究

王春生 王文權(quán) 王洪瀟 徐國(guó)成

摘要：針對(duì)激光焊接工藝和電阻點(diǎn)焊工藝在不銹鋼軌道客車側(cè)墻組上的應(yīng)用進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比分析。分別測(cè)試SUS301L不銹鋼薄板激光焊接和電阻點(diǎn)焊搭接的側(cè)墻結(jié)構(gòu)件的拉剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，對(duì)于相同長(zhǎng)度的接頭，激光焊接接頭的力學(xué)性能比電阻點(diǎn)焊接頭更好。在施加相同載荷條件下，對(duì)兩種焊接接頭的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，應(yīng)力集中現(xiàn)象和最高應(yīng)力水平均出現(xiàn)在電阻點(diǎn)焊接頭中，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明激光焊接的軌道客車側(cè)墻受力更均勻、變形更小、外觀質(zhì)量更好。

關(guān)鍵詞：激光焊接;電阻點(diǎn)焊;不銹鋼軌道客車;側(cè)墻組成;有限元數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0109-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.17

0 前言

隨著高速軌道客車的快速發(fā)展，越來(lái)越多的不銹鋼軌道客車投入運(yùn)營(yíng)。與碳鋼和鋁合金材質(zhì)的車輛相比，不銹鋼軌道客車具有整車質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀美觀和使用維護(hù)成本低的特點(diǎn)[1-4]。傳統(tǒng)上，軌道客車部件連接和側(cè)墻組對(duì)焊接中大量采用電阻點(diǎn)焊，一般會(huì)導(dǎo)致軌道客車側(cè)墻的變形、密封性不佳，并且密集分布的焊點(diǎn)也導(dǎo)致車身存在美觀性差等缺點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)外采用激光焊接進(jìn)行不銹鋼軌道客車側(cè)墻的焊接，很好地解決了上述問(wèn)題。例如，日本川崎公司很早就采用激光部分熔透焊接不銹鋼軌道客車側(cè)墻。我國(guó)軌道客車制造企業(yè)對(duì)此開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，并取得了較大進(jìn)展，但相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道卻很少[5-9]。

基于此文中針對(duì)不銹鋼薄板的電阻點(diǎn)焊接頭和激光焊接接頭在相同外加載荷條件下進(jìn)行了測(cè)試和有限元數(shù)值模擬比較[10-11]，以找出兩種焊接工藝在不銹鋼軌道客車側(cè)墻組對(duì)焊接上的優(yōu)缺點(diǎn)，為生產(chǎn)實(shí)際中采用激光焊接代替電阻點(diǎn)焊焊接不銹鋼軌道客車側(cè)墻提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，以便為客戶提供更高質(zhì)量的產(chǎn)品。目前激光焊技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)波士頓地鐵項(xiàng)目中批量化生產(chǎn)使用。

1 試驗(yàn)方法

選用NASTOA公司生產(chǎn)的中頻逆變式直流點(diǎn)焊機(jī)在厚度1.5 mm的不銹鋼薄板上進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，其工藝參數(shù)如圖1所示。焊點(diǎn)數(shù)量5個(gè)，焊點(diǎn)之間間隔60 mm，電阻點(diǎn)焊接頭結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

激光焊設(shè)備選用ESAB公司生產(chǎn)的Nd：YAG盤式固體激光器，工藝參數(shù)如表1所示，選取的激光焊縫長(zhǎng)度252 mm，其接頭形式示意如圖3所示。

