轨道车辆减振器座焊接工艺

徐立广，王克肖，张占岭，王 鹏

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

轨道车辆减振器座焊接工艺

徐立广，王克肖，张占岭，王 鹏

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

轨道车辆减震器座由铝合金板材拼接而成，其结构焊接结构复杂，焊缝较多，且焊后残余应力较多。针对其MIG焊接工艺，通过试验测试和数值模拟的方法，得出焊接数值模拟方法的可靠性，并验证了目前现场使用的焊接工艺的合理性。进一步提出合理的焊接工艺。减振器座焊后残余应力测试采用盲孔法测试技术测量。减震器座数值模拟采用三维热弹塑性有限元法模拟焊接方法，焊接数值模拟软件为SYSWELD v2012，建立了轨道车辆减震器几何模型、热源模型与材料A7N01P-T4的力学模型。

减震器座；数值模拟；焊接工艺

0 前言

铁路是我国重要的基础设施和大众化交通工具，近年已有时速达350 km/h的高铁列车。铝合金材料密度小、强度高和材料加工性能好，广泛应用于高速列车上。但铝合金的熔点低，热膨胀系数大，弹性模量小，焊接变形大。抗蛇形减振器座是车体部件中的一个重要承载零部件，该结构由铝合金板材焊接而成，为大型复杂焊接结构，焊缝数量多且分布密集，结构形状尺寸要求严格、应力分布复杂。焊接变形导致零部件装配困难，结构形状尺寸很难满足设计要求；另一方面，焊接残余应力既降低结构的承载能力，还降低结构的疲劳寿命。因此，合适的焊接工艺可有效减少焊接残余应力和变形。

1 焊接工艺

工艺流程：减振器座组装-焊接-打磨-交检。为了减少残余应力和焊接变形，方便焊接，同时减少装夹时间加快生产进度，将两个减振器座背靠背组装并放入减震器座焊接专用转台上组装并焊接，如图1所示。

图1 焊接转台

焊丝选用1.6mm的AlMg5，采用MIG脉冲焊，保护气体为99.999％氩气。焊接工艺参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数

2 试验

减振器座残余应力测试采用盲孔法残余应力测试技术测量减振器座的焊接残余应力。测试减振器座中的安装板与内侧板之间的角焊缝，测点分布在焊缝中心，共4个测点，如图2所示。

图2 测点布点位置

3 焊接数值模拟

焊接数值模拟软件为SYSWELD v2012，数值模拟方法为间接耦合的三维热弹塑性有限元法。

3.1 几何模型的建立

减振器座有限元计算模型采用六面体单元，网格单元数90 789个，节点数107 518个。最小单元1 mm×1 mm×4.4 mm，最大单元尺寸12 mm×10 mm× 4.5 mm，如图3所示。

图3 有限元模型

3.2 热源模型的建立

焊接过程的有限元计算首先进行温度场计算。热源模型的建立和焊接温度场的模拟是焊接数值模拟的重要部分。对于电弧穿透能力较大的熔化极氩弧焊（MIG焊），常采用双椭球形热源分布函数。双椭球形热源如图4所示。

图4 双椭球形热源

双椭球体热源模型分为前半球和后半球，分别为[1]

式中a、b、c1、c2为双椭球体热源模型的尺寸参数；f1和f2为前后半球能量分布比例，f1+f2=2；Q为热流密度。

焊接热模拟所需的材料热物理性能（比热容、导热率和密度）通过试验测试获得，填充材料的热物理性能与母材的相同。热源拟合工具以焊缝的横截面形貌作为参考目标，如果预测的焊缝横截面形貌与实测的焊缝形貌接近，则热源参数满足要求[2]。

