焊接順序和反變形量對電機吊架補強焊接殘余應力與變形的影響

傅利斌，孫進發，胡文浩，楊鑫華

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028； 2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035； 3.大連市軌道交通裝備焊接結構與智能制造技術重點實驗室，遼寧 大連 116028)

0 引言

電機吊架作為高速動車組特有的懸掛驅動裝置，是使兩臺牽引電機連接起來共同組成高速動車組重要的牽引部件.隨著運行速度的不斷提升，為避免電機吊架在使用過程中過早的產生裂紋從而影響列車的使用壽命及運行安全，根據設計要求，要在原結構的蓋板與立板處進行補強焊接來提高電機吊架的使用壽命，且焊后變形需控制在0.3 mm內，保證無需二次機加工.同時在保證變形的前提下，要合理控制殘余應力范圍.而焊接過程的特殊性，使其在補焊過程中難以避免地會出現殘余應力和變形，如何有效控制焊接補強過程中產生的焊接殘余應力和變形是建立合理焊接工藝方案保證補強焊接質量的重要內容[1].

本文從有效控制焊后變形的角度出發，提出了基于不同焊接順序以及反變形量的變形控制方案，并基于熱彈塑性有限元方法，對不同補強方案下焊接變形和殘余應力情況進行仿真，通過對比，得到了合理的工藝方案[2].

1 有限元模型的建立

1.1 有限元網格模型建立

電機吊架幾何模型如圖 1所示，其中，需在立板2和上蓋板處通過筋板進行補強焊接，補強采用多層、多道焊接方式進行，筋板兩側分別焊3道，筋板端部與上蓋板處焊5道，立板2與筋板連接處焊4道.根據已有的實體模型進行網格劃分，焊縫區域網格密度大，隨著距焊縫距離的增大，網格密度逐漸減小.因為在焊接過程中，焊縫附近的溫度梯度較大，密度較大的網格能夠更好的控制模擬溫度場的形態，但考慮到計算機的計算能力與效率，距離焊縫區較遠的區域采用較大尺寸的網格[3].所建的有限元網格模型如圖 2所示.

圖1 電機吊架結構簡圖

圖2 電機吊架網格模型

為保證計算精度，本模型全部采用八節點六面體單元，在該網格模型中，共建實體單元58 786個、80 000個節點以及40 560個表面散熱單元，以及相應的焊接線、參考線等相關單元群.

1.2 電機吊機補強約束條件

約束條件的設置目的是為了保持結構的靜定，但不同工裝裝卡位置與方式會導致工件產生不同的變形和殘余應力.按照六點定位的基本原理以及工藝流程和焊接工藝要求，在補強焊接時電機吊架的約束位置如圖3所示.

圖3 電機吊架工裝約束

約束條件建模，應盡可能與實際工裝約束相一致.根據前期變形仿真結果，在機座襯套處會有Z向上超差構件變形，在這兩個方向上需施加兩個反變形約束.吊架仿真約束加載定義如圖4所示.

圖4 電機吊架模型約束加載簡圖

1.3 補強焊接順序等方案設計

本文重點在于通過不同焊接順序和反變形量對比分析，實現吊架補焊的焊接變形和焊接殘余應力的控制.因此分別設定兩種焊接順序、三種反變形量，按照排列組合的方式，設定六種研究方案，分別進行仿真模擬，研究電機吊架焊接變形和殘余應力的分布規律以獲得最佳焊接方案[4].

兩種焊接順序分別如圖5所示.

(a) 補強焊接順序一

(b) 補強焊接順序二(多次翻轉)

通過對機座襯套加載約束，以對電機吊架施加反變形量，分別為自由、0 mm反變形約束和0.5 mm反變形約束.根據以上兩種焊接順序、三種反變形設定六種仿真模擬方案，如表1所示.

表1 焊接方案

2 焊接仿真結果分析

本文基于Sysweld焊接專用仿真平臺，對表1中所述的六種焊接方案進行了仿真，并得到相應等效殘余應力結果和變形結果[5].

2.1 補強焊接變形結果

通過對電機吊架補強焊接的仿真，以方案六為例得到其整體變形結果如圖6所示.

圖6 整體變形云圖

吊架補強焊接中，要求控制上蓋板以上部分的X方向變形和Z方向變形,因此只考察吊架補強六種方案X方向變形和Z方向變形.X方向最大變形對比如圖7所示.其中X正方向為發生在B端機座襯套變形結果，X負方向為A端機座襯套變形結果.

圖7 六種方案X方向最大變形對比

六種方案X方向的最大變形均在電機吊架的機座襯套處，方案一～方案三變形在0.2 mm左右，三種方案變形相當，均小于0.3 mm，說明反變形對吊架X方向的變形影響較小.方案四～方案六的X方向變形在0.3 mm左右，方案五變形較大，為0.7 mm.其中方案一～方案三采用焊接順序1，方案四～方案六采用焊接順序2，可以看出，焊接順序1在X方向的變形小于焊接順序2.

