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        不同工藝參數(shù)下接觸軌溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的研究

        2021-12-24 11:07:38劉立寶
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年19期
        關(guān)鍵詞:鋼鋁應(yīng)力場(chǎng)圓弧

        劉立寶

        (中鐵建電氣化局集團(tuán)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(fù)合軌為主要形式,鋼鋁復(fù)合軌的不銹鋼授流面與列車上的受電靴接觸,從而實(shí)現(xiàn)列車的電力供應(yīng)。

        鋼鋁復(fù)合軌的復(fù)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(yīng)用[1]。焊接復(fù)合為目前應(yīng)用較廣泛的主流復(fù)合方式,因焊接過程較復(fù)雜,其涉及光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等系列復(fù)雜過程和反應(yīng),其中焊接變形、應(yīng)力的分布會(huì)影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性及性能[2],故進(jìn)行焊接件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的研究并預(yù)測(cè)分析其變化情況,以便采取有效措施減小變形,改變應(yīng)力的分布,改善產(chǎn)品的性能。

        本文中的鋼鋁復(fù)合軌為6063鋁合金與304不銹鋼的復(fù)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(duì)其分析計(jì)算,得到對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的影響程度及趨勢(shì),為產(chǎn)品的理論設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

        本文中鋼鋁復(fù)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(gè)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(shí)進(jìn)行焊接,通過此種方式可實(shí)現(xiàn)二者的復(fù)合。

        根據(jù)鋼鋁復(fù)合軌的結(jié)構(gòu)形式及焊縫位置的特點(diǎn),經(jīng)研究建立焊接對(duì)接接頭的模型,通過單元生死技術(shù)實(shí)現(xiàn)。因設(shè)定的模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu),故可以對(duì)其一半進(jìn)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(fù)合軌中的鋁合金軌體除作為不銹鋼的支撐和約束外,對(duì)不銹鋼焊接過程中的熱量的傳輸也有很大影響,故在計(jì)算時(shí)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(duì)流系數(shù)設(shè)定為300W/(m2?℃),設(shè)定與空氣接觸面的對(duì)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(jì)要求,分析研究焊接速度、鋁軌圓弧度和不同焊件長(zhǎng)度對(duì)變形和應(yīng)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(zhǎng)度來進(jìn)行軟件模擬,分析其焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的相關(guān)情況,得到接觸軌變形與應(yīng)力的趨勢(shì)及結(jié)果。

        2 計(jì)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(xiàng)關(guān)鍵的工藝參數(shù),對(duì)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(jìn)行模擬計(jì)算,表1為不同焊接速度下總體焊接變形和等效殘余應(yīng)力的結(jié)果,圖2為v=8mm/s溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布。

        圖2 v=8mm/s溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

        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(yīng)力隨焊接速度增加而逐漸增大,這是因?yàn)楹附铀俣容^大時(shí)焊縫高溫停留時(shí)間較小,故而可以使焊接變形減小,同時(shí)會(huì)使焊縫冷卻速度加快,焊縫會(huì)經(jīng)歷強(qiáng)烈的急冷和急熱的過程,導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大。但應(yīng)控制焊接速度在合理范圍不能過大,焊接速度過大時(shí),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(yīng)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(huì)影響焊縫成型和焊接效率,同時(shí)會(huì)影響鋼鋁復(fù)合的效果,對(duì)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(jìn)行模擬計(jì)算,表2為不同圓弧半徑下總體焊接變形和等效殘余應(yīng)力的結(jié)果,圖3為r=4mm時(shí)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布。

        表2 圓弧半徑的影響結(jié)果

        圖3 r=4mm溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

        隨著圓弧半徑的增大,焊接變形逐漸增大,殘余應(yīng)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(dāng)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(yīng)力均隨著熱輸入增加而增大。

        2.3 工件長(zhǎng)度的影響

        鋼鋁復(fù)合軌線路上的使用長(zhǎng)度一般為12或15米,因軌體較長(zhǎng),考慮到模擬計(jì)算的時(shí)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(jìn)行計(jì)算,表3為相應(yīng)總體焊接變形和等效殘余應(yīng)力的結(jié)果,圖4為l=600mm溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布。

        表3 工件長(zhǎng)度的影響結(jié)果

        圖4 l=600mm溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

        由計(jì)算結(jié)果可知,隨著工件長(zhǎng)度的增大,焊接變形明顯增大,殘余應(yīng)力幾乎不變,這是由于隨著工件長(zhǎng)度的增加其剛度逐漸減小,導(dǎo)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(zhǎng)度對(duì)接觸軌總體焊接變形和等效殘余應(yīng)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(dǎo)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(zhǎng)度的增加使得其剛度減小,會(huì)導(dǎo)致焊接變形的增加。

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