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焊接热输入对高速动车组转向架侧梁焊接变形的影响及优化

邵晴, 于庆斌, 尹华, 徐涛, 吉野辰萌, 张天翼

邵晴, 于庆斌, 尹华, 徐涛, 吉野辰萌, 张天翼. 焊接热输入对高速动车组转向架侧梁焊接变形的影响及优化[J]. 焊接学报, 2020, 41(12): 25-32, 48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200216002
引用本文: 邵晴, 于庆斌, 尹华, 徐涛, 吉野辰萌, 张天翼. 焊接热输入对高速动车组转向架侧梁焊接变形的影响及优化[J]. 焊接学报, 2020, 41(12): 25-32, 48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200216002
SHAO Qing, YU Qingbin, YIN Hua, XU Tao, YOSHINO Tatsuo, ZHANG Tianyi. Effect of welding heat input on welding deformation of bogie side beam of high-speed EMU and optimization[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(12): 25-32, 48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200216002
Citation: SHAO Qing, YU Qingbin, YIN Hua, XU Tao, YOSHINO Tatsuo, ZHANG Tianyi. Effect of welding heat input on welding deformation of bogie side beam of high-speed EMU and optimization[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(12): 25-32, 48. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200216002

焊接热输入对高速动车组转向架侧梁焊接变形的影响及优化

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(50975121);长春市科技支撑计划项目(10KZ03).
详细信息
    作者简介:

    邵晴,1990 年出生,博士,高级工程师;主要研究方向为焊接结构优化及工艺优化;Email:shaoqing.ck@crrcgc.cc.

  • 中图分类号: TG 404

Effect of welding heat input on welding deformation of bogie side beam of high-speed EMU and optimization

  • 摘要: 转向架构架是高速动车组(electric multiple units, EMU)的重要承载部件,其侧梁的焊接质量直接关系到列车运行的平顺性及安全性. 为了研究焊接热输入对转向架侧梁焊接变形的影响,在侧梁结构中提取了曲线T形接头模型,以熔化极气体保护电弧焊(gas metal arc welding, GMAW)的焊接速度、焊接电流和焊接电压为研究对象,基于热机耦合仿真分析方法和具有交互作用的正交试验设计(design of experimental, DOE)方法建立代理模型,采用粒子群优化算法(particle swarm optimization, PSO)获得了最优的焊接工艺参数组合. 在此基础上,基于极差分析和方差分析(analysis of variance, ANOVA),进一步讨论了上述工艺参数对焊接热输入和焊接残余变形的影响. 结果表明,采用最优工艺参数的曲线T形接头模型焊接角变形比采用原生产工艺参数的结果降低了5.04%,采用最优工艺参数的侧梁模型可以保证上下盖板焊接残余变形满足平面度不大于1 mm的要求,无需焊后调平.
    Abstract: Bogie is an important part of high-speed electric multiple units (EMU), the welding quality of bogie side beam is directly related to the smoothness and safety of the railway vehicle. In order to study the effect of welding heat input on the welding residual deformation of bogie side beam, the curve T-joint model was extracted from the bogie side beam. Taking welding speed, welding current and welding voltage of gas metal arc welding (GMAW) as research objects, the surrogate model was established based on the thermal-mechanical coupling simulation analysis method and orthogonal design of experimental (DOE) method with interaction, and the optimal combination of process parameters is obtained based on particle swarm optimization (PSO) algorithm. The influence of above parameters on welding heat input and welding residual deformation is further discussed using range analysis and analysis of variance (ANOVA). Applying the optimal welding process parameters and production process parameters to curve T-joint model and the bogie side beam, respectively, the angular deformation result of the curve T-joint model using the optimal process parameters is 5.04% better than the result using the production parameters, and the welding residual deformation of the upper and lower cover plates of the side beam can be guaranteed to meet the requirement of flatness 1 mm without post-welding treatment.
  • 转向架是高速动车组(electric multiple units, EMU)车体结构与轨道之间的重要连接,同时承受整车重量和轨道不平顺造成的激励,因此转向架构架的焊接和装配质量对减震降噪和安全行驶具有重要影响[1]. 而转向架构架中的主要焊缝集中在侧梁结构上,为了避免侧梁焊接残余变形超过工艺极限,降低结构强度和疲劳寿命,需要对影响侧梁结构焊接残余变形的工艺参数进行深入研究[2-3].

