隨著經濟的發展，地鐵交通系統以其交通便捷性、準時性、載客量等優點在各大城市得到大力發展，對地鐵車輛的需求越來越多。不銹鋼以其良好的耐腐蝕性、輕量化、維護成本低、耐高溫、環保等優點，廣泛應用于地鐵車輛的生產制造中不銹鋼車體結構與傳統碳鋼車體、鋁合金車體的差異較大，其成形焊接工藝也不同。

其中車頂作為車體重要的大型組成構件，與側墻和底架相比，其結構復雜程度高，焊接接頭形狀復雜多樣，導致焊接溫度變化和應力分布情況復雜。不銹鋼熱導率低、線膨脹系數大，在焊接時容易產生較大的殘余應力，而大量的殘余應力對車頂強度和使用壽命等都有較大的影響。因此需要分析不銹鋼車頂的各種焊接接頭的應力，掌握接頭殘余應力分布。

本研究分析不銹鋼地鐵車頂結構的四種典型的焊接接頭形式，利用大型有限元分析軟件ABAQUS對四種典型接頭焊接過程中和焊后的溫度及應力進行求解，模擬研究不銹鋼地鐵車頂典型焊接接頭的溫度場、應力場的演化行為以及殘余應力的分布規律，并進行相應的焊接試驗。

2.1 焊接計算力學有限元模型

在不銹鋼MAG焊過程中會發生非常復雜的溫度變化、組織變化和應力變化。三者相互影響，共同決定了最終的焊接構件內部殘余應力和變形的分布。針對不銹鋼地鐵車頂MAG焊焊接工藝實際，采用如圖2所示的焊接計算模型。

該模型完全考慮了溫度場和應力變形場之間的相互藕合作用，即不僅考慮了溫度場以熱應力的形式對應力場的影響，也考慮了應力場以做功和變形熱的形式對溫度場的影響。由于實際工藝所采用的不銹鋼為低碳不銹鋼，因此在模型中可以完全忽略顯微組織變化對溫度場和應力場的影響。

2.2 不銹鋼地鐵車頂典型焊接接頭模型

(1）三維網格模型。

根據實際工藝參數，建立四種典型接頭的幾何模型，并進行相應的三維網格剖分，如圖3所示。單元類型采用六面體一次單元，焊縫區網格適當加密以保證計算要求。

（2）材料熱物性參數

由于實際焊接過程中不銹鋼焊接接頭需經歷劇烈的高溫熱循環，因此建立有限元模型時必須輸入不同溫度下的材料熱物性參數，如圖4所示。

（3）熱源模型的選取和邊界條件的設置。在大量的不銹鋼車頂典型焊接接頭的仿真模擬中，準確、穩定、高效是熱源模型選取的重要因素。經過實際計算，采用雙橢球熱源能夠較廣泛地適用于各類典型接頭的MAG焊工藝，如圖5所示。還以T型接頭為例，展示了熱學和力學邊界條件的設置。

3.1溫度場模擬結果和分析

典型接頭之一的平板對接接頭在焊接過程中的溫度場分布和焊縫中心某點熱循環曲線如圖6所示。四種典型接頭的熔池模擬結果如圖7所示。平板對接接頭的熔池模擬結果與實驗結果對比如圖8所示。其余三種典型接頭的熔池模擬結果和實驗結果對比如圖9所示。

結果表明，基于熱一力耦合分析的MAG焊接彈塑性有限元模型，在考慮計算參數隨溫度變化的情況下，計算得到的溫度場結果與實驗結果基本吻合。

3.2 應力場模擬結果和分析

四種典型接頭的縱向殘余應力分布云圖如圖10所示。縱向殘余應力大致分為約束縱向拉應力區、焊縫縱向拉應力區和HAZ縱向壓應力區，三類區域沿垂直焊縫方向依次分布。四種典型接頭的橫向殘余應力分布云圖如圖11所示。

橫向殘余應力大致分為HAZ橫向拉應力區和焊縫橫向拉應力區，兩類區域沿焊縫方向依次分布。不銹鋼車頂典型焊接接頭的橫、縱向殘余應力的總體分布規律基本相同:焊縫區存在較大的縱向拉應力，焊縫兩端存在較大的橫向壓應力;熱影響區存在較大的橫向拉應力和縱向壓應力。這有利于統一制定合理的焊接方案，減少控制車頂焊接殘余應力的難度。

由上述分析可知，平板對接形式的應力分布是復雜接頭應力分布的本質形式。對于T型接頭和卷邊接頭，其底板平面內應力分布具有平板對接接頭應力分布的形式。而豎板的應力分布出現了一些區別。卷邊焊的豎板側由于與底板相連，近焊縫區出現的殘余應力較大，而T型接頭豎板在焊前未與底板相連，殘余應力較小。

3.3 平板對接接頭殘余應力 

平板對接形式是四種典型接頭的殘余應力分布的基本形式。典型對接接頭橫向殘余應力分析如圖12所示，結合對接接頭的橫向殘余應力云圖，詳細分析平板對接形式的殘余應力。

焊縫附近熱影響區產生了較大的橫向拉應力，達到250MPa，這是導致平板對接焊兩邊翹曲的重要原因。另一方面，焊縫中心區出現了較低的橫向應力，約為50MPa。典型對接接頭縱向殘余應力如圖13所示。

結合對接接頭的縱向殘余應力云圖分析發現，焊縫附近熱影響區存在縱向壓應力，而焊縫中心區出現縱向拉應力，約為100MPa，焊縫的起止端則為縱向壓應力，約為-50MPa。

1. 基于熱一力耦合的熱彈塑性理論，建立了不銹鋼地鐵車頂典型焊接接頭物理場計算數學模型;并對四種典型接頭進行仿真計算，得到熔池計算結果和應力場計算結果。

   
   

2. 對比數值模擬結果和實驗結果可知，采用本研究建立的熱力藕合計算模型對不銹鋼地鐵車頂典型焊接接頭進行數值模擬，計算結果與實驗結果吻合較好。

   
   

3. 對于不銹鋼車頂典型焊接接頭，橫、縱向殘余應力的總體分布規律基本相同:焊縫區存在較大的縱向拉應力，焊縫兩端存在較大的橫向壓應力;熱影響區存在較大的橫向拉應力和縱向壓應力。

   
   

4. 平板對接形式的應力分布是不銹鋼車頂典型接頭應力分布的本質形式。對于T型接頭和卷邊接頭形式，豎板的應力分布不同。