Page 33 - 理化检验-物理分册2019年第五期

周 崎, 等: 不同厚度 ５０Mn钢板火焰切割热影响区范围

建立了钢板的火焰切割模型, 研究了切割过程中钢 下式所示
板的温度场分布.孙震等 [ ３ ] 通过对 ２５ mm 厚直接 t＝ ３．８７５＋０．１８６ x ( １ )
淬火态 BＧHARD４０B 钢板和 ５０mm 厚淬火 ＋ 低温 切割阶段割枪喷射氧气使钢板剧烈燃烧, 其中
回火态 BＧHARDE 钢 板 进 行 拉 伸、 冲 击 和 硬 度 试 氧 Ｇ 乙炔火焰提供的热量近似占总 热量的 ３０％ , 钢
验, 确定 了 钢 板 自 动 火 焰 切 割 热 影 响 区 深 度 约 为 板本身燃烧的热量占总热量的７０％ [ ２ ] .切割速度v
５mm .俞浩 [ ４ ] 利用试验和数值模拟的方法, 研究了 与钢板厚度x 有如下关系 [ ５ ]
火焰切割过程中丙烷和预热氧流量对割缝宽度的影 v＝ ４００００ /( ５０＋x ) ( ２ )
响.然而已有的研究主要集中在建立单一厚度钢板 v m ＝ ０．８v ( ３ )
的切割模型, 研究重点也仅集中在钢板温度场的模 式中: v 为机械切割速度, mm s ; v m 为手工作业
－１
拟, 关于待切割钢板厚度与切割后样坯热影响区宽 切割速度, mm s , 手工作业时切割速度 v m 一般
－１
度的关系, 研究较少.为此, 笔者研究了火焰切割条 为v 的 ０．６~０．８ , 此处取 ０．８ 计算.
件下不同厚度钢板热影响区的范围, 可为确定样件 １．２ 火焰切割模型建立
加工余量提供参考, 对降低取样工作量、 减少材料耗 为了分析火焰切割过程中样坯热影响区的范
费有较大意义; 同时也是为 GB / T２９７５－２０１８ 取样 围, 建立样坯的有限元模型.采用二维模型, 假设样
新标准提供一种碳钢材料的案例, 为实际取样工作 坯在厚度方向上的传热远小于平面方向的.模型尺
提供参考. 寸为 ４００mm×４００mm , 厚度为 ５mm , 采用四边形
１ ５０Mn钢板火焰切割数值模拟 网格, 网格数 为 ４００×４００ , 单 元 坐 标 如 图 ２ 所 示.
切割火焰自左下角( １ , １ ) 网格出发, 沿切割线经网格
１．１ 火焰切割参数 ( １ , ４００ ), 直至右上角( ４００ , ４００ ) 网格截止.材料的
进出口钢材取样具有如下特点: 取样地点集中 热物性参数随着温度升高而变化, ５０Mn 钢板的热
在码头或仓库、 工作条件简陋、 单件切割小批量、 不 物参数见表 １ .
能移动被切割钢材等.以上特点决定了取样工具主 表 １ ５０Mn钢板的热物性参数
要是乙炔 Ｇ 氧火焰切割器, 实际工作中对热量的控制 Tab敭１ Thermo p h y sical p arametersof５０Mnsteel p late
也较粗放, 主要靠操作工的经验控制.进出口钢材 比热容c p / 热导率 K / 密度 /
ρ
温度 T /( ℃ )
－１
－１
种类较多: 热轧板、 冷轧板等板材及圆柱形棒材等, ( J k g ℃ －１ ) ( W m ℃ －１ ) ( k g m －３ )
其中热轧板进口量约为 ７０％ , 厚度在 ３~２００ mm ２０ ４８２ ４１ ７８２０
变化, 取样过程受热应力影响显著, 取样范围的选择 ３００ ５６１ ３７ ７８２０
十分关键, 因此选取 ５０Mn 钢热轧板材作为研究对 ５００ ６４１ ３５ ７８２０
象.切割的物理模型为: 一张面积视为无限大的钢 ７００ ７０３ ３４ ７８２０

板, 厚度 ５mm , 一端用氧 Ｇ 乙炔火焰切割出一小块,
切割尺寸为 ４００×４００ mm , 如图 １ 所示, 图中阴影
部分为试验样件, 切割中应保证阴影部分的材料不
受热应力影响.

图 ２ 样坯平面模型及单元坐标
Fi g 敭２ TwoＧdimensionalmodelandelementcoordinatesofthebillet
完整的火焰切割过程包括材料的燃烧、 相变、 熔
图 １ 火焰切割取样示意图
渣的流动等, 其复杂性导致难以直接进行数值模拟,
Fi g 敭１ Schematicdia g ramofflamecuttin g sam p lin g
氧 Ｇ 乙炔火焰切割过程包含预热阶段和切割阶 常简化为在切割面施加热源来近似表现材料的受
段.预热阶段切割面金属被预热火焰加热到燃点, 热 [ ６ ] .计算采用非稳态传热, 钢板的初始温度设置
其中预热时间t 与钢板厚度x 存在一定关系 [ ４ ] , 如 为 ２７ ℃ , 非切割面边界条件为对流散热, 空气温度
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