高鐵側(cè)圍鋁型材構(gòu)件焊接變形數(shù)值模擬

郭雯雯，黃繼強(qiáng) ，薛 龍，黃軍芬，韓 峰

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617)

隨著我國(guó)高鐵和地鐵等行業(yè)發(fā)展的快速增長(zhǎng)，對(duì)高鐵和地鐵等車輛輕量化的要求越來(lái)越迫切，車輛車廂大部分采用鋁合金等輕質(zhì)合金制造[1-3]。車廂側(cè)墻由鋁制側(cè)圍板拼焊而成，由于其上需要安裝門、窗等部件，對(duì)側(cè)圍板焊后變形量提出較高的要求，最大的撓度變形限值要小于3 mm。由于焊接過(guò)程復(fù)雜、焊后變形量不易控制[4-6]，借助焊接數(shù)值模擬對(duì)焊接變形結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，可為側(cè)圍板型材結(jié)構(gòu)選型和實(shí)際焊接工藝制定提供參考。

國(guó)內(nèi)軌道交通的快速發(fā)展引起了國(guó)內(nèi)許多研究者的關(guān)注，包括對(duì)高鐵構(gòu)件的焊接加工進(jìn)行數(shù)值模擬的相關(guān)研究[1-3，7-9]。大連交通大學(xué)袁永文[3]利用SYSWELD分析高鐵車底架焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力分布的影響，確定焊接質(zhì)量較好的焊接順序。中車青島四方孟立春等[7]利用平均溫度曲線法得到高鐵枕梁模擬結(jié)果，驗(yàn)證了該方法替代移動(dòng)熱源法的可行性。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所Dong等[8]對(duì)焊接順序、夾緊裝置、反變形對(duì)高速列車地板焊接的變形進(jìn)行模擬分析，并驗(yàn)證其開發(fā)的有限元模型能夠成功地捕捉到地板結(jié)構(gòu)中焊接變形的特征。韓德成等[9]對(duì)動(dòng)車組鋁合金型材地板焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬。這些針對(duì)高鐵構(gòu)件焊接加工的數(shù)值模擬研究結(jié)果都對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝起到了很好的指導(dǎo)作用。筆者以高鐵側(cè)圍板鋁合金型材焊接變形問(wèn)題為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬方法，考察2種典型的鋁合金型材在不同熱輸入情況下瓦楞形筋板和豎形筋板單面焊接和雙面焊接后撓度變形情況，同時(shí)探討了熱輸入對(duì)于側(cè)圍板焊接變形量的影響，為高鐵車廂側(cè)圍板型材選擇和焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 鋁型材有限元模型

高鐵車廂為了降低質(zhì)量、提高剛度，車廂側(cè)圍板通常采用中空鋁合金型材，其典型截面形狀有瓦楞形筋板和豎形筋板[3]，如圖1所示。對(duì)2種不同截面形狀的型材拼焊過(guò)程中產(chǎn)生的變形進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得相應(yīng)的變形數(shù)據(jù)，以對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的型材選取提供依據(jù)。數(shù)值模擬中采用的型材材質(zhì)為A6N01S，其化學(xué)成分如表1所示[10]，尺寸為3 000 mm×400 mm×25 mm，焊接坡口為相同型材拼裝而成，每個(gè)接頭有正反兩面對(duì)稱焊道。進(jìn)行變形模擬時(shí)，先模擬正面焊道焊接變形，再模擬反面焊道焊接變形，提取2種型材在不同熱輸入條件下型材焊接變形量并進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 A6N01S鋁合金的化學(xué)成分 (w/%)

通過(guò)ANSYS模擬軟件建立2種型材拼接焊接的有限元模型。根據(jù)2種型材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了網(wǎng)格劃分的策略。型材構(gòu)件尺寸較大，采用稀疏的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確，但網(wǎng)格過(guò)密會(huì)影響仿真計(jì)算效率[11-12]，因此對(duì)整個(gè)工件采用分區(qū)網(wǎng)格劃分。在焊接構(gòu)件整個(gè)區(qū)域內(nèi)，焊縫及熱影響區(qū)等附近區(qū)域(寬度為80 mm)采用較為密集的網(wǎng)格，最大網(wǎng)格小于5 mm；依次往兩側(cè)各160 mm區(qū)域采用稍大一些的網(wǎng)格，網(wǎng)格最大尺寸為15 mm；再依次往兩側(cè)邊緣區(qū)域各200 mm采用較大的網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸達(dá)到25 mm。由此形成了焊縫單元網(wǎng)格劃分細(xì)密，遠(yuǎn)離焊縫單元網(wǎng)格劃分逐漸稀疏的網(wǎng)格分布情況，如圖2所示，單元網(wǎng)格均采用四面體網(wǎng)格。利用ANSYS軟件對(duì)2種型材在不同熱輸入下的焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬，采用撓度作為焊接變形大小評(píng)判依據(jù)，撓度可以反映型材受到非均勻熱時(shí)型材表面在垂直于基準(zhǔn)面方向的線位移。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 數(shù)值模擬

