地鐵鋁合金地板攪拌摩擦焊焊序優化

何廣忠 ，魏詩萌 ，閆占奇 ，楊鑫華

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連116028；3.大連交通大學遼寧省軌道交通裝備焊接與可靠性重點實驗室，遼寧 大連 116028）

0 前言

鋁合金具有良好的耐蝕性和較高的比強度，廣泛應用于軌道交通車輛輕量化制造中，用于替代比強度小的傳統鋼結構[1]。6系鋁合金（Al-Mg-Si）的可塑性良好，并可經過淬火、人工時效等熱處理手段達到更高強度，常被擠壓成長約20 m、中空薄壁鋁合金型材[2-3]，采用鋁合金擠壓型材可縮減軌道車輛制造工序。隨著攪拌摩擦焊接工藝方法的日趨成熟，在生產中采用攪拌摩擦焊技術對鋁合金擠壓型材進行焊接，能夠有效提高焊接質量與制造效率[4-5]。

地鐵地板雖然不是主要承載結構，但對平面度要求嚴格，控制地板焊接變形是其生產中的主要問題[6-7]。與其他控制焊接變形的途徑相比，設計合理的焊接順序能有效減小焊后變形量，成為解決地鐵地板實際生產中焊后變形問題的主要途徑之一[8-9]。

傳統的基于物理實驗的方法確定焊接順序，不但周期長，而且會浪費大量的人力、物力，對于地板類大型焊接結構尤其如此，給焊接工藝的設計帶來很大困難，焊接數值模擬方法的出現很大程度上解決了這個問題。隨著計算機技術的快速發展，特別是有限元法（FEM）因其較高的效率和準確性成為解決大型構件焊后變形預測問題行之有效的方法。本研究針對某型號地鐵鋁合金地板攪拌摩擦焊接變形控制問題，基于收縮應變法的有限元方法和生死單元算法[10]，針對5種不同焊接順序的地鐵鋁合金地板的攪拌摩擦焊接過程進行了建模與計算，通過對不同焊序下的焊后變形進行量化對比和綜合分析，確定了優化焊接順序，以期為完善焊接工藝、控制焊后變形提供技術支持。

1 有限元模型的建立

1.1 網格模型的建立

地鐵地板模型由2塊尺寸19 110 mm×497 mm×70 mm、2塊尺寸19 110 mm×575 mm×70 mm以及1塊尺寸19 110 mm×452 mm×70 mm的地板型材依次對接而成。采用C3D8R的縮減積分對幾何體進行網格劃分，如圖1所示，模型單元總數351 972。為了保證計算精度，細化了焊縫及熱影響區的單元，并獨立分組，以便在模擬中調整焊接順序。

圖1 地板網格模型

1.2 邊界條件的定義

邊界條件的設置對仿真計算結果影響較大。邊界條件的定義應盡可能地體現實際生產過程中工裝對地板的約束關系與作用位置，如地板兩端擋塊、兩側壓爪等用來保證焊接過程的剛性約束，如圖2所示。將焊縫下的墊板與焊縫上的壓鐵簡化為z向約束，地板寬度方向的壓爪簡化為y向約束，地板長度方向的擋塊簡化為x向約束，且約束作用位置與實際工裝作用位置保持一致。

圖2 實際焊接過程中的工裝應用

1.3 材料模型的建立

采用收縮應變法計算地板焊接變形時，無需考慮溫度對材料屬性的影響，僅考慮密度、彈塑性等機械物理性能。但收縮應變的計算需要在局部模型的計算中考慮熱物理性能參數，所建立的鋁合金地板的材料模型參數如圖3所示[10]。

圖3 6005A-T6的材料屬性

采用生死單元方法模擬地板實際的拼裝及焊接過程，并體現焊接順序的變化。但在計算時，網格會在生死單元切換時發生變形，使變形后進行生死切換位置的單元產生分離，斷開的網格將嚴重影響計算精度。為此，需在生死單元切換的位置創建一種完全彈性材料。完全彈性材料的特點是只體現網格的概念，而不會對應力及變形等分析產生影響，這種材料應具有極小的密度和彈性模量。本研究設置完全彈性材料的密度為1E-17 kg/mm3、楊氏模量0.001 MPa，泊松比0.33。對于在生死單元法中需要隱藏的單元，需對其進行單元復制，并將完全彈性材料施加在復制單元上。

