液压缸活塞杆连续驱动摩擦焊温度场仿真分析及实验验证

2018-11-11杨明鄂张婷婷龙浩南

机械工程师 2018年11期

杨明鄂，张婷婷，龙浩南

（1.湖南汽车工程职业学院，湖南株洲412001；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001）

0 引言

液压缸活塞杆是一种关键连接件，主要采用熔化焊中的埋弧焊进行焊接，质量欠佳。连续驱动摩擦焊具有效率高、焊接质量稳定、焊接变形小、环境友好等优点，目前已广泛应用于工程机械领域[1]。其焊接热过程直接影响着焊接接头的微观组织和性能，同时对焊接缺陷的形成也有着重要的影响，因此连续驱动摩擦焊温度场的研究对于提高接头质量、预防焊接接头缺陷的出现意义重大[2]。目前常用的温度场的预测方法是试错法和数值模拟法两种：试错法要进行多次反复的焊接试验，分析数据后确定大致的工艺范围；而数值模拟仅需结合少量试验即可确定工艺规范，在研制经费、研发周期、风险系数等方面具有很大的优势，因此备受企业、高校和科研机构青睐[3]。

本文利用ANSYS有限元软件对液压缸活塞杆焊接材料45钢大截面环形件连续驱动摩擦焊温度场进行仿真分析，以便捋清接头附近区域的温度分布情况，以期在设计焊接工艺参数时提供理论依据，指导焊接实践。

1 ANSYS分析计算基本流程

本文采用Fortran语言编写的ANSYS进行连续驱动摩擦焊过程中温度场数值模拟，它的热分析功能优秀，且前处理和后处理程序功能强大，使用统一的集中式数据库来储存所有的模型数据和求解结果[4]（见图1）。

图1 ANSYS集中式数据库

2 创建有限元模型

2.1 热传导方程

连续驱动摩擦焊是一个典型的三维非稳态传热过程，其传热基本方程如下[5]：

式中：λ为材料热传导系数；ρ为材料密度；c为材料比热容；qi为热源密度。

图2 微元示意图

2.2 热源模型

本热源模型就是在库伦摩擦条件假设下推导出来的，具体推导过程如下：

图2是连续驱动摩擦焊界面微元示意图，dA所受摩擦力为

式中：p为轴向压力，Pa；r为半径，mm；μ为摩擦因数。dA面积上的功率为

式中：dM为转矩；n为旋转速度，r/min；ω为旋转角速度，rad。积分得出环形焊件总产热功率为

所以，圆环的面热流密度为

2.3 材料的热物理性能

本热源模型是基于滑动摩擦机制，不是黏着摩擦机制，所以没有考虑密度和屈服强度的热物理性能，模型中考虑了导热系数和比热容，如图3所示。

图3 热物理性能参数

2.4 几何模型和网格划分

焊件是内外直径分别为64 mm和32 mm的45钢环形件，为了兼顾计算结果的准确性和计算过程的计算量，采用非均匀网格划分技术，重点细分了摩擦接触面区域，选择的单元是solid70（8节点6面体），如图4所示。

图4 网格划分

3 加载并求解

数值模拟初始温度定为20℃、主轴转速580 r/min、焊摩擦压力8.5 MPa、摩擦时间20 s，进行数值模拟时进行了理想化假设：1）对流以及辐射对温度场没有的影响；2）塑性变形产生的热量为零；3）功率转化率恒定。加载方式选择线性增加，采用Full Newton-Raphson方法，整个过程是通过APDL命令流来实现的，求解命令流如下所示：

4 温度场模拟结果与分析

从图5可以看出：温度场关于焊件中心轴对称分布；距离焊件中心越远的地方温度越高，最外沿位置温度最高，最内沿位置温度最低，这是因为在相同主轴转速下，距离焊件中心越远的区域，线速度越大，所以升温越快；当模拟时间达到20 s时，焊接过程结束，接头温度峰值达到1085℃，而45钢的熔点约为1350℃，说明连续驱动摩擦属于固相焊接过程。

5 试验验证

用红外测温仪测定了焊件最外沿接头在不同时刻的温度场，并将数据储存下来，与模拟结果进行对比，如图6所示。在预热阶段（t=4 s），温度场模拟结果略高于实测结果，主要原因是此时焊件还没有进入热塑性状态，热源主要是摩擦生热，忽略了热对流和热辐射；而到11 s时，基本吻合，主要原因是此时焊件已经进入热塑性状态，焊接模拟过程中只考虑了摩擦生热这部分热源，而没有把塑性变形产生的热量引入；到焊接结束时（t=20 s），温度场模拟结果与实测结果差值进一步扩大，这是因为随着焊接温度的持续升高，材料的屈服剪切应力降低，导致热源和温度之间出现反馈调节，也正是这种内在的反馈作用，使得各种材料的连续驱动摩擦都能始终处于固相状态[6]。