吊架補強的六種方案中，Z方向最大變形對比如圖8所示. 其中Z正方向為發生在A端機座襯套變形結果，Z負方向為B端機座襯套變形結果.

Z方向的變形隨著不同的反變形量而變化.機座襯套處無約束時，Z向變形在0.5 mm左右；反變形為0 mm，即機座襯套處加約束時，Z向變形在0.2 mm左右；機座襯套處加反變形為0.5 mm時，Z向變形在0.01 mm左右.可以看出反變形量對電機吊架Z向變形有著明顯的影響，隨著反變形的增加，Z向變形逐漸減小，反變形量為0.5 mm時，Z向變形幾乎為0，故可以采取0.5 mm的反變形量來抵消Z向的變形.方案一～方案三和方案四～方案六在相同的反變形量下Z向變形基本相同，說明焊接順序對Z向變形影響較小.

圖8 六種方案Z方向最大變形對比

2.2 補強焊接殘余應力結果

通過對電機吊架補強焊接的仿真，以方案一為例得到其整體應力結果如圖9所示.

圖9 等效殘余應力云圖

補強焊縫共有4條，提取每條焊縫的上焊趾處的殘余應力值，通過對六種方案焊縫的殘余應力分布特點進行比較，分析焊接順序和反變形量對焊縫殘余應力的影響.四條焊縫位置如圖4所示.

首先對坐標規定如下：縱坐標為殘余應力Mises值，單位為MPa.所考察應力的焊縫不僅包括直線焊縫，還存在與三維坐標軸成不同角度的曲線焊縫.利用數學上無限分割，化曲為直的思想，即提取每個單元的邊長并求和作為橫坐標[6]，單位為(mm).四條焊縫六種方案上焊趾殘余應力分布曲線圖如圖10所示.

綜合以上圖示可以看出，在四條焊縫上焊趾應力變化中，方案一～方案三殘余應力曲線基本一致，方案四～方案六殘余應力曲線基本一致且方案一～方案三整體應力大于方案四～方案六整體應力，說明反變形量對殘余應力的影響比較小，焊接順序對殘余應力的影響起主要作用.

(a) 焊縫1

(b) 焊縫2

(c) 焊縫3

(d) 焊縫4

3 結論

本文基于數值仿真方法，研究電機吊架補強焊接的變形和殘余應力控制問題.通過對六種工藝方案的仿真及其結果分析，得出如下結論：

(1)從模型X方向的焊接變形結果來看，方案一～方案三(三種方案均采用焊接順序1，自由狀態、0 mm約束狀態、0.5 mm反變形)X方向變形變化較小，在0.2 mm左右；方案四～方案六(三種方案均采用焊接順序2，自由狀態、0 mm約束狀態、0.5 mm反變形)X方向變形變化較小，在0.4 mm左右；說明反變形量對X方向的變形影響不大，主要受焊接順序的影響且焊接順序1變形較小；

(2)從模型Z方向的焊接變形結果來看，在相同的反變形量下，采用焊接順序1與采用焊接順序2兩種方案Z方向變形基本相同，即焊接順序對模型Z方向的變形影響較小.Z向變形隨著反變形量從0～0.5 mm的增加而減小，即采用反變形能夠有效的減小模型Z方向的變形，當反變形為0.5 mm時，模型Z方向的變形為0.09 mm，反變形量0.5 mm是合適的；

(3)從模型殘余應力結果來看，反變形量對構件補強焊接的殘余應力影響比較小，焊接順序對殘余應力的影響起主要作用，焊接順序1殘余應力整體稍高于焊接順序2，兩種焊序應力峰值相當.但焊序2在實際操作時需對工件多次翻轉.

綜合考慮以上情況，焊接工藝方案三為最優方案，即采用焊接順序一，反變形為0.5 mm時(見表1)，能將焊接變形量控制在要求范圍之內，且殘余應力結果較為理想.

[1]王偉，杜永強，連滿義，等. 高速動車組電動機吊架補強板加工工裝設計[J].金屬加工，2016，14:46- 48.

[2]陳建波,羅宇,龍哲.大型復雜結構焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].焊接學報,2008(4):69- 72.

[4]YANG XINHUA，WANG CHUNSHENG，CHANG LI, et al.Numerical simulation of the welding deformation for the side sill of the bogie frame based on local-global methed [J].China welding,2007，16(4):11- 14.

[5]蘇杭,常榮輝,倪家強.基于SYSWELD的焊接模擬仿真[J].大連交通大學學報,2013,34(2):79- 82.

[6]徐琳,余昌蓮,周旭春,等.焊接變形預測的研究進展[J].機械工程師,2006(2):27- 28.