转向架构架侧梁焊接变形控制研究_郭廷银.pdf
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1、2023年 第5期 热加工93焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g转向架构架侧梁焊接变形控制研究郭廷银,高燚,张祥中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412000摘要:应用SYSWELD软件对转向架构架侧梁焊接各工序不同焊接顺序、焊接方向进行数值模拟,确定各工序梁体焊接不同的变形结果。同时,结合侧梁组焊多工序的特点,采取工艺放量、组装反变形、工装定位预留变形量等措施,利用自动化焊接工艺,引导梁体生产过程变形,使得前工序焊接变形能与后工序焊接变形有效抵消,实现侧梁焊接变形控制。关键词:焊接变形;数值模拟;自动化焊接;焊接反变形1 序言在现代制造业中,焊接作为一种可靠、
2、高效且成本低的热加工工艺,在制造业中被广泛应用。随着我国轨道交通行业的发展,以及国际竞争的日益激烈,对轨道车辆转向架质量要求也不断提高。而焊接过程中产生的焊接残余应力与变形对焊接工件符合性造成不小的危害。受传统手工焊装配一致性、焊接一致性等因素制约,各车型构架焊后变形严重,构架侧梁尤为突出,焊接导致侧梁产生挠度变形及扭曲变形,通常需要进行机械矫正,有时还需结合火焰矫正,否则,尺寸超差的梁体在构架组装时将出现较大装配间隙,从而影响组焊质量。梁体调梁虽然可以满足后续组装,但对产品质量产生诸多不利影响因素,如:反复调梁会降低梁体疲劳强度;机械调梁、梁体受压,存在使焊缝或母材产生裂纹的风险等;侧梁调梁
3、会严重制约生产效率。现阶段,得益于自动化焊接工艺的发展1,对转向架构架侧梁焊接变形控制研究具有切实可行的意义。2 转向架构架侧梁工艺分析2.1 构架侧梁结构受整车结构制约,转向架构架侧梁通常为细长箱形结构,是构成构架的主要部件。主要组成部分有下盖板、内立板、外立板、内部加强筋、上盖板及外部组件,各组件间通过焊缝连接,如图1所示。2.2 构架侧梁组焊流程由于转向架侧梁主体为多板材组成的箱形结构,其生产制造需经过较多工序,主要有:立板隔板组装梁体拼装梁体内部焊缝焊接梁体盖板梁体主焊缝焊接梁体附件组装梁体附件焊接。拼装焊接前,各部件间均需进行定位焊,增加梁体的刚度,便于焊接变形控制。3 SYSWEL
4、D软件介绍SYSWELD是专门针对焊接工艺仿真、工艺优化的软件,其内置的焊接向导、热处理向导可使用户在很短的时间内掌握软件的运用,而且能够对焊接过程中焊接热输入、焊接速度、焊接方向、焊接顺序等参数进行优化。经多年的发展,该软件已积累了丰富的经验和案例,已在全球成为热处理、焊接和焊接装配过程模拟的领先技术方案,不仅能够全面考虑材料特性、设计和工艺过程,同时也包含强大的网格划分、完善的材料数据库、简单易用的焊接/热处理专家向导等专业且成熟的焊接模拟仿真全面解决方案,是迄今为止为数不多的整合了各种焊接方法的有限元模拟仿真解决方案,也是应用成熟、广泛、专业的焊接模拟仿真软件,将前图1转向架构架侧梁结构
5、2023年 第5期 热加工94焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g端可行性评估、几何和过程优化,以及过程验证融合于一个软件系统。软件由4部分组成:VISUAL-MESH专业网格划分工具、SYSWELD焊接分析工具、WELD-PLANNER焊接装配分析工具、SYSWELD-Weld Visual-Weld焊接后处理,软件组织结构如图2所示2。4.2 焊接工艺定义(1)焊缝类型及焊接参数 侧梁相关焊缝不仅涉及到不同板厚之间的焊接,同时又涉及到多层多道焊,主要接头形式及相关焊接参数见表1。在后续图2软件组织结构 a)内部焊缝网格 b)外部主焊缝网格 c)附件焊缝网格 d)
6、道层数区分 图3模型网格前处理表1焊接接头形式及焊接参数编号接头形式焊接顺序焊接参数焊层 焊接方法焊接材料规格/mm焊接电流/A电弧电压/V电流种类/极性焊接速度/(mm/s)热输入/(kJ/mm)111351.2230 240 2526=+4.550.921.11241351.2250 260 2728=+44.51.201.4651351.2270 280 2930=+3.541.571.922121351.2240250 2930=+4.21.341.80311351.2240250 2930=+4.21.341.8021351.2230240 2930=+7.50.710.773413
