不同工藝參數下接觸軌溫度場及應力場的研究

劉立寶

（中鐵建電氣化局集團科技有限公司，河北 保定 074000）

目前，地鐵和磁浮領域列車供電的主要方式為接觸軌供電，常見的接觸軌以鋼鋁復合軌為主要形式，鋼鋁復合軌的不銹鋼授流面與列車上的受電靴接觸，從而實現列車的電力供應。

鋼鋁復合軌的復合方式較常見的有鉚接、焊接、共擠式等，已分別在北京、廣州和無錫等地鐵線路上得到了廣泛應用[1]。焊接復合為目前應用較廣泛的主流復合方式，因焊接過程較復雜，其涉及光學、熱學、電學等系列復雜過程和反應，其中焊接變形、應力的分布會影響產品結構的尺寸穩定性及性能[2]，故進行焊接件的溫度場和應力場分布的研究并預測分析其變化情況，以便采取有效措施減小變形，改變應力的分布，改善產品的性能。

本文中的鋼鋁復合軌為6063鋁合金與304不銹鋼的復合，其中焊接為304不銹鋼的焊接，設定不同的影響因素及工藝參數，利用ANASYS軟件對其分析計算，得到對溫度場和應力場分布的影響程度及趨勢，為產品的理論設計提供依據。

1 模型建立及參數設定

本文中鋼鋁復合軌的結構形式主要包括工字型的鋁合金軌體、不銹鋼帶及兩個彎鉤形不銹鋼條，軌體通過熱擠壓工藝成型，彎鉤形的不銹鋼條是冷拔工藝成型，其與鋁合金軌體表面的不銹鋼帶雙側同時進行焊接，通過此種方式可實現二者的復合。

根據鋼鋁復合軌的結構形式及焊縫位置的特點，經研究建立焊接對接接頭的模型，通過單元生死技術實現。因設定的模型為對稱結構，故可以對其一半進行建模分析，不銹鋼截面模型如圖1所示。與常規的不銹鋼焊接接頭不同的是，本文中鋼鋁復合軌中的鋁合金軌體除作為不銹鋼的支撐和約束外，對不銹鋼焊接過程中的熱量的傳輸也有很大影響，故在計算時需特別考慮接觸軌各部分熱量傳輸產生的影響。故不銹鋼帶與鋁合金軌體的接觸面對流系數設定為300W/(m2?℃)，設定與空氣接觸面的對流系數為30W/(m2?℃)，初始溫度設定為20℃ 。

圖1 不銹鋼截面模型

根據產品設計要求，分析研究焊接速度、鋁軌圓弧度和不同焊件長度對變形和應力的影響，故本文中分別設定不同的焊接速度，不同的鋁軌圓弧度、不同的焊接長度來進行軟件模擬，分析其焊接溫度場和應力場的相關情況，得到接觸軌變形與應力的趨勢及結果。

2 計算結果及分析

2.1 焊接速度的影響

接觸軌的焊接速度作為一項關鍵的工藝參數，對焊接熱輸入、效率及成型情況均影響很大。故其他參數不變，分別設定焊接速度為v=4mm/s，6mm/s，8mm/s進行模擬計算，表1為不同焊接速度下總體焊接變形和等效殘余應力的結果，圖2為v=8mm/s溫度場和應力場的分布。

圖2 v=8mm/s溫度場和應力場

表1 焊接速度的影響結果

通過上表的結果可以得到，焊接變形隨著焊接速度的增加而逐漸減小，殘余應力隨焊接速度增加而逐漸增大，這是因為焊接速度較大時焊縫高溫停留時間較小，故而可以使焊接變形減小，同時會使焊縫冷卻速度加快，焊縫會經歷強烈的急冷和急熱的過程，導致殘余應力增大。但應控制焊接速度在合理范圍不能過大，焊接速度過大時，熔池的溫度較低，無法保證焊縫成型，容易出現未焊透、未熔合以及成型不良等缺陷，因此，應選擇合理的焊接速度。

2.2 圓弧半徑的影響

鋁軌圓弧半徑會影響焊縫成型和焊接效率，同時會影響鋼鋁復合的效果，對鋼鋁接觸面電阻產生一定的影響。故其他參數不變，分別設定圓弧半徑r=3mm，4mm，5mm進行模擬計算，表2為不同圓弧半徑下總體焊接變形和等效殘余應力的結果，圖3為r=4mm時溫度場和應力場的分布。

表2 圓弧半徑的影響結果

圖3 r=4mm溫度場和應力場

隨著圓弧半徑的增大，焊接變形逐漸增大，殘余應力略有增加，增加的幅度較小，這是由于圓弧半徑的增大相當于焊縫寬度的增大，即焊接熱輸入隨之增加，故殘余變形和殘余應力均隨著熱輸入增加而增大。

2.3 工件長度的影響

鋼鋁復合軌線路上的使用長度一般為12或15米，因軌體較長，考慮到模擬計算的時間和效率，為得到其變化規律，在其他參數不變的情況下，分別設定l=200mm，400mm，600mm進行計算，表3為相應總體焊接變形和等效殘余應力的結果，圖4為l=600mm溫度場和應力場的分布。

表3 工件長度的影響結果

圖4 l=600mm溫度場和應力場

由計算結果可知，隨著工件長度的增大，焊接變形明顯增大，殘余應力幾乎不變，這是由于隨著工件長度的增加其剛度逐漸減小，導致殘余變形增大。

3 結論

本文研究了不同的焊接速度、鋁軌圓弧半徑、工件長度對接觸軌總體焊接變形和等效殘余應力的影響，可以得到以下結果：

（1）增大接觸軌的焊接速度能夠減少焊接變形，但要控制焊接速度過快，避免過快導致產生焊接缺陷。

（2）減小接觸軌軌體圓弧半徑，可減小焊縫寬度，能夠減小焊接變形。

（3）接觸軌工件長度的增加使得其剛度減小，會導致焊接變形的增加。