不锈钢地铁车顶典型焊接接头有限元分析

周禄军，李树栋，周成候，火巧英

（南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司，南京21000）

不锈钢地铁车顶典型焊接接头有限元分析

周禄军，李树栋，周成候，火巧英

（南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司，南京21000）

针对不锈钢地铁车顶结构中的四种类型MAG焊典型焊接接头进行试验和有限元模拟分析。基于热-力完全耦合理论和热弹塑性有限元方法，利用大型有限元分析软件ABAQUS求解焊接过程中和焊后的温度及应力，模拟研究不锈钢地铁车顶典型焊接接头的温度场、应力场的演化行为以及残余应力的分布规律，并进行相应的焊接试验。结果表明：熔池计算结果与试验结果吻合良好；平板对接形式的应力分布是不锈钢车顶各类典型接头应力分布的本质形式；对于T型接头和卷边接头形式，竖板的应力分布不同。该有限元分析为不锈钢地铁车顶焊接制造提供了参考。

地铁车顶；MAG焊；典型接头；温度场；残余应力

0 前言

随着经济的发展，地铁交通系统以其交通便捷性、准时性、载客量等优点在各大城市得到大力发展，对地铁车辆的需求越来越多。不锈钢以其良好的耐腐蚀性、轻量化、维护成本低、耐高温、环保等优点，广泛应用于地铁车辆的生产制造中[1]。

不锈钢车体结构与传统碳钢车体、铝合金车体的差异较大，其成形焊接工艺也不同。其中车顶作为车体重要的大型组成构件，与侧墙和底架相比，其结构复杂程度高，焊接接头形状复杂多样，导致焊接温度变化和应力分布情况复杂。不锈钢热导率低、线膨胀系数大，在焊接时容易产生较大的残余应力，而大量的残余应力对车顶强度和使用寿命等都有较大的影响。因此需要分析不锈钢车顶的各种焊接接头的应力，掌握接头残余应力分布。

本研究分析不锈钢地铁车顶结构的四种典型的焊接接头形式，利用大型有限元分析软件ABAQUS对四种典型接头焊接过程中和焊后的温度及应力进行求解，模拟研究不锈钢地铁车顶典型焊接接头的温度场、应力场的演化行为以及残余应力的分布规律，并进行相应的焊接试验。

1 试验

试验设备为EWM型MAG焊机。焊接试样为某型号不锈钢地铁车顶四种类型的典型焊接接头，依次为对接、搭接、T型和卷边焊四种，如图1所示。各类焊接接头工艺参数如表1所示。

图1 四种典型接头类型示意Fig.1 Four typical welding types

表1 各类典型焊接接头工艺参数Table 1 Process parameters of typical welding joint

2 有限元模型

2.1 焊接计算力学有限元模型

在不锈钢MAG焊过程中会发生非常复杂的温度变化、组织变化和应力变化。三者相互影响，共同决定了最终的焊接构件内部残余应力和变形的分布[2-3]。针对不锈钢地铁车顶MAG焊焊接工艺实际，采用如图2所示的焊接计算模型。该模型完全考虑了温度场和应力变形场之间的相互耦合作用，即不仅考虑了温度场以热应力的形式对应力场的影响，也考虑了应力场以做功和变形热的形式对温度场的影响。由于实际工艺所采用的不锈钢为低碳不锈钢，因此在模型中可以完全忽略显微组织变化对温度场和应力场的影响。

图2 焊接计算模型Fig.2 Welding calculation model

（1）热力耦合方程。

焊接过程中，瞬态温度场的热力耦合控制方程为

式（1）等号右端的两个与力学场有关的项称为力学耦合项，在实际热力耦合分析中采用迭代求解。

与控制方程相对应的对流换热和辐射换热边界微分方程式为

式中 偏导项为温度梯度；h为对流换热系数；ε、σ为辐射换热系数。

（2）应力场本构方程。

焊接过程中，应力场本构方程会发生复杂的变化，涉及到经典的热弹塑性模型、粘塑性模型、蠕变模型以及相变塑性模型。针对实际工艺需求，仅考虑最主要的热弹塑性模型，其本构方程为[4-6]

