Y25型转向架多层多道的焊接变形数值模拟

徐紫薇，吉 超，陈 鹏，朱忠尹，张勇军

（1.成都工贸职业技术学院，四川成都611731；2.西南交通大学焊接实验室，四川成都630031）

Y25型转向架多层多道的焊接变形数值模拟

徐紫薇1，吉 超1，陈 鹏2，朱忠尹2，张勇军2

（1.成都工贸职业技术学院，四川成都611731；2.西南交通大学焊接实验室，四川成都630031）

针对Y25型转向架的焊接工艺特点，采用焊接数值模拟软件SYSWELD，通过热弹塑性有限元方法，对Y25型转向架侧梁进行了热弹塑性有限元模拟，得出了采用不同焊接方向时侧梁的变形规律。结果表明，在几种焊接方向下侧梁发生的变形趋势基本一致，但在不同的焊接方向下产生的角变形平均值变化率达到了7.82％，该变化率与选取的模拟方向有关；在不进行对称焊接的情况下，改变焊接方向不可能完全改变焊接变形的趋势。

转向架；多层多道焊；数值模拟

0 前言

Y25型转向架是目前欧洲广泛使用的标准转向架，采用一体式结构，中部立板为单腹板结构，质量轻、韧性好。焊接Y25型转向架时需采用规格不同、形状不同的板材，对工艺要求很高。对于大型构件的焊接变形模拟，许多研究者都提出了相对应的算法，但因焊接过程中材料变化的复杂性导致了模拟计算不仅量大，而且不易收敛，所以目前对于焊接过程中材料变形的数值模拟没有十分有效的方法来保证计算结果的精确度。此外，Y25型转向架在生产过程中采用的多层多道焊接工艺较一般的焊接更为复杂。怎样解决多层多道焊时，方向、顺序以及工装夹具等因素对焊接变形的影响，目前还没有很好的方法。本研究针对Y25型转向架焊接时的工艺特点，对其侧梁在焊接过程中产生的变形进行了模拟研究。

1 多道焊处理工艺

本研究在进行侧梁焊接变形的数值模拟时采取单元软化法。单元软化法就是在进行数值模拟过

程中，焊缝区域加入填充金属前，给焊缝全部单元的弹性模量赋一个极小的值，比热容、线膨胀系数、热导率也赋一个非常小的值。这样在进行金属填充之前，最后的焊缝单元不能进行热传导[1]。因此，焊接接头部分的单元由弹性模量和热传导率等参数控制，这些单元不参与力学和热学的计算过程，随着焊接过程的进行，焊道数逐渐增加，热传导率和弹性模量也渐渐恢复到正常值，构件在焊接完成后的冷却过程中赋予其常温下的物理参数值然后进行计算求解，焊缝状态如图1所示。

图1 焊缝状态

2 有限元模型

采用CO2气体保护焊，焊接参数为：电流250～300 A，电压26.5～28.5 V，气体流量20 L/min。侧梁结构共有4条长直焊缝，单条焊缝需经过4道焊接而形成，每条焊道的分布及顺序如图2所示，左右焊道交替焊接。

图2 焊道分布

Y25型转向架的侧梁包含上盖板、下盖板、腹板和4块肋板，腹板板厚为16 mm，上盖板和下盖板的板厚均为12 mm，长度3 000 mm。本次模拟采用SYSWELD软件中的网格专用划分工具对转向架侧梁进行网格的划分，网格划分完成后的模型如图3所示，SYSWELD软件中的网格划分采取实体网格划分技术，侧梁构架的网格模型共有137 994个实体单元。

图3 转向架的网格模型

由于网格数较多，计算量较大，为了保证数值模拟计算的精度和效率，在对构件进行网格划分时采用了渐变网格——靠近焊缝区域和焊缝区域划分的网格较小，远离焊缝区域采用较大的网格，即网格尺寸随着离焊缝距离的增加而增大。这样划分网格的目的是施焊过程中的焊缝区域属于变化的中心区域，温度变化明显，温度梯度较大，为了能更好地显示焊接是温度场的变化形态，采用较小的网格尺寸。但如果全部采用小尺寸网格，计算量将大大增加，因此，在远离焊缝区域，温度场变化较小的区域采用较大的网格尺寸[2]。转向架采用的约束如图4所示。

