不銹鋼車(chē)體側(cè)墻單元電阻點(diǎn)焊路徑仿真研究

馬 寅 韓曉輝 徐 野

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 山東 青島 266000)

不銹鋼地鐵通常采用低碳高抗拉強(qiáng)度不銹鋼板301L材料，301L不銹鋼為非穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，在冷塑性變形加工中會(huì)部分變成馬氏體，材料強(qiáng)度、硬度升高同時(shí)保持有一定的塑性和韌性，同時(shí)具有較高的電阻率和較低的熱導(dǎo)率，是一種理想的電阻點(diǎn)焊材料。電阻點(diǎn)焊因其焊點(diǎn)表面質(zhì)量穩(wěn)定，工作效率高且安全、環(huán)保、無(wú)污染的特點(diǎn)，成為不銹鋼車(chē)體最主要的連接方式。

點(diǎn)焊過(guò)程涉及到熱場(chǎng)、電場(chǎng)、力場(chǎng)等，點(diǎn)焊熱源在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)電阻與工件的電流為工件提供大量電阻熱能，點(diǎn)焊過(guò)程屬于局部加熱的過(guò)程。工件受熱不均勻?qū)е碌暮附幼冃我约皻堄鄳?yīng)力制約著產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造到產(chǎn)品實(shí)用的完整性、合理性、可靠性。項(xiàng)目基于不銹鋼地鐵車(chē)體電阻點(diǎn)焊工藝要求，圍繞車(chē)體典型板材組合進(jìn)行電阻點(diǎn)焊焊接變形仿真，研究焊接路徑對(duì)焊接變形分布的影響，優(yōu)化焊接工藝，指導(dǎo)實(shí)際地鐵車(chē)輛的焊接生產(chǎn)制造。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用301L不銹鋼材料，電阻點(diǎn)焊的接頭形式為雙面單點(diǎn)。301L的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。

表1 301L不銹鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能

注：YS為屈服強(qiáng)度；UTS為抗拉強(qiáng)度；EL為延伸率。

試驗(yàn)以厚度“1.5 mm+1.5 mm”的組合為代表，采用simufact商用模擬仿真軟件，針對(duì)焊接路徑和約束工況因素對(duì)焊接變形、殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行研究。試驗(yàn)采用的焊接控制器為MEDWELD 5015中頻直流控制器，功率為28 kVA，最大輸出電流為13 kA。試板規(guī)格500 mm×130 mm，焊點(diǎn)的排布如圖1所示[1]。

為了驗(yàn)證simufact試板焊接變形模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真模型的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證分為焊后變形測(cè)試和殘余應(yīng)力測(cè)試。進(jìn)行焊接變形測(cè)試的設(shè)備為?？怂箍等S坐標(biāo)儀 Leitz PMM XI，通過(guò)測(cè)量焊后表面的三維坐標(biāo)來(lái)確定焊接變形。殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備為Proto殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x。殘余應(yīng)力測(cè)量包括9個(gè)焊點(diǎn)位置和10個(gè)相鄰焊點(diǎn)中心位置[2]。

選取6種焊接路徑(見(jiàn)圖1)，采用生產(chǎn)用工藝參數(shù)，分別研究弱約束工況和強(qiáng)約束工況對(duì)焊接變形的影響規(guī)律。弱約束工況下板材僅兩端由工作臺(tái)支撐，強(qiáng)約束工況下板材兩端由C形鉗與工作平臺(tái)固定。根據(jù)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比分析，獲得不同約束工況下最優(yōu)焊接路徑，指導(dǎo)后續(xù)不銹鋼地鐵車(chē)輛電阻點(diǎn)焊的生產(chǎn)制造。

圖1 6種典型焊接路徑

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果驗(yàn)證

將路徑2作為基準(zhǔn)焊接路徑，實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行實(shí)際焊接試驗(yàn)并進(jìn)行焊接變形和殘余應(yīng)力的檢測(cè)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，仿真結(jié)果(見(jiàn)圖2a)與焊件整體變形趨勢(shì)趨于一致(見(jiàn)圖3)，均呈兩側(cè)翹起、中間下凹變形。焊件焊點(diǎn)中心部位(偶數(shù)編號(hào)測(cè)量點(diǎn))表面產(chǎn)生300 MPa左右應(yīng)力，兩焊點(diǎn)之間中心位置(奇數(shù)編號(hào)測(cè)量點(diǎn))幾乎沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力(見(jiàn)表2)，與仿真預(yù)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖2b)基本吻合。通過(guò)焊件驗(yàn)證，該仿真模型能夠準(zhǔn)確反映焊件的焊接變形趨勢(shì)和表面殘余應(yīng)力的分布。

