特殊需求客车侧墙焊接变形的预测方法及控制

GXF360 2019-11-07

展开全文

1. 概述

碳钢车体侧墙采用碳钢板梁拼焊结构，其结构具有零件数量多、焊接量大等特点，且无法通过机加工方法对几何尺寸进行修正。常用的焊接变形控制设计措施：尽量减少焊缝、合理的设计焊缝形式、合理的布置焊缝；常用的焊接变形控制工艺措施：选择合适的焊接方法和规范、选择合适的焊接顺序、反变形法、焊后矫正法。

在日常推进中，针对每一课的特点制定评价表，提升学生的概括能力。评价表的观测点主要从课文的特点，从方法的选用和语言表达的情况两方面进行检测。在归纳课文主要内容之前，先下发或出示有关评价标准，让学生对如何归纳课文主要内容的要求有大致了解，接着进行自主准备阶段，形成初始资源。通过点评，再次对照评价标准，形成二次资源。基于标准，依托文本的训练，将学生的归纳以方法的选用和语言表达两个方面进行分享和综合评价。以《一曲胡笳救孤城》为例：

为了提高车体侧墙组焊的制造质量，降低尺寸偏差，一方面优化工艺设计方案，给出合理的公差和理论值，使原来经常超差的尺寸变成合格的尺寸；另一方面优化侧墙的制造工艺，把侧墙制造尺寸偏差控制在允许的范围内，避免因超差调修带来的侧墙焊接强度损失和工人额外的工作量。

焊接变形的预测非常重要，如果能够提前预测出最终的焊接变形情况，就能通过一定的措施，对焊接变形进行控制。早先主要是通过经验法和解析法来控制焊接变形。但是，工程问题都较为复杂，而经验法和解析法具有本身的局限性，在复杂构件的变形预测时不够准确。因此，需要对焊接变形进行更深入的研究，经过多年的发展，己经研究出经验法、解析法、数值模拟等方法。

2. 侧墙窗口模块焊接变形数值模拟方法及技术路线

（1）侧墙窗口模块结构焊接变形模拟的技术路线针对侧墙窗口模块这类大型结构焊接变形的预测，目前最广泛应用的方法是固有应变法，通过获得的局部焊接接头的固有应变作为载荷施加到整体的模型上，从而实现大型焊接结构变形的快速预测。焊接所产生的问题主要是局部应力和应变的改变导致构件的整体变形。电弧高温导致的材料机械属性和热属性的非线性变化均出现在焊缝附近很小的区域内。正是由于焊缝的局部残余塑性应变，才导致了结构的整体变形，因此可将焊缝的残余塑性应变和应力的模拟从整个结构的变形计算中分离出来。在考虑到温度、冶金、机械方面的情况下，首先对细化的焊缝区三维实体有限元模型进行局部塑性应变计算，然后将从局部模型得到的残余塑性应变输入到结构整体单元模型中，对其变形做出预测，这就是“局部-整体”有限元映射方法的主要思想。

（2）侧墙窗口模块局部接头热弹塑性仿真第一，几何模型的建立：特殊需求客车车体侧墙窗口模块的焊接工艺中主要有5种焊接接头，为了得到侧墙窗口模块整体的焊后变形情况，首先需要分析其每种焊接接头焊后的固有应变大小和分布规律。这里采用完全耦合的热弹塑性方法进行数值分析，表1显示的即为本案例中主要涉及的5种焊接接头形式。

第二，焊接材料参数：特殊需求客车车体所使用的是Q345NQR2（TB/T1979）的铁道车辆用耐大气腐蚀钢，其主要化学成分如表2所示。

石河子大学化学化工学院化学工程与工艺专业学生金山告诉笔者：“我们都特别喜欢参加类似活动，感觉既可以开阔视野，又帮助我们进一步理解书本上的专业理论知识，不仅锻炼了身体，还修炼了大脑，度过了一个更有意义的周末。”

第三，焊接参数的选择：首先对建立的3种接头模型进行离散化，网格全部采用六面体单元，焊缝附近的网格适当加密。根据3种接头的焊接参数（WPS），焊接电流、电弧电压、焊接速度和热输入都是在一个范围里波动，而本案例只选取了该范围里的一组定值进行仿真模拟，如表3所示。

对3种接头施加的约束条件是最小约束，约束条件的施加主要是为了消除结构刚体位移，最大限度保证工件处于自由状态。

第四，温度场结果：图1分别为3种接头瞬时温度场的分布情况，从图中可以看出焊缝附近区域的温度均已达到了材料的熔点。在起始点上，构件上的温度场变化较大，是因为焊接开始时，焊接热输入比正常焊接时候大，而构件上的温度原本是均匀的，并且本身温度较低，热源输入的热量迅速传递到周围，使得温度场不稳定；而在焊接收弧阶段，和正常焊接相比，吸收热量的构件只有一半，而焊接热输入则没什么变化，因此在焊缝中心的温度较高。从图中可以看出熔池位置的温度变化很小，说明在焊接过程中，熔池温度随时间变化很小，这是由于焊接过程中，焊缝中热量的输入量和扩散量基本平衡，这样整个构件的温度场进入准稳态状态。

