全承载式客车骨架典型焊接接头应力变形分析

雷其会，陈柯鑫，刘孝艳，马龙东，庞洪宾，王　萌（中国重汽集团济南豪沃客车有限公司，济南　250220）



全承载式客车骨架典型焊接接头应力变形分析

雷其会，陈柯鑫，刘孝艳，马龙东，庞洪宾，王萌
（中国重汽集团济南豪沃客车有限公司，济南250220）

摘要：对全承载式客车骨架焊接中的T型接头建模和数值模拟，通过计算得出结论：在保证焊缝质量的前提下，优先选择小的焊接电流和电弧电压、较快的焊接速度进行顺序焊接，以减小焊接变形，控制车身精度。

关键词：全承载式客车；骨架焊接接头；应力应变；数值模拟

全承载式车身的整体化框架结构形象地被称为“鸟笼结构”，骨架焊接的应力变形必须得到有效的控制。一方面，如果骨架焊接变形较大，会严重影响下一步“蒙皮”工艺的实施；另一方面，如果客车骨架中存在较大的焊接残余应力和较大的焊后变形，在客车尤其是城市客车时常超员超载和频繁起停的运行过程中，会降低整个客车的承载能力和服役寿命，并会产生安全隐患[1-3]。如果要对客车骨架进行焊后消应力处理及焊后变形矫正，势必增加车辆制造的成本，降低车辆制造的效率。因此，在客车骨架的制造过程中，焊接变形和残余应力必须得到有效的控制。

焊接应力变形的控制一直是焊接生产制造和焊接工艺研究的难点之一。鉴于焊接热作用的局部性和瞬时性特点，试验研究很难揭示焊接变形和应力变形的演变过程，数值计算越来越得到焊接科技人员的青睐[4-5]。本文采用数值模拟的方法，对全承载式客车骨架焊接过程中的典型T型焊接接头的温度场、焊接应力变形等进行计算，所以进一步优化设计全承载式客车骨架焊接的焊接电流、电弧电压、焊道顺序和焊接速度等参数。

1　计算模型的建立

1.1结构模型及材料参数

整个焊接骨架模型庞大。基于现有计算机运算能力和内存限制，将整个焊接骨架建立一个模型进行应力变形的计算几乎是不可能的；在全承载式客车骨架焊接结构中，型钢的连接方式主要为对接接头、T型接头和角接头。根据这一工艺特点，初步研究中，建立典型的T型接头CAD模型进行计算分析。根据骨架焊接生产实际及数值计算的便利性，选择2 mm×40 mm×40 mm型钢产品进行计算。对于T型接头，横柱长度为700 mm，纵柱高度为120 mm。通过计算分析，对该模型的计算网格如图1所示。

图1　焊接接头数值计算的　计算网格

根据全承载式客车底架材质的选择，骨架母材为Q345B低碳合金钢[6]。材料在焊接的整个过程中都存在温度变化，并且材料的杨氏模量、泊松比和密度等力学性能参数随温度的变化而变化，如图2（a-c）所示[7-9]。材料的导热系数、比热容和线膨胀系数等热物理性能参数也会随着温度的变化而变化，如图3（a-c）所示。

1.2热源模型

要想准确地计算焊接残余应力和焊后变形，必须首先保证焊接热循环计算的准确性，建立合理的热源模型是数值模拟计算结果准确可靠的前提。目前常用的热源模型有面热源模型和体热源模型，因面热源忽略了电弧或束流对焊接熔池的挖掘作用，仅考虑热量通过焊接构件表面的一个小区域传导进入焊件的各个区域，所以在现有的计算机水平下，焊接科技人员更多地选用体热源模型进行数值模拟计算[10-13]。

常用的体热源模型有均匀分布高斯柱体热源模型、峰值热流沿深度衰减的高斯柱体热源模型、半径沿深度变化的旋转体热源模型和双椭球形功率密度分布体热源模型。对于焊条电弧焊和钨极氩弧焊等焊接方法，利用高斯柱体热源模型就可以得到理想的模拟计算结果。而对于全承载式客车骨架焊接过程中采用的CO2气体保护焊焊接工艺，因其电弧穿透能力较大。一般采用双椭球形功率密度分布体热源模型进行数值模拟计算。

本文中采用的双椭球形体热源模型如图4所示。双椭球体分布热源公式：式中：af、ar、bh、ch是椭球的半轴；ff、fr是前后半椭圆内热输入的份额；q表示热流密度，其中ff=af/（af+ar）、fr=ar/（af+ar）。

图4中，热源中心前面的热流密度变化梯度比后面的热流密度变化梯度陡得多；而后面的热量分布要较前面多。椭球的特征参数可以改变热流密度以及控制体积中的热流分布，从而决定焊接热模拟的熔池形状。