图4 转向架的约束模型

3 材料化学成分及物理性能

Q345钢的化学成分如表1所示。

表1 Q345化学成分％

Q345钢的物理性能如图5所示。

在焊接过程数值模拟中，如果焊缝区域温度过

高会影响结果，降低模拟精度，因此一般将热源温度控制在稍高于材料熔点。

图5 Q345钢物理性能

4 数值分析及模拟

在施焊过程中，焊接热源的不断移动引起工件在焊接过程中各个部分发生不同步的变形。为了获得不同焊接方向下焊接构件的变形规律，选取了五种典型焊接方向进行数值模拟，如图6所示。

图6 五种不同焊接方向

所有焊接方向的焊道都是四层焊道，每条焊缝均是先焊第一层，接着焊接第二层、第三层、第四层。依照图6所示，焊接方向为从左到右。方向4和方向5都是以肋板为基准，方向4是先向端部方向施焊，然后再向中间方向施焊。方向5是先向中间方向施焊，再向端部方向施焊。

采用方向1获得的侧梁变形数值模拟结果如图7所示。

图7 方向1最终变形云图

侧梁构件的所有焊缝都带坡口，在焊接过程中往焊缝中添加金属时会产生塑性变形，变形的积累导致在y方向出现了较大的角变形量。x方向的变形主要汇集在上盖板中部、两肋板之间的部分。z方向变形量最大的部分是在上盖板中部。x方向和z方向上的产生的变形都较小，大多都在1 mm内。大角变形量最大的区域集中在上下盖板两个端部，然而在肋板和约束部分基本没有角变形，整体也没有弯曲变形，这主要是因为结构中的腹板提高了变形的刚度。上述数值模拟结果与实际焊接生产过程中侧梁构件发生的变形一致，实际生产中检测到的变形主要是翘曲，表现为上盖板和下盖板向内侧翘曲[3]。角变形是着重需要关注的变形。因此在评估变形时，主要对焊接过程中发生的角变形进行了评估。

五种典型焊接方向下模拟得到的侧梁左右端角变形以及平均角变形数据统计如表2所示。

表2 不同焊接方向下的焊接变形

模拟五种典型焊接方向，分析表2的变形数据，在五种焊接方向下焊接过程中发生的平均角变形量变化百分比达到了7.82％。因此，焊接方向是影响角变形的重要因素之一。当焊接结构较为复杂、焊缝数量多、分布不对称的情况下，可以采用焊接数值仿真模拟，能较快地优化现有的焊接工艺[4]。

由表2可知，方向4产生的角变形量较小，为五种方向中的最佳焊接方向；而采用方向1进行焊接时产生的焊接角变形量较大，为五种焊接方向中最差的。

5 结论

（1）对五种典型焊接方向进行了数值仿真模拟，五种方向下所产生的焊接角变形趋势基本一致，但焊接方向不同平均角变形量也不同，相对角变形变化量达到7.82％，这与选取的焊接方向有关。

（2）在不采用对称焊接的情况下，焊接方向不是焊接角变形的唯一影响因素。因此，通过调整焊接方向来降低焊接角变形量的效果有限。

[1]佘昌莲.焊接结构的残余应力研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[2]Goldak J A.Error due to two dimensional approximation in heat transfer analysis of welding[J].Welding Journal，1993，72（9）：440-446.

[3]Y25型转向架焊接构架制造工艺[J].机车车辆工艺，2012，10（5）：18-20.

[4]蔡志鹏.大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用[D].北京：清华大学，2001.

Welding deformation numerical simulation of multi-layer and multi-pass welding on Y25 type bogieon Y25 type bogie

XU Ziwei1，JI Chao1，CHEN Peng2，ZHU Zhongyin2，ZHANG Yongjun2
（1.Chengdu Industry and Trade College，Chengdu 611731，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Based on the multi-layer and multi-pass characteristics of Y25 type bogie，this paper uses the welding numerical simulation software SYSWELD，by means of thermal elastic-plastic finite element method，simulating on the side beam of Y25 type bogie，to get the influence rule of the welding deformation under different welding direction.The results show that，first，the welding deformation trend is essentially the same under the different kinds of simulated welding direction，which means the welding direction influences the welding deformation trend.The percentage of the average angular deformation under different direction reaches to 7.82％.Under the condition of not usingsymmetrywelds，the effect is limited bychangingthe direction ofweldingtoreduce weldingdeformation.

bogie；multi-layer and multi-pass welding；numerical simulation

TG404

A

1001－2303（2016）09－0114-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.27

2016-07-09；

2016-09-03

徐紫薇（1989—），女，四川什邡人，在读硕士，主要从事焊接数值模拟的研究工作。