動車組典型焊接構件殘余應力數(shù)值模擬研究

弓瑞明，陳剛輝，朱忠尹

(1.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 江門 529100；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031)

焊接是動車組車體制造工藝的關鍵技術，可以實現(xiàn)高集成性、高氣密性的焊接技術已經(jīng)廣泛應用于動車組車體制造之中。動車組車體鋁合金材料具有線膨脹系數(shù)高、熱導率大等特點，同時鋁合金焊接接頭熱影響區(qū)寬，無論是熔化焊還是固相焊，焊接殘余應力與變形都是動車組車體制造面臨的突出問題。焊接殘余應力與變形不僅影響車體外觀尺寸精度，還會影響車體結構強度和安全運行可靠性[1-2]。焊接殘余應力的大小及分布很難通過一般簡單的數(shù)學模型及經(jīng)驗公式進行分析，即便是采用試驗的手段也只能是采用點對點的方式進行應力測量，然而，隨著計算機技術的發(fā)展以及焊接模擬有限元理論的不斷完善和成熟，采用有限單元法對大型中空鋁合金型材焊接結構的殘余應力與變形進行分析預測已經(jīng)發(fā)展成為較為可靠的手段之一[3]。動車組中側墻與車頂焊接構件結構復雜，車頂凹陷變形是車體在生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)的典型問題，因此，本文通過研究成品車和凹陷車側墻與車頂?shù)湫秃附訕嫾堄鄳Φ拇笮『头植?，并結合有限元模擬計算來評價車體結構的各種機械性能、力學性能等[4]，從而正確指導焊接生產(chǎn)，提高車體結構的尺寸精度、抗應力腐蝕能力、疲勞強度和疲勞可靠性，保證列車運行安全。

1 焊接數(shù)值模擬與分析

1.1 程序設計

SYSWELD軟件作為SYSWORLD系列軟件中的一支，其基本實現(xiàn)了機械、熱學和金屬冶金學的相互耦合計算。SYSWELD軟件在進行焊接溫度場模擬時，主要分為6個獨立的步驟[5]，如圖1所示。

數(shù)值模擬的幾何模型和網(wǎng)格劃分都不是在SYSWELD軟件中進行的，為獲得較為復雜的幾何模型以及較好的網(wǎng)格處理，本文采用三維建模軟件Pro/E對動車組成品車側墻與車頂連接焊縫局部構件、凹陷車側墻與車頂連接焊縫局部構件進行建模。采用Visual-Mesh對三維模型進行網(wǎng)格劃分并進行定義。Pro/E建模生成*.iges格式導入Visual-Mesh中進行網(wǎng)格劃分[6]，并在Visual-Mesh中定義焊接線、參考線、開始單元、開始節(jié)點、結束節(jié)點等5個重要定義，完成所有定義后導出模型，生成*_MESH_DATA1000.ASC格式的文件以便SYSWELD能讀取。

1.2 典型焊接構件有限元模型

根據(jù)圖紙建立幾何模型，按照實際尺寸進行建立。由于實際車體上側墻與車頂連接焊縫較長，在計算時一般從車體中截取適當?shù)拈L度進行模擬[7]。在網(wǎng)格劃分時，考慮到網(wǎng)格劃分軟件Visual-Mesh對劃分單元的限制，為了更好地控制網(wǎng)格精度和計算規(guī)模，對實際模型進行了部分簡化，但又要保證計算結果的準確性及收斂性，焊縫單元長度在構件長度方向上的尺寸一般控制在0.5～1 mm。由于鋁合金型材屬于薄壁結構，側墻與車頂連接焊接局部構件上的鋁合金型材壁厚一般為2～3 mm，因而在焊縫厚度方向上一般將網(wǎng)格控制在1 mm以內(nèi)。成品車、凹陷車側墻與車頂連接焊縫局部構件網(wǎng)格劃分分別如圖2、圖3所示。實際焊接時是外側先焊、內(nèi)側后焊，在模擬時也采用這樣的焊接順序和焊接工藝。成品車焊縫處的單元大小一般控制在0.5 mm左右，隨著離焊縫處的距離增大，單元尺寸逐步增大。圖2中所示的成品車側墻與車頂連接焊縫局部構件模型中共有142 800個solid單元。圖3中所示的凹陷車側墻與車頂連接焊縫局部構件模型中共有221 300個solid單元。

