鋼軌鋁熱焊接過程的數(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)備簡便、作業(yè)時(shí)間短等特點(diǎn)，是目前我國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、效率低、費(fèi)用高。近年來，通過仿真模擬進(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［5］通過對鑄造閥體結(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］通過有限元軟件對岸邊集裝箱起重機(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程中金屬液體在型腔內(nèi)的凝固過程，并進(jìn)行缺陷預(yù)測和工藝優(yōu)化。

本文以鋼軌鋁熱焊接過程為研究對象，利用三維軟件建立鋁熱焊接澆注模型，數(shù)值模擬鋼液澆注過程，進(jìn)行缺陷預(yù)測和工藝優(yōu)化，最后通過試驗(yàn)對工藝優(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)鋼軌鋁熱焊接過程中，常見缺陷發(fā)生在鋼液澆注砂型與鋼軌組成型腔的過程中，這一過程也是焊接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

利用三維軟件，建立焊接過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)金屬充填型腔的過程中，一般將液體金屬看作不可壓縮的流體，耦合控制通過連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、能量方程式來建立［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)格步長設(shè)置為3、5、10 mm。該有限元模型約120萬個(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 流場模擬結(jié)果

流場表示澆注系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)金屬液運(yùn)動情況的空間分布［9］，用來分析澆注系統(tǒng)內(nèi)鋼液的流動情況，從而判斷和預(yù)測卷渣及卷氣可能帶來的焊接缺陷，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)流場的模擬結(jié)果見圖2。其中，澆注時(shí)間t以開始澆注為起始時(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)澆注過程中鋼液充填較為平穩(wěn)，無明顯因鋼液流場不合理而產(chǎn)生缺陷的傾向。

圖2 型腔內(nèi)流場模擬結(jié)果

3.2 凝固場模擬結(jié)果

凝固場表示任意時(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)測縮孔、縮松、熱裂等缺陷。

焊接凝固場模擬結(jié)果見圖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 焊接凝固場模擬結(jié)果

由圖3可以看出：相對于金屬鋼液，待焊接的兩段鋼軌溫度較低，因而從鋼軌長度方向看，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)，可以通過減小軌腰焊筋的尺寸同時(shí)加大內(nèi)澆口尺寸來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)果見圖6。工藝優(yōu)化后，對20個(gè)接頭試件進(jìn)行了試驗(yàn)焊接。結(jié)果顯示，試件的軌腰部位無凝固裂紋產(chǎn)生，見圖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程中鋼液充型和凝固階段的流動、溫度場分布，并能進(jìn)行缺陷預(yù)測。模擬預(yù)測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。