高速动车组转向架管类工件焊接残余应力研究
2017-12-22宋学毅张文朝刘国田
姜 斌，宋学毅，张文朝，刘国田，魏 灿
（中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035）
高速动车组转向架管类工件焊接残余应力研究
姜 斌，宋学毅，张文朝，刘国田，魏 灿
（中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035）
针对高速动车组转向架管类工件焊接过程中存在的残余应力问题，借助先进的数值仿真技术和手段，研究不同焊接顺序条件下焊接残余应力的分布规律，通过对计算数据的充分分析，对确定合理的工装以及焊接变形控制方法提供理论和数据支撑依据，为构架结构优化设计、焊接工艺设计提供有力支持。
高速动车组；转向架；焊接工艺；残余应力
0 前言
焊接技术作为轨道交通装备制造中的重要工艺技术之一，在车体、走行、制动等部件制造中均得到广泛应用。焊接过程中急剧的非平衡加热及冷却会产生不可忽视的残余应力，这是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素[1]。科学地、定量地预测焊接残余应力影响规律，并在此基础上给予最优控制，采取有针对性的措施控制焊接残余应力，对轨道车辆焊接构件的完整性设计和制造工艺方法的选择，以及运行中的安全评定都具有重要的理论价值与工程意义[2-3]。借助先进的数值仿真技术和手段，实现焊接残余应力的准确预测，可降低确定工艺参数所需试验成本，缩短生产试制周期；同时可通过焊接过程仿真，为减小、控制焊接残余应力提供量化数据依据[4-6]。
本研究通过仿真高速动车组转向架管类工件焊接过程，研究不同的焊接顺序条件下焊接残余应力的分布规律，通过对计算数据的充分分析，为确定合理的工艺方法提供理论和数据支撑依据，为构架结构优化设计和焊接工艺设计提供了依据。
1 焊接仿真方案
1.1 几何模型及网格模型的建立
以高速动车组转向架横梁管组成件为研究对象。其由横梁管及两端连接座构成，横梁管和连接座之间的接头形式为管对接接头，通过环形焊缝正反两面焊接实现构件连接。反面采用45°V型坡口，正面为U型坡口，如图1所示。
为了提高计算的精度和效率，根据焊接过程中温度梯度变化和焊接塑性应变的分布，在焊缝及其附近区域用较细的网格、在远离焊缝区域用较稀疏的网格划分，建立横梁管的几何建模。建立的有限元网格模型如图2所示。该模型包括所有焊缝单元在内，全部采用六面体实体单元建立，共建实体单元19080个、节点24096个。在实体单元表面，建立二维单元用于散热，共建立表面散热单元9 124个。
图1 横梁管组成示意
图2 横梁管组成的有限元模型
1.2 约束条件的定义
横梁管组装焊接中环焊缝焊接的实际工装装卡情况如图3所示。在实际装卡中，通过定位焊完成的横梁管组成装配件，一端通过卡盘定位，限制其在三个方向上的移动，另一端用滚轮支撑，在轴向方向可以自由收缩。焊接过程工装带动横梁管转动，并通过机械手焊接完成。
图3 横梁管焊接实际工装
根据上述对实际工装应用情况的分析，在有限元网格模型基础上，定义焊接仿真所需的力边界条件，如图4所示，A端为固定端，B端为自由端。A端的点 1、2、3、4 四点分别约束 X、Y、Z三个方向的位移；点5、6为YZ面对称点，只约束X、Y方向，使管可以沿Z方向自由伸长或者收缩。焊接仿真过程中的横梁管不转动，实际焊接过程的转动通过热的加载过程来实现。这样，边界条件的定义与实际工装装卡情况基本吻合。
图4 约束条件
1.3 焊接工艺方案
对三种焊接顺序方案下的残余应力情况进行研究。三种焊接顺序方案分别定义如下：
（1）焊接顺序方案1。
焊接顺序方案1如图5所示。先焊接直管与连接座的内部焊缝，后按顺序逐层焊接外侧焊缝，其中内侧焊缝2与其他焊缝的方向相反。
图5 焊接顺序1
（2）焊接顺序方案2。
焊接顺序方案2如图6所示，设定焊缝2与图5所示逆向，使其与其他焊缝的焊接方向都相同。
（3）焊接顺序方案3。
方案3研究正-逆交叉焊接如图7所示，设定1、5、6道焊缝与图5所示逆向，即焊缝层与层之间交叉焊接。
实际的焊接工艺参数如表1所示。
图7 焊接顺序3
表1 主要焊接工艺参数
根据焊接工艺参数，确定每段焊缝网格总长度为100～120 mm。每层焊缝之间的层间温度小于等于250℃，每层环焊缝的起弧点和收弧点应错开30 mm以上距离。考虑到上述结果，分组网格时要注意两层焊缝的起点与终点处错开一定的距离。
2 横梁管组成焊接仿真及结果分析
本研究基于SYSWELD软件平台，实现了上述三种焊接顺序下的焊接仿真，并得到相关结果。
整体Mises应力分布云图如图8所示。三种方案的Mises应力主要集中于焊缝区域，在焊缝部位应力值最大，越远离焊缝应力值越小。方案1的最大Mises应力值为478.978 MPa，方案2的最大Mises应力值为469.607MPa，方案3的最大应力值为486.494MPa。
横梁管固定端、自由端沿横梁管径向的Mises应力数据如表2所示。横梁管固定端、自由端沿横梁管径向的Mises应力情况如图9、图10所示。可以看出，应力最大值在焊缝区域，焊趾处的应力大于焊缝中心，且不同的焊接顺序其应力最大值也有所不同，改变焊接顺序对Von Mises应力值有一定影响，方案2的值比方案3的值减小约3.8%。
图8 Mises应力云图
3 结论
（1）横梁管部件焊接区域存在较大的焊接残余应力，最大值范围为470～490 MPa。由各点应力分布云图可知，焊接残余应力区主要分布在焊缝区域，且随着与焊缝中心距离的增加，应力逐渐减小。
（2）焊接顺序会影响焊接残余应力，从Von Mises应力方面看，并综合考虑对焊接残余应力峰值及分布情况的影响、有效降低成本、提高经济效益等多方面因素，方案2为最佳方案。
（3）针对应力分布曲线图，得到了管类工件典型焊缝应力分布规律，为转向架产品结构设计和工艺优化提供了参考。
[1]汪建华.焊接变形和残余应力预测理论与计算——发展及应用前景[R].上海：proceedings of the第三届计算机在焊接中的应用技术交流会，2000.
[2]张锁怀，李永春，孙军帅.地铁车辆转向架构架有限元强度计算与分析[J].机械设计与制造，2000（1）：45-46.
表2 横梁管固定端、自由端沿横梁管径向的Mises应力MPa
图9 固定端沿横梁管径向Mises应力情况
图10 自由端沿横梁管径向Mises应力情况
[3]戴晴华，季鹏，殷晨波，等.焊接顺序对中厚板对接焊残余应力的影响[J].机械设计与制造，2011（7）：64-65.
[4]Y Ueda，T Yamakawa.Analysis of Thermal Elastic-Plastic Stress and Strain during Welding[J].Trans Japan Welding Soc.，1971，2（2）：90-100.
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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
本文参考文献引用格式：姜斌，宋学毅，张文朝，等.高速动车组转向架管类工件焊接残余应力研究[J].电焊机，2017，47（10）：76-79.
2017-07-30；
2017-10-02
姜 斌（1984—），男，工程师，硕士，主要从事高速动车组转向架焊接技术研究工作。E-mail：jiangbin@tangche.com。
