碳鋼車體薄板焊接屈曲變形問(wèn)題研究

馬光磊, 岳仁法, 李 豐

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

0 引言

碳鋼車體因具有結(jié)構(gòu)成熟、性價(jià)比高和維修簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)均占有相當(dāng)市場(chǎng)份額。目前國(guó)內(nèi)外中低速運(yùn)行的鐵路客車車體為典型薄壁筒型碳鋼結(jié)構(gòu)。在車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車頂和側(cè)墻有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度屈曲變形現(xiàn)象,其中車頂較為嚴(yán)重,側(cè)墻次之。綜合來(lái)說(shuō),這種薄板和梁柱組合的輕量化設(shè)計(jì)在焊接過(guò)程中易出現(xiàn)局部屈曲變形問(wèn)題,從而對(duì)車體強(qiáng)度及車輛外觀造成影響[1]。

碳鋼車體研究主要集中在車體強(qiáng)度、輕量化、材料和焊接工藝等幾個(gè)方面。車體底架作為主承載部件,一般采用6 mm以上鋼板組焊加工制成,焊接變形不明顯。而車上部分由于承載較輕,基于輕量化的考慮,一般設(shè)計(jì)為薄板蒙皮加板梁的結(jié)構(gòu),尤其以車頂、側(cè)墻大面積焊接薄板結(jié)構(gòu),焊接屈曲變形尤為明顯。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于碳鋼車體薄板焊接屈曲變形問(wèn)題作了大量的研究。

王紅波等在時(shí)速200 km碳鋼客車側(cè)頂板結(jié)構(gòu)焊接中使用了以電阻點(diǎn)焊為主、電弧焊為輔的方式,并從設(shè)備選配、工藝裝備和組裝順序等方面論述了側(cè)頂板組焊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及工藝準(zhǔn)備的注意事項(xiàng)[2]。王濤等通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝方法的研發(fā)提高了碳鋼地鐵車體的整體平面度,并解決了側(cè)墻表面的橘皮現(xiàn)象[3]。謝明素等人對(duì)碳鋼車體底架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,并給出了最終的設(shè)計(jì)方案[4]。

1 變形原因分析

汪媛媛指出焊接變形主要是由于焊縫的不均勻加熱,焊接材料的高溫物理性能和化學(xué)性能的變化,以及焊件的拘束度等造成的[5]。薄板焊接常見(jiàn)的變形形式有5種：縱向、橫向的收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形。車體薄板焊接變形主要集中在車頂、側(cè)墻表面,表現(xiàn)為大小不一、深度各異的凹坑形式。

車體表面凹坑是典型薄板屈曲變形現(xiàn)象,側(cè)墻、車頂外板存在殘余應(yīng)力,在局部剛度不足時(shí),如果殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力且大于側(cè)頂板的臨界應(yīng)力,就會(huì)發(fā)生失穩(wěn),隨后側(cè)頂板內(nèi)應(yīng)力會(huì)重新分布達(dá)到平衡,此過(guò)程在宏觀上會(huì)導(dǎo)致局部屈曲變形,最終,當(dāng)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),屈曲凹陷就會(huì)產(chǎn)生。

碳鋼車頂為典型薄板板梁結(jié)構(gòu),彎梁和縱梁跨距偏大,局部面剛度不足。在車頂組裝及焊接等過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和運(yùn)用載荷共同作用下,薄板局部失穩(wěn)進(jìn)而表現(xiàn)為凹坑。

2 變形控制措施

為解決屈曲變形問(wèn)題,本文對(duì)碳鋼車體薄板結(jié)構(gòu)、制造工藝進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方式主要概括為以下2種：(1)增大結(jié)構(gòu)剛度,提升薄板車體外表面抗變形能力;(2)提高零件加工、組裝精度,優(yōu)化焊接形式,減小焊接熱輸入量。其中在增大結(jié)構(gòu)剛度方面可通過(guò)薄板加厚,改變零部件形狀,增加薄板支撐骨架密度等措施,下面分別進(jìn)行介紹。

2.1 薄板加厚

剛度與物體的材料性質(zhì)、邊界支持情況以及外力作用形式有關(guān)。薄板截面近似為矩形,可通過(guò)增加薄板厚度,使薄板的截面慣性矩增大,進(jìn)而提高薄板的面剛度,減小焊接變形。目前碳鋼車頂薄板普遍采用厚度為2 mm的低碳鋼,可以將其加厚為2.5 mm或者3 mm。梁偉等以2 mm和3 mm薄板表面堆焊焊接接頭為例,通過(guò)比較分析,得出盡管焊件板厚只相差 1 mm,但焊接變形的特征和變形量卻有顯著差別的結(jié)論[6]。從而驗(yàn)證了薄板可以通過(guò)加厚的方式有效減小焊接變形。

