鋼鋁復(fù)合軌焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

黃 倩

（中鐵建電氣化局集團(tuán)科技有限公司，河北 保定 074000）

接觸軌是將電能傳輸?shù)降罔F和城市軌道交通系統(tǒng)電力牽引車輛上的裝置，電力的輸送是通過(guò)車輛集電靴與接觸軌的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。早期的接觸軌主要是低碳鋼材料制造的，北京地鐵和天津地鐵的第三軌采用的是低碳鋼導(dǎo)電軌。隨著城市軌道交通的發(fā)展，傳統(tǒng)的低碳鋼導(dǎo)電軌存在導(dǎo)電性差、重量大、腐蝕嚴(yán)重、成本高等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿足更高的使用要求。為加大導(dǎo)電軌的一次輸電距離、改善受流條件、減小機(jī)械磨損和電腐蝕，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)，目前主要應(yīng)用為鋼鋁復(fù)合形式[1]。國(guó)內(nèi)鋼鋁復(fù)合軌主要為焊接式、鉚接式和共擠式，并在北京、天津、廣州和無(wú)錫等地鐵線路上得到應(yīng)用[2]。

焊接式鋼鋁復(fù)合軌主要包括鋁軌本體和不銹鋼，不銹鋼通過(guò)焊接連接，實(shí)現(xiàn)與鋁軌本體的包覆。本文主要對(duì)一種焊接型鋼鋁復(fù)合軌進(jìn)行焊接數(shù)值模擬分析，得到其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 有限元模型建立

ANASYS 軟件是一個(gè)融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等分析于一體的大型、通用的有限元軟件。焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的模擬是運(yùn)用其熱、結(jié)構(gòu)及二者耦合分析功能進(jìn)行計(jì)算，即先運(yùn)用其熱分析功能計(jì)算整個(gè)焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)，然后將溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為熱載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，得到應(yīng)力場(chǎng)的整個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[3]。

1.1 有限元模型

如下圖1 所示，鋼鋁復(fù)合軌主要由不銹鋼和鋁合金組成，其中1 為鋁合金型材（6063-T6），2 和3 為不銹鋼（06Cr19Ni10），通過(guò)不銹鋼的焊接連接，利用焊接熱應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)不銹鋼與鋁合金的復(fù)合及密貼，保證鋼鋁之間的結(jié)合性能。

圖1 鋼鋁復(fù)合軌結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)分析，為符合實(shí)際焊接情況，建立對(duì)接的接頭模型。鋁合金型材對(duì)焊接為約束作用，模擬時(shí)施加約束即可，同時(shí)不銹鋼板為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此建立不銹鋼對(duì)接的焊接對(duì)稱模型。

1.2 計(jì)算方案及邊界條件

根據(jù)建立的有限元模型，結(jié)合實(shí)際設(shè)定焊接速度、鋁合金型材圓弧度、焊接長(zhǎng)度三個(gè)參數(shù)，分析模擬結(jié)果，得到其變形和應(yīng)力的分布情況，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

模擬計(jì)算采用單元“生死”技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在焊接開(kāi)始前將焊縫單元“殺死”，施加臨界條件后，再將每個(gè)單元逐個(gè)激活進(jìn)行求解。焊接熱源選取內(nèi)部熱生成法，焊縫單元溫度為1500℃，初始溫度設(shè)置為20℃ ，不銹鋼與空氣的接觸面的對(duì)流系數(shù)設(shè)置為30W/(m2?℃)，而與鋁軌的接觸面的對(duì)流系數(shù)設(shè)置為300W/(m2?℃)作為傳熱條件。

定義邊界條件的目的主要是約束焊接構(gòu)件的自由度，即防止在計(jì)算中產(chǎn)生剛性位移，又不能嚴(yán)重阻礙焊接過(guò)程中應(yīng)力的自由釋放和自由變形。經(jīng)分析并結(jié)合實(shí)際，本文在有限元計(jì)算中加載的位移邊界條件為對(duì)稱面的對(duì)稱約束，隨熔池移動(dòng)的滾輪約束。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 溫度場(chǎng)的結(jié)果

設(shè)定焊接速度v=4mm/s，鋁合金型材圓弧半徑r=3mm，工件長(zhǎng)度l=200mm。溫度場(chǎng)的計(jì)算是應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值計(jì)算的前提和基礎(chǔ)，其分布對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的分布有很大影響。圖2 ～3 分別對(duì)應(yīng)50s、冷卻后1200s 的溫度場(chǎng)的分布圖。隨著熱源的移動(dòng)，熱源周圍的溫度分布很快變?yōu)楹愣?，說(shuō)明溫度場(chǎng)具有一定的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布的特征，可知網(wǎng)格劃分可以達(dá)到計(jì)算的精度要求。通過(guò)控制焊縫單元的生死技術(shù)，可以模擬焊縫的形成過(guò)程和施加焊接熱載荷的過(guò)程。

圖2 50s 時(shí)溫度場(chǎng)

圖3 冷卻1200s 后的溫度場(chǎng)

2.2 應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果

焊接應(yīng)力的計(jì)算，無(wú)需重新建模，可使用溫度場(chǎng)的模型，將ANALYS 軟件中的熱單元進(jìn)行轉(zhuǎn)變，增加相應(yīng)的材料力學(xué)性能參數(shù)即可進(jìn)行力學(xué)分析。圖4 為等效殘余應(yīng)力，圖5 為總體焊接變形。

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，得到沿X 方向的最大焊接變形量為0.207mm，沿Y 方向的最大焊接變形量為0.214mm，沿Z 方向的最大焊接變形量為0.838mm，最大變形量均位于焊縫的收弧位置。焊接變形主要為Z 方向的變形，即為縱向焊接變形，這是由于焊縫沿焊縫長(zhǎng)度方向發(fā)生縱向收縮引起的?？傮w最大焊接變形量為0.869mm，位于不銹鋼板的焊縫收弧位置，這是由于焊接過(guò)程中受到滾輪約束，導(dǎo)致焊接變形集中于焊縫位置。

圖4 等效殘余應(yīng)力

圖5 總體焊接變形

殘余應(yīng)力分布主要為Z 方向的縱向應(yīng)力，沿焊縫的上表面分布，最大值為458MPa。而X 方向和Y 方向的殘余應(yīng)力相對(duì)較小，最大等效殘余應(yīng)力為529MPa。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)定參數(shù)模擬過(guò)程及結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

（1）采用單元“生死”技術(shù)，能有效模擬焊縫的形成過(guò)程和焊接熱源的輸入，可以實(shí)現(xiàn)鋼鋁復(fù)合軌對(duì)接焊縫相關(guān)理論的研究。

（2）殘余應(yīng)力主要為縱向應(yīng)力，殘余變形主要為縱向變形，最大變形量位于焊縫收弧處。

（3）通過(guò)對(duì)鋼鋁復(fù)合軌對(duì)接焊縫溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的研究分析，可以為焊接參數(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)際工藝提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。