转向架构架侧梁焊接变形控制研究_郭廷银.pdf

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、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 SYSWELD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）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=+7.50.710.77341351.2240250 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，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 （mm）编号Y向位移Z向位移加载未加载加载未加载10.020.062.643.9420.190.221.872.9730.370.371.342.1940.580.570.941.5550.810.821.011.4061.051.080.590.8171.221.260.280.3881.311.320.270.2991.411.410.270.27101.491.500.550.58111.531.570.800.93121.551.641.151.41131.461.561.652.09141.331.491.892.54151.201.452.563.44161.041.423.324.45170.901.383.985.29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从工件两端向中间施焊；方向3结合方向1和方向2，调整部分方向分段焊接；方向4与方向3类似，但将对应位置方向反向。5.2 焊接顺序方案焊接顺序方案如图10所示。侧梁焊接主要工序如下。（1）内部筋板焊缝焊接 序1为筋板与下盖板连接焊缝，序2为筋板与内立板连接焊缝，序3为筋a）夹具释放前后Z向位移趋势b）夹具释放前后Y向位移趋势图8参考点位移曲线 表3模拟值和实测值对比 （mm）类型模拟实测立弯变形量4.355旁弯变形量5.646.52023年 第5期 热加工97焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g板与外立板连接焊缝。（2）主焊缝焊接 序4为上盖板与内立板连接焊缝，序5为上盖板与外立板连接焊缝，序6为下盖板与内立板连接焊缝，序7为下盖板与外立板连接焊缝。（3）外部附件焊接 外部附件主要分布在梁体下盖板侧及外立板侧，将梁体（不包括附件）作为一个整体，焊接顺序分3种情形：从左端依次焊到右端。从中间向两端焊接。从两端向中间焊接。每个工序均有多种焊接顺序，文中暂且列举以下两种方案3，4。顺序1：焊缝1焊缝2焊缝3焊缝4焊缝5焊缝6焊缝7。顺序2：焊缝1焊缝3焊缝2焊缝6焊缝7焊缝4焊缝5。5.3 仿真计算根据以上所设计的焊接方向、焊接顺序方案，进行仿真计算，得到多组焊接变形结果。内部焊缝焊接变形模拟结果如图11所示。通过已设定的4种方向，从内部焊缝产生的变形结果可以看到，不同方向下产生的最终焊接变形趋图9焊接方向假设注：图中箭头表示焊接方向，数字表示焊接顺序。b）主焊缝编序图10焊接顺序方案a）方向1 b）方向2c）方向3 d）方向4图11内部焊缝焊接变形模拟结果a）内部焊缝编序2023年 第5期 热加工98焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g势都是一致的。为更方便地对侧梁构件焊接过程中产生的旁弯、立弯进行对比，对选定的参考点的数据进行处理后得到的旁弯、立弯变形量，见表4。为了更好地对不同焊接方向下的立弯、旁弯变形进行对比，对选定参考点的Y向、Z向变形数据进行采集后，绘制成更直观的变形曲线，如图13所示。由图13可知，其中立弯变形几乎相同，旁弯变形方向3最小、方向4最大。附件焊接变形模拟结果如图14所示。从图14可看到，旁弯变形几乎相同，均为4mm；立弯变形方向2最小、方向4最大。参照不同方向焊接模拟步骤，选定方向1对模型焊缝顺序进行模拟，并对仿真模拟得到的数据进行计算，旁弯、立弯变形见表5。由表5可知，不同的焊接顺序对梁体焊接变形趋势相同，但按顺序1焊接时立弯较小。焊接仿真结果分析：通过一系列仿真计算，得到梁体在不同焊接方向、焊接顺序下的焊接变形趋势及大小存在一定差异，但整体差异不明显。一方面，是由于理论边界条件均相同，约束力相对实际生产中非绝对固定夹持有一定差异；另一方面，设计结构已确定，梁体焊接过程产生的残余应力分布比较规律且不能消除，这直接导致梁体焊后固有变形的产生。a）方向1 b）方向2c）方向3 a）Z向位移 d）方向4图12主焊缝焊接变形模拟结果b）Y向位移图13变形曲线表4内部焊缝焊接旁弯、立弯变形量 （mm）编号方向1方向2方向3方向4立弯3.653.763.723.71旁弯0.4750.700.320.48由表4可知，在4种不同焊接方向下，内部焊接产生的立弯变形分别为3.65mm、3.76mm、3.72mm和3.71mm。其中立弯变形最小的是方向1，最大的是方向2；旁弯变形最小的是方向3，最大的是方向2。