本文探討了在Cosmosworks下對截割頭焊接工藝的分析。

　　0前言

　　掘進機的使用在我國礦山開采中越來越廣泛。作為掘進機的關鍵部件一截割頭，其質量直接影響機器的綜合性能。在截割頭上按照一定規律分布著數十個截齒(不同型號的機器可能不同)，截齒座是焊接在截割頭上的。實際生產中，由于截齒座的脫落數量過多而導致的截割頭返修或報廢大量存在。因此，截割齒的焊接質量十分關鍵。焊接工藝是焊接質量的重要保證，本文試圖從有限元分析的角度改進焊接工藝。

　　1截割頭焊接工藝難點及存在問題

　　一般情況下，截割頭的材料為ZG247~500,碳當量Geq=0.49%;齒座材料為35CrMo,碳當量Ceq = 0.65%。由于這2種材料的碳含量都較高，材料的淬硬性傾向十分明顯，可焊接性能較差。另外，齒座的安裝角度各不相同，使得每個焊接面的焊縫都各不相同，焊縫高度存在明顯的差別，加之截割頭的厚度較厚，焊接時容易產生較大的焊接應力，嚴重的可能產生一些熱裂紋，導致焊接失敗。

　　雖然在現場施工中采取了一系列措施，如焊接前預熱，焊接后熱處理等方法，但由于不清楚截齒工作時焊縫處的應力分布，焊接工藝的針對性不強，因此生產中大多數還是按照傳統的焊接工藝進行施工，往往事倍功半。

　　2 問題分析及建模

　　掘進頭在截割煤巖時，截齒承受非常大的沖擊載荷及扭矩，這些負荷通過截齒、齒靴最終傳遞到截齒座與截割頭的連接處。顯然，連接處的應力分布是不均勻的，本文主要研究應力究竟是如何分布的。

　　(1)有限元分析的意義

　　本文采用Solidworks的插件Cosmosworks來進行模型有限元分析。掘進頭、截齒、齒靴、齒座種類比較多，選擇不同的齒座與掘進頭連接，其連接處的工作應力分布顯然不同。通過有限元分析，能夠清楚地看到焊縫上的應力分布情況，由此可以改進齒座的設計，使焊縫的工作應力分布盡量地趨于均勻，降低焊接難度。

　　(2)建模

　　首先采用Solidworks三維制圖軟件建立截齒與截割頭的安裝模型。為簡化模型，本文只畫出了一個截齒。圖1是某型號掘進機掘進頭的一部分，焊縫高設定14 mm，部分高度由Solidworks根據交線形狀生成。沖擊角B=450，偏轉角a=80，其他尺寸按實際制作，部件的材料按照實際工件材料設定。

　　(3)分析步驟

　　根據Cosmosworks的要求，設定材料、加負載、劃分網格和執行分析。在本例中，為簡化分析，在截割的沖擊方向加一個反向的恒定載荷。根據Evans公式，載荷

　　根據有關資料，X=10~33, hi和β一般相對變化較小，因此，截割載荷基本上由Rc確定，取Rc=100 MPa, X=15, hi=40mm，β=10°。帶入得Fi=0.89 kN，載荷的分布為截齒尖均勻分布。由于焊縫的尺寸較小，網格劃分時其尺寸不能太大。圖2為網格劃分的一個結果。最后進行Cosmosworks的有限元分析，圖3為分析的應力云圖。

　　3結果分析

　　在圖3上，可以清晰地看到A處是應力集中最大處，在焊接時，應加強對此處的處理。此種齒座雖然不容易造成齒座干涉，但是應力集中也最嚴重，不利于齒座的焊接。設計了幾種不同形制的齒座分別進行了有限元分析，如圖4所示，發現增加B,G面與截割頭面的交角，增大B,C面之間的圓弧，能夠有效降低應力集中及應力，減小焊高，降低焊接時的應力集中現象。但是過大的交角勢必增加齒座的尺寸，容易造成齒座干涉，設計時應當根據截割頭的形狀具體確定。

　　在制定焊接工藝時，首先要根據截割頭的截割功率選擇合適的齒座，處理結合面(如將齒座底面加工成弧度)，以降低焊縫的高度;其次，焊接前要進行適當的預熱，焊接時在圖4中的B面和C面的交角處的焊縫應當盡可能地采用大圓弧過渡，減小工作應力的集中，這樣也相應地降低焊接難度;最后要進行焊后熱處理。

　　4結語

　　(1) Solidworks軟件是一個強大的三維制圖軟件，利用它能夠很快地建立起各種模型。由于截割頭是曲面，截齒座在組裝模式下安裝有一定難度，但完全可行(一般資料上認為Solidwork，不支持)。Cosmosworks分析工具與Solidworks的無縫連接使得有限元分析方便而快捷。

　　(2)截割頭與截齒的結合面的形狀不一致，焊接難度較大。采用有限元分析，可以預知焊縫在工作時的應力分布，從而采取針對性的措施，提高焊接質量。采用Solidworks可以很輕松地在關聯狀態下改變齒座的形制，迅速的進行有限元分析。