蒼 松，馬思群，金 輝，聶春戈

（1.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院 鐵道工程系，沈陽 110027；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，大連 116028）

0 引言

目前，高速動車組普遍采用鋁合金車體，由輕型鋁合金擠壓型材縱向焊接而成一個(gè)整體承載筒形結(jié)構(gòu)。而在焊接過程中，由于焊件的加熱和冷卻不均勻?qū)е潞缚p各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線不同，由此會產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力。

研究鋁合金車體的焊接應(yīng)力產(chǎn)生規(guī)律，不但可以指導(dǎo)焊接生產(chǎn)過程的焊接應(yīng)力控制措施，更可以通過對焊接應(yīng)力的定量研究，保證安全可靠性。從目前的研究來看，影響焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素有三方面：一是材料的影響；二是熱源的影響；三是焊接工藝參數(shù)的影響；其中焊接工藝參數(shù)（焊接速度和熱度等）的影響起重要作用。正因如此，采取有效措施，如通過改進(jìn)焊接工藝，降低焊接構(gòu)件的殘余拉應(yīng)，進(jìn)而提高產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，一直是復(fù)雜裝備產(chǎn)品制造過程中追求的目標(biāo)。我國在焊接應(yīng)力研究工作主要開展于20世紀(jì)80年代初，西安交通大學(xué)在單面焊終端裂紋的力學(xué)機(jī)制和焊接過程力學(xué)行為的數(shù)值模擬等進(jìn)行了研究[1,2]。上海交通大學(xué)在焊接力學(xué)模擬方面進(jìn)行了大量研究工作，研制了適合于各種焊接熱輸入條件下的焊接傳熱有限元分析方法和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，解決了“震蕩”等問題，提高了計(jì)算精度[3～5]。本文基于SYSWELD專業(yè)焊接軟件對某型高速動車組鋁合金中間車KK端中T型焊接接頭進(jìn)行數(shù)值仿真，分析了不同焊接預(yù)熱溫度、不同多道焊焊接速度對T型焊接接頭殘余應(yīng)力的影響，有一定的實(shí)際意義。

1 熱源校核

建立熱源的步驟為建立網(wǎng)格，加載材料數(shù)據(jù)庫，定義工藝過程參數(shù)，求解檢查結(jié)果和保存熱源。本文采用雙橢球熱源模型，雙橢球熱源模型一般適用于手工電弧焊、MIG、MAG等焊接方法。施焊過程中，熱源沿著焊縫向前移動，由于焊接速度的影響，電弧前后兩部分能量分布是不對稱的，電弧后部的能量大于電弧前部的能量。雙橢球熱源模型將熱源分為前后兩個(gè)1/4橢球體,如圖1所示[6]。

圖1 雙橢球熱源模型

af、ar、bh和ch為熱源參數(shù)，bh影響熔寬，ch影響熔深，這些參數(shù)的確定需要一定的經(jīng)驗(yàn)同時(shí)也是非常耗時(shí)。假設(shè)ff、fr為前后橢球的熱量輸入，利用雙橢球式可以得出前后橢球的熱流分布為[x]：

前半部分的熱輸入為：

對于后半部分同理為：

由于：

所以：

第一道焊熱源模型的焊接速度為17.6mm/s，電流210A，電壓23.6V，效率為0.7，能量為3469.2J；第二道焊熱源模型的焊接速度為8.8mm/s，電流為200A，電壓為23.5V，效率為0.7，能量為3290J。利用雙橢球熱源模型校核熱源所得到的溫度場如圖2所示。

圖2 熱源校核溫度場云圖

2 焊接殘余應(yīng)力結(jié)果與分析

焊接接頭包括熔合區(qū)和熱影響區(qū)兩部分金屬。在焊縫區(qū)最高溫度可達(dá)材料沸點(diǎn)，而離開熱源溫度急劇下降至室溫。而焊縫金屬是由熔池中的液態(tài)金屬迅速冷卻、凝固結(jié)晶而成。焊接熱應(yīng)力產(chǎn)生正由于不均勻的熱輸入，所以正確的模擬焊接過程中的溫度場是得出殘余應(yīng)力的前提條件。

為了觀察殘余應(yīng)力的分布情況，選取兩條關(guān)鍵路徑Line1和Line2，Line1為焊縫中心表面上一條直線Line2為垂直于焊縫且通過焊縫中心點(diǎn)的一條線。如圖2所示。分別導(dǎo)出每條路徑上不同點(diǎn)的橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力分布。