    针对焊接结构的残余变形问题,国内外学者常通过选取不同的焊接工艺参数,例如焊接速度、电弧电压、焊接电流、焊接顺序、预热温度等,研究可以有效控制残余变形的方法[4]. Duan等人[5]研究了焊接速度对焊接过程的影响,讨论了不同焊接速度下的焊接温度场分布规律. Tchoumi等人[6]针对316L钢在非熔化极惰性气体保护焊焊接过程中的热力学行为进行了研究,采用响应面法分析了焊接速度对焊接变形的影响关系. Costa等人[7]针对AA5754-H22铝合金薄板的搅拌摩擦焊,研究了搅拌摩擦焊中板材尺寸、工艺参数和焊接工艺对焊接变形和残余应力的影响. 由于焊接热源输入时的温度梯度导致的不均匀收缩是产生残余变形和应力的主要原因[8],因此还需进一步针对影响焊接热输入的工艺参数进行研究. 而对于多焊缝复杂焊接结构件在仿真及试验研究上的困难,通常在复杂结构中提取具有实际研究意义的最小单元模型进行研究,通过对单元模型结构的焊接质量评价,得到对复杂结构具有指导意义的结论. Lee等人[9]针对复杂肋板结构提取双T形接头模型进行研究,提出了一种不限制焊接区域附近网格尺寸的方法对大型焊接结构的角变形进行预测. Rong等人[10]采用热弹塑性有限元法分析了基本T形接头的焊接变形和残余应力,基于局部-全局的映射方法,通过加载局部模型的塑性应变,进一步预测了船用螺旋桨喷管结构的焊接变形,然而针对转向架侧梁的最小单元研究模型尚未进行充分的研究.

    文中针对转向架侧梁结构提取了曲线T形接头单元模型,针对影响熔化极气体保护电弧焊(gas metal arc welding, GMAW)焊接热输入的工艺参数(焊接速度v、焊接电流I和电弧电压U)采用仿真试验进行研究,找到使焊接残余变形最小的工艺参数组合,并在此基础上进一步了分析不同工艺参数对焊接热输入和焊接残余变形的影响.

    CRH3型高速动车组的转向架构架由两根箱型侧梁和两根箱型横梁组成H形结构,采用高强度耐候钢板(S355J2G3)焊接而成,如图1所示. 构架侧梁为中部下凹的鱼腹箱型结构,其加工制造质量对转向架的服役性能有重要影响. 但侧梁模型规模大、焊缝数量多,在进行高度非线性的焊接仿真分析时,解算时间长、结果难以收敛.

    图  1  转向架构架三维模型
    Figure  1.  Bogie frame 3D model

    为了能够更加直观地了解焊接热输入对侧梁焊接变形的影响,文中将侧梁模型进行拆分. 如图2所示,侧梁由四组焊缝形式为单面角焊缝的曲线T形接头组合而成,在约束作用的影响下,焊接残余变形的趋势与直角T形接头不同. 故文中针对侧梁的最小单元结构曲线T形接头模型进行研究,有效减少仿真解算时间的同时更精确地为复杂结构残余变形规律提供研究基础.

    图  2  侧梁有限元模型分解图
    Figure  2.  Diagram of decomposition of side beam

    在Hypermesh软件中建立曲线T形接头有限元模型,如图3所示,曲线弧度与侧梁弧度一致,同样采用单面角焊缝,翼板尺寸为966 mm × 210 mm × 14 mm,腹板尺寸为966 mm × 150 mm×18 mm,模型共有6045个单元、8145个节点. 为了获得良好的瞬态焊接温度场结果,将有限元模型分为焊接区、热影响区和母材区,并对焊缝和焊缝区网格进行加密,加密区域的单元尺寸控制在3 mm左右,热影响区和母材区单元尺寸分别控制在17和40 mm左右,在保证计算精度的同时尽量减少网格数量. 根据所在课题组的研究基础,已验证了T形接头有限元仿真的正确性和S355J2G3材料高温热物性参数的准确性,仿真分析与试验结果误差在6%以内[11]. 故文中采用上述材料热物性参数进行焊接仿真分析,材料S355J2G3化学组成见表1,热物性参数如表2所示.

    表  1  S355J2G3化学成分(质量分数, %)
    Table  1.  Chemical composition of S355J2G3
    CMnSiPSNiCrMoFe
    0.051.470.230.020.0040.030.030.004余量
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    表  2  S355J2G3热物性参数
    Table  2.  Temperature-dependent properties for S355J2G3
    温度
    T/K
    导热系数
    λ/(10−2 W·mm−1·K−1)
    比热容
    C/(kJ·kg−1·K−1)
    密度
    ρ/(10−6 kg·m−3)
    线膨胀系数
    α/10−5 K−1
    弹性模量
    E/105 MPa
    屈服强度
    ReL/MPa
    293 5.12 472.66 7.82 1.14 2.16 360.0
    373 4.99 485.69 7.79 1.17 2.10 345.6
    573 4.46 518.77 7.73 1.29 2.00 301.0
    1073 2.40 693.66 7.59 1.22 1.42 51.3
    1373 2.81 686.21 7.44 1.45 0.85 15.0
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    图  3  曲线T形接头及角变形提取方式示意图
    Figure  3.  Curve T-joint model and diagram of extraction method of angular deformation