2 焊接工藝參數

2.1 焊接順序

焊縫位置示意如圖4所示，該地板結構上下共有8條焊縫，受實際生產中工裝條件限制，需將正面4條焊縫焊接完成后翻轉地板，才能進行背面焊縫的焊接。將8條焊縫按A～H進行編號，設計了5種焊序，如表1所示，其中方案一為當前實際生產中的焊序。

圖4 焊縫位置示意

表1 焊接順序方案

2.2 焊接工藝參數

攪拌針主要參數為：軸肩直徑20.4 mm，攪拌針上端直徑9.62 mm，攪拌針下端直徑6.9 mm，攪拌針針長4.8 mm。焊接時主軸轉速2 000 r/min，焊接速度33.3 mm/s，頂鍛力19 000 N。

3 焊接變形的模擬與結果分析

3.1 地板攪拌摩擦焊接變形的模擬

基于收縮應變法進行鋁合金地板的攪拌摩擦焊接變形模擬計算[10]。首先截取地板局部型材結構，根據攪拌針形狀和焊接工藝參數建立熱源模型及子程序，通過順序熱力耦合方法獲得地板焊接的收縮應變值。在此基礎上，結合生死單元算法，實現地板整體結構攪拌摩擦焊接過程的變形計算，獲得各焊接順序方案下的變形分布情況。焊接順序方案一下的地板焊接變形云圖如圖5所示。

圖5 焊序方案一下地板焊接變形云圖

3.2 不同焊接順序下的變形對比

由圖5可知，地板采用中空型材結構，很好地抑制了焊縫長度方向的撓曲變形，在垂直焊縫方向上，變形總體呈現中間凸兩側低的變形趨勢，這是由于焊接過程的角變形造成的。

為分析不同方案下焊接變形的情況，在地板正面沿地板長度方向選取等分的7條參考線，如圖6所示，并將其作為基準對比5種焊序方案下的垂向變形結果，從而選出最優焊接順序。5種焊序下變形結果對比如圖7所示。

圖6 參考線示意

由圖7可知，總的變形趨勢均為上凸狀，最大變形量均位于地板中部附近，并由中間向兩側逐漸減小。方案一～方案五的最大變形量分別為3.24 mm、3.17 mm、3.41 mm、3.35 mm、2.98 mm。方案三、方案四的焊后變形量最大值明顯大于其他3種方案。分析其原因：中間的兩條焊縫相鄰距離最短，很容易相互影響，單條焊縫焊后變形相互疊加，導致最大變形量位于焊縫中部位置；方案三和方案四中位于地板中間焊縫的焊接順序都靠前，而先焊接完成的焊縫會受到后續焊縫焊接的影響，故其變形最大值比其他3種方案大。

圖7 5種焊接順序下焊后變形對比

除靠近焊接起始端的參考線以外，其他參考線上的焊后變形量分布基本相近，且方案五相較其他幾種方案，變形量的分布狀態更為平穩，波動最小。與其他方案對比后可知，在焊接背面焊道時，應先焊接中部的兩條焊縫，能有效減小焊接變形量。從焊后變形量大小與分布狀態等因素綜合考慮，方案五的焊接順序更為合理，可有效地降低焊接變形量。

4 結論

（1）在現有工裝條件下，設計了5種焊接順序并利用生死單元技術完成對有中空結構的地鐵地板有限元計算。5種焊接順序焊后最大變形量分別為3.24 mm、3.17 mm、3.41 mm、3.35 mm和2.98 mm。

（2）5種焊序方案變形趨勢基本一致，但變形量分布和大小與焊接順序密切相關，焊接順序設計越對稱，效果越好；在焊接背面焊道時，應先焊內側，后焊外側。

（3）綜合比較5種焊序，在相同的焊接參數下方案五的變形量小于其他焊序方案，故從控制變形的角度考慮該方案為最優焊序方案。