圖3 模型上所選取路徑Line1和Line2

為了研究焊接速度和預(yù)熱溫度對于焊接模擬的影響，本次研究的T型接頭焊接速度和溫度由如下方案構(gòu)成：

1）焊接速度改變對殘余應(yīng)力的影響

在預(yù)熱溫度（100℃）確定的情況下，改變焊接速度，分別為第一焊接速度V1（第一道焊接速度15.84mm/s，第二道焊接速度為7.92mm/s），第二焊接速度V2（第一道焊接速度17.6mm/s，第二道焊接速度為8.8mm/s），第三焊接速度V3（第一道焊接速度19.36mm/s，第二道焊接速度為9.68mm/s）。

分別從垂直焊縫的Line1路徑與沿焊縫方向的路徑Line2進(jìn)行橫、縱向的分析。如圖4所示。

圖4 焊接速度改變對殘余應(yīng)力的影響

由圖4(a)所示，路徑Line1沿焊縫方向橫向焊接殘余應(yīng)力在第一焊接速度V1時(shí)最小，第二道焊接速度V2時(shí)其次，第三焊接速度V3時(shí)最大。沿焊縫方向縱向焊接殘余應(yīng)力圖4(b)在第一焊接速度V1時(shí)最小，在第二道焊接速度V2時(shí)其次，在第三焊接速度V3時(shí)最大。Line2的試驗(yàn)結(jié)果與Line1相同，如圖4(c)和3(d)所示。

2）預(yù)熱溫度改變對殘余應(yīng)力的影響

為了研究預(yù)熱溫度對焊接殘余應(yīng)力的影響，在焊接速度（第一道焊17.6mm/s，第二道焊8.8mm/s）確定的情況下，改變預(yù)熱溫度，分別為：T1(20℃)，T2(100℃)和T3(180℃)。

通過對模型重新加載、計(jì)算，計(jì)算結(jié)果由圖5所示，沿焊縫方向及垂直焊縫方向橫向焊接殘余應(yīng)力在預(yù)熱溫度T1時(shí)最大，T2其次，T3時(shí)最小。沿焊縫方向及垂直焊縫方向縱向焊接殘余應(yīng)力在預(yù)熱溫度為T1時(shí)最大，T2時(shí)其次，V3時(shí)最小。

圖5 預(yù)熱溫度改變對殘余應(yīng)力的影響

從以上的分析結(jié)果來看，預(yù)熱能夠有效的降低焊接殘余應(yīng)力，這是由于焊接過程中是局部迅速加熱的，焊縫區(qū)域溫度梯度較大，如果采用焊前預(yù)熱的方式就能減緩焊接區(qū)域的激熱，減小焊縫處的溫度梯度，從而降低了焊接殘余應(yīng)力。但是也并非預(yù)熱溫度越高對結(jié)構(gòu)越有利，已有的研究表明：鋁合金材料在高溫下，性能和熱處理狀態(tài)會受到不利的影響，同時(shí)會降低其抗腐蝕開裂的能力及抗拉強(qiáng)度[7]。

3 結(jié)論

本文使用焊接模擬軟件SYSWELD，針對不同焊接速度和預(yù)熱溫度下的T型接頭焊接多道焊進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真得出結(jié)論：

1）對比三種多道焊速度方案，計(jì)算得到T型焊縫焊接殘余應(yīng)力，結(jié)果表明：在給定的預(yù)熱溫度前提下，在一定范圍內(nèi)減小焊接速度，可降低焊縫殘余應(yīng)力。

2）對比三種多道焊預(yù)熱溫度方案，結(jié)算結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，只改變焊接預(yù)熱溫度，會改變焊接殘余應(yīng)力的值，預(yù)熱溫度越高，焊接殘余應(yīng)力會有效的降低，但是不越高越好。

[1]唐慕堯,丁士亮,等.焊接過程力學(xué)行為的數(shù)值研究方法研究[M].焊接學(xué)報(bào).1988,9(3):123-133.

[2]唐慕堯,樓志文,等.單面焊時(shí)終端裂紋的研究[J].焊接學(xué)報(bào).1986,7(3):123-132.

[3]李永軍,孫丙河,等.CRH3型動車組鋁合金車體總組成焊接系統(tǒng)[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(2):106-108.

[4]汪建華.焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)出版社,2003.

[5]薛華.高速列車用A6N01S和A7N01S鋁合金焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

[6]宋天民.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除[M].北京:中國石化出版社,2010:54-60.

[7]李永強(qiáng),趙熹華,趙賀,等.預(yù)熱溫度對鋁合金搭接激光焊焊縫成形及組織的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào).2008,38(5):93-96.