3.3 力学模型的建立

铝合金自身强度低，需要进行强化技术处理。焊后热影响区发生软化，接头强度低于母材。为了准确模拟焊接残余应力，需要建立铝合金软化模型。

为了确定铝合金软化温度和软化系数，通过热模拟试验机模拟不同热循环过程，并在不同温度下进行拉伸试验，测量屈服强度。加热冷却过程中屈服强度与温度的关系如图5所示，冷却过程中，铝合金发生软化，屈服强度明显降低，约为母材屈服强度的70％。因此，A7N01P-T4的软化系数取0.7。同时，材料经历热循环过程中将会发生应变硬化过程，需要建立硬化模型，本研究中材料的硬化模型选择随动硬化模型，可以表征多层多道焊过程中材料的塑性恢复效应。对于高温非弹性应变的处理，通过设置回火温度进行处理，当温度达到并超过回火温度时，将高温非弹性应变设为零。铝合金的回火温度

一般设为570℃。

图5 屈服强度与温度的关系

焊接试验中使用的焊丝为AlMg5，该焊丝为含镁5％的合金焊丝，是一种用途广泛的通用焊材，适合焊接铝镁合金和铝镁锌合金，强度高，有良好的抗腐蚀性。为了确定填充材料的力学性能，测量焊接接头的显微硬度，其分布曲线如图6所示。由图6可知，填充材料在焊接过程中只有冷却过程，数值模拟中的屈服强度采用母材冷却过程的屈服强度。其他热力学性能（弹性模量、热膨胀系数、泊松比）采用试验测试获得，焊缝中心的显微硬度与热影响区的显微硬度基本一致，其显微硬度值只有母材的约70％，该值与母材发生软化后的屈服强度一致。由于焊接过程中试样完全处于自由状态，施加的边界拘束条件保证焊接结构在空间的稳定性。

图6 焊接接头显微硬度分布

4 数值模拟结果及实测值对比分析

减振器座残余应力分布云图如图7所示，最大残余拉应力基本分布在焊缝熔合线附近，远离焊缝中心，逐步过渡为残余压应力。

由于减振器座的焊缝有水平焊缝和垂直焊缝，焊接方向分别沿x轴、y轴和z轴，因此针对不同的焊缝，根据应力方向区别为纵向应力和横向应力。

图7 残余应力分布云图

工件安装板与内侧板之间的角焊缝，x方向的应力分布表示纵向应力，z方向的应力分布表示横向应力。由表2可知，模拟值与实测值基本吻合。因实测前焊缝已打磨，消除了一部分焊接残余应力，所以模拟值高于实测值。

表2 模拟应力与实测应力比较

5 结论

（1）建立了减震器座焊接数值模拟的热源模型和材料软化模型。

（2）优化焊接顺序：从中间向两边，先焊内焊缝，再焊外侧焊缝。

（3）采用三维热弹塑性有限元法模拟的减振器座的残余应力与实测值非常吻合，验证了现焊接工艺的合理性，焊接后打磨对工件的残余应力、尺寸的稳定性都有一定的帮助。

[1]路浩，邢立伟.基于Sysweld的不锈钢板管焊接应力变形模拟[A].第十六次全国焊接学术会议论文摘要集[C].2011.

[2]L E Lindgren.Computational Welding Mechanics：Thermom echani caland Microstructural Simulations[M].Cambridge England：Woodhead Publishing Limited，2007.

Welding technology of railway vehicle shock absorber bearing

XU Liguang，WANG Kexiao，ZHANG Zhanling，WANG Peng
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

The railway vehicle shock absorber is joined of aluminum alloy plate together，and it is complicated of welding structure,and weld is more，then the residual stress is more.Based on the MIG welding process，through experimental test and numerical simulation method，it is concluded that the welding numerical simulation method is reliability，and it is proved that the field use of welding technology is reasonable.And further put forward the reasonable weldingprocess.The residual stress ofthe railwayvehicle shock absorber is measured by blind hole method testing technology.Three dimension thermal elastic-plastic finite element method is adopted to simulate the welding process，and welding numerical simulation software is SYSWELD v2012，design the railway vehicle shock absorber geometry model，heat source model and mechanics model ofthe material A7N01P-T4.

shock absorber bearing；numerical simulation；welding process

TG457.2

A

1001－2303（2016）09－0101-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.23

2015-11-08

徐立广（1981—），男，山东青岛人，高级工程师，学士，主要从事焊接工艺及焊接管理工作。