蒙皮的面剛度可簡(jiǎn)化理解為材料的彎曲剛度,材料力學(xué)中彎曲剛度為該材料的彈性模量和截面慣性矩的乘積。

彎曲剛度的計(jì)算公式如下：

EI=E×I

(1)

式中：EI為彎曲剛度,E為彈性模量,I為截面慣性矩。在材料不發(fā)生改變的情況下,其彈性模量始終保持不變,故材料的彎曲剛度與截面慣性矩成正比。

截面慣性矩的計(jì)算公式如下：

I=BH3/12

(2)

式中：B為截面寬度,H為截面高度。由公式(2)可知,可以通過(guò)增加截面高度(厚度)來(lái)增加截面慣性矩,進(jìn)而提升材料的彎曲剛度。

蒙皮截面近似為矩形,故可通過(guò)增加蒙皮厚度,使蒙皮的截面慣性矩增大,進(jìn)而提高蒙皮的面剛度。以寬度(x軸)10 mm、厚度(y軸)2 mm的截面為樣件1,以寬度10 mm、厚度2.5 mm的截面為樣件2,圖1為其示意圖。

圖1 厚度示意圖

不同厚度樣件的慣性矩計(jì)算結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)比2.5 mm截面和2 mm截面的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),截面厚度增加0.5 mm,其彎曲剛度提升95%,重量增加了25%。該結(jié)果證明了增加蒙皮厚度可以有效提升其面剛度,但同樣會(huì)導(dǎo)致重量的增加。

表1 不同厚度樣件慣性矩計(jì)算結(jié)果

2.2 改變零部件形狀

在保持車頂重量相近的前提下,可通過(guò)改變車頂板形狀來(lái)增加車頂板面剛度,對(duì)車頂結(jié)構(gòu)的重量進(jìn)行重新分布,將重量向?qū)ν庥^影響大的側(cè)頂區(qū)域傾斜。如中頂板采用波紋板,車頂縱向梁可以大幅減少。通過(guò)蒙皮沖壓或輥壓鼓筋將蒙皮的薄板結(jié)構(gòu)替換為波紋板結(jié)構(gòu),在提高蒙皮剛度的同時(shí),也可實(shí)現(xiàn)蒙皮的輕量化。

以寬度70 mm、厚度2 mm的平板截面為樣件1,以寬度70 mm、波紋高度15 mm、厚度1.5 mm的波紋板截面為樣件2,示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 平板樣件和波紋板樣件

不同結(jié)構(gòu)樣件的慣性矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比1.5 mm波紋板截面和2 mm平板截面的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),雖然波紋板截面相較于平板截面厚度減小了0.5 mm,但其剛度卻顯著地提升了53.4倍,同時(shí)重量也減少了8.6%。結(jié)果證明將蒙皮的薄板結(jié)構(gòu)替換為波紋板結(jié)構(gòu),可大幅提升蒙皮的面剛度,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

表2 不同結(jié)構(gòu)樣件慣性矩計(jì)算結(jié)果

國(guó)內(nèi)外很多車輛已經(jīng)有實(shí)施先例,如：法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路Z2N型動(dòng)車組,瑞典高速擺式列車X2000動(dòng)車組,長(zhǎng)島雙層客車,香港-廣州的直通不銹鋼雙層列車中部圓頂采用了波紋板。結(jié)合國(guó)內(nèi)碳鋼車體,車頂中部區(qū)域采用波紋板結(jié)構(gòu),板厚由原來(lái)2 mm減小為1.5 mm。與此同時(shí),中頂波紋板區(qū)域不設(shè)縱梁,與既有結(jié)構(gòu)相比,車頂斷面可減少縱梁。

2.3 增加薄板支撐骨架密度

針對(duì)車頂薄板支撐骨架間距過(guò)大,局部抵抗變形能力不足的情況,可在車頂焊接變形較大區(qū)域處增加縱向梁數(shù)量。通過(guò)增加該區(qū)域薄板支撐骨架的密度,優(yōu)化薄板的邊界支撐情況,進(jìn)而有效提高車頂蒙皮的剛度。在通常情況下,對(duì)車頂樣件進(jìn)行靜壓力對(duì)比測(cè)試,結(jié)果顯示在相同位移下,增加1根補(bǔ)強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)的支撐力提升80%。

對(duì)碳鋼車頂而言,增加補(bǔ)強(qiáng)梁數(shù)量,補(bǔ)強(qiáng)梁間距由原來(lái)的600 mm左右優(yōu)化為300 mm左右。縱梁斷面尺寸由40 mm×40 mm×3 mm優(yōu)化為25 mm×50 mm×2 mm,對(duì)薄板的支撐剛度相當(dāng),但單根梁重大幅減小,單根梁質(zhì)量由大約1.3 kg優(yōu)化為0.72 kg,降幅44.6%,雖然增加補(bǔ)強(qiáng)梁數(shù)量但由于單根梁重減少,優(yōu)化前后總質(zhì)量基本不變。