    为了定量地分析曲线T形接头的焊接残余变形,采用角变形作为评价标准,沿z轴方向每个截面的角变形$\delta $的提取方式如图3所示. 变形为面外变形,即腹板的法向位移,基准面为过腹板最低点的水平面,据此可以得到角变形衡量指标,并将其定义为

    $$\delta = {D_{\max }} - {D_{\min }}$$ (1)

    式中:Dmax表示腹板下表面靠近焊缝边缘上各点的最大法向位移;Dmin表示腹板下表面各点的最小法向位移;$\delta $则表示角变形衡量指标.

    为了防止解算不收敛,文中采用顺序耦合的热机耦合法进行焊接仿真分析,首先进行温度场仿真分析,再将温度场分析结果作为初始条件加载到应力场中.在ANSYS软件中,温度场分析采用Solid 70号单元. 温度场边界条件:热源采用Goldak等人[12]提出的双椭球热源模型,两个椭球体的热源分布如式(2)和式(3)所示,并在模型自由表面加载传热系数(12.93 W/(m2·K)). 初始条件:设定环境温度为293 K. 曲线焊缝移动热源的施加通过曲线焊接路径方法实现[13],金属逐渐填充的焊接过程利用生死单元方法模拟.应力场分析采用Solid 185号单元. 约束条件:参照侧梁组焊工艺规程中的约束方式,约束曲线T形接头模型腹板两端单元的z向自由度和翼板两端单元xy向自由度. 初始条件:将温度场计算结果作为应力场初始条件进行加载.

    $${q_{\rm{f}}} = \frac{{6\sqrt 3 {f_1}Q}}{{{a_{\rm{f}}}bc{{\text{π}} ^{3/2}}}}\exp \left\{ { - 3\left[ {{{\left(\frac{x}{{{a_{\rm{f}}}}}\right)}^2} + {{\left(\frac{y}{b}\right)}^2} + {{\left(\frac{{\textit{z}}}{c}\right)}^2}} \right]} \right\}$$ (2)
    $${q_{\rm{r}}} = \frac{{6\sqrt 3 {f_2}Q}}{{{a_{\rm{r}}}bc{{\text{π}} ^{3/2}}}}\exp \left\{ { - 3\left[ {{{\left(\frac{x}{{{a_{\rm{r}}}}}\right)}^2} + {{\left(\frac{y}{b}\right)}^2} + {{\left(\frac{{\textit{z}}}{c}\right)}^2}} \right]} \right\}$$ (3)

    式中:${q_{\rm{f}}}(x,y,{\textit{z}})$${q_{\rm{r}}}(x,y,{\textit{z}})$分别表示双椭球热源前部和后部的热通量;${a}_{{\rm{f}}}=3,\;{a}_{{\rm{r}}}=6,\;b=3,\;c=1$为热源尺寸参数;${f_1} = 0.66$${f_2} = 1.34$为能量分布系数;Q为热输入量.

    根据焊接工艺规程,打底层气体保护电弧焊焊接参数为焊接速度5.8 mm/s,焊接电流260 A,焊接电压27 V. 取4个不同载荷步的焊接温度场,如图4所示,在焊接过程中,最高温度随热源的变化而变化,弧前温度梯度较大,弧后温度梯度较小. 4个典型加载阶段的最高温度分别为2 016,2 047,837和317 K,冷却后焊缝温度接近室温293 K.

    图  4  曲线T形接头温度场演化过程
    Figure  4.  Evolution of temperature field of curve T-joint. (a) Step 5; (b) Step 15; (c) Step 25; (d) Step 32

    因文中主要研究焊接残余变形对侧梁上下盖板平面度的影响,故提取了纵向焊接残余变形云图和角变形沿焊缝纵向的分布图,如图5所示. 曲线T形接头沿焊缝方向的角变形趋势为先增大后减小,在节点序号5处达到最大,这是因为在焊接过程中,夹具固定了T形接头两端的位移自由度,以及结构本身特点,导致接近中部的位置角变形最大.

    图  5  曲线T形接头的残余应力分布
    Figure  5.  Residual deformation distribution of curve T-joint. (a) residual deformation distribution; (b) temperature curve of optimized process parameters

    为了减少计算量,尽可能在所有方案中均匀地挑选出代表性强的少数方案,文中采用试验设计(design of experimental, DOE)方法对不同参数方案进行组合采样[14],由于焊接速度与焊接电流、电弧电压对焊接热输入的影响存在交互作用,所以选择可以考虑因素交互作用的7因素3水平正交表L18(37).