用于生產(chǎn)不銹鋼軌道客車側(cè)墻的電阻點(diǎn)焊裝置以及基于點(diǎn)焊工藝的側(cè)墻外板的形貌如圖4、圖5所示。用于生產(chǎn)不銹鋼軌道客車側(cè)墻的激光焊裝置以及基于激光焊工藝的側(cè)墻外板的形貌如圖6、圖7所示。對(duì)比圖5和圖7可知，激光焊接的軌道客車側(cè)墻具有更好的外觀和更小的累積變形。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)比研究1.5 mm的不銹鋼薄板SUS301L搭接的電阻點(diǎn)焊接頭和激光焊接接頭。在此假定電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)輪廓為規(guī)則的圓形，直徑6 mm;激光焊縫為直線形狀，寬度2 mm，且板材兩側(cè)為完全對(duì)稱分布?？紤]到應(yīng)力集中現(xiàn)象并不嚴(yán)重，在模擬過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格劃分方式，計(jì)算可得，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為488 646個(gè)，小立方單元體數(shù)量為364 026個(gè)，且假定其均為剛性，邊長(zhǎng)0.5 mm。電阻點(diǎn)焊接頭和激光焊接接頭的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谑┘酉嗤獠枯d荷條件下進(jìn)行計(jì)算。在x、y和z方向上的載荷分別設(shè)定為Fx=7 000 N，F(xiàn)y=5 000 N和 Fz=600 N，然后根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)電阻點(diǎn)焊工藝和激光焊接工藝在不銹鋼軌道客車側(cè)墻上應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)做出綜合分析、比較。

2 結(jié)果及討論

2.1 電阻點(diǎn)焊與激光焊接頭數(shù)值模型的建立

不銹鋼薄板電阻點(diǎn)焊有限元模型如圖8所示，激光焊接接頭的有限元模型如圖9所示。根據(jù)上文的假設(shè)，電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)直徑為6 mm，激光焊縫寬度為2 mm，有限元模擬與實(shí)際情況一致。

由圖8、圖9可知，坐標(biāo)系約定如下：z軸與試樣表面垂直，x軸平行于焊接方向，y軸與焊縫方向垂直。

2.2 電阻點(diǎn)焊和激光焊接接頭的有限元分析

有限元模擬中，當(dāng)y軸施加的載荷為 Fy=5 000 N時(shí)，電阻點(diǎn)焊和激光焊接頭的應(yīng)力云圖如圖10和圖11所示。由圖10可知，應(yīng)力集中現(xiàn)象總是出現(xiàn)在點(diǎn)焊的焊點(diǎn)位置。由圖12可知，激光焊縫中的應(yīng)力分布比較均勻一致，僅在焊縫起始位置和結(jié)束位置出現(xiàn)低水平的應(yīng)力集中。在y軸施加的載荷Fy=5 000 N時(shí)，電阻點(diǎn)焊試樣焊點(diǎn)的變形狀態(tài)如圖12所示，與模擬結(jié)果一致，焊點(diǎn)邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中，變形量最大。在y軸施加的載荷為Fy=5 000 N時(shí)，激光焊焊縫的變形狀態(tài)如圖13所示，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果一致，在焊縫的起弧及收弧處焊縫變形量最大。

根據(jù)有限元模擬分析可知，應(yīng)力集中總是存在于電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)位置，如圖14所示。在相同外部載荷條件下，激光焊縫內(nèi)部的最高應(yīng)力水平為126.998 MPa，而電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)最高應(yīng)力水平為351.822 MPa。可見(jiàn)在相同載荷下，激光焊縫承受的最高應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)所承受的。需要說(shuō)明的是，激光焊縫和電阻點(diǎn)焊接頭承受的最高應(yīng)力均低于不銹鋼的強(qiáng)度極限值（約為550 MPa）?？梢灶A(yù)測(cè)的結(jié)果是，當(dāng)在x軸方向施加載荷Fx=7 000 N時(shí)，與在y軸方向的模擬過(guò)程和結(jié)果相類似。不過(guò)x軸方向的最大應(yīng)力SMX=282.793 MPa和最大位移DMX=0.055 824 mm，而在y軸方向SMX=351.822 MPa 和 DMX=0.226 476 mm。

根據(jù)對(duì)比分析，一方面激光焊接接頭的應(yīng)力集中程度低于電阻點(diǎn)焊接頭;另一方面，x軸方向的最大應(yīng)力和最大位移遠(yuǎn)低于y軸方向，盡管在x軸方向施加的載荷要遠(yuǎn)高于在y軸方向施加的載荷。由此可見(jiàn)，焊接接頭在x軸方向的負(fù)載承受能力高于在y軸方向。z軸方向的有限元模擬結(jié)果與在y軸方向類似。因此，對(duì)于不銹鋼軌道客車側(cè)墻，激光焊接要優(yōu)于電阻點(diǎn)焊。

