時(shí)速400 km動(dòng)車組車體側(cè)墻焊接模擬仿真及變形控制研究

王亞男

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

高速列車制造是高鐵事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外高速列車車體主要是由鋁合金型材拼焊而成[1]。鋁合金熱膨脹系數(shù)較大，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形，且在提速與減重的需求下，對鋁合金型材的壁厚進(jìn)行減薄設(shè)計(jì)會(huì)進(jìn)一步增加焊接過程中的變形收縮，對拼焊后的車輛尺寸造成很大的影響[2-4]。本研究對時(shí)速400 km鋁合金車體側(cè)墻部件進(jìn)行焊接變形與控制研究。為降低實(shí)際焊接試驗(yàn)帶來的工藝損耗，采用焊接模擬仿真計(jì)算與實(shí)際焊接試驗(yàn)相結(jié)合的方法，使用法國ESI公司開發(fā)的焊接專用數(shù)值模擬軟Weld-Planner進(jìn)行計(jì)算[5]，并對比模擬結(jié)果與實(shí)際焊接結(jié)果，以測試模擬仿真準(zhǔn)確度以及分析與控制焊接變形。

1 試驗(yàn)方法

1.1 車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)組成

時(shí)速400 km動(dòng)車組車體側(cè)墻由5塊6系鋁合金型材拼焊而成，正反各4道焊縫。側(cè)墻結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，為滿足提速減重要求，型材壁厚為2.8～3.5 mm，此結(jié)構(gòu)的側(cè)墻在拼焊過程中將產(chǎn)生較大變形。

圖1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Side wall structure

1.2 焊接模擬仿真

建立長4 mm的側(cè)墻模型，抽取中面后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高計(jì)算精度，在焊縫處以及靠近焊縫的熱影響區(qū)位置采用細(xì)化網(wǎng)格的方式，網(wǎng)格最小單元設(shè)定1 mm。為減小計(jì)算量，在遠(yuǎn)離焊縫的母材位置使用大網(wǎng)格劃分[6-7]，最大單位為10 mm，在一塊型材上采用網(wǎng)格密度漸變方法，越靠近焊縫網(wǎng)格密度越大，最終劃分網(wǎng)格數(shù)量為658 104個(gè)，如圖2所示。

圖2 側(cè)墻網(wǎng)格示意Fig.2 Grid diagram of side wall

模擬仿真分3組進(jìn)行，仿真設(shè)置對比條件如表1所示。第一組在模擬時(shí)只設(shè)置一處固定節(jié)點(diǎn)，目的是模擬焊接過程中的無專用工裝狀態(tài)，觀察側(cè)墻的焊接變形趨勢及變形量大小。第二組模擬在工裝夾具固定下的側(cè)墻焊接變形趨勢及變形量大小，工裝夾具的固定位置與實(shí)際焊接過程中固定位置一致。4 mm長的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b夾點(diǎn)為4處，左右兩側(cè)各兩處。第一組和第二組的對比分析專用工裝夾具對側(cè)墻焊接變形的影響如圖3所示。在實(shí)際焊接過程中因生產(chǎn)效率的需要通常采用雙臂機(jī)械手同時(shí)焊接兩道焊縫，第一組和第二組試驗(yàn)采用兩道焊縫同時(shí)焊接的方式，第三組模擬試驗(yàn)則模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中的異常，在一個(gè)機(jī)械手臂損壞的條件下使用單機(jī)械手臂進(jìn)行作業(yè)的情況，即每一道焊縫單獨(dú)進(jìn)行焊接，對比觀察第二組與第三組的變形趨勢和變形量的不同。第二組與第三組的焊接順序示意如圖4所示。

表1 模擬作業(yè)條件對照Table 1 Simulation condition

圖3 裝夾條件示意Fig.3 Clamp condition diagram

焊接模擬試驗(yàn)完畢后，根據(jù)結(jié)果分析進(jìn)行側(cè)墻實(shí)物焊接試驗(yàn)，以對比模擬仿真結(jié)果與實(shí)際焊接結(jié)果的差異性，并確定反變形方式和反變形量。

