閃光對焊制造無縫鋼軌過程中的熱應力分析研究

陳若曦

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 726000)

焊接技術對于高鐵鋼軌的強度和使用壽命至關重要，減少焊接過程中缺陷的存在對于保證鋼軌的安全系數至關重要。如圖1所示為高鐵鋼軌焊接部示意圖[1-4]，閃光對焊是利用閃光的作用，在焊接處形成局部高溫，同時使得焊接接頭處形成自保護區，相比與傳統的電弧焊接其會盡可能減少高溫狀態下金屬的局部氧化問題[5-7]；閃光后期由于高溫液態金屬的存在，能夠將焊接接頭的污物清除干凈；對口處溫度上升較快；較少出現許多熔化焊接接頭缺陷[8-10]。由于其具有以上的優點被應用于焊接高鐵火車等鋼軌部分。本文采用數值模擬的方法，研究閃光對焊殘余應力分布寬度影響。此外，還初步分析研究了局部快速焊后熱處理對殘余應力分布的影響，對焊接過程中應力的分布情況及機理進行研究，從而為高鐵鋼軌焊接提供一定的理論指導。

1 模型建立

采用ANSYS MESH網格劃分模塊對鋼軌的模型進行劃分，網格整體采用混合網格模型，在鋼軌底部和頂部進行局部的邊界層細化，以捕捉局部熱應力的變化，在鋼軌的彎曲部分采用非結構網格，以減少非規則模型所帶來的計算量，圖2所示為劃分好的鋼軌模型。采用ANSYS Workbench搭建熱應力耦合模塊，圖3所示為熱應力耦合計算流程模塊。

圖1 高鐵鋼軌焊接部示意圖

圖2 鋼軌的網格模型

2 結果與討論

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，鋼軌內部溫度最高處可達到933 ℃，而隨向外與空氣的接觸距離越近其發生熱交換的速度越快，溫度下降梯度越來越明顯。圖4(b)為在焊接過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，如果在焊接的過程及冷卻的前期對焊接軌道底部施加熱源，會使得焊接結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的應力不均勻問題。

圖3 計算設計流程圖

圖4 焊接后冷卻20 s鋼軌內溫度分布云圖

對鋼軌焊接后各位置溫度的變化規律做進一步分得出圖5，可以看出，鋼軌各參考點處的溫度最高隨著時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較為平緩。

圖6所示為各參考點退火后微觀組織形貌圖，可以看出參考點1處鋼軌的形貌出現明顯的開裂現象，這主要是因為此處溫度變化較為局部應力分布不均導致材料在冷卻過程中開裂。而溫度變化較為平穩的3號和4號參考點位置材料的表面形貌組織較為致密，這說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裂問題。

圖5 焊接后隨時間變化鋼軌各參考點溫度變化曲線圖

圖6 各參考點微觀組織形貌圖

3 結 論

采用數值模擬計算和實驗對比的方法對閃光對焊制造無縫鋼軌過程中熱應力分布問題進行研究，結果表明在焊接后鋼軌的冷卻問題對于鋼軌的質量至關重要，在焊接過程及冷卻過程中對鋼軌進行局部加熱可以使鋼軌緩慢冷卻，從而減少局部熱應力進而減少鋼軌開裂問題。