动车组典型焊接构件残余应力数值模拟研究

弓瑞明，陈刚辉，朱忠尹

(1.中车广东轨道交通车辆有限公司，广东 江门 529100；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031)

焊接是动车组车体制造工艺的关键技术，可以实现高集成性、高气密性的焊接技术已经广泛应用于动车组车体制造之中。动车组车体铝合金材料具有线膨胀系数高、热导率大等特点，同时铝合金焊接接头热影响区宽，无论是熔化焊还是固相焊，焊接残余应力与变形都是动车组车体制造面临的突出问题。焊接残余应力与变形不仅影响车体外观尺寸精度，还会影响车体结构强度和安全运行可靠性[1-2]。焊接残余应力的大小及分布很难通过一般简单的数学模型及经验公式进行分析，即便是采用试验的手段也只能是采用点对点的方式进行应力测量，然而，随着计算机技术的发展以及焊接模拟有限元理论的不断完善和成熟，采用有限单元法对大型中空铝合金型材焊接结构的残余应力与变形进行分析预测已经发展成为较为可靠的手段之一[3]。动车组中侧墙与车顶焊接构件结构复杂，车顶凹陷变形是车体在生产制造过程中出现的典型问题，因此，本文通过研究成品车和凹陷车侧墙与车顶典型焊接构件残余应力的大小和分布，并结合有限元模拟计算来评价车体结构的各种机械性能、力学性能等[4]，从而正确指导焊接生产，提高车体结构的尺寸精度、抗应力腐蚀能力、疲劳强度和疲劳可靠性，保证列车运行安全。

1 焊接数值模拟与分析

1.1 程序设计

SYSWELD软件作为SYSWORLD系列软件中的一支，其基本实现了机械、热学和金属冶金学的相互耦合计算。SYSWELD软件在进行焊接温度场模拟时，主要分为6个独立的步骤[5]，如图1所示。

数值模拟的几何模型和网格划分都不是在SYSWELD软件中进行的，为获得较为复杂的几何模型以及较好的网格处理，本文采用三维建模软件Pro/E对动车组成品车侧墙与车顶连接焊缝局部构件、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝局部构件进行建模。采用Visual-Mesh对三维模型进行网格划分并进行定义。Pro/E建模生成*.iges格式导入Visual-Mesh中进行网格划分[6]，并在Visual-Mesh中定义焊接线、参考线、开始单元、开始节点、结束节点等5个重要定义，完成所有定义后导出模型，生成*_MESH_DATA1000.ASC格式的文件以便SYSWELD能读取。

1.2 典型焊接构件有限元模型

根据图纸建立几何模型，按照实际尺寸进行建立。由于实际车体上侧墙与车顶连接焊缝较长，在计算时一般从车体中截取适当的长度进行模拟[7]。在网格划分时，考虑到网格划分软件Visual-Mesh对划分单元的限制，为了更好地控制网格精度和计算规模，对实际模型进行了部分简化，但又要保证计算结果的准确性及收敛性，焊缝单元长度在构件长度方向上的尺寸一般控制在0.5～1 mm。由于铝合金型材属于薄壁结构，侧墙与车顶连接焊接局部构件上的铝合金型材壁厚一般为2～3 mm，因而在焊缝厚度方向上一般将网格控制在1 mm以内。成品车、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝局部构件网格划分分别如图2、图3所示。实际焊接时是外侧先焊、内侧后焊，在模拟时也采用这样的焊接顺序和焊接工艺。成品车焊缝处的单元大小一般控制在0.5 mm左右，随着离焊缝处的距离增大，单元尺寸逐步增大。图2中所示的成品车侧墙与车顶连接焊缝局部构件模型中共有142 800个solid单元。图3中所示的凹陷车侧墙与车顶连接焊缝局部构件模型中共有221 300个solid单元。

图3 凹陷车侧墙与车顶连接焊缝局部构件网格划分

成品车与凹陷车的侧墙与车顶连接内部焊缝处由于焊道数量不同，成品车为一道焊接完成，凹陷车内侧因尺寸偏差过大，需焊两道才能焊满，为了保证模拟计算的准确性，采用了不同网格数量来进行模拟计算。

1.3 焊接工艺参数及热源模型

动车组车顶与侧墙连接焊缝焊接工艺采用自动MIG焊，焊接工艺参数见表1。

表1 车顶与侧墙连接焊缝焊接工艺参数

对其热源模型进行分析后，拟采用双椭球模型对其热源拟合[8]。双椭球体热源模型的热流公式分为两部分，分别表示双椭球热源的前半椭球能量和后半椭球能量，总的能量为前后两部分能量之和[9]。双椭球模型如图4所示。车顶与侧墙连接焊缝模型及宏观断面对比如图5所示。

Qf.前端热输入；Qr.后端热输入；af、ar.高斯参数；b.熔宽的一半；c.熔深。

图5 车顶与侧墙连接焊缝模型及宏观断面

1.4 初始条件和边界确定

在焊接数值模拟中，母材默认为没有初始应力和变形，所需要定义的初始条件主要是初始温度，若焊前需预热，则初始温度设定为预热温度；若无需预热则设定为焊接环境温度。本研究中的焊接构件无需预热，取环境温度为20 ℃[10]。

