0 前言

横梁管作为机车转向架构架的重要组成部分，对转向架成形质量起着决定性的作用，其性能能否满足要求直接关系到高速列车的最高时速和行车安全。因此，横梁管的焊接质量必须严格把关，尽量控制焊接残余应力，减小焊接变形量。影响变形和焊接残余应力的因素有很多，规律比较难以掌握。实际生产中为了减小或消除焊接变形，往往需要花费大量的时间和精力进行火焰调修或机械压力矫正，而且极有可能导致新的缺陷产生，如金属的组织变化和焊缝附近区域裂纹等。因此，科学、定量地预测焊接变形和残余应力分布规律，并在此基础上给予最优控制，对提高产品质量和使用安全至关重要［1－2］。科研工作者们已经进行了大量的研究，并取得了可喜的成果。 例如方洪渊［3］、 武传松［4］、 汪键华等人［5］提出的固有应变法、收缩力法、线弹性体积收缩法和基于热弹塑性理论的有限元分析法等，为预测焊接变形提供了充分的理论基础。

本文以热弹塑性有限元理论为基础，建立横梁管焊接的三维实体单元模型，通过焊接过程仿真计算，模拟不同焊序情况下横梁管的焊接变形和残余应力情况，并对结果比较分析，得到较佳的焊接顺序。结论能够为合理有效地控制机车转向架构架横梁管的焊接残余应力与变形、改善接头焊接质量，为实际生产提供数据参考。

1 模型的建立

1.1 几何模型及网格模型的建立

转向架构架横梁管由直管和锻件两部分组成，直管对接接头形式为环形焊缝正反两面焊接，反面45°V形坡口，正面U形坡口，如图1所示。

妊娠期糖尿病（GDM）定义为特发于妊娠阶段的糖代谢或糖耐量异常，一般在妊娠结束后可自行恢复，但一些GDM患者的糖代谢紊乱会持续到妊娠后，且GDM患者或新生儿将来发生代谢性疾病的风险显著高于正常人[1]。在孕期采取合理的干预手段控制血糖，对降低GDM患者及其子代将来代谢性疾病的发生风险具有重要意义。根据相关报道，在GDM孕妇中采取系统性、个体化的保健干预措施能够降低并发症的发生风险并改善妊娠结局。该次研究在2017年3月—2018年8月收治的48例GDM孕妇中实施了系统性、个体化的孕期保健，旨在寻求一种合理有效的干预措施，用以改善GDM孕妇的妊娠结局，现报道如下。

产层配方：基浆+2%细雷特超强堵漏剂+2%雷特随钻堵漏剂+2%中酸溶性桥塞堵漏剂（SQD-98）+2%细酸溶性桥塞堵漏剂（SQD-98）+果壳类材料，总浓度14%。

横梁管整体焊接变形图（以方案1为例）如图6所示。

  

图1 横梁管模型示意图

3种方案x方向变形曲线如图8所示，3种方案y方向变形情况如图9所示，3种方案z方向变形情况如图10所示。

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图2 横梁管焊接的有限元模型

1.2 热源模型的建立

目前焊接过程仿真常用的热源模型有高斯函数分布热源、双椭圆分布热源、半椭圆球体分布热源、双椭圆球体分布热源等。如图3所示，由于双椭圆球体热源模型有效热能近似地分布在椭圆球体内，可以准确地反映沿深度方向焊接束流对焊件加热的影响，从而更精确地模拟焊件上的热量分布情况［7］，适合仿真MAG焊过程，因而，本文采用该模型进行仿真模拟计算。

各方向变形测量点如图7所示。

  

图3 双椭圆球体热源模型

图3中：af，ar，b，c为高斯参数；af是前半部椭圆球的长度；ar是后半部椭圆球的长度；b为熔深的一半；c为熔宽的一半［8］。根据焊接工艺参数，经过反复校正，最终确定合适的热源函数。

1.3 约束条件及焊接顺序的定义

固定端和自由端垂直于焊缝方向的Mises应力情况如图13所示。

  

图4 约束条件

从以上x，y方向变形图可以看出，在焊接过程中，横梁管焊接过程中因为热输入的原因产生了一定的翘曲变形。释放约束后冷却到接近室温时，在自由端，方案1的变形略大于方案2，两者的变形量又都明显大于方案3的值。在z方向上，3种方案下横梁管都产生了一定的伸长变形，但方案2的变形量是最大的，方案1的变形峰谷差值最大而且最大值也超过了方案3，由此可以看出方案3变形最小、端面变形也较平缓。

  

图5 焊接顺序

1.4 焊接工艺参数

实际的焊接工艺参数在不同焊层上是不同的，具体见表1。

 

表1 主要焊接工艺参数

  

焊道 焊接电流/A 电弧电压/V 焊接速度/（mm·s-1）1 200～220 22～24 5～6 2 250～280 27～29 6～7 3 250～280 27～29 5～6 4 250～280 27～29 4～5

2 焊接仿真与结果分析

本文基于SYSWELD平台，实现了上述3种焊接顺序下的焊接仿真，得到不同焊接顺序下的焊接变形和残余应力的分布情况。

2.1 不同焊序下的变形情况

NIH科学评审中心位于马里兰州的贝塞斯达市，由该中心安排同行评审小组对绝大多数资助申请进行评审。评审专家库的人员数量是有限的，他们是美国的阿尔茨海默病研究人员，他们本身并不参与资助申请，因此相互之间不存在利益冲突。国家老龄化研究所科学评审组组长拉米什·维莫里（Ramesh Vemuri）说，国家老龄化研究所安排评审小组时，也聘用加拿大和欧洲的阿尔茨海默病研究专家。

