畢 勝

高速列車焊接結構的早期疲勞時效是造成軌道列車事故的主要誘因，在其結構優(yōu)化和受力分析等方面還未得到充分研究。焊接過程中，鋁合金焊接接頭受到內應力以及熱循環(huán)載荷的綜合作用，表現(xiàn)出焊后性能減弱的現(xiàn)象。因此，采用合理的工藝和結構疲勞方案是提高鋁合金焊接接頭質量的關鍵。鋁合金結構的幾何連續(xù)性受到焊后余高的影響，產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，從而降低了結構疲勞強度，因此采用機械沖擊、熔修、磨削等工藝可以對焊縫幾何形狀的優(yōu)化和應力集中的減弱起到積極作用。本文提出了一種新型碾壓整形工藝，并對A7N01鋁合金焊接接頭在該工藝下的疲勞性能進行了研究。電弧焊廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，由于母體金屬的熱傳導和熱擴散作用，電弧焊過程中，電力損失占整個焊接能源消耗的主要部分。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過提高焊接點處金屬溫度、減少母體金屬的熱擴散等方式合理控制工件中的能量流，減少熱損失。通過綜合分析焊接過程中熱量的傳輸可確定能量損失，有研究曾給出了假設條件下溫度場分析模型。焊接過程中，單位長度消耗的能量與電弧功率呈正比，與噴燈移動速率呈反比。

1 有限元分析

本文從厚度為12.5mm的高速列車用不同批次的A7N01鋁合金焊板上截取了4個試樣，分別編號為1、2、3、4。統(tǒng)計焊接接頭試件的幾何形狀，以研究其對應力集中系數(shù)的影響。給出了鋁合金焊接接頭試件的宏觀形貌。對4個試件的幾何參數(shù)進行統(tǒng)計，求其得平均值為焊縫最大寬度B為22.865mm，正面余高h1為2.675mm，背面余高h2為1.863mm，焊趾角為24.75°。文章給出了焊接接頭的幾何模型和參數(shù)優(yōu)化方案。即在焊趾處增加焊道和過渡圓弧，焊道的寬度為w、焊趾角為，圓弧的半徑為r。采用有限元軟件計算A7N01鋁合金焊接接頭的應力分布。幾何參數(shù)的優(yōu)化方法為保持余高和焊趾角不變，焊道寬度分別取0mm、3mm、6mm和8 mm，焊趾半徑分別取4mm、6mm、8mm和10 mm。按照統(tǒng)計的鋁合金焊接接頭的平均幾何參數(shù)建立有限元模型，模型參數(shù)設置為：彈性模量為89 GPa，泊松比為0.3；單元類型為4節(jié)點平面應變單元，焊趾處細化網(wǎng)格的最小尺寸為0.1 mm；加載單軸拉應力為60 MPa的。

通過有限元分析計算表明，原始焊接接頭產(chǎn)生了很大的焊趾應力集中，系數(shù)高達2.0。這是因為較大的接頭余高導致焊趾位置產(chǎn)生顯著的幾何不連續(xù)性。給出了增加焊趾過渡圓弧后的應力集中系數(shù)變化曲線?？梢钥闯觯瑧邢禂?shù)伴隨焊趾圓弧半徑的增大逐漸減小，這是由于焊趾處的幾何形狀趨于平滑；應力集中系數(shù)伴隨焊道寬度的增加有所增加，這是由于接頭形狀優(yōu)化受焊道寬度的影響有限；應力集中系數(shù)在原始焊接接頭上直接增加過渡圓弧時，顯著降低，并在焊趾半徑為8 mm時達到最小值1.12。

用COMSOL多物理場仿真軟件求解上述模擬線性自生GTA焊接過程的傳輸方程組。COMSOL可以解決多種物理現(xiàn)象耦合模型。COMSOL多物理場以有限元法為基礎。對全部偏微分方程二次離散化。最大元為0.08mm的非結構化四面體網(wǎng)格被應用到位于熔池處的流體域。在工件只有溫度場和電磁場的區(qū)域，網(wǎng)格比較粗糙，最大尺寸達到了0.25mm。 為了對數(shù)據(jù)進一步處理，本實驗進一步改進了MATLAB代碼。

