隨焊激冷法控制高速列車地板焊接變形的數(shù)值模擬

韓德成，陳東方，張鐵浩，劉雪松，路　浩，陶傳琦

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

隨焊激冷法控制高速列車地板焊接變形的數(shù)值模擬

韓德成1，陳東方1，張鐵浩1，劉雪松2，路浩1，陶傳琦1

（1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

利用非線性有限元分析軟件MSC.Marc模擬空冷及不同隨焊激冷措施下高速列車地板結(jié)構(gòu)的焊接變形及溫度場。模型中使用母材和填充材料的動態(tài)特性參量，采用移動雙橢球熱源模型進行計算，結(jié)果表明隨焊激冷措施對近縫區(qū)的溫度場的干涉作用明顯，焊接時可有效降低峰值溫度和熱影響區(qū)寬度。此外隨焊激冷措施對較小角變形、縱向撓曲變形也有一定效果，對離焊縫中心較近及較遠處的溫度場同時進行控制的隨焊激冷方案可使焊后的縱向撓曲變形減小近一半。

隨焊激冷；高速列車地板；焊接變形

0　前言

高速列車地板結(jié)構(gòu)廣泛使用6N01S鋁合金中空擠壓型材，主要采用MIG焊進行焊接，焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形使得焊后的調(diào)修工作量較大，對產(chǎn)品廢品率有很大影響。因此控制焊接變形一直是高速列車地板生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵問題[1-3]。

隨焊激冷方案基于控制溫度場和熱輸入量原理，通過對特定區(qū)域?qū)嵤├鋮s介質(zhì)調(diào)控焊接溫度場，將電弧周圍工件上特定高溫區(qū)控制在預(yù)定分布范圍內(nèi)，削弱不均勻的焊接溫度場所帶來的負面影響，從而有效地降低殘余應(yīng)力、減小變形，對減小薄板的壓曲失穩(wěn)變形有良好的效果[4-6]。

與常規(guī)方法周期長、成本高相比，數(shù)值模擬在焊后變形規(guī)律研究方面具有一定的優(yōu)勢，并可為實際生產(chǎn)過程提供理論依據(jù)[7-10]。本研究利用非線性有限元軟件MSC.Marc，使用數(shù)值模擬的方法研究不同的焊后激冷方案對高速列車地板變形及殘余應(yīng)力的影響，并據(jù)此提出最佳的焊后激冷措施。

1　有限元分析模型的建立

1.1網(wǎng)格劃分

高速列車車體地板結(jié)構(gòu)由7塊6N01S-T5鋁合金擠壓型材經(jīng)MIG焊拼焊而成，型材寬度430 mm，長度約25 m，型材正面厚度3 mm，底面厚度2.5 mm。對兩塊板拼焊過程中的變形及殘余應(yīng)力進行模擬，根據(jù)實際的地板型材焊接接頭的形狀建模，在模型網(wǎng)格劃分的過程中采用疏密過渡的方法，在焊縫及其附近區(qū)域進行了網(wǎng)格細分，而在離焊縫較遠處劃分較粗，網(wǎng)格劃分如圖1所示。幾何模型的地板長1 200 mm，網(wǎng)絡(luò)模型采用三維實體模型，單元采用八節(jié)點六面體類型，單元數(shù)為72 552，節(jié)點數(shù)為98 865。

圖1　地板結(jié)構(gòu)的有限元模型

1.2材料特性參數(shù)

模型材料為6N01S-T5鋁合金，填充材料為SAF ER5356焊絲，材料的力學(xué)性能參數(shù)和熱物理性能參數(shù)對模擬結(jié)果的精度影響明顯，因此需要考慮6N01鋁合金和焊絲SAF ER5356的動態(tài)熱物理性能參數(shù)，如圖2所示。母材6N01鋁合金和焊絲ER5356均設(shè)定為各向同性，泊松比0.283，質(zhì)量密度2 730 kg/m3。

圖2　6N01和ER 5356的材料參數(shù)

1.3隨焊激冷方案及焊接工藝參數(shù)

本研究中在焊炬后面附加一個冷源以強化對流傳熱，使常規(guī)焊的溫度場產(chǎn)生畸變。緊隨熱源的熱沉在焊接過程中產(chǎn)生一個溫度低谷，使溫度峰值與低谷之間的平均溫度梯度達到400～900℃/cm，平均冷卻速度達到125～300℃/s，減小焊件的HAZ區(qū)變小，削弱不均勻的焊接溫度場帶來的負面影響。溫度低谷的局部激冷拉伸作用抵消了焊縫區(qū)的一部分壓縮塑性變形，有效地降低了接頭的殘余應(yīng)力和變形，尤其是薄板的壓曲失穩(wěn)變形。

根據(jù)上述原理和方式，模擬了三種隨焊激冷方案：第一種方案是地板結(jié)構(gòu)在空冷狀態(tài)下的角變形；第二種方案是隨焊控制焊趾兩側(cè)10 mm以外的溫度場；第三種方案是隨焊控制焊趾兩側(cè)5 mm以外及焊縫中心左右各20 mm的溫度場，通過強對流交換使得溫度控制在30℃以下。本研究的實現(xiàn)主要是通過二次開發(fā)子程序UFILM.f來控制焊接熱影響區(qū)及近縫區(qū)的對流交換系數(shù)，進而實現(xiàn)對焊接高溫區(qū)的限制，并進一步限制了正反面焊縫的塑性變形區(qū)尺寸。