需要指出的是，上述的有限元模擬分析并不代表激光焊接的側(cè)墻強(qiáng)度一定高于電阻點(diǎn)焊，而是在當(dāng)前常見(jiàn)的激光焊與點(diǎn)焊工藝設(shè)置條件下，激光焊接頭的應(yīng)力分布更為合理。但是通過(guò)更改工藝條件設(shè)置，比如改變激光焊接頭的寬度、長(zhǎng)度，以及點(diǎn)焊接頭的直徑、焊點(diǎn)間距，都可以有效地改善接頭的承載強(qiáng)度和應(yīng)力分布情況[12]。然而，由于點(diǎn)焊電流分流作用的限制，相鄰焊點(diǎn)需保持一定的間距。因此，實(shí)際應(yīng)用中激光焊接頭的應(yīng)力分布情況往往優(yōu)于點(diǎn)焊接頭。

3 結(jié)論

（1）有限元分析結(jié)果表明，在不同方向上施加相同載荷時(shí)，激光焊縫內(nèi)的應(yīng)力集中水平低于電阻點(diǎn)焊接頭，最高應(yīng)力水平和最大位移也小于電阻點(diǎn)焊接頭。

（2）對(duì)于激光焊接接頭，平行于焊縫方向的承載能力高于垂直于焊縫方向的承載能力。

（3）根據(jù)有限元分析和物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，對(duì)于不銹鋼軌道客車側(cè)墻，激光焊接比電阻點(diǎn)焊工藝更有優(yōu)勢(shì)，激光焊接獲得的不銹鋼軌道客車側(cè)墻在承載情況下應(yīng)力分布更為均勻，部件累積焊接變形更小，外觀質(zhì)量更好。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wang H X，Wang C S，Shi C Y，et al. The Investigation ofpartial penetration lap laser welding applied on stainlesssteel railway vehicles[J]. Advanced Materials Research，2010（97-101）：3832-3835.

[2] Matsuoka S. Recyclability of stainless steel railway vehicles[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2003，217（4）：279-284.

[3] 王洪瀟，史春元，王春生，等. 基于響應(yīng)面法的不銹鋼車體激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2010，31（10）：69-72.

[4] Wen J，Wang C S，Xu G C，et al. Real time monitoringweld quality of resistance spot welding for stainless steel[J]. ISIJ international，2009，49（4）：553-556.

[5] Taraf M，Zahaf E H，Oussouaddi O，et al. Numerical anal-ysis for predicting the rolling contact fatigue crack initia-tion in a railway wheel steel[J]. Tribology International，2010，43（3）：585-593.

[6] Tomioka T，Takigami T，Suzuki Y. Numerical analysis ofthree-dimensional flexural vibration of railway vehicle carbody[J]. Vehicle System Dynamics，2006，44（1）：272-285.

[7] 梁行，闞盈，姜云祿，等. 不銹鋼薄板激光搭接焊接頭的力學(xué)性能[J]. 中國(guó)激光，2018，45（6）：42-49.

[8] Xu S，Deng X. An evaluation of simplified finite elementmodels for spot-welded joints[J]. Finite Elements in Ana-lysis and Design，2004，40（9）：1175-1194.

[9] 劉恩澤，姚成武，謝雨凌，等. 非熔透激光搭接焊SUS304奧氏體不銹鋼無(wú)焊縫側(cè)變形機(jī)理[J]. 中國(guó)激光，2019（4）：49-57.

[10] Palmonella M，F(xiàn)riswell M I，Mottershead J E，et al. Guid-elines for the implementation of the CWELD and ACM2spot weld models in structural dynamics[J]. Finite elementsin analysis and design，2004，41（2）：193-210.

[11] Palmonella M，F(xiàn)riswell M I，Mottershead J E，et al. Finiteelement models of spot welds in structural dynamics：reviewand updating[J]. Computers & structures，2005，83（8）：648-661.

[12] 顧春影，陳根余，梅麗芳，等. 車身零部件的激光搭接焊與電阻點(diǎn)焊對(duì)比分析[J]. 熱加工工藝，2011，40（17）：136-138.