    由于焊接电流过小、焊接速度过快时,电弧不稳定,会造成未焊透和夹渣等缺陷. 而焊接电流过大、焊接速度过慢时,容易产生烧穿、咬边和热影响区晶粒粗大等缺陷,影响焊缝力学性能. 所以文中在选取焊接工艺参数时,参考了转向架实际生产过程中工艺规程推荐的参数选择范围[15],根据质量和疲劳寿命要求,设置${x_1} \in \left[ {5.8,\;7.5} \right]$${x_2} \in \left[ {260,\;280} \right]$${x_3} \in \left[ {27,\;29} \right]$. 在避免焊接缺陷的情况下进行仿真分析及优化,研究不同焊接参数对变形的影响. 每个因素平均分为3个水平,如表3所示.

    表  3  各因素水平表
    Table  3.  Factor level table
    水平焊接速度 v/(mm·s−1)焊接电流I/A电弧电压U/V
    1 5.8 260 27
    2 6.7 270 28
    3 7.5 280 29
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    根据试验设计表分别完成18组曲线T形接头的仿真分析试验,如表4所示,其中第3,4,6,7列为交互作用列. 分别提取了焊接热源中心最高温度和焊接残余角变形进行进一步讨论,为了使结果数据能够更加显著地表明各因素和水平之前关系,将最大角变形结果扩大100倍,如表4最后一列所示.

    表  4  L18(37)正交试验表
    Table  4.  L18(37) orthogonal array table
    序号因素结果
    焊接速度
    v/(mm·s−1)
    焊接电流
    I/A
    交互项
    (v×I)1
    交互项
    (v×I)2
    电弧电压
    U/V
    交互项
    (v×U)1
    交互项
    (v×U )2
    热源中心最高
    温度T/K
    角变形
    $\left| \delta \right|$×100/mm
    1 1 (5.8) 1 (260) 1 1 1 (27) 1 1 1 980 144.74
    2 1 (5.8) 2 (270) 2 2 2 (28) 2 2 2130 145.58
    3 1 (5.8) 3 (280) 3 3 3 (29) 3 3 2230 145.81
    4 2 (6.7) 1 (260) 1 2 2 (28) 3 3 1 884 141.95
    5 2 (6.7) 2 (270) 2 3 3 (29) 1 1 1 928 143.38
    6 2 (6.7) 3 (280) 3 1 1 (27) 2 2 1 900 142.78
    7 3 (7.5) 1 (260) 2 1 3 (29) 2 3 1 817 140.00
    8 3 (7.5) 2 (270) 3 2 1 (27) 3 1 1767 138.88
    9 3 (7.5) 3 (280) 1 3 2 (28) 1 2 1 877 141.05
    10 1 (5.8) 1 (260) 3 3 2 (28) 2 1 2 040 145.47
    11 1 (5.8) 2 (270) 1 1 3 (29) 3 2 2164 145.75
    12 1 (5.8) 3 (280) 2 2 1 (27) 1 3 2135 145.60
    13 2 (6.7) 1 (260) 2 3 1 (27) 3 2 1 828 141.05
    14 2 (6.7) 2 (270) 3 1 2 (28) 1 3 1 897 142.75
    15 2 (6.7) 3 (280) 1 2 3 (29) 2 1 1 955 144.10
    16 3 (7.5) 1 (260) 3 2 3 (29) 1 2 1 817 140.00
    17 3 (7.5) 2 (270) 1 3 1 (27) 2 3 1767 138.88
    18 3 (7.5) 3 (280) 2 1 2 (28) 3 1 1 877 141.05
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    基于表4进行极差分析,如表5所示,$\overline {{K_i}} $为同一水平试验的平均值,$R = \max \overline {{K_i}} - \min \overline {{K_i}} $为各因素列的极差,表示该因素在其取值范围内试验指标变化的幅度. 极差越大,表示该列因素的数值在试验范围内的变化对试验指标在数值上的影响越大,也就是最主要的影响因素. 由表5可知,焊接速度对焊接热源中心温度的影响最大,焊接电流和电弧电压的影响次之. 当焊接热源中心温度高时,由温度梯度导致的不均匀收缩效果明显,残余变形增大. 不同焊接参数对角变形的影响程度与对焊接热源中心温度影响程度相同,表明焊接热输入与残余变形有直接相关性.