圖3 凹陷車側墻與車頂連接焊縫局部構件網(wǎng)格劃分

成品車與凹陷車的側墻與車頂連接內(nèi)部焊縫處由于焊道數(shù)量不同，成品車為一道焊接完成，凹陷車內(nèi)側因尺寸偏差過大，需焊兩道才能焊滿，為了保證模擬計算的準確性，采用了不同網(wǎng)格數(shù)量來進行模擬計算。

1.3 焊接工藝參數(shù)及熱源模型

動車組車頂與側墻連接焊縫焊接工藝采用自動MIG焊，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 車頂與側墻連接焊縫焊接工藝參數(shù)

對其熱源模型進行分析后，擬采用雙橢球模型對其熱源擬合[8]。雙橢球體熱源模型的熱流公式分為兩部分，分別表示雙橢球熱源的前半橢球能量和后半橢球能量，總的能量為前后兩部分能量之和[9]。雙橢球模型如圖4所示。車頂與側墻連接焊縫模型及宏觀斷面對比如圖5所示。

Qf.前端熱輸入；Qr.后端熱輸入；af、ar.高斯參數(shù)；b.熔寬的一半；c.熔深。

圖5 車頂與側墻連接焊縫模型及宏觀斷面

1.4 初始條件和邊界確定

在焊接數(shù)值模擬中，母材默認為沒有初始應力和變形，所需要定義的初始條件主要是初始溫度，若焊前需預熱，則初始溫度設定為預熱溫度；若無需預熱則設定為焊接環(huán)境溫度。本研究中的焊接構件無需預熱，取環(huán)境溫度為20 ℃[10]。

設定位移邊界條件的目的是防止有限元模型在計算過程中有剛性移動，若計算模型出現(xiàn)剛體位移情況，則會導致計算剛度矩陣無法收斂。本研究中主要針對各焊接構件實際工裝進行約束定義，主要設置X、Y、Z3個方向[11]。

焊接結構在焊接電弧的作用下，在熔池中的金屬溫度會比周圍金屬以及周圍工作環(huán)境高很多，主要有3種散熱方式進行熱交換，即對流、傳導以及熱輻射。散熱邊界條件即為焊接結構的熱量向周圍散熱的體現(xiàn)。設置初始溫度為20 ℃，與周圍金屬間散熱系數(shù)為75 W/(m2·℃)。

2 結果分析

2.1 成品車數(shù)值模擬計算結果與實測值對比

車頂與側墻連接構件所采用的XRD測試數(shù)據(jù)均是外側焊縫的殘余應力值，數(shù)值模擬時仍采用外側焊縫殘余應力值，數(shù)值對比見表2、圖6。

表2 側墻與車頂連接局部構件縱向焊接殘余應力測試值與計算值

圖6 側墻與車頂連接局部構件焊接縱向殘余應力

從表2、圖6中可以看出，無論是成品車還是凹陷車，兩者的側墻與車頂連接焊縫在焊縫上均呈現(xiàn)拉應力，而在遠離焊縫的母材區(qū)基本呈現(xiàn)壓應力，應力分布趨勢一致，但XRD測試值普遍要小于計算值；側墻與車頂連接局部構件XRD測試峰值為122.81 MPa，達到其屈服強度的0.6。大量的試驗結果已經(jīng)表明，對于6系鋁合金材料，其焊接殘余應力一般都比較低，不會超過其屈服強度，峰值應力可能會達到母材屈服強度的0.6～0.8。從目前測試的結果來看，測試結果與經(jīng)驗值基本吻合。 通過數(shù)值模擬計算值與XRD測試值相互驗證了測試規(guī)律的一致性和測試結果的可靠性。

