鋼軌鋁熱焊接過(guò)程的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

高松福 宋宏圖 任金雷 石孟雷 馮子凌 羅飛

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京100081；2.瑞泰潘得路鐵路技術(shù)（武漢）有限公司，武漢430034

鋼軌鋁熱焊接技術(shù)作業(yè)具有設(shè)備簡(jiǎn)便、作業(yè)時(shí)間短等特點(diǎn)，是目前我國(guó)鐵路斷軌重焊的主要方法［1-2］。鋼軌鋁熱焊接由焊劑反應(yīng)生成鋼液填充在待焊鋼軌與砂型形成的型腔來(lái)實(shí)現(xiàn)，特別適合道岔焊接和軌道維修焊接［3］。

以往的鋼軌鋁熱焊接工藝改進(jìn)流程通常是先進(jìn)行理論分析，再針對(duì)各種工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)，直到焊接接頭中的缺陷被減少或杜絕，方可確定最終的改進(jìn)方案。這種做法周期長(zhǎng)、效率低、費(fèi)用高。近年來(lái)，通過(guò)仿真模擬進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的做法已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。Manzke等［4］通過(guò)建立鋼軌鋁熱焊接數(shù)值模型研究了鋼水溫度、鋼軌鋼的比熱和砂型材料對(duì)熔合區(qū)寬度的影響，進(jìn)行了鋼軌鋁熱焊接參數(shù)的優(yōu)化。朱陽(yáng)［5］通過(guò)對(duì)鑄造閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，優(yōu)化模具工藝，提高產(chǎn)品合格率。周建民等［6］通過(guò)有限元軟件對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)主梁分段腹板的焊接進(jìn)行仿真計(jì)算，為實(shí)際焊接工藝提供指導(dǎo)，提高了生產(chǎn)效率。利用數(shù)值模擬方法可以更好地分析高溫焊接或鑄造過(guò)程中金屬液體在型腔內(nèi)的凝固過(guò)程，并進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)和工藝優(yōu)化。

本文以鋼軌鋁熱焊接過(guò)程為研究對(duì)象，利用三維軟件建立鋁熱焊接澆注模型，數(shù)值模擬鋼液澆注過(guò)程，進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)和工藝優(yōu)化，最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)工藝優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 模型的建立

鋼軌鋁熱焊接利用氧化還原反應(yīng)原理，由鋁粉、氧化鐵、合金添加物組成的焊劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鋼液和熔渣。鋼液澆注到砂型和待焊鋼軌形成的空腔中，并與焊接鋼軌同時(shí)凝固，將鋼軌焊成整體［7］。在整個(gè)鋼軌鋁熱焊接過(guò)程中，常見(jiàn)缺陷發(fā)生在鋼液澆注砂型與鋼軌組成型腔的過(guò)程中，這一過(guò)程也是焊接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

利用三維軟件，建立焊接過(guò)程中砂型與待焊鋼軌的實(shí)體模型，如圖1所示。模型中，鋼軌采用P75斷面，待焊接的兩段鋼軌預(yù)留間隙為30 mm。鋼軌預(yù)留的間隙和配套砂型組成鋼液澆注的型腔，待焊接鋼軌軌端與鋼軌設(shè)置為不同的體，用于后期設(shè)定軌端的預(yù)熱溫度。

圖1 砂型與待焊鋼軌實(shí)體模型

在液態(tài)金屬充填型腔的過(guò)程中，一般將液體金屬看作不可壓縮的流體，耦合控制通過(guò)連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、能量方程式來(lái)建立［8］。

2 數(shù)值模擬前處理

2.1 模型網(wǎng)格剖分

利用三維幾何造型工具對(duì)三維模型進(jìn)行造型，并以標(biāo)準(zhǔn)接口.igs格式輸出，將輸出結(jié)果導(dǎo)入Visual-Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格剖分。為保證模擬結(jié)果具有足夠的精度，同時(shí)考慮到計(jì)算速度，分別將鋼液型腔、砂型、鋼軌的網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為3、5、10 mm。該有限元模型約120萬(wàn)個(gè)體網(wǎng)格。

2.2 邊界條件及熱物性參數(shù)設(shè)置

模擬計(jì)算前須選擇恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。焊劑鋁熱反應(yīng)生成的鋼液的化學(xué)成分通過(guò)直讀光譜結(jié)果確定并進(jìn)行設(shè)置。主要合金元素組分見(jiàn)表1。

表1 鋁熱鋼主要合金元素組分 %

液相線溫度和固相線溫度采用軟件默認(rèn)值，分別為1 468℃和1 368℃。鑄件與模具、模具與空氣、鑄件與鋼軌的界面熱傳遞系數(shù)分別設(shè)置為1 000、10、5 000 W/（m2·K）。

按照實(shí)際澆注情況確定模型中的重力方向。鋼液由砂型頂部注入型腔，澆口直徑根據(jù)坩堝底部澆注孔直徑確定，設(shè)置為14 mm。待焊鋼軌的預(yù)熱溫度設(shè)置為800℃，澆注溫度設(shè)置為2 200℃，澆注時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為10 s；運(yùn)行參數(shù)選用砂型重力澆注默認(rèn)值。

前處理完畢后，通過(guò)Visual-Cast進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，利用模擬軟件進(jìn)行求解計(jì)算。

3 模擬結(jié)果

3.1 流場(chǎng)模擬結(jié)果

流場(chǎng)表示澆注系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)金屬液運(yùn)動(dòng)情況的空間分布［9］，用來(lái)分析澆注系統(tǒng)內(nèi)鋼液的流動(dòng)情況，從而判斷和預(yù)測(cè)卷渣及卷氣可能帶來(lái)的焊接缺陷，并為澆注系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論支持。