針對(duì)鋁型材拼接焊接變形數(shù)值模擬做如下假設(shè)：(1)忽略平板表面堆焊焊縫的填充金屬;(2)假設(shè)工件的所有外邊界僅與空氣發(fā)生對(duì)流換熱，將輻射換熱的影響考慮到對(duì)流換熱中;(3)忽略熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和攪拌、對(duì)流等現(xiàn)象;(4)焊接熱源能量分布遵循高斯分布模式。利用焊接溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，采用間接耦合方法對(duì)2種型材焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬。

焊接變形數(shù)值模擬需要對(duì)模型進(jìn)行約束，以保證模型在模擬過(guò)程中不會(huì)發(fā)生剛性移動(dòng)，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此根據(jù)模型特點(diǎn)，確定焊縫中心為對(duì)稱約束，根據(jù)焊接變形的一般特點(diǎn)對(duì)中心焊縫施加上下方向的約束，對(duì)寬度方向施加長(zhǎng)度方向的約束，保證模擬過(guò)程模型不會(huì)發(fā)生剛性移動(dòng)，焊接變形不會(huì)發(fā)生畸變。

在焊接過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的有限元模擬中，由于焊接時(shí)的局部快速熱循環(huán)、熱力耦合的不可忽略，以及所包含的塑性、有限變形等非線性因素，使得保證求解精度及結(jié)果的收斂性有一定困難，為此步長(zhǎng)設(shè)定為0.1 s，采用自動(dòng)開關(guān)線性搜索選項(xiàng)和應(yīng)用預(yù)測(cè)選項(xiàng)等。

數(shù)值模擬過(guò)程選取不同熱輸入值，對(duì)比2種不同截面型材焊接變形撓度大小，熱輸入值分別選取2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 J/cm等不同的熱輸入值。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述條件和假設(shè)進(jìn)行數(shù)值模擬，先進(jìn)行單面焊接的模擬。2種型材的數(shù)值模擬的結(jié)果分別如圖3和圖4所示。2種型材在不同熱輸入單面焊后的最大撓度變形的對(duì)應(yīng)情況如圖5所示。由圖5中可以看出，單面焊接后，2種型材的撓度變形均較大，瓦楞形筋板型材的變形撓度最大達(dá)3.097 mm，而豎形筋板型材的變形撓度最大達(dá)130.25 mm。

在單面焊接數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，基于單面焊接的變形結(jié)果進(jìn)行了反面焊縫焊接數(shù)值模擬，模擬后的2種型材的變形分布分別如圖6和圖7所示。根據(jù)2種截面型材的雙面焊接變形量繪制出來(lái)的最大變形量與熱輸入之間的關(guān)系如圖8所示。由圖8中可以看出，經(jīng)過(guò)雙面焊接后，2種型材的撓度變形量均有明顯的降低，瓦楞形筋板的撓度變形量降低到1 mm以內(nèi)，豎形筋板的撓度變形量也有明顯的下降，但有些熱輸入條件的撓度變形量數(shù)值超過(guò)了變形量允許限值。

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，單面焊接完成后，2種型材變形量最大處均為型材邊緣，焊接變形大小分布由焊縫區(qū)到邊緣逐漸增大。焊縫區(qū)在高溫時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性變形，溫度恢復(fù)到常溫時(shí)塑性變形不會(huì)消失，此時(shí)在型材上形成1個(gè)中心凹的曲面，由于幾何關(guān)系導(dǎo)致型材兩側(cè)撓度變形量最大。瓦楞形筋板焊接變形數(shù)值小于豎型筋板變形，這是由于瓦楞形筋板的筋板排布相對(duì)密集，焊接過(guò)程中導(dǎo)熱速度較快，在相同熱輸入情況下，材料自由變形率比豎形筋板低，焊后變形較小。

從雙面焊接后的數(shù)值模擬結(jié)果看，雙面焊接最大變形量處于型材四角，其余部分焊接變形較小。雙面焊后，反面焊接變形抵消了正面焊接時(shí)產(chǎn)生的大部分焊接變形，但沒(méi)有完全消除焊接變形，這是因?yàn)檎婧附雍蠛缚p的約束作用對(duì)反面焊接時(shí)的變形有抑制作用。總體來(lái)說(shuō)，采用正反面焊接對(duì)于焊后變形有很好的控制，尤其是瓦楞形筋板焊后變形量都小于1 mm，滿足了高鐵側(cè)圍板焊接變形量的要求，數(shù)值模擬結(jié)果可供高鐵側(cè)圍板選材時(shí)參考。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)2種型材焊接變形的數(shù)值模擬，獲得不同熱輸入情況下焊接撓度變形量，為實(shí)際焊接工藝參數(shù)選擇提供依據(jù)。

(2)在同樣熱輸入情況下，瓦楞形筋板的焊接變形遠(yuǎn)小于豎形筋板的焊接變形，從焊接變形角度考慮，瓦楞形筋板的型材更適合作為高鐵側(cè)圍板使用。