2 焊后整形后的疲勞性能

有限元分析表明，缺口位應力集中現(xiàn)象在焊趾處加工半徑為8 mm的過渡圓弧后得到大幅減弱，焊接構件的抗疲勞強度也隨之提高。本文設計了一套新型碾壓整形裝置，其原理是焊縫幾何形狀在碾壓輪施加的機械力作用下得到優(yōu)化，從而減小焊趾應力集中。該套裝置主要由前碾壓輪、后碾壓輪、沖擊桿軸、碾壓輪軸、碾壓輪導向架和碾壓輪后座六部分組成。由于前輪的直徑較大且輪緣為凸面，因此先與工件接觸并對焊后余高起到捶打作用；后輪直徑較小且輪緣為凹面，因此在焊趾處于工件接觸，并對焊趾幾何形狀起到優(yōu)化作用。通過設計多組直徑的碾壓輪，保證后輪與焊趾接觸，以適應不同的焊縫寬度。

整形試驗選用兩塊A7N01鋁合金板料，規(guī)格為500×250×12.5mm，開角度為60°的單邊V形坡口。施焊方法與MIG焊相同，填充材料為直徑為2.5 mm的SAF 5356焊絲，焊接電流與電壓分別為220 A和23 V，焊接速度為40 cm/min。采用機械沖擊碾壓技術對一塊焊板實施整形。將焊板裝夾在工作臺上后，連接沖擊氣錘與碾壓機構，調整位置使前后碾壓輪的輪緣分別與焊縫余高和焊趾接觸；打開沖擊氣錘與工作臺的開關，焊縫余高以及焊趾幾何形狀在氣錘的沖擊作用下得到優(yōu)化。按照國標要求，分別在未整形焊板和整形焊板上截取8個試樣，經(jīng)拋光打磨后采用MTS810疲勞試驗機進行疲勞試驗，載荷設置為脈動載荷，最大應力為100 MPa。

相比原始焊接接頭，焊趾過渡更加平滑，缺口應力集中現(xiàn)象減弱。原始焊接接頭和整形焊接接頭的疲勞試驗結果可知，原始焊接接頭的疲勞壽命的平均為0.81×106周次，僅有1個試件的疲勞斷裂出現(xiàn)在焊縫處，其余7個均出現(xiàn)在焊趾處，這是由于焊趾幾何不連續(xù)性導致的應力集中問題導致的。焊接接頭整形降低了應力集中，疲勞壽命的平均值提高到了3.06×106周次，遠高于高速列車的疲勞強度要求（2.0×106周次）。其中，試件4、6、7均在母材上發(fā)生斷裂，試件3在循環(huán)10×106周次后仍未斷裂。

3 焊接有限元分析

AISI1018鋼的線性自生GTA焊接模擬了不同組合的能量輸入和焊接速度情況。工件長200mm（x軸方向）、寬50mm(y軸方向)、厚3mm（z軸方向）。出于200mm長的工件，焊接噴燈前長30mm，焊接噴燈后長170mm。噴燈的位置被認為是構架的起點。需要說明的是，模擬過程中熱源的有效面積是4.0 mm。一次整個熔池能夠處在熱源之下。電弧與工件的相對運動使縱向焊縫兩邊不對稱。熔池表面的溫度分布范圍時從熔池邊緣的熔化溫度到最大滲透深度上的最大溫度。焊接速度達到2.0mm/s時，流體流動由Marangoni對流驅動。焊接熔池表面的流體從中心流向四周。當焊接速度達到2.5mm/s和3.0mm/s時，流動模式經(jīng)過渡轉為更復雜的多渦流模式。這種情況下，滲透深度有所加強。當焊接速度為2.0mm/s時，流動模式為環(huán)渦，3xz平面和yz平面證實了此結構，此結構由Marangoni對流引起。這種對流主要是相鄰熔池表面間的對流運動。熔池深度隨著焊接速度的增加而增加，這種情況下，洛倫茲力誘導熔體沿熔池底部向熔池邊緣流動，并產(chǎn)生漩渦以加強熱量向熔池底部傳輸。這說明洛倫茲力在增加熔池深度上起著重要作用。因此，在相同的能量或熱量輸入的情況下，隨著焊接速度從2.0mm/s增加到2.5mm/s再到3mm/s，熔體流動模式從簡單漩渦結構過渡到復雜的漩渦系統(tǒng)結構，這時，熱傳輸能夠增加熔池深度。下面我們仔細看看在工件表面上的溫度分布；這將為我們理解為何在熱量輸入總量和材料特性相同時，較高焊接速度和較大的能量輸入使熔池擴大提供額外的幫助。焊接速度2.0mm/s、輸入功率600W和焊接速度3.0mm/s、輸入功率900W時的工件上表面的溫度分布。這兩種方案單位長度的熱量輸入都是300J/MM但是后一個方案的最高溫度比前一個高出了24%。然而，兩個方案的平均溫度很接近。

