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        不同工藝參數(shù)下接觸軌溫度場及應力場的研究

        2021-12-24 11:07:38劉立寶
        中國金屬通報 2021年19期
        關(guān)鍵詞:鋼鋁應力場圓弧

        劉立寶

        (中鐵建電氣化局集團科技有限公司,河北 保定 074000)

        目前,地鐵和磁浮領(lǐng)域列車供電的主要方式為接觸軌供電,常見的接觸軌以鋼鋁復合軌為主要形式,鋼鋁復合軌的不銹鋼授流面與列車上的受電靴接觸,從而實現(xiàn)列車的電力供應。

        鋼鋁復合軌的復合方式較常見的有鉚接、焊接、共擠式等,已分別在北京、廣州和無錫等地鐵線路上得到了廣泛應用[1]。焊接復合為目前應用較廣泛的主流復合方式,因焊接過程較復雜,其涉及光學、熱學、電學等系列復雜過程和反應,其中焊接變形、應力的分布會影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性及性能[2],故進行焊接件的溫度場和應力場分布的研究并預測分析其變化情況,以便采取有效措施減小變形,改變應力的分布,改善產(chǎn)品的性能。

        本文中的鋼鋁復合軌為6063鋁合金與304不銹鋼的復合,其中焊接為304不銹鋼的焊接,設(shè)定不同的影響因素及工藝參數(shù),利用ANASYS軟件對其分析計算,得到對溫度場和應力場分布的影響程度及趨勢,為產(chǎn)品的理論設(shè)計提供依據(jù)。

        1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

        本文中鋼鋁復合軌的結(jié)構(gòu)形式主要包括工字型的鋁合金軌體、不銹鋼帶及兩個彎鉤形不銹鋼條,軌體通過熱擠壓工藝成型,彎鉤形的不銹鋼條是冷拔工藝成型,其與鋁合金軌體表面的不銹鋼帶雙側(cè)同時進行焊接,通過此種方式可實現(xiàn)二者的復合。

        根據(jù)鋼鋁復合軌的結(jié)構(gòu)形式及焊縫位置的特點,經(jīng)研究建立焊接對接接頭的模型,通過單元生死技術(shù)實現(xiàn)。因設(shè)定的模型為對稱結(jié)構(gòu),故可以對其一半進行建模分析,不銹鋼截面模型如圖1所示。與常規(guī)的不銹鋼焊接接頭不同的是,本文中鋼鋁復合軌中的鋁合金軌體除作為不銹鋼的支撐和約束外,對不銹鋼焊接過程中的熱量的傳輸也有很大影響,故在計算時需特別考慮接觸軌各部分熱量傳輸產(chǎn)生的影響。故不銹鋼帶與鋁合金軌體的接觸面對流系數(shù)設(shè)定為300W/(m2?℃),設(shè)定與空氣接觸面的對流系數(shù)為30W/(m2?℃),初始溫度設(shè)定為20℃ 。

        圖1 不銹鋼截面模型

        根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求,分析研究焊接速度、鋁軌圓弧度和不同焊件長度對變形和應力的影響,故本文中分別設(shè)定不同的焊接速度,不同的鋁軌圓弧度、不同的焊接長度來進行軟件模擬,分析其焊接溫度場和應力場的相關(guān)情況,得到接觸軌變形與應力的趨勢及結(jié)果。

        2 計算結(jié)果及分析

        2.1 焊接速度的影響

        接觸軌的焊接速度作為一項關(guān)鍵的工藝參數(shù),對焊接熱輸入、效率及成型情況均影響很大。故其他參數(shù)不變,分別設(shè)定焊接速度為v=4mm/s,6mm/s,8mm/s進行模擬計算,表1為不同焊接速度下總體焊接變形和等效殘余應力的結(jié)果,圖2為v=8mm/s溫度場和應力場的分布。

        圖2 v=8mm/s溫度場和應力場

        表1 焊接速度的影響結(jié)果

        通過上表的結(jié)果可以得到,焊接變形隨著焊接速度的增加而逐漸減小,殘余應力隨焊接速度增加而逐漸增大,這是因為焊接速度較大時焊縫高溫停留時間較小,故而可以使焊接變形減小,同時會使焊縫冷卻速度加快,焊縫會經(jīng)歷強烈的急冷和急熱的過程,導致殘余應力增大。但應控制焊接速度在合理范圍不能過大,焊接速度過大時,熔池的溫度較低,無法保證焊縫成型,容易出現(xiàn)未焊透、未熔合以及成型不良等缺陷,因此,應選擇合理的焊接速度。

        2.2 圓弧半徑的影響

        鋁軌圓弧半徑會影響焊縫成型和焊接效率,同時會影響鋼鋁復合的效果,對鋼鋁接觸面電阻產(chǎn)生一定的影響。故其他參數(shù)不變,分別設(shè)定圓弧半徑r=3mm,4mm,5mm進行模擬計算,表2為不同圓弧半徑下總體焊接變形和等效殘余應力的結(jié)果,圖3為r=4mm時溫度場和應力場的分布。

        表2 圓弧半徑的影響結(jié)果

        圖3 r=4mm溫度場和應力場

        隨著圓弧半徑的增大,焊接變形逐漸增大,殘余應力略有增加,增加的幅度較小,這是由于圓弧半徑的增大相當于焊縫寬度的增大,即焊接熱輸入隨之增加,故殘余變形和殘余應力均隨著熱輸入增加而增大。

        2.3 工件長度的影響

        鋼鋁復合軌線路上的使用長度一般為12或15米,因軌體較長,考慮到模擬計算的時間和效率,為得到其變化規(guī)律,在其他參數(shù)不變的情況下,分別設(shè)定l=200mm,400mm,600mm進行計算,表3為相應總體焊接變形和等效殘余應力的結(jié)果,圖4為l=600mm溫度場和應力場的分布。

        表3 工件長度的影響結(jié)果

        圖4 l=600mm溫度場和應力場

        由計算結(jié)果可知,隨著工件長度的增大,焊接變形明顯增大,殘余應力幾乎不變,這是由于隨著工件長度的增加其剛度逐漸減小,導致殘余變形增大。

        3 結(jié)論

        本文研究了不同的焊接速度、鋁軌圓弧半徑、工件長度對接觸軌總體焊接變形和等效殘余應力的影響,可以得到以下結(jié)果:

        (1)增大接觸軌的焊接速度能夠減少焊接變形,但要控制焊接速度過快,避免過快導致產(chǎn)生焊接缺陷。

        (2)減小接觸軌軌體圓弧半徑,可減小焊縫寬度,能夠減小焊接變形。

        (3)接觸軌工件長度的增加使得其剛度減小,會導致焊接變形的增加。

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