  

图6 焊后整体变形图 50×

本例患者X线片示L4，5棘突靠近，腰椎过伸时L4/L5棘突间隙消失，符合KS影像学表现，但患者弯腰时也出现疼痛不符合常见KS表现。再次阅片发现L5棘突近横向裂隙将左右椎板分开，L5棘突下份呈杵状棘突改变并仅同右半椎板结合，但杵状棘突末端未随腰椎屈伸出现明显位移［4］，于是利用CT的高分辨率优势来查找原因。

  

图7 各向变形测量点位置示意图

为了提高计算的精度和效率，根据温度梯度变化情况，在焊缝及其附近区域划分较细的网格，而在远离焊缝区域划分较稀疏的网格。从有限元建模和仿真的实用性角度出发，对几何模型建模并清理掉次要的倒角及几何特征［6］。根据焊接工艺参数，确定每段焊缝网格总长度为100～120 mm。每层焊缝之间的层间温度≤250℃，每层环焊缝的引弧、熄弧点应错开30 mm以上。考虑到上述结果，对网格进行分组时，要注意2层焊缝的起点跟终点处错开一定的距离。如图2所示，全部采用六面体单元，实现了焊接件的建模，共建实体单元19 080个、节点24 096个以及9 124个表面散热单元。

 

  

图8 3种方案x方向变形曲线

  

图9 3种方案y方向变形情况

  

图10 3种方案z方向变形情况

焊接顺序方案1如图5所示，先焊接直管与锻件的内部焊缝，然后再按顺序逐层焊接外侧焊缝，其中内侧焊缝2与其他几条焊缝的方向相反。方案2设定焊缝2焊接方向与方案1中相应焊缝反向，其他焊缝的焊接方向都相同。方案3研究正-逆交叉焊接，设定1，5，6道焊缝的焊接方向与方案1中相应焊缝反向，即焊缝层与层之间交叉焊接。

2.2 不同焊序下应力比较

横梁管整体Mises应力（以方案1为例）如图11所示，应力云图大体呈对称情况。

  

图11 Mises应力图

提取应力点如图12所示，其中A组点为焊缝表面中心点、B组点为焊趾点、C组点在熔合区、D组点在热影响区，这4组点都是沿焊缝方向旋转一周。

  

图12 应力提取点示意

约束条件是影响焊接应力分布和变形的主要因素之一，在仿真模拟中约束条件应根据实际情况施加，如图4所示。A端为固定端，B端为自由端，点1，2，3，4约束 x，y，z这 3个方向的位移，点5，6为yoz面对称点，只约束x，y方向，使管可以沿z方向自由伸长或者收缩。

  

图13 两端垂直于焊缝方向的Mises应力分布情况

自由端焊缝A组点、B组点、C组点和D组点的Mises应力情况如图14所示。

  

图14 横梁管自由端沿环焊缝方向Mises应力分布情况

由以上各处应力曲线对比可知，3种方案在焊缝表面、焊趾处、熔合区处的Mises应力相差不大，变化趋势也基本相同。在热影响区上，3种方案虽受力情况不太相同，但通过分析看出虽然三者最大值和最小值不同，但差值相当。可以说，相较方案1，更改后的2种方案对焊缝及母材焊后应力影响情况基本不变。因此，方案3，即正－逆交替焊接的方法在不增大应力的情况下可有效地控制焊接变形。

3 结论

（1）本文根据热弹塑性有限元理论，使用双椭圆球体热源模型，在SYSWELD仿真平台上完成了横梁管的焊接模拟仿真，其结果符合实际情况。

（2）通过分析对比3种方案的结果得出：当都采用相同方向焊接时，即方案2，z方向的变形量最大，通过更改某一条焊缝方向能有效改变z方向上的变形量，但x和y方向上的变形量会有所增加。

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（3）正－逆交替焊接的方法在不增大应力的情况下可以有效地改善焊接变形。

参考文献：

［1］Yang Xinhua， Wang Chunsheng， Chang Li， et al.Numerical simulation of the welding deformation for the side sill of the bogie frame based on local-global methed［J］.China Welding， 2007， 16（4）：11－14.

［2］Wang Chunsheng， Chen Yong， Han Fengwu， et al.Numerical simulation on temperature field for resistance spot welding of non-equal thickness stainless steel［J］.China Welding， 2003， 12（1）： 6－10.

［3］方洪渊，张学秋，杨建国，等.焊接应力场与应变场的计算与讨论［J］.焊接学报， 2008， 29（3）： 129－132.

［4］赵 明，武传松，陈茂爱.焊接热过程数值分析中相变潜热的三种解决方案［J］.焊接学报， 2006， 27（9）： 55－58.

［5］汪建华，陆 皓，魏良武.固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用［J］.焊接学报， 2002， 23（6）： 36－40.

［6］陈 卫，刘振飞，稽佳佳，等.有限元法分析筒形钣金件焊接变形与改进措施［J］.焊接技术， 2016， 45（1）： 83－85.

［7］李培麟，陆 皓.双椭球热源参数的敏感性分析及预测［J］.焊接学报， 2011， 32（11）： 66－70.

［8］张锦洲.基于Ansys的球罐对接接头焊接应力分析［J］.长江大学学报： 自然科学版， 2011， 8（3）： 50－53.