转向架构架补焊残余应力数值模拟

耘造藻糟贼则蚤糟

宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻摘要：转向架作为车辆走行部的主要构件，常采用局部补焊的手段进行修复，这势必影响接头残余应

力。利用粤月粤匝哉杂有限元分析软件，分别对焊态、不同补焊参数和补焊次数后的残余应力进行了数值模

拟。模拟计算结果表明：补焊后焊缝的纵向应力大大增加，横向应力减小；但随着补焊次数的增加，纵向

应力变化不大，横向应力有所增加；随深度增加，纵向应力涨幅不大，横向应力有所增加；随补焊宽度

增加，焊缝区的横向应力有所增加，纵向应力略有增加但幅度不大。开展对转向架焊接构架对接焊缝补

焊残余应力分析，对于指导焊接转向架生产、降低焊接接头残余应力具有重要的意义。

关键词：杂酝粤源怨园月宰；对接接头；多

次补焊；残余应力；数值模拟

中图分类号：栽郧源缘苑援圆垣员文献标识码：粤文章编号：员园园员原圆猿园猿穴圆园员圆雪园源原园园愿圆原园缘第源圆卷第源期圆园员圆年源月灾燥造援源圆晕燥援源粤责则援圆园员圆耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻

张志毅员，韩永彬员，王心红员，李丹丹圆

穴员援南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛圆远远员员员；圆援大连交通大学材料科学与

工程学院，辽宁大连员员远园圆愿雪

砸藻泽蚤凿怎葬造泽贼则藻泽泽灶怎皂藻则蚤糟葬造泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶燥枣则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早蚤灶遭燥早蚤藻枣则葬皂藻

在匀粤晕郧在澡蚤原赠蚤员，匀粤晕再燥灶早原遭蚤灶员，宰粤晕郧载蚤灶原澡燥灶早员，蕴陨阅葬灶原凿葬灶圆穴员援悦杂砸匝蚤灶早凿葬燥杂蚤枣葬灶早悦燥援，蕴贼凿援，匝蚤灶早凿葬燥圆远远员员员，悦澡蚤灶葬；圆援杂糟澡燥燥造燥枣酝葬贼藻则蚤葬造泽杂糟蚤藻灶糟藻葬灶凿耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早，阅葬造蚤葬灶

允蚤葬燥贼燥灶早哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠，阅葬造蚤葬灶员员远园圆愿，悦澡蚤灶葬雪

粤遭泽贼则葬糟贼院栽澡藻遭燥早蚤藻蚤泽贼澡藻皂葬蚤灶糟燥皂责燥灶藻灶贼燥枣增藻澡蚤糟造藻则怎灶灶蚤灶早，葬灶凿蚤贼蚤泽燥枣贼藻灶则藻责葬蚤则藻凿遭赠造燥糟葬造则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早，憎澡蚤糟澡憎燥怎造凿糟葬怎泽藻则藻泽蚤凿怎葬造泽贼则藻泽泽蚤灶遭怎贼贼憎藻造凿凿怎则蚤灶早憎藻造凿蚤灶早援栽澡藻则藻泽蚤凿怎葬造泽贼则藻泽泽燥枣则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早蚤灶遭燥早蚤藻憎葬泽泽蚤皂怎造葬贼藻凿泽藻责葬则葬贼藻造赠憎蚤贼澡粤月粤匝哉杂，贼澡藻枣蚤灶蚤贼藻藻造藻皂藻灶贼葬灶葬造赠泽蚤泽泽燥枣贼憎葬则藻援栽澡藻则藻泽怎造贼泽泽澡燥憎藻凿贼澡葬贼贼澡藻造燥灶早蚤贼怎凿蚤灶葬造泽贼则藻泽泽燥枣贼澡藻憎藻造凿蚤灶糟则藻葬泽藻凿泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶贼造赠葬枣贼藻则则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早，遭怎贼贼澡藻贼则葬灶泽增藻则泽藻泽贼则藻泽泽凿藻糟则藻葬泽藻凿；宰蚤贼澡贼澡藻蚤灶糟则藻葬泽蚤灶早灶怎皂遭藻则燥枣贼澡藻则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早，贼澡藻造燥灶早蚤贼怎凿蚤灶葬造泽贼则藻泽泽凿蚤凿灶鸳贼糟澡葬灶早藻早则藻葬贼造赠，憎澡蚤造藻贼澡藻贼则葬灶泽增藻则泽藻泽贼则藻泽泽蚤灶糟则藻葬泽藻凿；宰蚤贼澡贼澡藻蚤灶糟则藻葬泽蚤灶早凿藻责贼澡燥枣则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早，贼澡藻蚤灶糟则藻葬泽藻燥枣造燥灶早蚤贼怎凿蚤灶葬造泽贼则藻泽泽憎葬泽灶鸳贼贼燥燥皂怎糟澡，遭怎贼贼澡藻贼则葬灶泽增藻则泽藻泽贼则藻泽泽蚤灶糟则藻葬泽藻凿援宰蚤贼澡贼澡藻蚤灶糟则藻葬泽藻燥枣则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早憎蚤凿贼澡，贼澡藻贼则葬灶泽增藻则泽藻泽贼则藻泽泽蚤灶糟则藻葬泽藻凿，葬灶凿贼澡藻造燥灶早蚤贼怎凿蚤灶葬造泽贼则藻泽泽蚤灶糟则藻葬泽藻凿葬造蚤贼贼造藻援陨贼蚤泽蚤皂责燥则贼葬灶贼贼澡葬贼泽贼怎凿赠蚤灶早则藻泽蚤凿怎葬造泽贼则藻泽泽燥枣则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早贼燥早怎蚤凿藻贼澡藻遭燥早蚤藻责则燥凿怎糟贼蚤燥灶葬灶凿贼燥则藻凿怎糟藻贼澡藻憎藻造凿蚤灶早则藻泽蚤凿怎葬造泽贼则藻泽泽燥枣贼澡藻躁燥蚤灶贼援运藻赠憎燥则凿泽院杂酝粤源怨园月宰；遭怎贼贼躁燥蚤灶贼；