主焊缝焊接变形模拟结果如图12所示。2023年 第5期 热加工99焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g6 焊接工艺优化参考模拟计算结果，结合实际生产中梁体组焊完成的变形情况，采用逆向思维：摒弃以往“力求每工序焊接变形最小”的思维模式，在前工序通过改变胎膜夹具的定位、夹持方式，对部分位置定位a）方向1 b）方向2图15中间高度基准上调图16过程变形检测c）方向3 d）方向4图14附件焊接变形模拟结果 表5不同焊接顺序的焊接变形量 （mm）编号旁弯变形量立弯变形量收缩量顺序16.043.347.53顺序25.384.377.54基准预留反变形量，引导梁体焊接过程中向设定的方向变形，且变形量可控。使梁体在前工序的反变形被后工序逐步抵消，最终产出的梁体无需进行调修即可满足工艺要求。6.1 立弯控制针对立弯变形，由于在内部焊缝焊接时产生的立弯变形与附件焊接时方向相反，但变形量较大，附件焊接时无法与之抵消，且由于梁体较长，工装自重会产生向下挠度，故在梁体组装时将中间基准向上调1.5mm左右，内部焊缝机器手焊接时将中间支撑座高度基准也上调1.5mm（见图15），主焊缝焊接时沿用内部焊缝焊接时的定位模式，从而控制立弯反变形量，待附件焊接时完成变形抵消。组焊过程变形检测结果如图16所示。6.2 旁弯控制针对旁弯变形，由于侧面附件主要在外立板侧，因此可以借鉴立弯控制的方式，采取组装反变形和侧面定位基准悬空量控制。同时结合焊接顺序、焊接方向的调整，完成梁体旁弯控制。具体为：由于侧梁侧面附件均分布在外侧，最终焊接完成后会形成两端向外侧翘曲的趋势，故组装时，端部向内立板侧预留3mm左右反变形量，内部焊缝焊接时，中间支座侧面外侧悬空3mm左右，内侧顶（下转第117页）2023年 第5期 热加工117检 测T e s t i n g区能量远大于普通单晶聚焦探头，具有较高的检测灵敏度和分辨力。相控阵超声波检测与常规超声波检测相比有以下缺点。其一，设备相对较贵，成本较高，对操作人员的专业技术要求更高。其二，对于检测前已经知道位置的固定缺陷，其检出灵敏度不如固定角度的常规超声波检测探头的检测灵敏度。通过裂纹深度当量幅值对比试验，得出以下结论。1）相控阵超声波检测方法和常规超声波检测方法除在齿16处的检测幅值差异较大外，其他位置的检测幅值大体趋势相同，随着人工刻槽深度的增加，两种检测方法得到的检测幅值变化均呈先减小再增加的趋势，齿16处为趋势变化的拐点。2）去除齿16处对应的检测数据，相控阵超声波检测方法与常规超声波检测方法检测结果幅值最大差值出现在齿1处，差值为24.7%，最小差值出现在齿10处，差值为5.6%。3）相控阵超声波检测结果的幅值普遍高于常规超声波检测结果的幅值，平均值为14.64%，故在此试验中，相控阵超声波检测方法的信噪比高于常规超声波检测方法。4）裂纹深度与检测结果幅值无正相关趋势，故在使用超声横波斜探头检测裂纹时，裂纹深度当量失效。参考文献：1 柳建国熔模铸钢件裂纹改善措施研究与应用J金属加工（热加工），2015（7）：78-81.2 万升云相控阵超声波检测技术及应用M北京：机械工业出版社，2021.3 桑劲鹏，万升云，章文显，等基于声场及声程的标准难点解析和应用研究J轨道交通装备与技术，2019（1）：25-27.4 桑劲鹏，万升云，章文显，等国际超声检测标准应用研究J无损探伤，2020（3）：25-29.5 郑小康，奚丽君，万升云超声波检测中端点反射法的应用及研究探讨J轨道交通装备与技术，2019（1）：62-64.6 章文显，万升云，刘仕远，等在役HX-D1C型机车齿轴油孔处疲劳裂纹超声波探伤J机车车辆工艺，2011（6）：31-32.20230218紧。按照先焊筋板与下盖板连接焊缝，再焊筋板与外立板连接焊缝，最后焊筋板与内立板连接焊缝，即132焊接顺序，从中间向两端焊接。主焊缝焊接时，工装定位与内部焊缝焊接时一致，焊接顺序调整为：456746465757，且焊接方向为：上下盖板与内立板连接焊缝自两端向中间焊接，上下盖板与外立板自中间向两端焊接。通过前工序组装反变形及引导焊接形成反变形，满足后续附件焊接的变形抵消。以上焊接顺序、焊接方向均通过机器手编程完成，实现自动化焊接，提高焊接稳定性及变形一致性。7 结束语1）采用数值模型对焊接工艺进行模拟，可以快速掌握焊接工件的变形趋势，为合理的焊接工艺制定提供理论依据，在工装夹具设计时更有针对性。2）通过调整焊接顺序、焊接方向，采用反变形法、刚性固定法等措施的合理配合使用，可以有效控制大尺寸结构件变形量。3）统筹焊接工件，根据其常规变形趋势，采用逆向思维，在前工序采用反变形、预留定位悬空量，引导焊接变形，满足后续焊接变形抵消，使完成焊接的工件无需调修。4）充分利用自动化焊接，能有效保证焊缝质量稳定及变形一致性。参考文献：1 袁朝桥自动化焊接新技术在机械制造中的应用J内燃机与配件，2019（11）：221-222.2 朱江焊接变形的控制和预防J电焊机，2009，39（8）：90-933 王秋实转向架构架侧梁的焊接变形数值模拟研究D成都：西南交通大学，2017.4 李娅娜焊接变形预测与控制的数值方法研究及工程应用D大连：大连交通大学，2010.20230209（上接第99页）