表1 侧墙窗口模块中的5种焊接接头模型

注：a2接头根据焊接位置的不同分成了3类，但是在进行热弹塑性有限元数值仿真时，焊接位置不能被考虑进去，并且由于3种接头的焊接参数相似，所以本案列将3种接头当成一种进行考虑。

接头名称接头形式母材厚度/mm 焊接位置焊接顺序3HY 3/3 PA pagenumber_ebook=34,pagenumber_book=18 a2 3/3 PB、PG、PF3II 3/3 PA

表2 Q345NQR2化学成分（质量分数）（%）

化学成分 C Si Mn P S Cu Cr Ni含量百分比 ≤0.12 0.25～0.75 0.20～0.50 0.06～0.12 0.02 0.25～0.50 0.30～1.25 0.12～0.65

表3 3种接头的焊接参数（WPS）

接头名称焊接方法焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/mm·s-1热输入/kJ·mm-1 pagenumber_ebook=34,pagenumber_book=18 3HY t135 200 210 5 0.56a2 t135 180 25 10 0.26 3II t135 100 20 5 0.32

第五，应变场结果：当焊接完毕，构件完全冷却后，最终的残余塑性应变等于温度上升时产生的压缩性塑性应变与温度下降时产生的拉伸性塑性应变的和，这就是焊接固有应变。焊接问题的固有应变是塑性应变、温度应变和相变应变三者之和。焊接构件经过一次焊接热循环后温度应变为零。考虑到焊接的实际情况，焊件局部加热到很高温度时，周围温度较低的部位不能自由伸长，对加热部分的热膨胀产生约束作用，致使焊缝及其附近的高温区累积了压缩塑性变形。此外可以认为，固有应变仅存在于焊缝及其附近。固有应变是产生残余应力和焊接裂纹的原因。若已知固有应变，也可通过热弹塑性有限元弹性分析计算出残余应力和变形。下面以3HY接头为例进行说明。

图2显示了3HY接头焊接完成，冷却到室温后的应变场分布情况。

图1 所示为辊壳式流浆箱结构示意图。由图1可知，浆料从锥管布浆器进入各布浆支管，与来自稀释水支管里的稀释水混合后进入均衡室，然后浆料在辊面环形沟槽高速运动的摩擦作用下，跟随辊面运动方向，进入到沟槽内和间隙内[5]。处于两者之间的浆流受到一个强大的剪切力，可产生尺寸小而强度高的湍流，实现对纤维絮聚团的分散；同时沟槽之间的挡板还能尽量减少稀释水的横向扩散，增强稀释水添加的效果，沟槽辊如图2所示。溢流室用于维持恒定的液位与气压并吸收压力脉冲、消除浆料中的空气和泡沫[6]。当浆料流动到圆筒形壳体另一侧的浆流出口时，在压差的作用下流出流浆箱。

从固有应变的分布情况可以看出：塑变区域完全集中在焊缝及其附近，焊缝附近除了两端以外的大部分区域都处于压缩塑性应变状态。在焊缝中间位置的残余塑变分布区域较宽，而靠近两端的残余塑变分布区域相对较窄，远离焊缝处的应变接近为0。相应地会引起焊后残余应力在焊缝区为拉应力，纵向残余应力远大于横向残余应力，焊缝附近稍远处为压缩应力，远离焊缝处接近为0。沿焊缝方向取一个截面，对焊缝及其热影响区的节点的应变取平均，得到平均应变曲线，如图3所示。

表4显示了3种接头焊接完成后，冷却到室温的焊缝及其热影响区域的节点的平均固有应变的大小。

林区郁闭度低主要是指该区域中的林木郁闭度低于0.7的人工林或郁闭度低于0.6的天然林，管理人员也要分情况落实森林抚育管理工作[3]。如果郁闭度较低，幼龄木生长易受到其他植物的抑制，但情况较好的林区，管理人员需要重点调节幼龄木与其他植物的营养，帮助幼龄木获取更多的生长营养元素，帮助其快速成长。具体可通过伐除其他植株，移栽生长密集的幼苗来实现。

3. 侧墙窗口模块整体模型的固有应变焊接变形仿真

图1 3种接头的瞬时温度场分布情况

图2 接头3HY的应变场分布情况

图3 接头3HY焊缝及热影响区的平均应变曲线

表4 3种接头焊接完成后的固有应变大小

接头名称 X方向 Y方向 Z方向3HY -0.04102 -0.00084 0.01204 a2 -0.05421 -0.00140 0.02116 3II -0.08367 -0.00062 0.05049