澆注時(shí)型腔內(nèi)流場(chǎng)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。其中，澆注時(shí)間t以開(kāi)始澆注為起始時(shí)間。由圖2可以看出：鋁熱鋼液澆入到砂型型腔后，流動(dòng)速度立即降低，并在分流塞的阻擋作用下從分流塞兩側(cè)緩慢地澆入型腔內(nèi)，流到軌底區(qū)域；鋼液到達(dá)軌底后，緩慢填滿軌底，然后由軌底緩慢地向冒口充填；當(dāng)鋼液高度到達(dá)軌腰部位，小冒口里的鋼液與焊縫軌腰部位的鋼液相通，達(dá)到平衡后繼續(xù)向上充填；大冒口獨(dú)立于型腔和小冒口，鋼液緩慢向上充填直至充滿。由于最外側(cè)大冒口的尺寸較大，且在軌底角與焊縫鋼液相通，導(dǎo)致流經(jīng)軌角的鋼液較多，可以有效保證該部位的焊接效果。整個(gè)澆注過(guò)程中鋼液充填較為平穩(wěn)，無(wú)明顯因鋼液流場(chǎng)不合理而產(chǎn)生缺陷的傾向。

圖2 型腔內(nèi)流場(chǎng)模擬結(jié)果

3.2 凝固場(chǎng)模擬結(jié)果

凝固場(chǎng)表示任意時(shí)刻整個(gè)澆注系統(tǒng)各處金屬固相分?jǐn)?shù)［10］，可以形象地表達(dá)澆注系統(tǒng)內(nèi)金屬的凝固順序，預(yù)測(cè)縮孔、縮松、熱裂等缺陷。

焊接凝固場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。其中，固相分?jǐn)?shù)即固相所占比率，1代表全為固體；0.5代表50%固體，50%液體；0代表全為液體。

圖3 焊接凝固場(chǎng)模擬結(jié)果

由圖3可以看出：相對(duì)于金屬鋼液，待焊接的兩段鋼軌溫度較低，因而從鋼軌長(zhǎng)度方向看，鋼液的凝固順序?yàn)橛纱镐撥墐蓚?cè)向中間進(jìn)行；從鋼軌橫向來(lái)看，由于軌底澆入鋼水較早，軌底三角區(qū)面積大，因而表現(xiàn)為由軌底區(qū)域向軌頭方向順序凝固，但在軌腰部位有部分最后凝固區(qū)域。

為更加清晰地觀察固相分?jǐn)?shù)的分布情況，利用軟件silide-show功能，可以直觀地觀察到焊縫金屬最后凝固區(qū)域發(fā)生在軌腰中部，而且存在孤立液相區(qū)域。此時(shí)的固相分?jǐn)?shù)和凝固收縮量模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 軌腰中部有孤立液相區(qū)域時(shí)的固相分?jǐn)?shù)和凝固收縮量模擬結(jié)果

由圖4可以看出，軌頭和軌底區(qū)域凝固收縮量較大。這是因?yàn)樵诮宇^凝固過(guò)程中，軌腰中部受軌頭和軌底金屬凝固收縮的影響，受到較大的拉力，導(dǎo)致軌腰中部產(chǎn)生凝固缺陷的概率較大。焊頭凝固后軌腰部位產(chǎn)生的細(xì)小凝固裂紋如圖5所示。

圖5 焊頭軌腰中部凝固裂紋

4 工藝優(yōu)化

由原工藝的充型和凝固過(guò)程可知，造成軌腰中部產(chǎn)生凝固裂紋的主要原因是軌腰中部在凝固后期存在液態(tài)孤島，得不到良好的補(bǔ)償收縮，且軌頭和軌底部位有較大的凝固收縮。因此，在進(jìn)行工藝優(yōu)化時(shí)，可以通過(guò)減小軌腰焊筋的尺寸同時(shí)加大內(nèi)澆口尺寸來(lái)縮短軌腰金屬的凝固時(shí)間。

根據(jù)優(yōu)化的澆注方案進(jìn)行調(diào)整后，軌腰凝固孤島得以消除。優(yōu)化后的固相分?jǐn)?shù)和凝固收縮量模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。工藝優(yōu)化后，對(duì)20個(gè)接頭試件進(jìn)行了試驗(yàn)焊接。結(jié)果顯示，試件的軌腰部位無(wú)凝固裂紋產(chǎn)生，見(jiàn)圖7。

圖6 優(yōu)化后的固相分?jǐn)?shù)和凝固收縮量模擬結(jié)果

圖7 優(yōu)化后焊接試件和焊頭軌腰形貌

5 結(jié)論

1）數(shù)值模擬可以直觀地描述鋁熱焊接過(guò)程中鋼液充型和凝固階段的流動(dòng)、溫度場(chǎng)分布，并能進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)。模擬預(yù)測(cè)接頭存在軌腰凝固缺陷的位置與實(shí)際焊接接頭缺陷基本相符。

2）焊縫軌腰中部為最后凝固區(qū)域，易在收縮應(yīng)力的作用下產(chǎn)生缺陷。

3）優(yōu)化方案為減小軌腰焊筋的尺寸，同時(shí)加大內(nèi)澆口尺寸，縮短軌腰金屬的凝固時(shí)間。模擬結(jié)果和焊接試驗(yàn)結(jié)果均顯示，優(yōu)化后軌腰中部無(wú)獨(dú)立凝固孤島存在，避免了軌腰中部缺陷的產(chǎn)生，焊接接頭缺陷得以消除。