高速動車組轉(zhuǎn)向架管類工件焊接殘余應(yīng)力研究

姜 斌，宋學(xué)毅，張文朝，劉國田，魏 燦

（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

高速動車組轉(zhuǎn)向架管類工件焊接殘余應(yīng)力研究

姜 斌，宋學(xué)毅，張文朝，劉國田，魏 燦

（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

針對高速動車組轉(zhuǎn)向架管類工件焊接過程中存在的殘余應(yīng)力問題，借助先進的數(shù)值仿真技術(shù)和手段，研究不同焊接順序條件下焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，通過對計算數(shù)據(jù)的充分分析，對確定合理的工裝以及焊接變形控制方法提供理論和數(shù)據(jù)支撐依據(jù)，為構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、焊接工藝設(shè)計提供有力支持。

高速動車組；轉(zhuǎn)向架；焊接工藝；殘余應(yīng)力

0 前言

焊接技術(shù)作為軌道交通裝備制造中的重要工藝技術(shù)之一，在車體、走行、制動等部件制造中均得到廣泛應(yīng)用。焊接過程中急劇的非平衡加熱及冷卻會產(chǎn)生不可忽視的殘余應(yīng)力，這是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素[1]。科學(xué)地、定量地預(yù)測焊接殘余應(yīng)力影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上給予最優(yōu)控制，采取有針對性的措施控制焊接殘余應(yīng)力，對軌道車輛焊接構(gòu)件的完整性設(shè)計和制造工藝方法的選擇，以及運行中的安全評定都具有重要的理論價值與工程意義[2-3]。借助先進的數(shù)值仿真技術(shù)和手段，實現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確預(yù)測，可降低確定工藝參數(shù)所需試驗成本，縮短生產(chǎn)試制周期；同時可通過焊接過程仿真，為減小、控制焊接殘余應(yīng)力提供量化數(shù)據(jù)依據(jù)[4-6]。

本研究通過仿真高速動車組轉(zhuǎn)向架管類工件焊接過程，研究不同的焊接順序條件下焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，通過對計算數(shù)據(jù)的充分分析，為確定合理的工藝方法提供理論和數(shù)據(jù)支撐依據(jù)，為構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和焊接工藝設(shè)計提供了依據(jù)。

1 焊接仿真方案

1.1 幾何模型及網(wǎng)格模型的建立

以高速動車組轉(zhuǎn)向架橫梁管組成件為研究對象。其由橫梁管及兩端連接座構(gòu)成，橫梁管和連接座之間的接頭形式為管對接接頭，通過環(huán)形焊縫正反兩面焊接實現(xiàn)構(gòu)件連接。反面采用45°V型坡口，正面為U型坡口，如圖1所示。

為了提高計算的精度和效率，根據(jù)焊接過程中溫度梯度變化和焊接塑性應(yīng)變的分布，在焊縫及其附近區(qū)域用較細(xì)的網(wǎng)格、在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域用較稀疏的網(wǎng)格劃分，建立橫梁管的幾何建模。建立的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。該模型包括所有焊縫單元在內(nèi)，全部采用六面體實體單元建立，共建實體單元19080個、節(jié)點24096個。在實體單元表面，建立二維單元用于散熱，共建立表面散熱單元9 124個。

圖1 橫梁管組成示意

圖2 橫梁管組成的有限元模型

1.2 約束條件的定義

橫梁管組裝焊接中環(huán)焊縫焊接的實際工裝裝卡情況如圖3所示。在實際裝卡中，通過定位焊完成的橫梁管組成裝配件，一端通過卡盤定位，限制其在三個方向上的移動，另一端用滾輪支撐，在軸向方向可以自由收縮。焊接過程工裝帶動橫梁管轉(zhuǎn)動，并通過機械手焊接完成。

圖3 橫梁管焊接實際工裝

根據(jù)上述對實際工裝應(yīng)用情況的分析，在有限元網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上，定義焊接仿真所需的力邊界條件，如圖4所示，A端為固定端，B端為自由端。A端的點 1、2、3、4 四點分別約束 X、Y、Z三個方向的位移；點5、6為YZ面對稱點，只約束X、Y方向，使管可以沿Z方向自由伸長或者收縮。焊接仿真過程中的橫梁管不轉(zhuǎn)動，實際焊接過程的轉(zhuǎn)動通過熱的加載過程來實現(xiàn)。這樣，邊界條件的定義與實際工裝裝卡情況基本吻合。