2.4 零件精度提高

通過(guò)改變車頂拉彎模具結(jié)構(gòu),預(yù)制反變形,增加校平工序,提高彎梁、側(cè)頂板及中頂板等零件輪廓度、平面度和直線度等精度,彎梁輪廓度側(cè)頂處由不大于1.5 mm優(yōu)化為不大于1 mm,側(cè)頂板輪廓度由不大于2.5 mm優(yōu)化為不大于2 mm;側(cè)頂板平面度由不大于2 mm/m優(yōu)化為不大于1.5 mm/m;側(cè)頂板直線度由不大于1.5 mm/m優(yōu)化為不大于1 mm/m(見(jiàn)圖3)。并制作隨形的儲(chǔ)運(yùn)一體化工裝,防止運(yùn)輸及存放過(guò)程中尺寸回彈(見(jiàn)圖4)。

圖3 彎梁模具優(yōu)化 圖4 頂板儲(chǔ)運(yùn)工裝

2.5 組裝工藝細(xì)化

提高工裝胎具精度,車頂骨架組焊工裝精度由2 mm/3 m提升至1 mm/3 m,正裝組焊工裝邊梁直線度由2 mm/3 m提升至1 mm/3 m(見(jiàn)圖5);優(yōu)化漲拉工藝,頂板漲拉增加漲拉力監(jiān)控裝置,保證漲拉力一致性;在中頂板漲拉基礎(chǔ)上增加側(cè)頂板漲拉,提高側(cè)頂板的組裝質(zhì)量(見(jiàn)圖6)。

圖5 骨架工裝精度提升

2.6 焊接工藝優(yōu)化

將彎梁、小縱梁與車頂板的焊接方式由斷焊優(yōu)化為焊接熱輸入量較小的塞焊,如圖7所示,焊接熱輸入量由0.324 kJ/mm降低至0.256 kJ/mm。

圖7 斷焊與塞焊對(duì)比圖

根據(jù)仿真分析結(jié)果,減少應(yīng)力較小區(qū)域的焊縫數(shù)量,從而降低焊接熱輸入量,進(jìn)而有效減少因焊接所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力。

骨架與薄板搭接焊縫優(yōu)化為塞焊,采用小電流低電壓快速焊接工藝,細(xì)化焊接順序,降低熱輸入量,減少焊接變形,在同一斷面焊接熱輸入量大約6.5 kJ/mm降低至5.12 kJ/mm(見(jiàn)圖8)。

圖8 焊接順序優(yōu)化

3 仿真分析

針對(duì)前述結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施,建立仿真模型,賦予車內(nèi)外最大氣壓差值,施加氣密載荷,對(duì)比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后車體薄板變形量。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,車體薄板整體變形及骨架網(wǎng)格間蒙皮相對(duì)變形均明顯減小,上部整體變形下降56%,側(cè)頂變形下降29%,側(cè)頂局部變形下降27%,車頂板應(yīng)力下降17.4%,計(jì)算結(jié)果如表3所示,車頂計(jì)算云圖如圖9所示。

表3 車頂變形計(jì)算結(jié)果

圖9 車頂計(jì)算云圖

4 樣件試制

采用增加車體薄板支撐骨架密度優(yōu)化措施,試制全尺寸車頂樣件進(jìn)行驗(yàn)證,樣件整體區(qū)域無(wú)明顯凹坑、麻點(diǎn)現(xiàn)象,車頂平面度不大于2 mm/m,外觀效果顯著提升;同時(shí)模擬人員登頂載荷作業(yè)工況,進(jìn)行頂壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明車頂薄板無(wú)明顯變形,滿足日常登頂檢修作業(yè)使用要求(見(jiàn)圖10)。

圖10 樣件試制

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)碳鋼車體薄板焊接結(jié)構(gòu)屈曲變形現(xiàn)象的研究,分析了鐵路客車薄板屈曲變形產(chǎn)生的原因。以提高薄板剛度和降低焊接熱輸入為主要目標(biāo),在不明顯增加結(jié)構(gòu)重量前提下,從車體結(jié)構(gòu)、制造工藝方面提出相應(yīng)控制措施。

根據(jù)前述結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施,建立仿真模型,對(duì)整車氣密強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,整體變形及骨架網(wǎng)格間薄板相對(duì)變形均明顯減小,側(cè)頂圓弧部位面剛度提升明顯。

選擇車體薄板支撐骨架密度形式進(jìn)行了樣件試制,并模擬人員登頂工況進(jìn)行了車頂頂壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果滿足要求,驗(yàn)證了優(yōu)化措施的可行性。