设定位移边界条件的目的是防止有限元模型在计算过程中有刚性移动，若计算模型出现刚体位移情况，则会导致计算刚度矩阵无法收敛。本研究中主要针对各焊接构件实际工装进行约束定义，主要设置X、Y、Z3个方向[11]。

焊接结构在焊接电弧的作用下，在熔池中的金属温度会比周围金属以及周围工作环境高很多，主要有3种散热方式进行热交换，即对流、传导以及热辐射。散热边界条件即为焊接结构的热量向周围散热的体现。设置初始温度为20 ℃，与周围金属间散热系数为75 W/(m2·℃)。

2 结果分析

2.1 成品车数值模拟计算结果与实测值对比

车顶与侧墙连接构件所采用的XRD测试数据均是外侧焊缝的残余应力值，数值模拟时仍采用外侧焊缝残余应力值，数值对比见表2、图6。

表2 侧墙与车顶连接局部构件纵向焊接残余应力测试值与计算值

图6 侧墙与车顶连接局部构件焊接纵向残余应力

从表2、图6中可以看出，无论是成品车还是凹陷车，两者的侧墙与车顶连接焊缝在焊缝上均呈现拉应力，而在远离焊缝的母材区基本呈现压应力，应力分布趋势一致，但XRD测试值普遍要小于计算值；侧墙与车顶连接局部构件XRD测试峰值为122.81 MPa，达到其屈服强度的0.6。大量的试验结果已经表明，对于6系铝合金材料，其焊接残余应力一般都比较低，不会超过其屈服强度，峰值应力可能会达到母材屈服强度的0.6～0.8。从目前测试的结果来看，测试结果与经验值基本吻合。 通过数值模拟计算值与XRD测试值相互验证了测试规律的一致性和测试结果的可靠性。

2.2 成品车和凹陷车残余应力数值模拟计算结果对比分析

成品车和凹陷车纵向残余应力云图分布分别见图7、图8；成品车、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝(外侧)纵向残余应力计算结果对比见表3、图9；成品车、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝(内侧)纵向残余应力计算结果对比见表4、图10。

表4 成品车、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝(内侧)纵向残余应力计算结果

图7 成品车侧墙与车顶连接焊缝局部构件焊接纵向残余应力云图

图8 凹陷车侧墙与车顶连接焊缝局部构件焊接残余应力云图

从表3、图9中可以看出，成品车焊缝中心处残余应力大于凹陷车，这主要是因为当外侧焊缝先焊后，凹陷车在侧墙与车顶连接内侧焊缝比成品车要多焊一道，因而此处的焊缝收缩量要比成品车的收缩量大，使得在外侧焊缝垂直方向上呈现拉伸载荷，外侧焊缝两端受压应力作用，降低了焊缝中心残余拉应力，同时使母材处的压应力增加。

表3 成品车、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝(外侧)纵向残余应力计算结果

图9 成品车、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝(外侧)纵向残余应力计算结果对比

从表4、图10中可以看出，凹陷车侧墙与车顶连接内侧焊缝处残余应力大于成品车，这主要是由于该位置焊了两道，两次热循环累积形成的塑性变形量要比一次热循环产生的塑性变形量大，因而凹陷车侧墙与车顶连接内侧焊缝处产生的残余拉应力比成品车的大。

图10 成品车、凹陷车侧墙与车顶连接焊缝(内侧)纵向残余应力计算结果对比

3 测试及数值模拟误差分析

从图6中还可以看出，虽然XRD测试结果与有限元计算结果规律基本一致，但两者数值上有一定的差异，数值模拟计算值均大于XRD测试值，这主要是以下几方面因素造成的：

(1) X射线穿透深度约为30 μm，XRD测试的是该浅表层的平均应力；而数值模拟计算值则是构件整个厚度上的平均应力。

(2) XRD测试值是铝合金焊接残余应力真实状态的一种反应；而数值模拟计算值则是在很多假设的前提下，是一种理想状态下的模拟值，且数值模拟会受到构件几何模型、单元尺寸以及边界条件等多种因素的影响。

(3) XRD测试时需要对已经打磨余高的焊缝进行电解抛光处理，电解抛光在去除附加应力层的同时也使表层真实应力得到一定程度上的释放，这也可能导致测试所获得的残余应力值有所降低。

(4) 铝合金型材挤压成型后，其本身已经存在挤压应力。XRD测试的构架残余应力实际上是型材本身内应力与焊接残余应力的综合作用应力；而数值模拟计算时则不会考虑型材本身的加工残余应力，这也可能会使XRD测试值与数值模拟计算值之间存在一定的差异。

4 结论

侧墙与车顶连接构件外侧焊缝焊接残余应力计算值和XRD测试值分布趋势一致；焊缝残余应力峰值基本都低于其屈服强度，一般其峰值应力均在(0.6～0.8)σs，有限元计算值和经验值比较吻合；从残余应力测试结果来看，凹陷车侧墙与车顶连接内部焊缝中心残余应力要比成品车大，在实际动车组生产过程中，需要加强尺寸精度控制，做到避免多层焊或者尽量控制焊接次数。