图2　材料的力学性能

图3　材料的热物理性能

图4　双椭球体热源模型

2　仿真计算结果分析

对于典型T型接头，分别改变焊道顺序、焊接电流和焊接速度，对残余应力和焊接变形的演变过程进行了仿真研究，同时选择ANSYS分析软件，将Q345B型钢的杨氏模量、泊松比、密度、导热系数、比热容和线膨胀系数等物理性能参数在软件中添加，并对结果加以分析对比。

2.1焊接电流和电弧电压的影响

对于T型接头，数值模拟计算中，焊接速度选为10 mm/s，采用“左焊法”对接头的四道焊缝进行焊接，焊接电流和电弧电压分别为I：焊接电流90 A，电弧电压20 V；II：焊接电流120 A，电弧电压21 V；III：焊接电流150 A，电弧电压22 V。

采用不同的焊接电流和电弧电压进行焊接，对于每道焊缝焊接结束时（对应图中0点）和焊后120 s内五个时间阶段焊接应力峰值和焊接变形峰值的变化如图5所示。随着焊接电流和电弧电压的增大，焊接热输入逐渐增大。从图中可以看出，焊接应力峰值和焊接变形峰值的变化情况。焊后120 s，焊接应力峰值逐渐上升，焊接变形峰值明显变大。图5（b）中，随着参数的变化可看出，1点对于其它点明显偏低。在实际焊接生产中，在焊接电弧稳定燃烧和焊缝质量有保障的前提下，优先选择较小的焊接电流和电弧电压实施焊接。

图5　型接头不同焊接电流和电弧电压焊接应力和变形峰值变化

2.2焊道顺序的影响

两根矩形管型钢形成T型接头的焊接过程中，总共存在四条焊缝，分别标记为焊道1、焊道2、焊道3和焊道4，如图6所示。每条焊道均采用“左焊法”实施焊接。

图6　型接头焊道分布

数值模拟计算中，焊接电流120 A，电弧电压21 V，焊接速度10 mm/s。三种焊道顺序如下：

I-顺序焊接：焊道1→焊道2→焊道3→焊道4；II-逆序退焊：焊道4→焊道3→焊道2→焊道1；III-跳序焊接：焊道1→焊道3→焊道2→焊道4。

采用不同的焊道顺序进行焊接，对于每道焊缝焊接结束时（对应图中0点）和焊后120 s内五个时间阶段焊接应力峰值和焊接变形峰值的变化如图7所示。从图中可以看出，改变焊道顺序，顺序焊接的焊接应力峰值比其他两种焊道顺序焊接稍大；而焊后120 s，三种焊道顺序焊接变形峰值差别不大。在实际焊接生产中，为了焊接作业的便利性，优先选择顺序焊接。

图7　型接头不同焊道顺序焊接应力和变形峰值变化

2.3焊接速度的影响

计算不同焊接速度对T型接头的影响。焊接电流120 A，电弧电压21 V，采用“左焊法”对接头的四道焊缝进行顺序焊接，焊接速度分别为I：5 mm/s、II：10 mm/s、III：15 mm/s。

采用不同的焊接速度进行焊接，对于每道焊缝焊接结束时（对应图中0点）和焊后120 s内五个时间阶段焊接应力峰值和焊接变形峰值的变化如图8所示。提高焊接速度，单位时间内的焊接量减小，所焊接部位焊接时间就相应减小。因此，焊接热输入减小。从图中可以看出，随着焊接速度的增大，焊接应力峰值和焊接变形峰值变化不大；焊后120 s，焊接应力峰值变化不明显；而焊接变形峰值则明显减小。在实际焊接生产中，为了减小焊接变形和提高焊接生产效率，在保证焊接质量和焊工实际操作可行的前提下，优先选择较快的焊接速度进行焊接。

图8　型接头不同焊接速度焊接应力和变形峰值变化

3　结束语

为了提高焊缝成形质量、提高焊接生产效率和控制焊接变形，本文通过焊接生产分析和T型接头的有限元数值模拟计算，得出如下结论：在保证焊缝质量的前提下，优先选择小的焊接电流和电弧电压、较快的焊接速度进行顺序焊接，以控制焊接变形和焊接应力。

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修改稿日期：2015-08-17

Stress and Deformation Analysis on Typical Weld Joints of Monocoque Coach Framework

Lei Qihui，Chen Kexin，Liu Xiaoyan，Ma Longdong，Pang Hongbin，Wang Meng
（Sinotruk Jinan Howo Bus Co., Ltd, Jinan 250220, China）

Abstract：Through moldelingand numerical simulation of T-shaped weld joints ofmonocoque coach framework, the authors calculate and get the conclusion that on the premise of ensuring weld quality, priority should be given to small weld amperage, small arc voltage and faster weld speed to orderly weld so as to reduce the weld deformation and control the bodyaccuracy.

Key words:monocoque coach; framework weld joint; stress and deformation; numerical simulation

作者简介：雷其会（1981-），男，硕士；工程师；从事客车骨架设计、客车工艺以及骨架有限元分析工作。

中图分类号：U463.83+1

文献标识码：A

文章编号：1006-3331（2016）01-0007-04