基于Cosmosworks截割头焊接工艺分析

    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