不同工艺参数下接触轨温度场及应力场的研究

刘立宝

（中铁建电气化局集团科技有限公司，河北 保定 074000）

目前，地铁和磁浮领域列车供电的主要方式为接触轨供电，常见的接触轨以钢铝复合轨为主要形式，钢铝复合轨的不锈钢授流面与列车上的受电靴接触，从而实现列车的电力供应。

钢铝复合轨的复合方式较常见的有铆接、焊接、共挤式等，已分别在北京、广州和无锡等地铁线路上得到了广泛应用[1]。焊接复合为目前应用较广泛的主流复合方式，因焊接过程较复杂，其涉及光学、热学、电学等系列复杂过程和反应，其中焊接变形、应力的分布会影响产品结构的尺寸稳定性及性能[2]，故进行焊接件的温度场和应力场分布的研究并预测分析其变化情况，以便采取有效措施减小变形，改变应力的分布，改善产品的性能。

本文中的钢铝复合轨为6063铝合金与304不锈钢的复合，其中焊接为304不锈钢的焊接，设定不同的影响因素及工艺参数，利用ANASYS软件对其分析计算，得到对温度场和应力场分布的影响程度及趋势，为产品的理论设计提供依据。

1 模型建立及参数设定

本文中钢铝复合轨的结构形式主要包括工字型的铝合金轨体、不锈钢带及两个弯钩形不锈钢条，轨体通过热挤压工艺成型，弯钩形的不锈钢条是冷拔工艺成型，其与铝合金轨体表面的不锈钢带双侧同时进行焊接，通过此种方式可实现二者的复合。

根据钢铝复合轨的结构形式及焊缝位置的特点，经研究建立焊接对接接头的模型，通过单元生死技术实现。因设定的模型为对称结构，故可以对其一半进行建模分析，不锈钢截面模型如图1所示。与常规的不锈钢焊接接头不同的是，本文中钢铝复合轨中的铝合金轨体除作为不锈钢的支撑和约束外，对不锈钢焊接过程中的热量的传输也有很大影响，故在计算时需特别考虑接触轨各部分热量传输产生的影响。故不锈钢带与铝合金轨体的接触面对流系数设定为300W/(m2•℃)，设定与空气接触面的对流系数为30W/(m2•℃)，初始温度设定为20℃ 。

图1 不锈钢截面模型

根据产品设计要求，分析研究焊接速度、铝轨圆弧度和不同焊件长度对变形和应力的影响，故本文中分别设定不同的焊接速度，不同的铝轨圆弧度、不同的焊接长度来进行软件模拟，分析其焊接温度场和应力场的相关情况，得到接触轨变形与应力的趋势及结果。

2 计算结果及分析

2.1 焊接速度的影响

接触轨的焊接速度作为一项关键的工艺参数，对焊接热输入、效率及成型情况均影响很大。故其他参数不变，分别设定焊接速度为v=4mm/s，6mm/s，8mm/s进行模拟计算，表1为不同焊接速度下总体焊接变形和等效残余应力的结果，图2为v=8mm/s温度场和应力场的分布。

图2 v=8mm/s温度场和应力场

表1 焊接速度的影响结果

通过上表的结果可以得到，焊接变形随着焊接速度的增加而逐渐减小，残余应力随焊接速度增加而逐渐增大，这是因为焊接速度较大时焊缝高温停留时间较小，故而可以使焊接变形减小，同时会使焊缝冷却速度加快，焊缝会经历强烈的急冷和急热的过程，导致残余应力增大。但应控制焊接速度在合理范围不能过大，焊接速度过大时，熔池的温度较低，无法保证焊缝成型，容易出现未焊透、未熔合以及成型不良等缺陷，因此，应选择合理的焊接速度。

2.2 圆弧半径的影响

铝轨圆弧半径会影响焊缝成型和焊接效率，同时会影响钢铝复合的效果，对钢铝接触面电阻产生一定的影响。故其他参数不变，分别设定圆弧半径r=3mm，4mm，5mm进行模拟计算，表2为不同圆弧半径下总体焊接变形和等效残余应力的结果，图3为r=4mm时温度场和应力场的分布。

表2 圆弧半径的影响结果

图3 r=4mm温度场和应力场

随着圆弧半径的增大，焊接变形逐渐增大，残余应力略有增加，增加的幅度较小，这是由于圆弧半径的增大相当于焊缝宽度的增大，即焊接热输入随之增加，故残余变形和残余应力均随着热输入增加而增大。

2.3 工件长度的影响

钢铝复合轨线路上的使用长度一般为12或15米，因轨体较长，考虑到模拟计算的时间和效率，为得到其变化规律，在其他参数不变的情况下，分别设定l=200mm，400mm，600mm进行计算，表3为相应总体焊接变形和等效残余应力的结果，图4为l=600mm温度场和应力场的分布。

表3 工件长度的影响结果

图4 l=600mm温度场和应力场

由计算结果可知，随着工件长度的增大，焊接变形明显增大，残余应力几乎不变，这是由于随着工件长度的增加其刚度逐渐减小，导致残余变形增大。

3 结论

本文研究了不同的焊接速度、铝轨圆弧半径、工件长度对接触轨总体焊接变形和等效残余应力的影响，可以得到以下结果：

（1）增大接触轨的焊接速度能够减少焊接变形，但要控制焊接速度过快，避免过快导致产生焊接缺陷。

（2）减小接触轨轨体圆弧半径，可减小焊缝宽度，能够减小焊接变形。

（3）接触轨工件长度的增加使得其刚度减小，会导致焊接变形的增加。