    表  5  极差分析
    Table  5.  Range analysis
    分析项因素
    焊接速度
    v/(mm·s−1)
    焊接电流
    I/A
    交互项
    (v×I)1
    交互项
    (v×I)2
    电弧电压
    U/V
    交互项
    (v×U)1
    交互项
    (v×U)2
    热源中心温度$\overline {{K_1}} $2113.71894.31937.81939.21896.21939.01924.5
    $\overline {{K_2}} $1898.71942.21952.51948.01950.81934.81952.7
    $\overline {{K_3}} $1820.31995.71941.81945.01985.21958.31 955
    R292.8101.314.78.88923.530.5
    角变形$\overline {{K_1}} $145.49142.20142.75142.85141.99142.92142.94
    $\overline {{K_2}} $142.67142.54142.78142.69142.98142.80142.70
    $\overline {{K_3}} $139.98143.40142.62142.61143.17142.42142.50
    R5.5151.1960.1620.2381.1850.5050.439
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    焊接速度与焊接电流和电弧电压之间分别存在交互作用,由表6表7可知,焊接速度越大,单位面积上的焊接热输入越小,则焊接残余变形越小;而在焊接速度一定的情况下,焊接电流和电弧电压越大,热输入量越大,焊接残余变形越大.

    表  6  焊接速度与焊接电流交互作用表
    Table  6.  Interaction table of welding speed and current
    焊接电流I/A焊接速度v/(mm·s−1)
    5.86.77.5
    2602 0101 8561 817
    27021471 9121767
    28021821 9281 877
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    表  7  焊接速度与电弧电压交互作用表
    Table  7.  Interaction table of welding speed and voltage
    电弧电压U/V焊接速度v/(mm·s−1)
    5.86.77.5
    2720571 8641767
    2820851 8911 877
    2921971 9421 817
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    在极差分析的基础上,文中进行了方差分析(analysis of variance, ANOVA). 如表8所示,对于给定显著性水平,焊接速度v、电弧电压U、焊接电流I对焊接热输入和残余变形均有非常显著的影响,交互作用项(v×I)和(v×U)对试验结果的影响不显著,与极差分析结果相符. 由于试验指标焊接残余变形越小越好,因此在不考虑交互作用的情况下,最优方案应该选取各因素最小$\overline K $值所对应的水平,对应参数为焊接速度7.5 mm/s,焊接电流260 A,电弧电压27 V.

    表  8  方差分析表
    Table  8.  Analysis of variance
    分析项差异源偏差平方和自由度均方F值显著性
    热源中心温度 焊接速度v 275795 2 137898 175.756 p<0.01**
    焊接电流I 30837 2 15419 19.652 p<0.01**
    交互项v×I 609 4 152 0.440
    电弧电压U 24176 2 12088 15.407 p<0.01**
    交互项v×U 1 887 4 472 1.202
    误差E 6276 8 785
    角变形 焊接速度v 91.263 2 45.632 217.422 p<0.01**
    焊接电流I 4.573 2 2.287 10.895 p<0.01**
    交互项v×I 0.265 4 0.066 0.632
    电弧电压U 4.834 2 2.417 11.516 p<0.01**
    交互项v×U 1.414 4 0.354 3.369
    误差E 1.68 8 0.210
    注:${F_{0.01}}(2,15) = 6.36,\;{F_{0.05}}(2,15) = 3.68$
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    取影响焊接热输入的工艺参数焊接速度、焊接电流、电弧电压为设计变量;以减小残余变形为优化目标,以满足焊接质量的参数上下限为约束,建立了不等式约束优化问题的数学模型,即

    $$\left\{ \begin{array}{l} \;\min [F = \left| {{\delta _k}({{x}})} \right|] \\ \;{\rm{s .t.}}\;\;{l_i} \leqslant {x_i} \leqslant {u_i},\;i = 1,\;2,\;3 \\ \end{array} \right.$$ (4)

    式中:$\left| {{\delta _k}({{x}})} \right|$为焊接残余变形绝对值,${{x}} = {\left( {{x_1},{x_2},{x_3}} \right)^{\rm{T}}}$为依次由焊接速度、焊接电流、电弧电压组成的设计变量的矢量;${l_i} \leqslant {x_i} \leqslant {u_i},\;i = 1,\;2,\;3$为设计范围,${l_i}$为设计变量${x_i}$的最小值,${u_i}$为其最大值;设${x_1} \in \left[ {5.8,\;7.5} \right]$${x_2} \in \left[ {260,\;280} \right]$${x_3} \in \left[ {27,\;29} \right]$,在避免产生焊接缺陷的情况下进行优化分析.