上式考虑了材料参数随温度变化的影响。实际模型中采用Mises屈服准则和各向同性硬化准则。

2.2 不锈钢地铁车顶典型焊接接头模型

（1）三维网格模型。

根据实际工艺参数，建立四种典型接头的几何模型，并进行相应的三维网格剖分，如图3所示。单元类型采用六面体一次单元，焊缝区网格适当加密以保证计算要求。

（2）材料热物性参数。

由于实际焊接过程中不锈钢焊接接头需经历剧烈的高温热循环，因此建立有限元模型时必须输入不同温度下的材料热物性参数，如图4所示。

（3）热源模型的选取和边界条件的设置。

在大量的不锈钢车顶典型焊接接头的仿真模拟中，准确、稳定、高效是热源模型选取的重要因素。经过实际计算，采用双椭球热源能够较广泛地适用于各类典型接头的MAG焊工艺，如图5所示。还以T型接头为例，展示了热学和力学边界条件的设置。

图3 四种典型接头的三维网格模型Fig.3 Three-dimensionalmeshmodeloffourtypicaljoints

图4 主要热物性参数数据Fig.4 Main thermos-physical parameter data

图5 热源模型的选取和边界条件的设置Fig.5 Selection of heat source model and setting of boundary conditions

3 结果和讨论

3.1 温度场模拟结果和分析

典型接头之一的平板对接接头在焊接过程中的温度场分布和焊缝中心某点热循环曲线如图6所示。四种典型接头的熔池模拟结果如图7所示。

平板对接接头的熔池模拟结果与实验结果对比如图8所示。其余三种典型接头的熔池模拟结果和实验结果对比如图9所示。结果表明，基于热-力耦合分析的MAG焊接弹塑性有限元模型，在考虑计算参数随温度变化的情况下，计算得到的温度场结果与实验结果基本吻合。

3.2 应力场模拟结果和分析

四种典型接头的纵向残余应力分布云图如图10所示。纵向残余应力大致分为约束纵向拉应力区、焊缝纵向拉应力区和HAZ纵向压应力区，三类区域沿垂直焊缝方向依次分布。

四种典型接头的横向残余应力分布云图如图11所示。横向残余应力大致分为HAZ横向拉应力区和焊缝横向拉应力区，两类区域沿焊缝方向依次分布。

图6 对接接头的温度场模拟结果Fig.6 Simulation results of temperature field of butt joint

图7 四种典型接头熔池模拟结果Fig.7 Simulation results of welding pools of four typical joint

图8 平板对接接头熔池模拟结果与实验结果对比Fig.8 Comparison of simulation results and experimental results of molten pool in butt joint

图9 三种典型接头熔池模拟结果与实验结果对比Fig.9 Comparison of simulation results and experimental results of molten pool in other three joints

图10 四种典型接头的纵向残余应力分布Fig.10 Longitudinal residual stress distribution of four typical joints

图11 四种典型接头的横向残余应力分布Fig.11 Transverse residual stress distribution of four typicaljoints

不锈钢车顶典型焊接接头的横、纵向残余应力的总体分布规律基本相同：焊缝区存在较大的纵向拉应力，焊缝两端存在较大的横向压应力；热影响区存在较大的横向拉应力和纵向压应力。这有利于统一制定合理的焊接方案，减少控制车顶焊接残余应力的难度。

由上述分析可知，平板对接形式的应力分布是复杂接头应力分布的本质形式。对于T型接头和卷边接头，其底板平面内应力分布具有平板对接接头应力分布的形式。而竖板的应力分布出现了一些区别。卷边焊的竖板侧由于与底板相连，近焊缝区出现的残余应力较大，而T型接头竖板在焊前未与底板相连，残余应力较小。

图12 典型对接接头横向残余应力分析Fig.12 Analysis of transverse residual stress in typical butt joint