（1）固有应变法计算焊接变形特殊需求客车侧墙结构由骨架蒙皮结构焊接而成，是车体的主要大部件之一，侧墙需要具备一定的承载能力，制造精度要求高，偏差难以控制。在该零件焊接过程中产生的各种焊接变形（横向、纵向收缩变形、角变形等）会引起结构形状改变，影响到车体的美观，尺寸精度下降甚至承载能力降低。长期以来，如何预测和控制侧墙大部件的焊接变形是碳钢车车体分总成复杂结构进行精益生产的关键问题和难点所在。本案例按照“局部-整体”有限元思想方法，以前述中研究的侧墙窗口模块3种焊接接头固有应变大小和分布规律为基础，采用固有应变法，对特殊需求客车侧墙窗口模块焊接变形进行了预测、分析，为侧墙的放量提供参考，如图4所示。

（2）侧墙窗口模块焊接制造工艺流程特殊需求客车侧墙骨架均为乙型梁结构，侧墙所有零部件材质均为耐候钢。侧墙骨架与墙板之间采用点焊工艺，骨架与骨架间焊缝使用焊条电弧焊，侧墙组成的工艺流程如图5所示。

在侧墙组成中，窗口模块是其中重要的组成次部件，次部件的制造质量将直接影响到侧墙组成的制造质量。因此，本文以窗口模块为对象，研究其在焊前焊后的尺寸变化。窗口模块主要由2个侧柱、5个纵梁、1个窗上小立柱和1个窗下小立柱组成，其窗口模块结构及工艺流程如图6所示。

（3）侧墙窗口模块有限元模型建立窗口模块主要由侧柱、纵梁和窗上下小立柱组成，整体尺寸为：长度方向1342mm，高度方向2439mm，是较大型结构，且该结构是由多条空间分布的焊缝组成的焊接结构。在焊接过程中有专门的工装进行夹持，如图7所示。

图4 侧墙示意

图5 侧墙整体工艺流程

图6 窗口模块工艺流程

采用Visual-Mesh软件对窗口模块模型进行六面体网格划分，绝大部分采用的C3D8R单元，存在极少数的C3D6单元。单元总数为482151，节点总数为731840，焊缝热影响区部位的网格适当加密，如图8所示。

式(3)即为全要素生产率的索洛残差公式，为要素产出份额。在具体估算中，常采用两要素的柯布—道格拉斯函数，即：

数值分析过程中采用的Q345NQR2（TB/T1979）材料，力学性能：密度为2700kg/m3，杨氏模量为210000MPa，泊松比为0.33，3种接头焊接线膨胀系数根据不同种类的接头焊后各方向固有应变的结果并结合相关公式来设定，如表5所示。

按照前述的实际夹紧状况为窗口模型赋予边界条件。由于夹具单元中的定位块与夹紧块大小相当、一一对应，且与工件的定位接触面积较小、而夹紧力足够大，所以在这种情况下有限元分析将之作为刚性约束处理，然后在焊缝附近施加相应的固有应变量。窗口模块整个组焊过程有61道焊缝（见图9），按照先焊接窗口四周的焊缝，然后再焊接窗上和窗下焊缝的顺序施焊。焊接顺序主要是通过在ABAQUS软件中创建多个分析步（STEP）来实现的，将求得的固有应变作为初始应变转换为相应方向上的线膨胀系数，施加于对应的焊缝附近区域，通过一次弹性有限元计算，便可得到前窗框焊后的整体变形数据。

（4）侧墙窗口模块仿真结果分析由焊接结构理论可知：构件的焊接变形通常用某些特殊点的变形量或沿某一条路径的变形量来衡量。图10分别显示了窗口模块焊接完成后的X、Y、Z方向和整体的位移。从图10a中可以发现，窗口的宽度收缩了0.76～1.32mm，并且侧柱出现了一定的弯曲，影响了侧柱的直线度；图10b显示了窗口模块Y方向的变形，从图中可以发现，窗口模块焊后大部分区域Y方向的变形不是很大，但是最下面一根纵梁区域出现了较大的变形，约1.35mm，Y向的变形将影响到窗口模块和侧墙墙板的贴合度；图10c显示了窗口模块Z方向的变形，从图中可以发现，侧柱和窗上下立柱在Z方向几乎没有变形，Y向的变形主要集中在纵梁上，变形最大的地方达到了0.78mm左右，影响了纵梁的焊后的直线度。

(4)学生自身要深刻认识到校园欺凌的危害性，严于律己，自觉抵制不良信息，不对他人实施欺凌行为；在遭受欺凌行为时要勇于揭发，向家长、老师以及公安机关寻求帮助。