    为了验证试验设计方差分析得到的优化方案,根据表4中给出的参数和对应的结果,采用回归分析建模得到表达焊接工艺参数与焊接角变形关系的代理模型,即

    $$\begin{split} \delta =& - 123.55 + 28.55v - 0.29I - 4.76U -0.05vI - 0.47vU +\\ &0.015IU + 0.191{v^2} + 0.000\;285{I^2} + 0.053{U^2} \\[-10pt] \end{split} $$ (5)

    通过计算近似模型的相关系数$R \in \left( {0,\;1} \right)$来检验其近似精度. 该代理模型相关系数R为99%,说明代理模型的拟合效果好、精度高,可代替原模型用于优化设计. 采用粒子群优化算法(particle swarm optimization, PSO)对该模型进行全局寻优,粒子规模为40,最大迭代次数为500次,初始权重系数和加速因子分别为1和2,最大粒子速度为10. 迭代300代后结果收敛,如图6所示,最优结果为−1.327 mm,对应参数为焊接速度7.5 mm/s,焊接电流260 A,电弧电压27 V. 最优焊接工艺参数的选择与方差分析结果一致,说明寻优参数与目标函数之间具有比较显著的影响关系,进一步验证了方差分析结论的正确性. 采用上述优化参数对曲线T形接头进行焊接仿真分析,获取最大角变形为−1.375 mm,误差为3.5%,说明试验设计选点合理,粒子群算法有效地进行了寻优.

    图  6  粒子群算法优化迭代图
    Figure  6.  Iteration diagram of PSO

    为了验证最优工艺参数(焊接速度7.5 mm/s,焊接电流260 A,电弧电压27 V)的效果,采用原生产工艺参数(焊接速度5 mm/s,焊接电流280 A,电弧电压28 V)对曲线T形接头进行焊接仿真分析[15]. 分别提取距离焊缝3,7 和12 mm的A,B,C三点的温度曲线(图7),对比可知,两种方案的温度曲线变化趋势是一致的. 但采用原工艺参数时,焊接电流和电弧电压大、焊接速度慢,焊接热输入量大、温度变化剧烈、冷却时间长. 采用优化参数时,焊接热输入量较小. 提取对应的最大角变形和反映平面度的腹板纵向变形范围,不同工艺参数结果对比如表9所示,采用最优工艺方案的角变形结果比原参数的仿真结果减少了5.04%,纵向变形范围减少了约3.95%. 说明在保证焊接质量的前提下,降低焊接热输入可以有效减小焊接残余变形. 这是因为,在焊接电流和电弧功率增大时,工件上的电弧力和热输入均增大,热源位置下移,熔深增大,冷却后焊接残余变形增大. 而焊接速度提高时,因为单位长度焊缝上的焊丝金属的熔覆量与焊接速度成反比,熔宽则近似与焊接速度的开方成反比,所以熔深和熔宽都减小,冷却后焊接残余变形减小. 由表10可知,采用曲线T形接头进行计算时,比采用1/2侧梁模型和完整侧梁模型节省了超过50%的计算时间和计算量,可以显著提升研究效率. 说明曲线T形接头模型在节省计算成本的同时,更准确地反映了焊接残余变形结果.

    图  7  不同工艺参数温度曲线对比
    Figure  7.  Temperature curve comparison of different process parameter results. (a) original process parameter; (b) optimize process parameter
    表  9  不同工艺参数结果对比
    Table  9.  Comparison of different process parameter results
    焊接参数角变形$\delta $/mm纵向变形范围∆L/mm
    原工艺参数仿真结果 1.448 (−1.219, −0.067)
    优化参数仿真结果 1.375 (−1.179, −0.064)
    优化效果 5.04% 3.95%
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    表  10  不同模型计算量对比
    Table  10.  Comparison of calculated amount of different models
    计算模型节点数量温度场计算
    时间t1/min
    应力场计算
    时间t2/min
    曲线T形接头模型 8208 2 26
    1/2侧梁模型 31007 13 190
    完整侧梁模型 62154 32 526
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    由于侧梁模型沿y轴为对称结构,故采用1/2的结构进行仿真分析,采用最优工艺参数方案对转向架1/2侧梁模型进行焊接仿真分析,得到纵向焊接残余变形云图,如图8所示. 因后续装配要求转向架构架侧梁的平面度误差不能超过1 mm,分别提取采用最优工艺参数方案的侧梁上下盖面曲面上的节点变形值,拟合后得到焊接残余变形平面图,如图9所示. 上盖板纵向焊接残余变形在(−0.15 mm, 0.85 mm)之间变化,下盖板纵向焊接残余变形在(−0.84 mm, 0.08 mm)之间变化,变化趋势与曲线T形接头变化趋势相似,且满足平面度不大于1 mm的要求. 而文献[15]中采用原工艺参数进行侧梁焊接试验时,焊接纵向残余变形在(−2.69 mm,−0.18 mm)之间变化,为满足装配精度要求,需要进行调修处理. 因此通过上述方法选取的焊接工艺参数组合可以有效地控制侧梁焊接残余变形,满足平面度公差要求. 优化后的方案无需焊后调修,在保证结构质量的前提条件下,节省了人力、物力,缩短了生产周期.

