浅谈300公里动车组枕梁组成的焊接变形

［摘要］因300公里动车组枕梁组成焊接工艺复杂，导致焊接后变形较大，造成枕梁组成平面度超差。如何积极有效地控制并消除枕梁组成的焊接变形，就成了一个非常关键的技术难点。文章就枕梁组成在焊接中产生焊接变形和焊接应力进行简单的分析，提出相应的工艺措施。

［关键词］枕梁组成；300公里动车组；焊接变形；焊接应力

［作者简介］胡寻新，南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛，266111

［中圖分类号］ U266［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2011）01-0033-0003

在铝合金动车组车体发展如火如荼的今天，铝合金焊接技术成了一个关键的课题。在300公里动车组枕梁组成的焊接施工过程中，由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形 ,严重影响枕梁组成的平面度,困扰着后期枕梁加工。因而笔者采用合理的工艺方案予以控制，最大限度地保证枕梁平面度合格。

一、枕梁组成下盖板焊接的物理原理

300公里铝合金动车组车体枕梁组成的焊接的物理微观过程实际上是母材为A7N01S-T5材料与焊丝A5356通过分子之间的结合和扩散连接成一体的过程。焊接时，加热可以破坏连接表面的氧化膜，产生塑性变形以增加接触面，使原子之间达到结合距离（对金属而言，该距离约为3~5A（1A=10-7mm）），从而产生结合力。而焊接加热的目的是使接触面的氧化膜破坏，降低塑性变形阻力，增加原子振动能，促使再结晶，扩散、化学反应等。一般只需加热达塑性状态或熔化状态即可。

枕梁组成实际上是枕梁下盖板与枕梁型材的组焊，该组焊处是由两道通长3.195m的自动焊坡口焊缝组成。需要正反焊接两遍，每次清根。这两条通长的焊缝是影响枕梁平面度的最重要因素。如图1：

二、枕梁组成在焊接过程中所受到的内应力

枕梁组焊过程其实就是枕梁下盖板和枕梁型材在焊接局部区域加热后又冷却凝固的热过程 ,但由于不均匀温度场 ,导致焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：

（一）纵向残余拉伸应力

因我们后面假定其自动焊焊缝在纵向所受的应力是对等的，又因枕梁纵向沿长度方向的变形对平面度的影响不大，因此纵向应力及变形不作赘述。

（二）横向拉伸残余应力

造成的枕梁下盖板在厚度方向产生的弯曲变形的应力。我们重点研究沿厚度方向的应力及焊接变形。在此，还需要增加几个很重要的假定。

1.线性热源和热极限状态假定

因枕梁下盖板为厚度为15mm的7N01的铝板，采用的自动焊几乎是等速的直线运动。做一假定：在沿板厚方向的温度是均匀的，电弧为一线状热源，除开始和结束区段外，温度场稳定，均处于热极限状态；在垂直焊缝的横截面上的热过程都相同。

2.平截面假定

此处引用材料力学的平截面假设，即认为平板受到纵向力或平面弯矩作用而变形时，变形前横截面为平面，变形后仍然保持平面，只是在三维空间有一定的位移而已。

3.忽略相变的假定

该假定对计算焊接应力和变形的形成机理变得相对简单和容易一些，但用来计算，其结果是有误差的，做精确的数值分析时不能作此假定。

4.焊件在加热过程中内部产生过多少压缩塑性应变（或变形），冷却后焊件内便产生同样多的拉伸应变，即ε=ε`+ε`，（见图2），因此需要研究一下在加热和冷却过程中变形的几种情况。

三、计算公式如下

（一）当枕梁下盖板没有任何约束时，在厚度方向的变形完全自由时

△L =αL（T-T），ε=△L / L（公式1）

其中：α为铝合金线膨胀系数取值为23~27×10-6；

△L为自由变形量；

L为初始长度；

T为初始温度；

Tm为加热最高温度；

ε为自由变形率；

当T=0时，εT=αTm （Tm<300℃）

举例：取L=400时，Tm为300时，T0为0时，取α=27×10-6时，△LT=4.32mm。从这个例子看出，枕梁的焊接变形在沿着枕梁纵向中心线的方向在自由状态下是比较大的。

（二）枕梁下盖板焊接时，受到一定约束，不可能完全自由伸缩时

此时，温度从T0加热到Tm，应当伸长△LT ，但只伸长了△Le。

△Le称为可视变形或外观变形。其可见变形率为εe,实际上由于在一端有约束，尚有△L的伸长没有表现出来，相当于被压缩了这个变形量，固称△L为内部变形，在数值上，因受压缩，固为负值。

△L = -（△L-△L）=△L-△L（公式2）

ε=（△L-△L）/ L （公式3）

ε称为压缩应变，随温度的升高而增大。因此有以下两种情况：

1.当|ε|<|εS|时，按虎克定律σ =E.ε=E（εe-εT）（公式4）

（ 备注Tm<274度时，σ<σs）

2.若继续加热到T`，（T`>T），（当Tm>274度时，σ>σs）

当|ε|>|εS|时，不但产生达到屈服极限点σs的压应力，同时产生了压缩塑性应变εP，其数值为εP=εe-εT-εs （公式5）

若此时，让枕梁下盖板自T`冷却，恢复到原始温度T0，杆件就会收缩，最后长度比原始长度缩短了△LP=εP *L0。

（三）变形不能自由时，如图2所示

假定T0= 0，加热到Tm<300℃，然后从Tm冷却到T0。现运用图1进行详细的解析。令横坐标代表温度，纵坐标代表应力σ及变形ε，并按线性热源的原理解出简化曲线。横坐标上方表示冷却的过程中由于拉伸引起的应变和应力。下方表示加热时，受到压应力而引起的应变。

1.加热过程

应力曲线为o-a-b,其受到的总应变为εs +εp,而温度变化为T0-TS-Tm。

2.冷却过程

应力曲线为o-a-b,其受到的总应变为ε` +ε`,而温度变化为T-T-T- T。

（四）结论

假定ε =0的条件下进行均匀加热和冷却。

由上述公式可以得出：ε =ε-ε （公式6）

因此，在厚度方向的变形为△LP

△L=L*（ε-ε）= L*（αT-σ/E） （公式7）

取L=400时，T为300时，T0为0时，α=27×10-6时，E=69.6，σ=515

经计算得出△LP=1.175mm

所以，在加热时下盖板的总压缩塑性变形为△LP=1.175 mm。（因下盖板两条焊缝）

计算公式。从图中,由于bg=fo不难得出：ε =ε`+ε`（公式8）

也就是杆件在加热的过程中内部产生过多少压缩塑性应变，冷却后杆件内便产生同样多的拉伸变形，冷却后的拉伸总变形为 △LP =2.35 mm，因△Le=0，所以塑性变形全部转化为向下的挠度f：

f=（(L/2)-（L /2-△L/2））=15.33 mm（勾股定理）

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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