基于Cosmosworks截割头焊接工艺分析

    0前言
   
    掘进机的使用在我国矿山开采中越来越广泛。作为掘进机的关键部件一截割头，其质量直接影响机器的综合性能。在截割头上按照一定规律分布着数十个截齿(不同型号的机器可能不同)，截齿座是焊接在截割头上的。实际生产中，由于截齿座的脱落数量过多而导致的截割头返修或报废大量存在。因此，截割齿的焊接质量十分关键。焊接工艺是焊接质量的重要保证，本文试图从有限元分析的角度改进焊接工艺。
   
    1截割头焊接工艺难点及存在问题
   
    一般情况下，截割头的材料为ZG247~500,碳当量Geq=0.49%;齿座材料为35CrMo,碳当量Ceq = 0.65%。由于这2种材料的碳含量都较高，材料的淬硬性倾向十分明显，可焊接性能较差。另外，齿座的安装角度各不相同，使得每个焊接面的焊缝都各不相同，焊缝高度存在明显的差别，加之截割头的厚度较厚，焊接时容易产生较大的焊接应力，严重的可能产生一些热裂纹，导致焊接失败。
   
    虽然在现场施工中采取了一系列措施，如焊接前预热，焊接后热处理等方法，但由于不清楚截齿工作时焊缝处的应力分布，焊接工艺的针对性不强，因此生产中大多数还是按照传统的焊接工艺进行施工，往往事倍功半。
   
    2 问题分析及建模
   
    掘进头在截割煤岩时，截齿承受非常大的冲击载荷及扭矩，这些负荷通过截齿、齿靴最终传递到截齿座与截割头的连接处。显然，连接处的应力分布是不均匀的，本文主要研究应力究竟是如何分布的。
   
    (1)有限元分析的意义
   
    本文采用Solidworks的插件Cosmosworks来进行模型有限元分析。掘进头、截齿、齿靴、齿座种类比较多，选择不同的齿座与掘进头连接，其连接处的工作应力分布显然不同。通过有限元分析，能够清楚地看到焊缝上的应力分布情况，由此可以改进齿座的设计，使焊缝的工作应力分布尽量地趋于均匀，降低焊接难度。
   
    (2)建模
   
    首先采用Solidworks三维制图软件建立截齿与截割头的安装模型。为简化模型，本文只画出了一个截齿。图1是某型号掘进机掘进头的一部分，焊缝高设定14 mm，部分高度由Solidworks根据交线形状生成。冲击角B=450，偏转角a=80，其他尺寸按实际制作，部件的材料按照实际工件材料设定。
   
    (3)分析步骤
   
    根据Cosmosworks的要求，设定材料、加负载、划分网格和执行分析。在本例中，为简化分析，在截割的冲击方向加一个反向的恒定载荷。根据Evans公式，载荷
   

    根据有关资料，X=10~33,  hi和β一般相对变化较小，因此，截割载荷基本上由Rc确定，取Rc=100 MPa, X=15, hi=40mm，β=10°。带入得Fi=0.89 kN，载荷的分布为截齿尖均匀分布。由于焊缝的尺寸较小，网格划分时其尺寸不能太大。图2为网格划分的一个结果。最后进行Cosmosworks的有限元分析，图3为分析的应力云图。
   

    3结果分析
   
    在图3上，可以清晰地看到A处是应力集中最大处，在焊接时，应加强对此处的处理。此种齿座虽然不容易造成齿座干涉，但是应力集中也最严重，不利于齿座的焊接。设计了几种不同形制的齿座分别进行了有限元分析，如图4所示，发现增加B,G面与截割头面的交角，增大B,C面之间的圆弧，能够有效降低应力集中及应力，减小焊高，降低焊接时的应力集中现象。但是过大的交角势必增加齿座的尺寸，容易造成齿座干涉，设计时应当根据截割头的形状具体确定。
   
    在制定焊接工艺时，首先要根据截割头的截割功率选择合适的齿座，处理结合面(如将齿座底面加工成弧度)，以降低焊缝的高度;其次，焊接前要进行适当的预热，焊接时在图4中的B面和C面的交角处的焊缝应当尽可能地采用大圆弧过渡，减小工作应力的集中，这样也相应地降低焊接难度;最后要进行焊后热处理。
   
    4结语
   
    (1) Solidworks软件是一个强大的三维制图软件，利用它能够很快地建立起各种模型。由于截割头是曲面，截齿座在组装模式下安装有一定难度，但完全可行(一般资料上认为Solidwork，不支持)。Cosmosworks分析工具与Solidworks的无缝连接使得有限元分析方便而快捷。
   
    (2)截割头与截齿的结合面的形状不一致，焊接难度较大。采用有限元分析，可以预知焊缝在工作时的应力分布，从而采取针对性的措施，提高焊接质量。采用Solidworks可以很轻松地在关联状态下改变齿座的形制，迅速的进行有限元分析。