中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002
摘要：在高速列车的建造及修复过程中，车体组焊阶段及之后的涂装、组装、调试及随后的运营及维修阶段，都可能涉及到车体局部设计结构的改变，需要对车体进行焊接更改。焊接过程中，钢结构熔池最高温度在2 000℃以上，铝合金结构熔池最高温度也会达到1 000℃以上。现阶段动车组结构大量使用单组份聚氨酯类粘胶剂用于密封，其工作温度为-50～80℃，可承受1 h内120℃的高温，失效温度约为200℃。焊接加改产生的焊接高温可能会对附近的胶粘接性能产生影响，因此对焊接加改过程进行温度场检测与分析十分必要。
关键词：轨道车辆；T形接头；铝合金结构；焊接
1 焊接加改温度场检测与热源校核
在焊接过程下，热源是以一定焊速沿焊缝移动，由电弧产生的相应焊接温度场也是不断变化的。热源校核即应用数学表达来描述作用在焊件上的、在一定时间和位置的热输入分布。随后针对焊接过程，在有限元仿真中用数学函数表征输入热量，建立微分方程并求解，获得温度场分布。
1.1 T形接头的有限元建模
针对T形接头典型焊接结构进行了有限元建模，为了提高计算结果的准确性，均采用六面体单元。为了后续的焊接温度场分析进行焊接设置，分别定义了焊接线、参考线、焊接起始点、结束点、起始单元、换热面、装夹点等。所建立的铝合金型材T形角接有限元模型如图1所示，共划分42 800个单元，57 772个节点。
.png)
图1 铝合金型材T形接头有限元模型
1.2 T形接头焊接温度场检测
针对T形焊接接头开展了焊接试验，铝合金型号为6005A-T6。在焊接过程中应用美国FLUKE红外热像仪Ti45进行了焊接过程温度场检测。为了提高检测精度，在铝合金表面涂覆了红色底漆，以提高红外光发射率，检测过程中，红外光发射率设为0.9。
铝合金T形角接焊缝试验件背面温度全可见光和红外热成像如图2所示。在距离焊缝50，100，150 mm位置分别设置了胶条，用于评估该位置胶条所承受的温度。在焊接刚结束时，距离焊缝最近的第1道胶条处的温度达到最高，为105.39℃，胶条2、胶条3的最高温度分别为85.20℃和42.65℃。
.png)
图2 铝合金T形接头热像测温图
1.3 热源校核温度分布验证
在焊接过程数值仿真过程中，采用双椭球热源模型进行热源模拟加载。双椭球热源模型是比较常用的焊接热源模型，与其他热源模型相比，可以较好地模拟金属材料电弧焊接时的温度场分布和熔池的几何形状。根据试验测温结果，对双椭球热源模型中的参数进行了校核，进而通过焊接温度仿真分析，对热源的准确性进行校验。
铝合金T形接头焊接过程温度分布如图3所示，距离焊缝50 mm的第1道胶条位置最高温度为107℃，与图2b中的实测温度105.39℃对比，二者数值基本吻合。加改位置在热源加载过程中的变化曲线如图4所示，其中圆点曲线为仿真温度值，方点曲线为实测温度值，二者变化趋势基本一致，相差在5℃以内。
.png)
图3 T形接头热源校核仿真温度云图
.png)
图4 第1道胶条位置温度变化曲线
1.4 热源校核熔池形状验证
在验证焊接仿真温度分布与实测结果相符的基础上，进而通过熔池形状对热源模型进行验证。将焊接试验中的T形焊接接头切割后，通过砂纸打磨、金刚石喷雾剂抛光、化学溶剂反应获得焊缝截面，通过金相分析获取其熔池形状。
铝合金T形接头仿真与试验熔池形状如图5所示，2个图中的熔池喉高约为6 mm，二者形状基本相符。
.png)
图5 铝合金T形接头仿真与实测熔池形貌
综上对比分析，经过校核获得的热源模型，加载到铝合金典型T形接头经计算后所获得的温度场分布及熔池形貌与实测结果基本相符。
2 T形接头实际结构的焊接热分布仿真分析
基于铝合金典型T形接头热源模型，开展了3种T形接头复杂结构的焊接热分布仿真计算，分别为T形a8接头、T形3HY接头、T形6HY接头，并对可能影响胶条性能的区域进行了分析。
3 结论
文中对铝合金型材焊接加改结构开展了焊接过程热分布分析，对6005A-T6铝合金典型T形焊接接头进行了焊接测温试验，根据测温结果对选用的双椭球热源模型进行校核，典型焊接接头的焊接温度场仿真与实测数值对比结果表明：校核后的热源模型加载到铝合金T形接头经计算后所获得的温度场分布及熔池形貌与实测基本相符。在此热源模型基础上，对包含铝合金T形a8接头、T形3HY接头、T形6HY接头的3种复杂焊接加改结构进行了焊接温度场仿真分析，获得了温度超过120℃的区域范围，为焊接加改后胶条修复方案的制订提供了理论依据和试验参考。
参考文献：
[1]Vairamani V，Mohan N，Venkatesh S K，et al.Optimization and microstructure analysis of Corten steel joint in MAG welding by post heat treatment[J].Materials Today：Proceedings，2019，21.
[2]程永明，梁晓梅，邹吉鹏，等．铝合金激光-MIG电弧复合焊接工艺[J]．焊接，2017（11）：6-9.
[3]李祖臣，周建新．基于ANSYS的Q345R厚板焊接数值模拟研究[J]．焊接技术，2020，49（6）：79-86.
[4]刘春宁，郁志凯，张艳辉，等．搅拌针几何形状对搅拌摩擦焊温度场的影响[J]．焊接技术，2017，46（6）：73-76.
[5]孙传政．新型列车转向架构架焊接数值模拟[D]．四川成都：西南交通大学，2012.
[6]王克宽，刘明珠，王来臻．非对称T形角接结构焊接温度场模拟与验证[J]．焊接技术，2018，47（9）：173-176.