圖2 基準(zhǔn)路徑仿真結(jié)果

圖3 焊件焊件變形測(cè)試結(jié)果

表2焊件殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果/MPa

測(cè)量點(diǎn)編號(hào)12345678910焊前殘余應(yīng)力-102.61-60.28-72.91-46.89-127.70-19.28-52.09-51.84-70.69-19.92焊后殘余應(yīng)力-96.85167.86-113.27192.53-102.19244.35-69.82284.65-9.03278.78測(cè)量點(diǎn)編號(hào)111213141516171819焊前殘余應(yīng)力-34.59-25.92-37.26-49.28-32.09-87.26-69.28-72.13-112.86焊后殘余應(yīng)力23.23261.08-49.67277.37-96.50246.35-94.68208.72-88.76

2.2 弱約束工況下仿真結(jié)果及分析

不同焊接路徑下的殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，均在焊點(diǎn)周?chē)植看嬖谳^大的拉向殘余應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊點(diǎn)位置殘余應(yīng)力急速衰減。不同焊接路徑下，不同焊點(diǎn)位置的殘余應(yīng)力有不小的差別，但其幅值均保持在400 MPa左右。不同焊接路徑焊接變形差異較大，證明焊點(diǎn)殘余應(yīng)力的演化順序?qū)Π寮附幼冃斡休^大影響。

路徑5試件焊接變形最小、效率最優(yōu)，路徑2試件焊接變形最嚴(yán)重(見(jiàn)圖4)。路徑5焊點(diǎn)焊接順序在長(zhǎng)度、寬度上均沿著相同方向，有利于焊接過(guò)程溫度的均勻分布，降低焊件變形。路徑2、4、6由于焊點(diǎn)順序在長(zhǎng)度或者寬度方向上存在不同程度的交叉，造成溫度集中區(qū)域，從而導(dǎo)致較大變形。

圖4 各路徑焊接變形仿真結(jié)果

2.3 強(qiáng)約束工況下仿真結(jié)果及分析

強(qiáng)約束工況下，殘余應(yīng)力的分布規(guī)律與弱約束工況下一致。其中路徑6最后一個(gè)焊點(diǎn)位置存在極強(qiáng)的殘余應(yīng)力，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免該類焊接路徑。

強(qiáng)約束工況下，焊接路徑對(duì)焊接變形的影響規(guī)律相較于弱約束工況發(fā)生了改變，路徑1、2試件焊接變形較小，路徑1效率優(yōu)于路徑2，路徑4、5、6試件焊接變形較大(見(jiàn)圖5)。

圖5 各路徑焊接變形仿真結(jié)果

強(qiáng)約束工況下，焊件整體焊接變形量相較弱約束工況較小。路徑2在各點(diǎn)溫度分布與弱約束工況下基本一致，但由于長(zhǎng)度方向兩端約束，右側(cè)較集中的高溫區(qū)域無(wú)法引起右端上翹變形，因此整體變形相對(duì)較小。路徑5在各點(diǎn)溫度分布與弱約束工況下基本一致，板材中部存在較其他路徑嚴(yán)重的高溫集中區(qū)，強(qiáng)約束條件下是導(dǎo)致板材中部區(qū)域變形相對(duì)較嚴(yán)重的主因。

3 結(jié)論

通過(guò)焊件模擬仿真計(jì)算與實(shí)際焊接對(duì)比驗(yàn)證可知，該仿真模型能夠準(zhǔn)確反映高強(qiáng)度不銹鋼薄壁板梁式部件電阻點(diǎn)焊的焊接變形趨勢(shì)，以及表面殘余應(yīng)力的分布。

弱約束工況下，如側(cè)墻窗口周圈焊縫、板材變形能傳導(dǎo)至板材邊緣，為盡量使焊接過(guò)程中焊件整體的溫度分布較為均勻以減少焊接變形，應(yīng)采用路徑5鋸齒形軌跡進(jìn)行焊接，如圖6所示。

圖6 典型側(cè)墻單元焊接路徑規(guī)劃

強(qiáng)約束工況下，如側(cè)墻下部邊緣焊縫，板材整體焊接變形減小，約束端即使出現(xiàn)較集中的高溫區(qū)域也不會(huì)發(fā)生變形，而在板材可變形位置的高溫集中區(qū)域會(huì)造成較大的焊接變形，為避免焊件易變形位置出現(xiàn)較明顯的高溫集中區(qū)域，應(yīng)采用路徑1“Z”形軌跡進(jìn)行焊接。