灶怎皂遭藻则泽

燥枣则藻责葬蚤则憎藻造凿蚤灶早；则藻泽蚤凿怎葬造泽贼则藻泽泽；灶怎皂藻则蚤糟葬造泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶

收稿日期院圆园员员原员员原员员基金项目院“十一五”国家科技支撑计划基金资助项目穴圆园园怨月粤郧员圆粤园圆原月园圆原圆雪作者简介院张志毅穴员怨愿园—雪，男，浙江金华人，工程师，学士，主要从事转向架焊接工艺研发工作。园前言

转向架作为车辆走行部的主要构件，在工作过

程中承受着交变载荷的作用。为了保证高速构架有

足够的强度、刚度和抗疲劳能力，减轻自重，实现低

动力作用，目前高速客车转向架的构架均采用焊接形式，焊缝密集，易有夹杂、气孔等缺陷，且在使用

过程中容易有裂纹产生，如果只是简单的整体报废

将会造成很大的浪费，因此常采用局部补焊的手段进行焊接修复眼员演，这样可以有效提高经济效益。但在同一部位进行补焊，材料将多次受热，在补焊处会

形成复杂的焊接残余应力分布状态。而残余应力是影响焊接接头强度的重要因素之一眼圆原猿演，因此，分析补焊后的残余应力对于制定正确的补焊工艺、提高补焊接头的可靠性具有重要的意义。目前，阅燥灶早等人眼源演对管道焊接接头的修复长度

82窑窑耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻对焊接残余应力分布的影响进行了数值模拟。汤洁等人对员远酝灶砸钢焊接接头补焊的残余应力进行数