    图  8  侧梁1/2模型残余变形分布
    Figure  8.  Welding residual deformation distribution of 1/2 side beam model
    图  9  侧梁焊接残余变形拟合结果
    Figure  9.  Fitting result of side beam residual deformation. (a) fitting results of longitudinal welding residual deformation of upper cover plate; (b) fitting results of longitudinal welding residual deformation of lower cover plate

    (1) 文中从高速动车组转向架构架侧梁模型中提取最小结构单元曲线T形接头模型作为研究对象,该模型可以合理反映最大角变形和纵向残余变形范围,又具有计算量小易于收敛的优点.

    (2) 针对影响焊接热输入的工艺参数,文中建立了带有交互作用的试验设计表,采用极差分析和方差分析讨论了焊接速度、焊接电流和电弧电压对焊接热输入及残余变形的影响. 结果表明,焊接热输入与残余变形正相关,焊接速度对焊接残余变形的影响最大,焊接速度越大,焊接残余变形越小;在给定的取值范围内,焊接电流、电弧电压增大,焊接残余变形增大.

    (3) 通过粒子群算法优化得到了使曲线T形接头焊接残余变形最小的优化工艺参数组合. 分别提取采用优化工艺参数与原生产工艺参数对曲线T形接头及转向架构架侧梁进行焊接仿真分析的结果,采用优化工艺参数的曲线T形接头模型角变形结果比原工艺参数的仿真结果减少了5.04%,而侧梁模型则可以保证焊后侧梁上下盖板的平面度不大于1 mm,满足工艺精度要求,无需焊后调修.

  • 图  1   转向架构架三维模型

    Figure  1.   Bogie frame 3D model

    图  2   侧梁有限元模型分解图

    Figure  2.   Diagram of decomposition of side beam

    图  3   曲线T形接头及角变形提取方式示意图

    Figure  3.   Curve T-joint model and diagram of extraction method of angular deformation

    图  4   曲线T形接头温度场演化过程

    Figure  4.   Evolution of temperature field of curve T-joint. (a) Step 5; (b) Step 15; (c) Step 25; (d) Step 32

    图  5   曲线T形接头的残余应力分布

    Figure  5.   Residual deformation distribution of curve T-joint. (a) residual deformation distribution; (b) temperature curve of optimized process parameters

    图  6   粒子群算法优化迭代图

    Figure  6.   Iteration diagram of PSO

    图  7   不同工艺参数温度曲线对比

    Figure  7.   Temperature curve comparison of different process parameter results. (a) original process parameter; (b) optimize process parameter

    图  8   侧梁1/2模型残余变形分布

    Figure  8.   Welding residual deformation distribution of 1/2 side beam model

    图  9   侧梁焊接残余变形拟合结果

    Figure  9.   Fitting result of side beam residual deformation. (a) fitting results of longitudinal welding residual deformation of upper cover plate; (b) fitting results of longitudinal welding residual deformation of lower cover plate

    表  1   S355J2G3化学成分(质量分数, %)

    Table  1   Chemical composition of S355J2G3

    CMnSiPSNiCrMoFe
    0.051.470.230.020.0040.030.030.004余量
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    表  2   S355J2G3热物性参数

    Table  2   Temperature-dependent properties for S355J2G3

    温度
    T/K
    导热系数
    λ/(10−2 W·mm−1·K−1)
    比热容
    C/(kJ·kg−1·K−1)
    密度
    ρ/(10−6 kg·m−3)
    线膨胀系数
    α/10−5 K−1
    弹性模量
    E/105 MPa
    屈服强度
    ReL/MPa
    293 5.12 472.66 7.82 1.14 2.16 360.0
    373 4.99 485.69 7.79 1.17 2.10 345.6
    573 4.46 518.77 7.73 1.29 2.00 301.0
    1073 2.40 693.66 7.59 1.22 1.42 51.3
    1373 2.81 686.21 7.44 1.45 0.85 15.0
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    表  3   各因素水平表

    Table  3   Factor level table

    水平焊接速度 v/(mm·s−1)焊接电流I/A电弧电压U/V
    1 5.8 260 27
    2 6.7 270 28
    3 7.5 280 29
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    表  4   L18(37)正交试验表

