高强钢焊接残余应力预测与控制方法研究

随着轨道交通发展的越来越快，轨道车辆的性能需要也越来越高。高强钢因为有高强度、韧性好和耐腐蚀等有点，被用在车体、转向架等重要部件当，这样让车辆更轻，提高运行效率和节省能源。但是，焊接作为高强钢连接的主要方法，焊接时有些地方快速加热和冷却，材料的热胀冷缩被限制就会产生残余应力。这些残余应力会让焊接接头的疲劳强度变低，更容易出现腐蚀开裂，还可能让结构突然损坏，严重影响轨道车辆的安全运行。因此，研究预测和控制高强钢的焊接残余应力对保证车辆结构可靠、延长寿命有很重要的现实意义。

一、高强钢焊接残余应力预测方法

1.1 数值模拟

1.1.1 有限元方法原理

有限元方法是当前用来预测焊接残余应力最常用方法之一的数值模拟办法。这种方法会把整个焊接结构划分成许多小单元，然后列每个单元的热量传递的方程组和力的平衡方程，还要考虑材料在高温下的各种性能变化，比如说相变等，一步步算出焊接时的温度场和应力应变的分布情况。在热分析时，用傅里叶定律的热传导原理列方程，算出不同时间点的温度分布；在结构分析方面，把前面算出来的温度当成外加负荷，根据弹塑性理论去计算应力应变的分布，最后就能知道残余应力的大小和分布在情况。

1.1.2 模型建立与参数设置

以轨道车辆用的高强度钢焊接接头举例，在建立有限元模型时候，需要把材料不同参数给定义准确，类似导热能力、比热、弹性模量、屈服强度还有相变潜热等参数跟着温度的变化关系。对于焊接时候的热源来说，一般会用到比如双椭球形热源或者高斯热源这些模型来模拟，需要调节热源功率、作用范围等参数，才能正确反映焊接过程里实际的热量输入。同时，要合理设置边界条件，包括结构的约束条件、热边界条件，这样能模拟出真实焊接时候结构的固定方式、与环境之间热交换的情况。此外，考虑焊接时材料会融化再凝固的问题，可以用生死单元技术来模仿焊缝金属的填充过程。

1.1.3 模拟结果分析

通过有限元模拟，可以直观地得到焊接过程中不同时刻的温度场分布，清晰地看到焊缝及热影响区的高温区域范围和温度变化趋势。在应力应变的模拟当中，能看出残余应力大小、分布情况以及容易出现危险的位置。比如，结果一般会是焊缝中间拉应力大，而边上热影响区可能会有压应力残留。如果仔细分析这些模拟结果，就能看出不同焊接参数怎么影响残余应力，这对优化工艺参数有重要的参考作用。

二、高强钢焊接残余应力控制方法

2.1 焊接工艺优化

2.1.1 焊接参数调整

焊接时候的电流、电压、焊接速度等参数主要决定了热量输入。对于高强钢焊接，应尽量采用低热输入焊接工艺，以减少热影响区的范围和降低残余应力。适当降低焊接电流和提高焊接速度，可有效减少单位长度焊缝上的热输入量，使焊缝及热影响区材料的受热程度减轻，从而降低热弹塑性变形产生的残余应力。此外，合理匹配焊接的电流和电压，保证焊接过程文档，避免出现焊不透或者咬边的情况，这样也对控制残余应力有帮助。比如，在用 MAG 焊方法焊高强钢的时候，通过实际做实验加上模拟结合的方式，发现如果是厚度 12毫米的 Q690 钢材，电流调到 200 到 220 安培，电压保持在 24 到 26 伏特，焊接速度每分钟控制在 30 到 35 厘米样子，这样既能把焊缝焊牢靠，又能让残余应力明显降低下来。

2.1.2 焊接顺序优化

正确的焊接步骤可以有效减少焊接结构的残留应力。在轨道车辆制造过程中，面对那些复杂的焊接结构件的时候，必须按照对称焊、分散焊这样的办法来做。比如说车体焊接的时候，应该先从中间的位置焊起，再往两边对称地焊过去，这样在焊接时产生的热应力就会互相抵消掉。对于有很多条焊缝需要焊的情况，应该用分块退焊的方式，就是说每一小段的焊接方向和整个的顺序反过来，这样可以让焊缝纵向收缩带来的残留应力变小。如果用有限元软件去仿真不同焊接步骤后的残留应力分布情况，这样可以很清楚比较哪个方案更好，最后找到最好的焊接顺序。

2.2 预热的作用与工艺参数确定

焊前预热是处理高强钢焊接残余应力的主要方法中之一。预热可以让焊缝接头冷却速度变慢，减小焊接过程中的温度梯度，从而减少热应力的产生。同时，预热也能让焊缝的组织更好，不容易变硬，减少出现冷裂纹问题。确定预热温度时要考虑高强钢的材料、板厚、焊法等。一般来说，如果高强钢含碳量高、板子比较厚的话，预热温度应该要更高一些。比如 Q690 钢，板厚在 16 到20 毫米时，用二氧化碳保护焊的话，预热温度大概要 100 到 150 度左右。实际操作中可以用热电偶等测温工具，保证焊缝各部分预热温度都达到要求。

2.3 焊接结构设计优化

焊接接头的类型对于残余应力的分布有很大影响。在轨道车辆的高强度钢焊接结构设计时，应该尽可能选用应力集中系数较小的接头类型。比如，用对接接头就会比搭接接头更适合降低残余应力，因为对接接头的应力分布比较均匀，而搭接接头在搭接的位置容易产生比较大的应力集中情况。对那些需要承受动载荷的位置，可以采用带有坡口的对接接头形式，并且采用全焊透的焊接方式，这样既能够提升接头本身的强度和疲劳强度，还能减小残余应力带来的负面影响。另外，在设计焊接接头的时候，需要充分考虑到焊接操作的可操作性，保证焊接的质量，防止因为焊接不好操作而产生的缺陷和残余应力变多。

结论

在轨道车辆生产里，高强度的钢焊接残留的应力对结构安全和可靠性都有很重要的影响。通过深入理解残余应力的产生机制，运用数值模拟与实验检测相结合的方法，能够准确预测残余应力的大小和分布。同时，从焊接工艺优化、预热与后热处理以及焊接结构设计优化等多方面采取有效的控制措施，可以显著降低高强钢焊接残余应力，提高焊接接头的质量和性能。

参考文献：

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[2] 罗家元 , 李鑫 , 谭超 . 焊接残余应力对高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳性能的影响 [J]. 机械强度 , 2024, 46(2):439-445.