焊接采用99.999％氬氣保護，氣體流量40 L/min，焊接電流205～215 A，電弧電壓21～23 V，焊接速度70～75 cm/min。采用移動的雙橢球熱源模型來模擬MIG焊熱源，熱輸入3 973 J/cm。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1不同方案下的溫度場

由于三種方案下不同位置處的焊接交換情況不一樣，并由此對焊接溫度場進行控制，圖3給出了三種冷卻方式下焊接溫度場的云圖，云圖中顯示的溫度為25℃～700℃。圖3分別是三種方案下的溫度場，可看出空冷時6N01鋁合金型材地板結(jié)構(gòu)溫度場有很長的“拖尾”，熱影響區(qū)比較大，而采用隨焊激冷干涉措施后溫度分布很集中。

圖3　不同方案下的溫度場

圖4給出電弧后側(cè)24 mm處近縫區(qū)垂直焊縫方向上不同位置的溫度分布。方案二和方案三焊縫的最高溫度相同，兩者在溫度分布上差別很小，空冷條件下溫度梯度明顯小于采用隨焊激冷的研究方案，此外空冷條件下，熱影響區(qū)的寬度明顯大于隨焊激冷條件下熱影響區(qū)寬度。空冷條件下冷卻速度比較慢，峰值溫度為513℃，而采用隨焊激冷的溫度場峰值溫度約為320℃。

圖4　不同方案下近縫區(qū)的溫度場

2.2不同方案下的焊后變形

MIG焊加熱時近縫區(qū)的金屬由于熱作用會產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變，焊后冷卻時又會受到拉伸作用。冷卻至室溫時，焊縫附近的塑性變形在型材厚度方向上的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致橫向角變形產(chǎn)生，各角變形的積累將使焊后地板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的橫向撓曲變形。對比不同方案下的橫向撓曲變形大小可在一定程度上反映角變形大小。三種方案下產(chǎn)生的橫向撓曲變形如圖5所示，實際生產(chǎn)中焊縫的冷卻采用空冷方式，焊接變形數(shù)據(jù)如圖5所示。可看出方案一數(shù)值模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)中基本相同，三種方案均出現(xiàn)在板材厚度方向上的V字形角變形，兩種隨焊激冷方案下角變形大小相差不大，但比空冷條件下的角變形小，這是因為溫度低谷的局部極冷拉伸作用抵消了焊縫區(qū)的一部分壓縮塑性變形。但從數(shù)值來看隨焊激冷兩個方案對角變形的控制效果不夠明顯。

圖5　三種方案下的橫向撓曲變形

此外，縱向的長焊縫在焊接過程中也會產(chǎn)生縱向的壓縮塑性應(yīng)變，由于中性軸位于焊縫下方，產(chǎn)生的壓縮塑性變形將導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)中性軸以上部分發(fā)生收縮，呈現(xiàn)出沿著結(jié)構(gòu)縱向的撓曲變形，根據(jù)模擬后的結(jié)果提取地板兩側(cè)端部的縱向撓曲變形量如表1所示。

表1　三種方案下的縱向撓曲變形

由表1可知，實際生產(chǎn)中、方案一和方案二條件下的地板結(jié)構(gòu)焊后縱向撓曲變形相差不大，而方案三中縱向撓曲變形僅為上述兩種方案的一半。根據(jù)模擬結(jié)果可知，三種方案中最優(yōu)的方案為隨焊控制焊趾兩側(cè)5 mm以外和焊縫中心左右各20 mm的溫度場，通過強對流交換將溫度控制在較低水平。

3　結(jié)論

（1）隨焊激冷措施對近縫區(qū)的溫度場的干涉作用明顯，焊接時可有效降低峰值溫度和熱影響區(qū)寬度。

（2）隨焊激冷措施可減小焊后的角變形及縱向撓曲變形，對縱向撓曲變形的控制效果明顯，但對角變形控制效果較小。

（3）相對于隨焊控制離焊縫較近處的溫度場，對離焊縫中心較近及較遠處的溫度場同時進行控制的隨焊激冷方案更能有效降低焊后的縱向撓曲變形，可使縱向撓曲變形減小近一半。

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Numerical simulation on controlling high-speed train floor welding deformation by means of welding with chilling

HAN Decheng1，CHEN Dongfang1，ZHANG Tiehao1，LIU Xuesong2，LU Hao1，TAO Chuanqi1
（1.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Haerbin 150001，China）

The numerical simulation，which studied welding deformation and temperature field of high-speed train floor with different way of welding chilling，was carried out by MSC.Marc，a kind of non-linear finite element soft.Temperature dependent property parameters of material and moving double ellipsoid heat source model were used in the simulation.The results showed that welding chilling，which efficiently decreased peak temperature and width of HAZ，played a vital role in temperature field near welding zone. In addition，welding with chilling had some success in preventing angular distortion and longitudinal flexure deformation.In the scheme of welding chilling，which controlled temperature field both nearer and farer the center of welding，longitudinal flexure deformation reduced by half nearly.

welding chilling；high-speed train aluminum alloy floor；weld deformation

TG404

A

1001－2303（2016）02－0074-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.16

2015－02－03；

2015－03－20

“十一五”國家科技支撐計劃高速列車車體技術(shù)項目（2009BAG12A04-B04）

韓德成（1979—），男，黑龍江雙城人，高級工程師，在讀碩士，主要從事鋁合金焊接工藝研究和管理工作。