7、51.2240250 2930=+4.21.341.8051351.2240250 2930=+3.31.662.254 现有工艺模拟4.1 数值模型建立利用VISUAL-MESH对侧梁三维模型进行网格划分,在网格划分时,完成每条焊缝的初始定义,包括焊缝层道数、焊缝名称(编号),便于后续焊接顺序调整、计算设置,如图3所示。2023年 第5期 热加工95焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g的网格划分和仿真设置过程中将按照该接头层道数作为参考进行焊接参数的设定。(2)初始条件 由于焊接过程是一个持续的加热到熔点并冷却到常温的过程,因此在WELD-PLANNER软件中,需
8、要定义材料的热和机械属性。材料参数定义中主要参数有弹性模量、泊松比、线膨胀系数、应力应变曲线及熔点。实用材料16MnDR未在软件材料库之列,但该材料性能与材料数据库中的S355J2G3接近,因此用S355J2G3相关参数进行计算设置。而焊接热源则根据每条焊缝焊接参数确定其热输入。(3)焊接顺序 根据现有工艺完成内部焊缝、主焊缝、附件焊缝焊接顺序设置,如图4所示。VIEWER进行计算结果分析。焊接仿真模拟结果如图6所示。图4侧梁焊缝焊接顺序设置a)梁体整体变形图7参考点选取图5模型约束 b)夹具释放后均向位移(10)图6焊接仿真模拟结果4.3 边界条件结合现场已制作组焊工装夹具夹持位置,对模型施
9、加约束,在设置约束时均采用位移约束定义,如图5所示。4.4 现有工艺模拟结果与实测对比(1)结果分析 经过前期初始条件设置,按固有应变法完成计算,使用后处理软件VISUAL-从图6可看到,侧梁两端均产生向下的弯曲变形,其中变形最严重的区域为上下盖板两端的边沿。此处由于没有加强结构,刚度小,抵抗变形的能力最弱,因此出现了最大的焊接变形,最大值达到了15.34mm。与现场状况相吻合,后期需借助液压千斤顶等工具完成调平。(2)参考点 为了更直观地观察梁体Y、X、Z各向的整体变形情况,应合理选择参考点。参考点选取如图7所示。1)对于立弯变形数据的提取,以底板作为基准面,沿长度方向依次选取17个参考点,
10、计算其在垂直于基准面方向(即Z轴)上的坐标差,取最大值作为立弯变形的评价依据。2)对于旁弯变形数据的提取,以选取的17个参考点所在的垂向截面作为基准面,依次提取该17个2023年 第5期 热加工96焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g节点相对于基准面的Y向位移值,取最大值作为旁弯变形的评价依据。参考点位移变化值见表2。根据表2绘制曲线(见图8),可以看到在夹具释放后,Y向位移、Z向位移均变大,这主要是由于夹具释放的过程改变了构件内部的应力状态,随之结构刚度降低,应力得到释放,因此导致变形增大。工程应用需要参考的数值为夹具释放之后的变形数据。表2参考点位移变化值 (m
11、m)编号Y向位移Z向位移加载未加载加载未加载10.020.062.643.9420.190.221.872.9730.370.371.342.1940.580.570.941.5550.810.821.011.4061.051.080.590.8171.221.260.280.3881.311.320.270.2991.411.410.270.27101.491.500.550.58111.531.570.800.93121.551.641.151.41131.461.561.652.09141.331.491.892.54151.201.452.563.44161.041.423.324.4
12、5170.901.383.985.29通过对采集的参考点位移数据进行统计,可以确定该侧梁构件的立弯变形为4.35mm(Z向位移最大值),现场实测的立弯数据为5mm,旁弯变形为5.64mm(Y向位移最大值),现场实测的立弯数据为6.5mm,模拟与实际比较吻合,见表3。通过该计算模拟,得到侧梁构件的焊接变形分布状态及各点的数值大小、变形趋势与实测的变形趋势一致,数值大小吻合较好,证明网格模型前处理是合理的。5 不同工艺焊接变形模拟5.1 焊接方向设置分析侧梁设计结构,制定切实可行的焊接方向方案,如图9所示。由图9可知,方向1是常规的自工件中间向两端焊接,是生产中常用的焊接方向;方向2从工件两端向中
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