不锈钢地铁侧墙点焊工艺优化策略

不锈钢地铁侧墙点焊工艺优化策略

姜楠  吴同旭  孙晓庭

中车大连机车车辆有限公司     辽宁大连        116000

摘要：随着国家经济的快速发展，城市面积越来越大，传统的公路运输已经不能很好地解决人民的日常生活问题。地铁在减轻地上运输的压力方面起到了很大的作用。因此，必须对其焊接过程进行合理的分析和优选，才能使其符合运营要求。

关键词：地铁；侧墙点焊；不锈钢；焊点；优化

由于不锈钢车体重量轻，耐腐蚀，使用寿命长，与碳素钢车身相比，有着显著的优点。但由于其高膨胀系数和较低的导热率，使得其焊接变形难以控制。此外，由于外形商业化和维修费用等因素，车身多以非喷涂焊接方式进行焊接，以规避或降低焊接热源，造成车身结构更加复杂、设计困难。对于该类车身，尤其是车身侧壁等大型构件的焊接焊点布局，对于提升车身的抗疲劳性能、延长其服役寿命、提升其制造效率及外形商业化都有着重大的实际价值。

1.地铁侧墙焊点受力分析

车体在承受多种荷载时，其焊接部位的应力分布差异很大。若焊点布置不合理，则单个焊点的应力将在极端恶劣的条件下产生。本项目拟以我国通用的EN12663为研究对象，以一种具有双层钢板的新型列车车身为研究对象，研究其在竖向荷载与拉荷载作用下的应力分布。竖直加载时，边壁焊点通常夹在两块板中间，以受剪力为主；竖向荷载时，门窗的两个窗户的上部和下部的窗户和门梁的下部以及下面的角部都有很大的剪切。在拉压条件下，边壁焊点受力状态和垂直方向上的剪切状态是不一样的。在拉（压）条件下，焊接接头受力普遍比垂直受力大，焊接接头受力不均；四扇门的下部结构受剪强度较大。

2.地铁侧墙焊点分布优化策略

2.1整体优化策略

对其进行了强度计算，结果表明：在原有的基础上，墙体的焊点剪力在墙体上的分配非常不均衡。大多数范围焊点剪力均不到1 kN，焊点剪力相对较高的范围为5%左右，局部焊点剪力可达10 kN以上。如果只从结构的角度来看，许多焊点的布置都是不必要的，可以通过对焊点的优化来降低焊点的数量。针对侧面壁焊点的优化问题，将其划分为多个焊点与焊点布置两个方面。综合考虑焊接工艺和美学需求，综合考虑焊接过程中焊点分布的改变，只考虑焊点的生存和死亡以及焊接数量。此外，还应确保在进行了优化后，原有剪切强度很高的焊点处的剪切强度不会增加。在此基础上，进行了多次重复的优化运算。通过改进，可以消除很多的焊点，使每一面壁焊点的数目降低516个。对比上述焊点剪力的变化规律，可以看出，去除的焊点剪力主要集中在焊点剪切应力极低的地方。再对优化后的组织进行了强度计算，结果表明，去除后的焊点附近剩余的几个焊点的剪切应力增长不显著，但原有的最大焊点的剪切应力并未增加，符合最优准则。

2.2局部优化策略

通过对整个侧墙进行结构的优化，使焊点数目有所降低，而剪切强度大的焊点的剪切强度并未降低。对这些缺陷，可以通过对焊点的再安排来达到。理论分析与试验结果均显示，造成大剪切焊点产生的主要原因，除车身上的应力过大之外，还与焊接接头的布局不合理有关。掌握了焊接过程中各部位的剪切作用力的分布规律，可以通过对焊接接头进行合理布局，从而达到减小焊接接头剪应力最大的目的。首先去掉原先最大剪切力的两个焊点，沿45度排列两个焊点 A、 B。通过对两个焊点间的剪切强度进行了数值模拟和分析，发现两个焊点之间的剪切强度不均衡，从而降低了焊点剪切强度。然后，对焊点进行了调整，使得焊接过程中剪切力的分配更加均衡，剪切强度也大大降低，使得焊点之间的连线更加靠近于该区域的剪切方向。

3.优化结构的疲劳分析与寿命评估

3.1动载荷分析

建立车体转向架耦合的动力学数学分析方法，在底盘上分别加载人与装置的重量，得到垂直与纵向联合作用下的车身受力。通过对两个焊点的最大剪切反应图进行分析，确定了两个最大剪切反应的位置。布置在边墙门柱底部，最大振幅达到1420 N；另外，在底盘侧缘，振幅最大值达到1321 N。

3.2疲劳分析及寿命评估方法

从以上的研究结果可以看出，车体焊点在服役期间所承受的载荷为时变的交流剪切，如果剪切幅度很大，则会导致焊点的疲劳失效。对焊接接头进行了疲劳实验，得出了焊接接头在不同剪切幅度下的疲劳性能。如果焊点承受很低的交流压力，则可以将其视为具有无穷大的使用寿命而不会出现疲劳失效的问题。在焊点上施加的剪切强度超过其疲劳强度时，其使用寿命是有限度的。焊接过程中焊点所承受的剪切应力是一个非常复杂的随机参数，可以看作是多幅值交替加载的综合效应，因此可以应用累积损伤方法来评价焊接接头的疲劳寿命。如果其累计损伤系数超过1，则视为已进入了疲劳失效状态。焊点等微小构件的应力水平通常是难以测定的，而电阻点焊所产生的焊接接头通常是规则的。因此，在研究过程中，采用焊点剪力来评估焊点疲劳性能。

3.3焊点疲劳寿命评估

对两个最大剪切力的焊点进行了有限元分析，得出了焊点剪切应力随时间而变的非规则曲线。将剪切区划分为多个分区，各分区剪切振幅出现的次数用降雨计算法计算。并结合车站间隔、运行时间及行车平均车速，分别求出各年度剪切振幅的次数。根据焊接过程中产生的剪切应力为

1300~1400 N时的焊接接头的疲劳寿命。因此，在车门上焊点的年平均疲劳破坏系数为0.0218。同样地，通过对侧墙焊接部位的疲劳寿命进行了分析，得出了其在30年以上的疲劳寿命。

结束语：

综上所述，对于具有代表性的双层钢板结构，其中间焊点剪力比两侧墙体高，下面比上面高，窗户和窗户角度要比普通部位大。而根据侧壁焊点的剪力分配规则，对整个焊接过程进行了总体的优化，使每边壁焊点数量降低516个，大幅提升了生产效率。考虑到侧面墙体中的某些节点受剪强度很大的情形，采用了一种局部最优的方式降低了墙体的剪切强度，使原有的最大剪切量减少了30%左右。基于累积损伤原理，对优化后的构件进行了疲劳寿命计算，结果显示，优化后的构件抗剪受力更为合理，其最差的两个焊点的疲劳寿命都超过了30年，达到了设计指标。

参考文献

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[3]满春水,郭安庆.不锈钢地铁车辆侧墙骨架组焊工艺探讨[J].金属加工：冷加工, 2020(01):326-328.