佩克萊特數(shù)用來表示對流與擴散的相對比例。因為研究中材料特性和電弧形狀始終不變，因而佩克萊特數(shù)僅與焊接速度有關。焊接速度為2mm/s和3mm/s時，佩克萊特數(shù)分別是1.16和1.74。隨著佩克萊特數(shù)的增加最大溫度隨之增加，這意味著電弧與工件之間平動散熱速度要大于熱導入材料速率。然而，電弧單位距離熱輸入為常數(shù)，這意味著隨著輸入功率增加，電弧下端的溫度也在增加。由于洛倫茲力增強熔池攪拌程度，因此熔池內溫度提高，金屬熔化速率加快。表面溫度提高、熔池對流速度加快導致了焊縫熔深加深。

六種不同焊接速度的熔池橫截面（yz）和上表面（xy）。這些方案中，單位長度總熱量輸入為常數(shù)300J/mm。在這六種方案中，盡管單位長度的熱量輸入相同，但是焊接熔池的幾何形狀卻明顯不同。每個方案中最大滲透深度處焊接熔池的橫截面。隨著輸入功率和焊接速度的提高，熔池滲透深度和該處橫截面的面積也相應增加。觀察1號熔池到6號熔池的變化，發(fā)現(xiàn)當焊接速度和功率輸入提高150%時，熔池滲透深度提高了兩倍。焊接速度和輸入功率越大，焊接熔池的上表面的長（沿x軸）、寬（沿y軸）也相應增加，但是延長率要大于寬度擴張率。當單位熱量輸入分別為350J/mm、300J/mm、250J/mm時，焊縫滲透深度與焊接速度的關系曲線。需要說明的 是，為了保證單位熱量輸入為常數(shù)，電弧功率與焊接速度呈比例增長。例如，當單位長度的熱量輸入為300J/mm時，隨著焊接速度從2mm/s提高到3mm/s，電弧功率也應相應地由600W增加到900W?？梢钥闯觯瑢愣ǖ臒崃枯斎?，焊接速度和輸入功率的提高導致了焊縫深度的增加。

為獲得某一焊縫滲透深度，我們選擇了不同組合的單位熱量輸入和焊接速度。例如，如果要獲得1.25mm的焊縫滲透深度，我們可以從圖中曲線讀出相應的熱量輸入和焊接速度參數(shù)組合。這些方案的輸入功率分別是784W、918W、1100W。這說明采用較高焊接速度和輸入功率的焊接工藝，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還能夠降低能耗。當單位熱量輸入分別為350J/mm、300J/mm、250J/mm時，焊縫熔池的深寬比與焊接速度的關系曲線。單位長度熱量輸入為常數(shù)時，在母體金屬表面熔化速度較低且熔池較淺，因此深寬比有最小值。隨著焊接速度的增加，熔池深度增加要快于寬度增加，因此深寬比總是不斷增加。深度的變化趨勢和深寬比的變化趨勢及其相似；然而，焊接速度較低時，深寬比曲線的斜率較大。方案a、b、c、中深寬比分別是0.240、0.243、0.246。

單位長度焊縫輸入總熱不同時工件最大溫度和平均溫度關于焊接速度變化關系。隨著焊接速度和佩克萊特數(shù)的增加，最大溫度也隨之提高。最大溫度和平均溫度的變化曲線都接近線性。隨著焊接速度的增加，盡管平均溫度僅有微小增加，但最大溫度增加明顯。最大溫度的提高導致了焊縫幾何特征的變化，如焊縫熔深、深寬比。另一方面，因為平均溫度基本保持不變，在較高焊接速度和輸入功率時，熔池冷卻速度加快。冷卻速度是影響熔池金屬凝固和形成金屬間化合物相的關鍵因素。最大溫度和金屬蒸發(fā)和殘余應力的發(fā)展呈正比例。值得一提的是，為避免模擬過程復雜化，本文規(guī)定蒸發(fā)最大溫度低于鐵的沸點。

