閃光對(duì)焊制造無(wú)縫鋼軌過(guò)程中的熱應(yīng)力分析研究

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(duì)于高鐵鋼軌的強(qiáng)度和使用壽命至關(guān)重要，減少焊接過(guò)程中缺陷的存在對(duì)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(duì)焊是利用閃光的作用，在焊接處形成局部高溫，同時(shí)使得焊接接頭處形成自保護(hù)區(qū)，相比與傳統(tǒng)的電弧焊接其會(huì)盡可能減少高溫狀態(tài)下金屬的局部氧化問(wèn)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(duì)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(diǎn)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(duì)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(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，對(duì)焊接過(guò)程中應(yīng)力的分布情況及機(jī)理進(jìn)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(duì)鋼軌的模型進(jìn)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(jìn)行局部的邊界層細(xì)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(lái)的計(jì)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(jì)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(dá)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(lái)越明顯。圖4(b)為在焊接過(guò)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(guò)程及冷卻的前期對(duì)焊接軌道底部施加熱源，會(huì)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(lái)的應(yīng)力不均勻問(wèn)題。

圖3 計(jì)算設(shè)計(jì)流程圖

圖4 焊接后冷卻20 s鋼軌內(nèi)溫度分布云圖

對(duì)鋼軌焊接后各位置溫度的變化規(guī)律做進(jìn)一步分得出圖5，可以看出，鋼軌各參考點(diǎn)處的溫度最高隨著時(shí)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(shì)較為平緩。

圖6所示為各參考點(diǎn)退火后微觀組織形貌圖，可以看出參考點(diǎn)1處鋼軌的形貌出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榇颂帨囟茸兓^為局部應(yīng)力分布不均導(dǎo)致材料在冷卻過(guò)程中開(kāi)裂。而溫度變化較為平穩(wěn)的3號(hào)和4號(hào)參考點(diǎn)位置材料的表面形貌組織較為致密，這說(shuō)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(kāi)裂問(wèn)題。

圖5 焊接后隨時(shí)間變化鋼軌各參考點(diǎn)溫度變化曲線圖

圖6 各參考點(diǎn)微觀組織形貌圖

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法對(duì)閃光對(duì)焊制造無(wú)縫鋼軌過(guò)程中熱應(yīng)力分布問(wèn)題進(jìn)行研究，結(jié)果表明在焊接后鋼軌的冷卻問(wèn)題對(duì)于鋼軌的質(zhì)量至關(guān)重要，在焊接過(guò)程及冷卻過(guò)程中對(duì)鋼軌進(jìn)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(jìn)而減少鋼軌開(kāi)裂問(wèn)題。