图13 典型对接接头纵向残余应力分析Fig.13 Analysis of longitudinal residual stress in typical butt joint

3.3 平板对接接头残余应力

平板对接形式是四种典型接头的残余应力分布的基本形式。典型对接接头横向残余应力分析如图12所示，结合对接接头的横向残余应力云图，详细分析平板对接形式的残余应力。焊缝附近热影响区产生了较大的横向拉应力，达到250 MPa，这是导致平板对接焊两边翘曲的重要原因。另一方面，焊缝中心区出现了较低的横向应力，约为50 MPa。

典型对接接头纵向残余应力如图13所示。

结合对接接头的纵向残余应力云图分析发现，焊缝附近热影响区存在纵向压应力，而焊缝中心区出现纵向拉应力，约为100 MPa，焊缝的起止端则为纵向压应力，约为-50 MPa。

4 结论

（1）基于热-力耦合的热弹塑性理论，建立了不锈钢地铁车顶典型焊接接头物理场计算数学模型；并对四种典型接头进行仿真计算，得到熔池计算结果和应力场计算结果。

（2）对比数值模拟结果和实验结果可知，采用本研究建立的热力耦合计算模型对不锈钢地铁车顶典型焊接接头进行数值模拟，计算结果与实验结果吻合较好。

（3）对于不锈钢车顶典型焊接接头，横、纵向残余应力的总体分布规律基本相同：焊缝区存在较大的纵向拉应力，焊缝两端存在较大的横向压应力；热影响区存在较大的横向拉应力和纵向压应力。

（4）平板对接形式的应力分布是不锈钢车顶典型接头应力分布的本质形式。对于T型接头和卷边接头形式，竖板的应力分布不同。

[1]黄志宏，许彦强.不锈钢车体结构设计及仿真分析要点[J].铁道车辆，2012，50（6）：14-17.

[2]汪健华.焊接结构三维热变形的有限元模拟[J].上海交通大学学报，1994，28（6）：59-65.

[3]D.拉达伊（德）.焊接热效应温度场、残余应力、变形[M].北京：机械工业出版社，1997.

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[5]Dean Deng.Numerical simulation of temperature field and residualstressinmulti-passweldsinstainless steel pipe and comparison with experimental measurements[J].Computational Materials Science，2006，3（37）：269-277.

[6]Tai-Ran Hsu.The Finite Element Method in Thermomechanics[M].Boston：ALLEN&UNWIN，1986.

Finite element analysis of typical welded joint in subway roof of stainless steel

ZHOU Lujun，LI Shudong，ZHOU Chenghou，HUO Qiaoying
（CRRC NANJING PUZHEN CO.，LTD，NanJing 210000，China）

In this paper，four typical types of MAG welding joints of subway roof structure in stainless steel are tested and analyzed by finite element method.Using large-scale finite element analysis software ABAQUS，based on thermo-mechanical complete coupling theory and thermo-elastic-plastic finite element method，the temperature and stress in the welding process and after welding are solved，the evolution of temperature field and stress field and the distribution law of residual stress of typical welding joint of stainless steel subway roof are simulated and analyzed.At the same time，the corresponding welding test is carried out.The results show that the calculated results of welding pool are in good agreement with the experimental results.The stress distribution in the form of plate butt is the essential form of the stress distribution of the various types of joints of stainless steel roof.For T-joints and crimp joints，the stress distribution of the risers is different.The results above provide a reference for manufacture of stainless steel subway roof welding process.

subway roof；MAG welding；typical welding joint；temperature field；residual stress

TG457

A

1001-2303（2017）10-0080-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.17

本文参考文献引用格式：周禄军，李树栋，周成候，等.不锈钢地铁车顶典型焊接接头有限元分析[J].电焊机，2017，47（10）：80-85.

2017-04-24

周禄军（1981—），男，土家族，工程师，学士，主要从事焊接变形和应力模拟的研究工作。E-mail：zhoulujun@csrpz.com。