2.2 成品車和凹陷車殘余應力數(shù)值模擬計算結果對比分析

成品車和凹陷車縱向殘余應力云圖分布分別見圖7、圖8；成品車、凹陷車側墻與車頂連接焊縫(外側)縱向殘余應力計算結果對比見表3、圖9；成品車、凹陷車側墻與車頂連接焊縫(內(nèi)側)縱向殘余應力計算結果對比見表4、圖10。

表4 成品車、凹陷車側墻與車頂連接焊縫(內(nèi)側)縱向殘余應力計算結果

圖7 成品車側墻與車頂連接焊縫局部構件焊接縱向殘余應力云圖

圖8 凹陷車側墻與車頂連接焊縫局部構件焊接殘余應力云圖

從表3、圖9中可以看出，成品車焊縫中心處殘余應力大于凹陷車，這主要是因為當外側焊縫先焊后，凹陷車在側墻與車頂連接內(nèi)側焊縫比成品車要多焊一道，因而此處的焊縫收縮量要比成品車的收縮量大，使得在外側焊縫垂直方向上呈現(xiàn)拉伸載荷，外側焊縫兩端受壓應力作用，降低了焊縫中心殘余拉應力，同時使母材處的壓應力增加。

表3 成品車、凹陷車側墻與車頂連接焊縫(外側)縱向殘余應力計算結果

圖9 成品車、凹陷車側墻與車頂連接焊縫(外側)縱向殘余應力計算結果對比

從表4、圖10中可以看出，凹陷車側墻與車頂連接內(nèi)側焊縫處殘余應力大于成品車，這主要是由于該位置焊了兩道，兩次熱循環(huán)累積形成的塑性變形量要比一次熱循環(huán)產(chǎn)生的塑性變形量大，因而凹陷車側墻與車頂連接內(nèi)側焊縫處產(chǎn)生的殘余拉應力比成品車的大。

圖10 成品車、凹陷車側墻與車頂連接焊縫(內(nèi)側)縱向殘余應力計算結果對比

3 測試及數(shù)值模擬誤差分析

從圖6中還可以看出，雖然XRD測試結果與有限元計算結果規(guī)律基本一致，但兩者數(shù)值上有一定的差異，數(shù)值模擬計算值均大于XRD測試值，這主要是以下幾方面因素造成的：

(1) X射線穿透深度約為30 μm，XRD測試的是該淺表層的平均應力；而數(shù)值模擬計算值則是構件整個厚度上的平均應力。

(2) XRD測試值是鋁合金焊接殘余應力真實狀態(tài)的一種反應；而數(shù)值模擬計算值則是在很多假設的前提下，是一種理想狀態(tài)下的模擬值，且數(shù)值模擬會受到構件幾何模型、單元尺寸以及邊界條件等多種因素的影響。

(3) XRD測試時需要對已經(jīng)打磨余高的焊縫進行電解拋光處理，電解拋光在去除附加應力層的同時也使表層真實應力得到一定程度上的釋放，這也可能導致測試所獲得的殘余應力值有所降低。

(4) 鋁合金型材擠壓成型后，其本身已經(jīng)存在擠壓應力。XRD測試的構架殘余應力實際上是型材本身內(nèi)應力與焊接殘余應力的綜合作用應力；而數(shù)值模擬計算時則不會考慮型材本身的加工殘余應力，這也可能會使XRD測試值與數(shù)值模擬計算值之間存在一定的差異。

4 結論

側墻與車頂連接構件外側焊縫焊接殘余應力計算值和XRD測試值分布趨勢一致；焊縫殘余應力峰值基本都低于其屈服強度，一般其峰值應力均在(0.6～0.8)σs，有限元計算值和經(jīng)驗值比較吻合；從殘余應力測試結果來看，凹陷車側墻與車頂連接內(nèi)部焊縫中心殘余應力要比成品車大，在實際動車組生產(chǎn)過程中，需要加強尺寸精度控制，做到避免多層焊或者盡量控制焊接次數(shù)。