陳若曦

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 726000)

焊接技術(shù)對于高鐵鋼軌的強度和使用壽命至關(guān)重要，減少焊接過程中缺陷的存在對于保證鋼軌的安全系數(shù)至關(guān)重要。如圖1所示為高鐵鋼軌焊接部示意圖[1-4]，閃光對焊是利用閃光的作用，在焊接處形成局部高溫，同時使得焊接接頭處形成自保護區(qū)，相比與傳統(tǒng)的電弧焊接其會盡可能減少高溫狀態(tài)下金屬的局部氧化問題[5-7]；閃光后期由于高溫液態(tài)金屬的存在，能夠?qū)⒑附咏宇^的污物清除干凈；對口處溫度上升較快；較少出現(xiàn)許多熔化焊接接頭缺陷[8-10]。由于其具有以上的優(yōu)點被應(yīng)用于焊接高鐵火車等鋼軌部分。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究閃光對焊殘余應(yīng)力分布寬度影響。此外，還初步分析研究了局部快速焊后熱處理對殘余應(yīng)力分布的影響，對焊接過程中應(yīng)力的分布情況及機理進行研究，從而為高鐵鋼軌焊接提供一定的理論指導(dǎo)。

1 模型建立

采用ANSYS MESH網(wǎng)格劃分模塊對鋼軌的模型進行劃分，網(wǎng)格整體采用混合網(wǎng)格模型，在鋼軌底部和頂部進行局部的邊界層細化，以捕捉局部熱應(yīng)力的變化，在鋼軌的彎曲部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以減少非規(guī)則模型所帶來的計算量，圖2所示為劃分好的鋼軌模型。采用ANSYS Workbench搭建熱應(yīng)力耦合模塊，圖3所示為熱應(yīng)力耦合計算流程模塊。

圖1 高鐵鋼軌焊接部示意圖

圖2 鋼軌的網(wǎng)格模型

2 結(jié)果與討論

圖4為鋼軌焊接冷卻20 s溫度分布云圖，可以從圖4(a)中看到，在自然冷卻條件下，鋼軌內(nèi)部溫度最高處可達到933 ℃，而隨向外與空氣的接觸距離越近其發(fā)生熱交換的速度越快，溫度下降梯度越來越明顯。圖4(b)為在焊接過程中底部施加局部熱源，可以看出,在底部熱源存在的情況下,整體的溫度分布較為均勻，其溫度變化梯度明顯減弱，如果在焊接的過程及冷卻的前期對焊接軌道底部施加熱源，會使得焊接結(jié)束后溫度的下降梯度明顯減弱，鋼軌整體溫度比較均勻，這樣可以減少由于熱量不均帶來的應(yīng)力不均勻問題。

圖3 計算設(shè)計流程圖

圖4 焊接后冷卻20 s鋼軌內(nèi)溫度分布云圖

對鋼軌焊接后各位置溫度的變化規(guī)律做進一步分得出圖5，可以看出，鋼軌各參考點處的溫度最高隨著時間的推移逐漸下降接近于室溫。其中越靠近鋼軌中心，溫度越高，其下降速率越快，鋼軌底部溫度下降趨勢較為平緩。

圖6所示為各參考點退火后微觀組織形貌圖，可以看出參考點1處鋼軌的形貌出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象，這主要是因為此處溫度變化較為局部應(yīng)力分布不均導(dǎo)致材料在冷卻過程中開裂。而溫度變化較為平穩(wěn)的3號和4號參考點位置材料的表面形貌組織較為致密，這說明采用底部加熱方式降低材料溫度下降速度可以有效減少焊接后鋼軌的開裂問題。

圖5 焊接后隨時間變化鋼軌各參考點溫度變化曲線圖

圖6 各參考點微觀組織形貌圖

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬計算和實驗對比的方法對閃光對焊制造無縫鋼軌過程中熱應(yīng)力分布問題進行研究，結(jié)果表明在焊接后鋼軌的冷卻問題對于鋼軌的質(zhì)量至關(guān)重要，在焊接過程及冷卻過程中對鋼軌進行局部加熱可以使鋼軌緩慢冷卻，從而減少局部熱應(yīng)力進而減少鋼軌開裂問題。