動車組鋁合金車體側墻外側焊縫火焰調修原理淺析

付 宇

（南車青島四方機車車輛有限公司，山東 青島266111）

動車組鋁合金車體側墻采用型材拼接組焊工藝制造[1~3]。側墻生產使用專用組焊胎位，所用型材吊運至正面組焊胎位完成拼接并對其外輪廓度進行測量。正常情況下，側墻經過正、反面自動焊組焊工藝后外輪廓度可以滿足設計要求。但是由于型材來料尺寸、型材拼接間隙、工裝限位以及焊接變形等綜合原因，個別制造出的側墻的外側焊縫及其熱影響區位置會出現變形的情況。為此，需要使用火焰調修的方法，對側墻外側輪廓度進行調修。基于數值模擬研究具有研究周期短，投入少，安全等特點，模擬現實生產產品的狀態，采用有限元模擬分析的方法對側墻調修的變形規律進行分析。

1 側墻輪廓度調修工藝

1.1 調修方法的選擇

由于側墻型材以及側墻拼接后的結構特點，側墻外側焊縫位置變形的調修方法采用加熱矯正法。

加熱矯正法是采用氧氣和丙烷火焰加熱，利用材料在局部加熱后通過水冷卻而形成的局部收縮，達到矯正焊接變形的目的。根據側墻焊縫區域的變形特點，火焰加熱方式選用線狀加熱法對焊縫凹陷區域進行加熱，即火焰沿著直線方向慢慢移動或同時做橫向擺動，形成一個加熱帶的方式。

1.2 調修工藝參數

動車組鋁合金車體側墻型材材質為A6N01，熱處理狀態為T5，因此，選取的工藝參數如表1所示。

表1 側墻調修加熱溫度及加工溫度

2 調修變形原理分析

2.1 有限元模型的建立

在實際生產中，當側墻外側焊縫區域出現變形時，可以通過對相應焊縫位置進行加熱后水冷的方法進行調修。截取如圖1所示單元對側墻自動焊縫進行加熱變形分析，A側為側墻外側，B側為側墻內側。

圖2 動車組鋁合金側墻自動焊縫

根據現車型材結構特點，可將其斷面視其為桁架連接組合結構，將其進行簡化，構建有限元分析模型，如圖2所示。

圖3 有限元分析模型

2.2 有限元仿真模擬計算及變形分析

使用ANSYS軟件對建立模型進行有限元分析，仿真過程采取先加熱后快速冷卻至設定溫度的方式模擬實際調修情況。采用面熱源加熱，溫度設定為200℃（低于鋁合金固相線溫度），對如圖3（a）中所示位置進行加熱。圖3為仿真模擬加熱步驟完成后狀態。

圖3 模型完成加熱步驟后變形狀態

從圖3中可以看出，鋁合金在加熱后由于熱脹發生了明顯的變形。同時Y軸方向兩根立筋同樣受熱膨脹。由于立筋在Y軸負方向上的變形量大于加熱B側腹板的Y軸負方向的變形量，并且，模型兩端剛性固定，應力在X軸方向上得不到有效釋放，因此使得兩根立筋受到了壓應力的作用。由圖3（a）中可以看出，由于應力的傳遞，立筋對模型未加熱A側平板起到了“上頂”的效果。當完成加熱過程后，將模型快速冷卻至20℃，其作用是模擬實際工作中水冷效果。

由于快速冷卻，原高溫膨脹位置產生強烈收縮。B側平板是收縮變形的主要發生區域。同樣，立筋受熱影響作用同樣發生冷卻收縮，并且兩者在Y軸方向的變形均為正方向。由于變形量差異的原因，在冷卻過程中，立筋再次受到了壓應力的作用，致使A側平板受到壓應力作用而產生變形。

由于桁架結構主要承受拉、壓應力，模型在加熱變形過程中斜筋對于Y軸方向的變形影響很小。因此，可以看出，對于此類結構的模型，在單側采用低溫加熱后快速冷卻的方法，可以使其相對面發生與加熱方向相同的變形趨勢。

3 結束語

在實際生產中，側墻的外側焊縫及其熱影響區位置如果出現下凹變形的情況，需要對其對應位置的內側焊縫實施火焰加熱調修；相反，如果出現上凸變形的情況，則需要對上凸的側墻外側焊縫進行火焰加熱調修。通過ANSYS仿真模擬軟件對側墻焊縫位置模型進行模擬分析，模擬現車生產中火焰調修時型材的變形趨勢，模擬結果符合現場工藝實施的實際情況。因此，對于生產中使用的加工工藝，輔助ANSYS、SYSWELD、ABAQUS等仿真模擬軟件進行數值模擬，可以更有效地觀察、分析現實中無法確定的應力及應變情況，從而有效地改進工藝方法，指導生產。

[1]錢仲侯.高速鐵路概論[M].北京：中國鐵道出版社，1999.