    Table  4   L18(37) orthogonal array table

    序号因素结果
    焊接速度
    v/(mm·s−1)
    焊接电流
    I/A
    交互项
    (v×I)1
    交互项
    (v×I)2
    电弧电压
    U/V
    交互项
    (v×U)1
    交互项
    (v×U )2
    热源中心最高
    温度T/K
    角变形
    $\left| \delta \right|$×100/mm
    1 1 (5.8) 1 (260) 1 1 1 (27) 1 1 1 980 144.74
    2 1 (5.8) 2 (270) 2 2 2 (28) 2 2 2130 145.58
    3 1 (5.8) 3 (280) 3 3 3 (29) 3 3 2230 145.81
    4 2 (6.7) 1 (260) 1 2 2 (28) 3 3 1 884 141.95
    5 2 (6.7) 2 (270) 2 3 3 (29) 1 1 1 928 143.38
    6 2 (6.7) 3 (280) 3 1 1 (27) 2 2 1 900 142.78
    7 3 (7.5) 1 (260) 2 1 3 (29) 2 3 1 817 140.00
    8 3 (7.5) 2 (270) 3 2 1 (27) 3 1 1767 138.88
    9 3 (7.5) 3 (280) 1 3 2 (28) 1 2 1 877 141.05
    10 1 (5.8) 1 (260) 3 3 2 (28) 2 1 2 040 145.47
    11 1 (5.8) 2 (270) 1 1 3 (29) 3 2 2164 145.75
    12 1 (5.8) 3 (280) 2 2 1 (27) 1 3 2135 145.60
    13 2 (6.7) 1 (260) 2 3 1 (27) 3 2 1 828 141.05
    14 2 (6.7) 2 (270) 3 1 2 (28) 1 3 1 897 142.75
    15 2 (6.7) 3 (280) 1 2 3 (29) 2 1 1 955 144.10
    16 3 (7.5) 1 (260) 3 2 3 (29) 1 2 1 817 140.00
    17 3 (7.5) 2 (270) 1 3 1 (27) 2 3 1767 138.88
    18 3 (7.5) 3 (280) 2 1 2 (28) 3 1 1 877 141.05
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    表  5   极差分析

    Table  5   Range analysis

    分析项因素
    焊接速度
    v/(mm·s−1)
    焊接电流
    I/A
    交互项
    (v×I)1
    交互项
    (v×I)2
    电弧电压
    U/V
    交互项
    (v×U)1
    交互项
    (v×U)2
    热源中心温度$\overline {{K_1}} $2113.71894.31937.81939.21896.21939.01924.5
    $\overline {{K_2}} $1898.71942.21952.51948.01950.81934.81952.7
    $\overline {{K_3}} $1820.31995.71941.81945.01985.21958.31 955
    R292.8101.314.78.88923.530.5
    角变形$\overline {{K_1}} $145.49142.20142.75142.85141.99142.92142.94
    $\overline {{K_2}} $142.67142.54142.78142.69142.98142.80142.70
    $\overline {{K_3}} $139.98143.40142.62142.61143.17142.42142.50
    R5.5151.1960.1620.2381.1850.5050.439
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    表  6   焊接速度与焊接电流交互作用表

    Table  6   Interaction table of welding speed and current

    焊接电流I/A焊接速度v/(mm·s−1)
    5.86.77.5
    2602 0101 8561 817
    27021471 9121767
    28021821 9281 877
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    表  7   焊接速度与电弧电压交互作用表

    Table  7   Interaction table of welding speed and voltage

    电弧电压U/V焊接速度v/(mm·s−1)
    5.86.77.5
    2720571 8641767
    2820851 8911 877
    2921971 9421 817
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    表  8   方差分析表

    Table  8   Analysis of variance

    分析项差异源偏差平方和自由度均方F值显著性
    热源中心温度 焊接速度v 275795 2 137898 175.756 p<0.01**
    焊接电流I 30837 2 15419 19.652 p<0.01**
    交互项v×I 609 4 152 0.440
    电弧电压U 24176 2 12088 15.407 p<0.01**
    交互项v×U 1 887 4 472 1.202
    误差E 6276 8 785
    角变形 焊接速度v 91.263 2 45.632 217.422 p<0.01**
    焊接电流I 4.573 2 2.287 10.895 p<0.01**
    交互项v×I 0.265 4 0.066 0.632
    电弧电压U 4.834 2 2.417 11.516 p<0.01**
    交互项v×U 1.414 4 0.354 3.369
    误差E 1.68 8 0.210
    注:${F_{0.01}}(2,15) = 6.36,\;{F_{0.05}}(2,15) = 3.68$
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    表  9   不同工艺参数结果对比

    Table  9   Comparison of different process parameter results

    焊接参数角变形$\delta $/mm纵向变形范围∆L/mm
    原工艺参数仿真结果 1.448 (−1.219, −0.067)
    优化参数仿真结果 1.375 (−1.179, −0.064)
    优化效果 5.04% 3.95%
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    表  10   不同模型计算量对比

    Table  10   Comparison of calculated amount of different models

    计算模型节点数量温度场计算
    时间t1/min
    应力场计算
    时间t2/min
    曲线T形接头模型 8208 2 26
    1/2侧梁模型 31007 13 190
    完整侧梁模型 62154 32 526
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    其他类型引用(7)

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-15
  • 网络出版日期:  2020-12-18
  • 刊出日期:  2021-02-01

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