2 模擬仿真結(jié)果分析

模擬仿真使用Weld-Planner進(jìn)行，首先導(dǎo)入劃分好的側(cè)墻網(wǎng)格模型，然后提取出模型中所有焊縫。根據(jù)實(shí)際設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，材料屬性為Al-Mg-Si，電弧作用平均寬度為5mm，裝夾方向?yàn)閁X→UY→UZ，焊接順序按照1.2節(jié)中的分組進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖4 焊接順序示意Fig.4 Welding sequence diagram

計(jì)算完成后查看結(jié)果，第一組試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。側(cè)墻在無專用工裝狀態(tài)下變形趨勢為向正面翹曲，局部呈現(xiàn)波浪彎曲，且隨著焊接的前進(jìn)，翹曲越來越大，波浪彎曲也越來越嚴(yán)重。在焊縫收弧位置焊接變形量達(dá)到最大，為13 mm。第二組試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，側(cè)墻變形呈現(xiàn)中間向反面拱的均勻圓弧形，最大變形量為5.125 mm，分布在最中間型材上，靠近最開始焊接的兩道焊縫，這是由于先焊接的焊縫周圍約束較小，收縮移動(dòng)自由，焊接變形較大，后焊接的焊縫受到其他焊完焊縫的約束，收縮受到限制，變形減小。而在焊縫前進(jìn)方向上，側(cè)墻變形量大小一致，沒有呈現(xiàn)明顯的增加或減小趨勢，這主要是由于工裝壓緊的作用，工裝在焊縫前進(jìn)方向上固定點(diǎn)均勻分布，導(dǎo)致焊后變形量均勻一致。

截取斷面上的點(diǎn)進(jìn)行變形量分析，截取位置如圖7所示，自上而下選取9個(gè)點(diǎn)，序號為1～9（圓圈標(biāo)記位置），第一組與第二組試驗(yàn)變形量的對比如圖8所示，工裝夾具固定可以有效降低焊接變形，變形最大處變形量降低60.6%。使用工裝夾具對上型材與下型材進(jìn)行固定夾緊可以使焊接變形呈現(xiàn)對稱的拱形圓弧，且在焊接進(jìn)行方向上變形量均勻。無專用工裝狀態(tài)下的焊接變形大小不均勻，規(guī)律不明顯，波浪彎曲嚴(yán)重。

圖5 第一組模擬計(jì)算結(jié)果Fig.5 First set of simulation results

圖6 第二組模擬計(jì)算結(jié)果Fig.6 Second set of simulation results

第三組試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，側(cè)墻焊接變形與第二組形狀相似，為中間向正面拱起呈圓弧狀，在焊縫前進(jìn)方向上變形均勻。最大變形量為6.12 mm，但變形最大位置較第二組試驗(yàn)有所偏移，更靠近第一道焊縫位置，分布在第二塊型材上。這是由于先焊接的焊縫周圍無其他焊縫的固定，變形相對較大，后焊接的焊縫周圍已有其他焊縫的固定，變形較小。第三組的變形量略大于第二組，最大變形量增加19.4%。由圖8可知，雙機(jī)械手臂同時(shí)作業(yè)相比于單機(jī)械手臂作業(yè)產(chǎn)生的焊接變形形狀更對稱，變形量更小。

圖7 測量點(diǎn)位置示意Fig.7 Position map of measuring point

圖8 模擬變形量結(jié)果Fig.8 Result of the simulated deformation

對比3組試驗(yàn)結(jié)果可知，在第二組模擬試驗(yàn)，即使用工裝夾具在上型材與下型材進(jìn)行裝夾，并采用兩道焊縫對稱同時(shí)焊接的條件下，獲得的側(cè)墻焊接變形量最小，焊后彎曲形狀更規(guī)則，最大變形發(fā)生在中間的窗間型材，最大變形量5.13 mm，兩側(cè)對稱逐漸減小，有利于預(yù)先進(jìn)行反變形制作。

3 側(cè)墻實(shí)物焊接試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

根據(jù)前述焊接模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果對長度4 m的側(cè)墻實(shí)物進(jìn)行焊接，采用第二組模擬試驗(yàn)的裝夾條件與焊接順序，如圖10所示，對上下型材進(jìn)行裝夾，使用雙臂機(jī)械手同時(shí)作業(yè)。

