楊兵

摘要：以TX-18鐵路道床吸污裝置中的除塵系統(tǒng)角焊縫作為模型，選用Ansys模擬了除塵系統(tǒng)角焊縫焊接過程。通過瞬時溫度場、焊接殘余應(yīng)力及塑性變形量云圖，研究了焊接過程中對其變形量的影響。基于計算結(jié)果及實(shí)際焊縫長度考量，將反變形量控制在5～10mm，并通過退火去除焊接應(yīng)力后，可以將除塵系統(tǒng)的表面平整度均控制在2.5mm以內(nèi)，能夠滿足除塵系統(tǒng)設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力;焊接變形;高斯移動熱源;Ansys

中圖分類號：TG115文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-6903（2021）12-0049-03

0引言

在鐵路線路上，重載列車爬較大坡道時，需要在機(jī)車車輪處灑沙，以增大車輪與鋼軌表面摩擦力，機(jī)車灑下的沙子無法自動回收，將散落在鐵路道床的表面及周圍，若長時間得不到清理，將會掩埋鋼軌、堵塞排水溝、破壞道床，危及列車的行車安全[1]。

中國鐵建高新裝備股份有限公司研制的TX—18鐵路道床吸污裝置用于對灑下的沙子進(jìn)行收集，其中較為關(guān)鍵的部件之一除塵器用于對含沙氣體進(jìn)行氣固分離，除塵器密封要求高，需整體滿焊，為了減輕重量，采用薄壁件，焊接變形量大。因此，對焊接變形量進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)行焊前反變形十分重要。

近年來，研究者致力于彈塑性方法對焊接變形進(jìn)行預(yù)測。Goldak[2]等人總結(jié)了熱源模型在焊接溫度場計算中的應(yīng)用及發(fā)展，主要討論了高斯熱源模型和雙橢球熱源模型的表面熱源和體積熱源的分析模型。然后，Cai[3]等人基于熱彈塑性方法，并采用了高斯分布表面熱源對角焊縫的焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。此外，張錦洲[4]等人采用高斯熱源模型對X70管線鋼焊接焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。對綜上所述，對于熱彈塑性方法，可以精確模擬焊接的整個過程，且預(yù)測精度較高。

由此，本文基于彈塑性理論，結(jié)合高斯熱流密度公式，利用ansys計算，最終獲得了除塵系統(tǒng)角焊縫焊接接頭的瞬態(tài)溫度場、焊接熱影響區(qū)及焊接變形量，為焊接預(yù)變形量的控制提供了參考。

1模型建立

1.1邊界條件

通常，熔焊過程的數(shù)值模擬需要解決熱流體和應(yīng)力應(yīng)變問題。焊接過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度場可由熱擴(kuò)散偏微分方程描述，其形式如下[5]：

（1）

式中，T（x，y，z）為溫度（°C），T為時間（s），ρ為密度（kg.m/?3），Cp為比熱容（J·kg?1/K），λx，λy，λz為笛卡爾坐標(biāo)系的x、y、z方向上的熱導(dǎo)率（W·m?1/K），qv是內(nèi)部熱源的體積密度（W/m?3）。

通常，熔焊過程的數(shù)值模擬需要解決熱流體和應(yīng)力應(yīng)變問題，其特點(diǎn)為基體表面小部分區(qū)域短時間迅速升溫，且熔池呈現(xiàn)出橢圓狀。并且，通常假設(shè)焊接熱量均勻地施加到焊縫元件上，作為內(nèi)部熱源處理。因此，在本文中焊接熱輸入為的內(nèi)部熱量施加到焊縫上。綜上，本文采用高斯分布的表面/體積熱源組合模型和自然對流傳熱邊界條件進(jìn)行溫度場計算。其函數(shù)表達(dá)式為：

（2）

式中，qm為加熱斑點(diǎn)中心最大熱流密度;R為焊接電弧有效加熱半徑;r為點(diǎn)A距加熱斑點(diǎn)中心的距離。

為了確定焊接熱輸入量，角焊縫焊接接頭焊接工藝參數(shù)設(shè)置為：焊接電流I=120A，焊接電壓U=24V，焊接速度V=10mm/s，焊接效率η=0.75。根據(jù)上述參數(shù)，

可通過式（4）計算焊接熱輸入。

（3）

1.2物理模型及網(wǎng)格劃分

角焊縫焊接接頭的尺寸如下：豎版長度為300mm，豎版寬度為300mm，板材厚度為6mm，腹板高度為300mm，腹板寬度為300mm，腹板厚度為6mm。在本研究中，角焊縫焊接接頭網(wǎng)格的尺寸控制在2mm以分布，將焊接接頭的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系設(shè)定為理想彈塑性關(guān)