圖4 約束條件

1.3 焊接工藝方案

對三種焊接順序方案下的殘余應(yīng)力情況進行研究。三種焊接順序方案分別定義如下：

（1）焊接順序方案1。

焊接順序方案1如圖5所示。先焊接直管與連接座的內(nèi)部焊縫，后按順序逐層焊接外側(cè)焊縫，其中內(nèi)側(cè)焊縫2與其他焊縫的方向相反。

圖5 焊接順序1

（2）焊接順序方案2。

焊接順序方案2如圖6所示，設(shè)定焊縫2與圖5所示逆向，使其與其他焊縫的焊接方向都相同。

（3）焊接順序方案3。

方案3研究正-逆交叉焊接如圖7所示，設(shè)定1、5、6道焊縫與圖5所示逆向，即焊縫層與層之間交叉焊接。

實際的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

圖7 焊接順序3

表1 主要焊接工藝參數(shù)

根據(jù)焊接工藝參數(shù)，確定每段焊縫網(wǎng)格總長度為100～120 mm。每層焊縫之間的層間溫度小于等于250℃，每層環(huán)焊縫的起弧點和收弧點應(yīng)錯開30 mm以上距離。考慮到上述結(jié)果，分組網(wǎng)格時要注意兩層焊縫的起點與終點處錯開一定的距離。

2 橫梁管組成焊接仿真及結(jié)果分析

本研究基于SYSWELD軟件平臺，實現(xiàn)了上述三種焊接順序下的焊接仿真，并得到相關(guān)結(jié)果。

整體Mises應(yīng)力分布云圖如圖8所示。三種方案的Mises應(yīng)力主要集中于焊縫區(qū)域，在焊縫部位應(yīng)力值最大，越遠(yuǎn)離焊縫應(yīng)力值越小。方案1的最大Mises應(yīng)力值為478.978 MPa，方案2的最大Mises應(yīng)力值為469.607MPa，方案3的最大應(yīng)力值為486.494MPa。

橫梁管固定端、自由端沿橫梁管徑向的Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)如表2所示。橫梁管固定端、自由端沿橫梁管徑向的Mises應(yīng)力情況如圖9、圖10所示。可以看出，應(yīng)力最大值在焊縫區(qū)域，焊趾處的應(yīng)力大于焊縫中心，且不同的焊接順序其應(yīng)力最大值也有所不同，改變焊接順序?qū)on Mises應(yīng)力值有一定影響，方案2的值比方案3的值減小約3.8%。

圖8 Mises應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

（1）橫梁管部件焊接區(qū)域存在較大的焊接殘余應(yīng)力，最大值范圍為470～490 MPa。由各點應(yīng)力分布云圖可知，焊接殘余應(yīng)力區(qū)主要分布在焊縫區(qū)域，且隨著與焊縫中心距離的增加，應(yīng)力逐漸減小。

（2）焊接順序會影響焊接殘余應(yīng)力，從Von Mises應(yīng)力方面看，并綜合考慮對焊接殘余應(yīng)力峰值及分布情況的影響、有效降低成本、提高經(jīng)濟效益等多方面因素，方案2為最佳方案。

（3）針對應(yīng)力分布曲線圖，得到了管類工件典型焊縫應(yīng)力分布規(guī)律，為轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝優(yōu)化提供了參考。

[1]汪建華.焊接變形和殘余應(yīng)力預(yù)測理論與計算——發(fā)展及應(yīng)用前景[R].上海：proceedings of the第三屆計算機在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會，2000.

[2]張鎖懷，李永春，孫軍帥.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有限元強度計算與分析[J].機械設(shè)計與制造，2000（1）：45-46.

表2 橫梁管固定端、自由端沿橫梁管徑向的Mises應(yīng)力MPa

圖9 固定端沿橫梁管徑向Mises應(yīng)力情況

圖10 自由端沿橫梁管徑向Mises應(yīng)力情況

[3]戴晴華，季鵬，殷晨波，等.焊接順序?qū)χ泻癜鍖雍笟堄鄳?yīng)力的影響[J].機械設(shè)計與制造，2011（7）：64-65.

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[6]K Masubuchi.Analysis of Welded Structures[M].Pergamon press，1980.

Research on welding residual stress of tube-workpiece for bogie of high speed EMU

JIANG Bin，SONG Xueyi，ZHANG Wenchao，LIU Guotian，WEI Can
（CRRC Tangshan Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China）

Aiming at the residual stress in the welding process for bogie of the high speed EMU，the distribution law of the welding residual stress under different welding sequence conditions is studied by means of advanced numerical simulation techniques and means.The adequately analyzed data provides strong support for determining the reasonable tooling form and the deformation control method，and for the structural optimization design and the welding process design.

high speed EMU；bogie；welding process；residual stress

TG457

A

1001-2303（2017）10-0076-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.16

本文參考文獻引用格式：姜斌，宋學(xué)毅，張文朝，等.高速動車組轉(zhuǎn)向架管類工件焊接殘余應(yīng)力研究[J].電焊機，2017，47（10）：76-79.

2017-07-30；

2017-10-02

姜 斌（1984—），男，工程師，碩士，主要從事高速動車組轉(zhuǎn)向架焊接技術(shù)研究工作。E-mail：jiangbin@tangche.com。