對焊縫滲透深度相同的三種方案a-c，可以看出最大溫度有明顯的差別。a、b、c三種方案的最大溫度分別是2547K，2660K，2836K。結果發(fā)現(xiàn)，熔化效率在1.8%到17.3%之間變化。這說明只有很少一部分熱量用于熔化金屬，大部分熱量都由于母體金屬的熱傳導作用而浪費掉了。通過選擇合適的焊接速度和輸入功率組合，能夠有效提高熔化效率。a、b、c所顯示的熔化效率分別是12.9%、14.8%和17.3%。盡管a中單位長度熱輸入量比c高40%但是c的熔化效率要比a高出38%。這就是兩者幾何方面相似的原因。為了驗證某個方案通過數(shù)值模擬得到的焊縫縱截面的預測圖，我們將其與實驗結果進行了比較。選擇的方案參數(shù)為：焊接速度4.4mm/s、輸入功率1100W，即方案a。比較了焊縫的縱截面圖。實驗中，為獲得1100W的輸入功率，我們將電弧電流設置為125A，電弧電壓為12V并假設電弧效率為75%。文獻詳述了獲得該焊縫的實驗過程。本文的對比研究進一步證實了COMSOL有限元法。需要說明的是，研究中忽略了重力對GTA焊接過程的影響。

4 結論

采用有限元技術分析焊趾半徑和焊道寬度對應力集中系數(shù)的影響，最終確定了焊縫的最優(yōu)幾何形狀為焊趾半徑為8mm時。針對焊縫幾何形狀的優(yōu)化問題，研制出了新型碾壓整形裝置，該裝置通過機械沖擊作用增大焊趾半徑，降低余高。通過對整形前后的焊接接頭進行疲勞試驗，試驗結果表明，A7N01鋁合金焊接接頭在碾壓整形后的疲勞壽命大幅提高，焊趾應力集中顯著減弱，疲勞斷裂主要出現(xiàn)在焊縫和母材處。本文使用基于有限元法的COMSOL多物理場軟件模擬了低碳鋼上的自生鎢電極惰性氣體保護焊。該模型包括焊接電弧產(chǎn)生的電磁場、焊接熔池內熔體流動速度場、整個工件的熱傳導過程。結果表明，在單位焊縫長度輸入相同時，可以通過優(yōu)化焊接速度和電弧功率組合有效降低焊接過程的能耗。單位焊縫長度輸入能量為常數(shù)，熔池內熔體流動速度場包括由Marangoni對流引起的從中心向上流動的環(huán)渦；對流在焊接速度較低時占主要作用。焊接速度較高時，洛倫茲力產(chǎn)生的漩渦位于Marangoni環(huán)渦的下面，因此對流得到加強、熔池加深。隨著焊接速度和輸入功率的提高，熔體流動最大速度也隨之增加。通過分析工件溫度分布場，我們發(fā)現(xiàn)，盡管熱輸入總量和材料特性不變，但同時提高焊接速度和輸入功率，焊接熔池最高溫度也隨之提高。通過比較佩克萊特數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)，在焊接速度較高時，熱對流比熱傳導作用更大，這導致了熱分布更集中于熱源的周圍，例如熱源下面的溫度更高并進一步增加熔池尺寸和熔化效率。單位焊縫長度熱輸入為常數(shù)，隨著焊接速度提高，焊縫熔深、深寬比、最大溫度以及熔化效率都相應提高。換句話說，通過選擇合適的焊接參數(shù)，同樣的耗能能夠得到更優(yōu)的焊縫特性。盡管焊縫熔深、深寬比以及熔化效率的提高總是有利的，但隨之帶來的更高的溫度可能導致更大的殘余應力、熔融金屬蒸發(fā)加速以及形成有害金屬相。熱輸入量不同，選擇合適的焊接速度和輸入功率，可以在降低耗能的前提下實現(xiàn)某一焊縫熔深。例如，為獲得1.25mm的焊縫熔深，選擇的焊接參數(shù)可以是焊接速度2.24mm/s&輸入功率784W，也可以是焊接速度4.4mm/s&輸入功率1100W。與焊接速度2.24mm/s的方案相比，后者的溫度要高12%，能耗降低28%。