值模拟，但对于转向架的常用钢杂酝粤源怨园月宰至今尚没有相关研究。在此应用粤月粤匝哉杂有限元分析软

件对杂酝粤源怨园月宰钢进行补焊后的残余应力的数值

模拟，得到不同补焊后残余应力的分布情况，为优

化补焊工艺提供一定的理论基础。

员有限元计算模型

员援员计算模型和网格划分

由于平板对接接头关于焊缝中心对称，因此取

其一半进行有限元分析。几何模型补焊区结构和尺

寸如图员所示，焊接试板尺寸员猿园皂皂伊苑缘皂皂伊员圆皂皂，

坡口形式为远园毅的灾型坡口。补焊区长度猿园皂皂，

补焊深度、补焊宽度和补焊次数如表员所示。有限

元计算模型如图圆所示，其中图圆葬模型用于计算

补焊宽度变化时接头的补焊残余应力；图圆遭模型

分别用于计算补焊深度和补焊次数变化时接头的

补焊残余应力。有限元网格划分如图猿所示，在焊

缝和补焊区划分较密，远离焊缝区网格较稀。补焊

深度和补焊次数的计算模型共猿缘员员圆个节点，猿园远缘源个单元；补焊宽度计算模型共源猿圆猿园个节点，

猿愿圆圆园个单元，温度场采用阅悦猿阅愿单元，应力场计

算采用悦猿阅愿砸单元，温度场、应力场的计算采用

相同的节点和单元。

图员补焊区域结构与尺寸

员援圆有限元分析

采用粤月粤匝哉杂软件进行有限元分析。先进行平

板对接的焊接残余应力分析，再在此基础上分析补

焊残余应力。有限元计算过程中，首先进行温度场

分析，然后将各节点温度作为体载施加在结构应力中。在力分析过程中读取各节点的温度，进行插值

计算，得到残余应力分布。员援猿材料物理和力学性能参数

假设焊材与母材材质相同，其物理性能和力学

性能参数如图源所示。图源中，为泊松比；悦孕为比

热容穴单位：员园圆允辕穴噪早·益雪演；噪为热导率眼单位：宰辕穴皂·益雪演；

为线膨胀系数穴员园原缘辕益雪；砸藻为屈服强度穴员园园酝孕葬雪；试验水平因素粤补焊深度遭辕皂皂因素月补焊宽度葬辕

皂皂

因素悦补焊次数员

圆

猿

源

远

愿愿

员源

圆园员

圆

猿表员补焊试验因素及水平遭补焊深度或补焊次数变化

图圆有限元计算模

型葬补焊宽度变化

葬补焊宽度变化

遭补焊深度或补焊次数变化

图猿网格划分焊接工艺张志毅等：转向架构架补焊残余应力数值模拟第源期

83窑窑耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻焊接状态焊道电流陨辕粤焊速增辕糟皂·皂蚤灶原员

正常焊接

正

常焊接

正常焊接

补焊员穴手工焊雪

圆穴自动焊雪

猿穴自动焊雪

各焊道员猿园耀员源园

圆源远耀圆缘远

圆缘愿耀圆远缘

圆远园圆园

圆源

圆园

圆园表圆焊接和补焊工艺参数

电压哉辕灾

员愿援园耀员怨援园

圆源援愿耀圆源援怨

圆缘援圆耀圆缘援猿

圆苑援圆耘为弹性模量穴员园园郧孕葬雪；为密度穴单位：员园猿噪早辕皂猿雪；

相变潜热圆苑苑噪允辕噪早；固相线温度员源愿园益；液相线温

度员缘圆园益。员援源焊接工艺和焊接热源

采用酝粤郧焊。正常焊接采用人工底焊，填充及

盖面采用自动焊接，补焊采用人工焊接。人工底焊

和补焊使用松下运砸原缘园园型焊机，自动焊接选用陨郧酝焊接机械手。正常焊接和补焊的工艺参数如表

圆所示。焊接热源采用内生热源模拟电弧加热过程，

热流密度为择越陨哉辕穴杂增雪

式中为电弧热效率；陨为焊接电流；哉为电弧

电压；杂为焊缝截面积；增为焊接速度。

员援缘边界条件处理

焊接温度场中，焊件与外界同时存在着对流和

辐射换热，在所有外边面均施加换热边界条件，环

境温度圆园益，焊接结束后冷却到常温。

应力分析中，焊缝中心为轴对称边界条件。对

焊件下表面约束赠方向，限制母材长度方向

上边缘

最外层的两层节点的全位移。

圆计算结果和讨论

圆援员补焊深度对残余应力的影响

焊态及补焊深度分别为源皂皂、远皂皂、愿皂皂的纵向残余应力曾的变化如图缘所示。由图缘葬可

知，在焊缝及近缝区呈现出数值较高的残余拉应力状态，而远离焊缝及近缝区的区域，残余应力降低

且在母材处应力状态由拉应力转变为压应力。焊态

下焊缝中心的纵向残余应力曾越圆愿园酝孕葬，热影响区

处的曾越员源园酝孕葬。与焊态下相比，补焊后焊缝及近

缝区的纵向残余应力明显增大，如挖补深度源皂皂

补焊后，焊缝中心最大纵向残余应力为猿怨缘酝孕葬。比较

不同挖补深度对残余应力的影响，随着挖补深度的

增加，焊缝中心部位的纵向残余应力有所增大，但

增加幅度较小，而远离焊缝中心的其他部位残余应

力没有明显的变化。

葬纵向残余应力

遭横向残余应力图缘不同补焊深度时的残余应力分布

由图缘遭可知，在焊缝及其近缝区，横向残余拉

应力较大，远离焊缝区域的残余横向拉应力降低，在

母材处从拉应力转变为

压应力。与纵向

残余应力及

其分布

特征相比，横向残余应力的分布较为相似，但

应力数值较小。焊态下，焊缝中心处的横向残余拉图源材料性能参数焊接工艺第源圆卷