圖9 第三組模擬計(jì)算結(jié)果Fig.9 Third set of simulation results

圖10 側(cè)墻實(shí)物焊接過程示意Fig.10 Welding process diagram of side wall

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

側(cè)墻焊接后變形形狀如圖11所示。側(cè)墻整體向反面拱起，與側(cè)墻自身的外形弧度相反，中間型材拱起最大，向兩側(cè)逐漸減小，與模擬仿真試驗(yàn)得到的焊接變形方向一致。對變形量進(jìn)行測量，測量點(diǎn)位置選取如圖7所示，測量方法如圖12所示，制作專用樣板，樣板與側(cè)墻外弧的理論間隙為10 mm，變形后通過測量實(shí)際間隙值來判定實(shí)物變形量，測量結(jié)果如圖13所示。實(shí)際焊接變形量與模擬計(jì)算結(jié)果接近一致，偏差在0.5 mm以內(nèi)。這說明焊接模擬仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確，應(yīng)用參考價(jià)值較高。

圖11 側(cè)墻實(shí)物焊接變形示意Fig.11 Deformation of side wall in physical welding

圖12 測量實(shí)物焊接變形示意Fig.12 Diagram of measuring welding deformation

3.3 反變形預(yù)制

根據(jù)模擬仿真計(jì)算與實(shí)際焊接試驗(yàn)得到的側(cè)墻焊接變形結(jié)果進(jìn)行有針對性的焊前反變形預(yù)制，反變形方向設(shè)置與實(shí)際變形方向相反，具體實(shí)現(xiàn)方法為在工裝夾具上增加反變形墊板，如圖14所示。側(cè)墻組焊之前落入臺位，在與側(cè)墻內(nèi)側(cè)理論弧面形狀一致的支撐裝置上安裝反變形墊板，墊板厚度即為反變形量，由中間向兩側(cè)逐漸降低，與焊接變形量趨勢保持一致。反變形預(yù)制后使用壓緊和側(cè)頂緊裝置進(jìn)行裝夾，后進(jìn)行焊接。

圖13 模擬與實(shí)際焊接變形量對比Fig.13 Comparison of deformation between simulated and actual welding

焊后的側(cè)墻變形量減小，最大變形量1.5 mm。反變形后變形量與反變形前的變形量對比如圖15所示?？梢钥闯?，焊前預(yù)制反變形可有效降低焊后變形量，焊前預(yù)制反變形最大6mm，反變形量分布為2 mm，4 mm，6 mm，4 mm，2 mm 時(shí)，焊后變形可達(dá)到1.5 mm。

圖14 側(cè)墻反變形預(yù)制示意Fig.14 Reverse deformation map of side wall

圖15 反變形前后焊接變形量對比Fig.15 Comparison of welding deformation before and after reverse deformation

4 結(jié)論

（1）使用有限元對時(shí)速400 km側(cè)墻模型進(jìn)行焊前模擬仿真計(jì)算，結(jié)果顯示雙機(jī)械手臂同時(shí)焊接且有專用工裝裝夾的情況下焊接變形量最小，變形呈以中間型材為中心向兩側(cè)逐漸減小的對稱圓弧，且沿焊縫前進(jìn)方向，變形量保持一致，無明顯變化，變形量最大為5.13 mm。

（2）在雙機(jī)械手臂、有均勻分布的專用工裝裝夾的條件下焊接側(cè)墻實(shí)物，試驗(yàn)結(jié)果的變形方向及趨勢與模擬計(jì)算結(jié)果一致，變形量與模擬結(jié)果近似一致，偏差0.5 mm以內(nèi)，變形量最大為5.5 mm。使用有限元軟件對焊接過程進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際吻合，具有較高的應(yīng)用參考價(jià)值。

（3）通過組焊前在工裝支撐裝置上安裝反變形墊板的方式進(jìn)行焊前反變形預(yù)制可有效降低焊后變形，當(dāng)墊板厚度分布即焊前反變形量最大為6 mm，反變形量分布為2 mm，4 mm，6 mm，4 mm，2 mm時(shí)，焊后變形可達(dá)到1.5 mm。