下。為了提高計算精度，對焊縫處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并系。通過模擬獲得溫度場的情況下，采用耦合法計算位盡可能采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元。角焊縫焊接接頭的焊接板材受力變形情況，即將從熱分析中所獲得的溫度場作為載荷應(yīng)用于后續(xù)的有限元分析，計算結(jié)果如圖3所示。

焊接溫度場的模擬計算是一種非線性瞬態(tài)熱分析。材料的熱物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容量、對流傳熱系數(shù)、熔點(diǎn)和密度，將隨溫度而變化。在本文中，角焊縫焊接接頭的材料為Q345B鋼，其熱物理性能如表1所示。

2結(jié)果與討論

2.1焊接溫度場分析

為了探究焊接過程中板材的溫度變化，對其不同焊接時刻的溫度場進(jìn)行計算，具體如圖2所示。圖中，分別顯示了焊接時間分別為1s、10s、20s和30s時的溫度場。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，整個熔池的形狀類似于非標(biāo)準(zhǔn)半橢球體，熔池中心的溫度最高，最高可以達(dá)到1738℃，板材邊緣位置溫度最低，接近室溫（20℃）。焊接方向前部等溫線密集，后部等溫線稀疏。為了探究焊縫在不同時刻的受熱情況，在文中選取了焊縫上三個位置，對其溫度變化進(jìn)行探究，具體如圖2（e）所示。從圖中可以看出，焊縫上不同的位置均受圖3焊接時間為1s（a）、10s（b）、20s（c）及到了加熱及冷卻的作用。此外，焊接完成后焊件均在60s后進(jìn)入冷卻階段，并且最后各點(diǎn)的溫度逐漸接近室溫。

焊接過程中，焊縫的溫度變化大，焊縫附近的最高溫度可達(dá)材料的沸點(diǎn)，離開熱源后溫度急劇下降。這將導(dǎo)致量為0mm，這與參考文獻(xiàn)中的焊接變形的位置分布基本一致[7]。這是因?yàn)榘宀亩瞬康氖艿降暮附訜彷斎胱钚?，而焊縫處受到的熱輸入量最高，溫度場的極度不均勻性本文對其焊接變形進(jìn)行了計算分析。由于本工作中選擇的板材厚度僅為6mm，因此忽略了厚度方向上的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析，具體如圖4所示。從圖4（a）中可以發(fā)現(xiàn)，最大焊接殘余應(yīng)力為345MPa，出現(xiàn)在焊縫中部。這是由于遠(yuǎn)離焊縫板材的端部產(chǎn)生較大的焊接變形量，焊接殘余應(yīng)力得到釋放。然而焊縫處焊接變形量基本為0mm，焊接殘余應(yīng)力難以釋放，從而引發(fā)應(yīng)力集中，這與之前焊接變形分析的結(jié)果一致。并且焊縫處的焊接殘余應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，而焊縫外的焊接殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力。

此外，從圖4（b）焊后的縱向的塑性應(yīng)變遠(yuǎn)小于橫向的塑性應(yīng)變，這與之前的研究結(jié)果一致[8]。焊接過程中，由于溫度場的不均勻，會產(chǎn)生焊件的熱應(yīng)力，而不均勻的溫度場會使焊縫附近的應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，導(dǎo)致局部塑性變形。縱向上的均受到焊接熱源的影響，溫度場較橫向方向更為均勻，其塑性變形就遠(yuǎn)小于橫向方向。

2.3效果及驗(yàn)證

通過上述計算，對鐵路道床吸污裝置除塵器角焊縫進(jìn)行焊接前，對其進(jìn)行反變形處理。參考計算結(jié)果與實(shí)際焊縫長度，將反變形量控制在5～10mm。此外，對焊后焊縫進(jìn)行退火處理，消除焊后參與應(yīng)力，最終結(jié)果如圖5所示。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過反變形的處理的焊件，表面平整度均控制在2.5mm以內(nèi)，能夠滿足除塵系統(tǒng)設(shè)計要求。

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GaussianMovingHeatSourcePredictsWeldingDeformation

YANGBing

（ChinaRailwayConstructionHigh-techEquipmentCo.，Ltd.，KunmingYunnan650215）

Abstract：TakingthefilletweldofthedustremovalsystemoftheTX-18railwaytrackbedasamodel，Ansysisselectedtosimulatethefilletweldingprocessofthedustremovalsystem.Throughtheinstantaneoustemperaturefield，weldingresidualstressandplasticdeformationcloudgraph，theinfluenceoftheweldingprocessonitsdeformationisstudied.Basedonthecalculationresultsandtheactualweldlengthconsiderations，theanti-deformationamountiscontrolledto5-10mm，andaftertheweldingstressisremovedbyannealing，thesurfaceflatnessofthedustremovalsystemcanbecontrolledwithin2.5mm，whichcanmeetthedesignrequirementsofthedustremovalsystem.

Keywords：weldingstress;weldingdeformation;gaussianmovingheatsource;ansys