液壓缸活塞桿連續(xù)驅(qū)動摩擦焊溫度場仿真分析及實驗驗證

楊明鄂， 張婷婷， 龍浩南

（1.湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南株洲412001；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001）

0 引言

液壓缸活塞桿是一種關(guān)鍵連接件，主要采用熔化焊中的埋弧焊進行焊接，質(zhì)量欠佳。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊具有效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接變形小、環(huán)境友好等優(yōu)點，目前已廣泛應用于工程機械領(lǐng)域[1]。其焊接熱過程直接影響著焊接接頭的微觀組織和性能，同時對焊接缺陷的形成也有著重要的影響，因此連續(xù)驅(qū)動摩擦焊溫度場的研究對于提高接頭質(zhì)量、預防焊接接頭缺陷的出現(xiàn)意義重大[2]。目前常用的溫度場的預測方法是試錯法和數(shù)值模擬法兩種：試錯法要進行多次反復的焊接試驗，分析數(shù)據(jù)后確定大致的工藝范圍；而數(shù)值模擬僅需結(jié)合少量試驗即可確定工藝規(guī)范，在研制經(jīng)費、研發(fā)周期、風險系數(shù)等方面具有很大的優(yōu)勢，因此備受企業(yè)、高校和科研機構(gòu)青睞[3]。

本文利用ANSYS有限元軟件對液壓缸活塞桿焊接材料45鋼大截面環(huán)形件連續(xù)驅(qū)動摩擦焊溫度場進行仿真分析，以便捋清接頭附近區(qū)域的溫度分布情況，以期在設計焊接工藝參數(shù)時提供理論依據(jù)，指導焊接實踐。

1 ANSYS分析計算基本流程

本文采用Fortran語言編寫的ANSYS進行連續(xù)驅(qū)動摩擦焊過程中溫度場數(shù)值模擬，它的熱分析功能優(yōu)秀，且前處理和后處理程序功能強大，使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫來儲存所有的模型數(shù)據(jù)和求解結(jié)果[4]（見圖1）。

圖1 ANSYS集中式數(shù)據(jù)庫

2 創(chuàng)建有限元模型

2.1 熱傳導方程

連續(xù)驅(qū)動摩擦焊是一個典型的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，其傳熱基本方程如下[5]：

式中：λ為材料熱傳導系數(shù)；ρ為材料密度；c為材料比熱容；qi為熱源密度。

圖2 微元示意圖

2.2 熱源模型

本熱源模型就是在庫倫摩擦條件假設下推導出來的，具體推導過程如下：

圖2是連續(xù)驅(qū)動摩擦焊界面微元示意圖，dA所受摩擦力為

式中：p為軸向壓力，Pa；r為半徑，mm；μ為摩擦因數(shù)。dA面積上的功率為

式中：dM為轉(zhuǎn)矩；n為旋轉(zhuǎn)速度，r/min；ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad。積分得出環(huán)形焊件總產(chǎn)熱功率為

所以，圓環(huán)的面熱流密度為

2.3 材料的熱物理性能

本熱源模型是基于滑動摩擦機制，不是黏著摩擦機制，所以沒有考慮密度和屈服強度的熱物理性能，模型中考慮了導熱系數(shù)和比熱容，如圖3所示。

圖3 熱物理性能參數(shù)

2.4 幾何模型和網(wǎng)格劃分

焊件是內(nèi)外直徑分別為64 mm和32 mm的45鋼環(huán)形件，為了兼顧計算結(jié)果的準確性和計算過程的計算量，采用非均勻網(wǎng)格劃分技術(shù)，重點細分了摩擦接觸面區(qū)域，選擇的單元是solid70（8節(jié)點6面體），如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

3 加載并求解

數(shù)值模擬初始溫度定為20℃、主軸轉(zhuǎn)速580 r/min、焊摩擦壓力8.5 MPa、摩擦時間20 s，進行數(shù)值模擬時進行了理想化假設：1）對流以及輻射對溫度場沒有的影響；2）塑性變形產(chǎn)生的熱量為零；3）功率轉(zhuǎn)化率恒定。加載方式選擇線性增加，采用Full Newton-Raphson方法，整個過程是通過APDL命令流來實現(xiàn)的，求解命令流如下所示：

4 溫度場模擬結(jié)果與分析

從圖5可以看出：溫度場關(guān)于焊件中心軸對稱分布；距離焊件中心越遠的地方溫度越高，最外沿位置溫度最高，最內(nèi)沿位置溫度最低，這是因為在相同主軸轉(zhuǎn)速下，距離焊件中心越遠的區(qū)域，線速度越大，所以升溫越快；當模擬時間達到20 s時，焊接過程結(jié)束，接頭溫度峰值達到1085℃，而45鋼的熔點約為1350℃，說明連續(xù)驅(qū)動摩擦屬于固相焊接過程。

5 試驗驗證

用紅外測溫儀測定了焊件最外沿接頭在不同時刻的溫度場，并將數(shù)據(jù)儲存下來，與模擬結(jié)果進行對比，如圖6所示。在預熱階段（t=4 s），溫度場模擬結(jié)果略高于實測結(jié)果，主要原因是此時焊件還沒有進入熱塑性狀態(tài)，熱源主要是摩擦生熱，忽略了熱對流和熱輻射；而到11 s時，基本吻合，主要原因是此時焊件已經(jīng)進入熱塑性狀態(tài)，焊接模擬過程中只考慮了摩擦生熱這部分熱源，而沒有把塑性變形產(chǎn)生的熱量引入；到焊接結(jié)束時（t=20 s），溫度場模擬結(jié)果與實測結(jié)果差值進一步擴大，這是因為隨著焊接溫度的持續(xù)升高，材料的屈服剪切應力降低，導致熱源和溫度之間出現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)，也正是這種內(nèi)在的反饋作用，使得各種材料的連續(xù)驅(qū)動摩擦都能始終處于固相狀態(tài)[6]。

6 結(jié) 論

1）連續(xù)驅(qū)動摩擦的焊接接觸面附近呈現(xiàn)剛開始溫度急劇升高，接著升速放緩，最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

2）依據(jù)滑動摩擦機制所建立的連續(xù)驅(qū)動摩擦焊產(chǎn)熱模型，能夠反映生熱功率和焊接溫度之間的反饋平衡作用，從而使焊接過程始終保持固相。

圖5 不同時刻的溫度場

圖6 檢測值和模擬值

3）通過現(xiàn)場溫度測試，數(shù)值模擬得到的溫度場與實際檢測結(jié)果吻合較好，能夠較好地指導連續(xù)驅(qū)動摩擦工藝參數(shù)的設計優(yōu)化。