汪 強，郭潤元，曾 良，程 逞，楊 軍

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安710048；4.寶雞石油鋼管有限責任公司 輸送管公司，陜西 寶雞721008)

鈦鋼復合板焊接有限元模擬研究進展

汪 強1,2，郭潤元3，曾 良4，程 逞1,2，楊 軍1,2

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安710048；4.寶雞石油鋼管有限責任公司 輸送管公司，陜西 寶雞721008)

為了深入分析鈦鋼復合板不同焊接方式下焊接過程的殘余應力變化，以有限元數(shù)值模擬在鈦鋼復合板焊接方面的研究現(xiàn)狀為基礎，結合目前鈦鋼復合板焊接中的常用方法及工藝特點，分析了鈦鋼復合板焊接過程有限元模擬的研究進展和發(fā)展趨勢，分析認為，后期鈦鋼復合板焊接有限元模擬研究應考慮將實際熔焊工藝中的組合焊納入研究范疇，并開展不同組合坡口下的多層多道焊接過程模擬，從而得到更為合理的焊接參數(shù)。

鈦鋼復合板；焊接；有限元模擬；熔焊

隨著油氣開采難度的不斷加大，油田對管材的特殊性能要求也越來越苛刻，尤其對管材的耐蝕性和力學性能提出了較高的要求。為此，鈦鋼復合材料以其具有高耐蝕性和高強度的特點，而備受石油、電力等行業(yè)的高度關注[1]。鈦和鋼的結晶性能和熱物理性能差異很大。焊接時，鈦復層與鋼基層結合部位極易形成脆性相，且焊后接頭處常因殘余應力形成微裂紋而失效。為了深入分析鈦鋼復合板不同焊接方式下焊接過程的殘余應力變化，國內(nèi)外已有許多學者通過試驗進行了大量的研究，但試驗周期長、耗時耗力，難以直觀地研究焊接過程的溫度場、殘余應力和變形之間的規(guī)律，且不利于分析復雜結構件的焊接過程[2]。隨著計算機技術的發(fā)展、焊接理論更新、鈦和鋼性能參數(shù)的不斷完善，通過數(shù)值模擬的方式分析鈦鋼復合板的焊接過程已逐漸成為焊接研究的焦點。

1 鈦鋼復合板主要焊接工藝

鈦鋼復合板是以碳鋼為基層，工業(yè)純鈦或鈦合金為復層的雙金屬復合板。復合板主要通過爆炸焊或軋制等方法制成，而在制成工業(yè)產(chǎn)品的過程中常采用焊接的方式連接。

鈦鋼復合板焊接主要有釬焊、熔焊、爆炸焊、擴散焊等方法[3]。其中，釬焊焊接接頭的強度較低，難以滿足實際使用要求；爆炸焊主要用于鈦鋼復合板的制備，暫時無法用于復合板材對接；擴散焊雖具有焊后顯微組織和性能與母材接近或相同，焊縫中幾乎不存在各種熔焊缺陷，不存在具有過熱組織的熱影響區(qū)，且焊接重要工藝參數(shù)(溫度、壓力、時間、表面狀態(tài)、氣氛)易于控制等優(yōu)點，但其實際應用受到焊件結構的制約，難以大范圍運用。而熔焊依靠其適應性強和工藝靈活度高等特點成為鈦鋼復合板對接的主要方式。

鈦鋼復合板熔焊連接主要有蓋板搭接連接和直接熔焊連接兩種。

蓋板搭接連接是當基層鋼板焊完后，在焊縫上方加蓋蓋板，完成鈦蓋板與鈦復層的焊接。蓋板搭接連接時，鋼基層使用V形或U形坡口，鈦復層根據(jù)蓋板的形狀和厚度采用不同的坡口形式，如圖1所示。

圖1 鈦鋼復合板蓋板搭接連接坡口形式

直接熔焊連接是指焊接接頭全采用熔焊方式形成，鋼基層與鈦復層之間通常用金屬過渡。過渡金屬可以采用一種或多種，但必須保證與鈦、鋼都具有良好的焊接性。直接熔焊連接的坡口的形貌不僅影響熔融金屬的流動和溫度梯度分布，還對焊接殘余應力和變形有較大的影響。因此，熔焊坡口形貌也是鈦鋼直接熔焊連接的研究重點。目前使用較多的坡口為X形、V形、U形、Y形及組合形。如圖2所示。

目前形成的比較成熟的鈦鋼直接熔焊連接工藝主要是：①鋼基層—過渡層—鈦復層的焊接順序，鋼基層采用CO2氣體保護焊或手工電弧焊，中間過渡層和鈦基層均采用氬弧焊焊接，焊后用氬氣保護冷卻至一定溫度。②鈦復層—過渡層—鋼基層的焊接順序，復層采用氬弧焊焊接，基層采用半自動熔化極氬弧焊打底，CO2氣體保護半自動焊多層多遍進行填充及蓋面。

圖2 鈦鋼復合板熔焊連接坡口形式

2 鈦鋼復合板焊接的有限元模擬研究現(xiàn)狀

通過試驗研究，鈦鋼復合板焊接接頭性能雖然取得了一定的成果，但仍然很難滿足鈦鋼復合板大范圍的實際應用。然而，鈦鋼復合板焊接工藝和結構的復雜多變致使僅通過試驗的方式難以全面分析焊接中的溫度場和應力應變分布。為此，近年來焊接工作者針對鈦、鋼以及鈦鋼復合板的焊接過程進行了大量的數(shù)值模擬研究。

鈦鋼復合板焊接有限元模擬的發(fā)展先后經(jīng)歷了3個階段：①鋼-鋼焊接模擬和鈦-鈦焊接模擬；②鈦/鋼復合板的爆炸焊制備過程的模擬；③鈦鋼復合板對接焊過程模擬。

2.1 鈦-鈦焊接過程模擬

CHO等[4]人依據(jù)焊接試驗參數(shù)模擬計算了TC4鈦合金焊接過程中的溫度場及應力分布，獲得的結果與試驗一致。TENG等[5]基于有限元計算軟件ANSYS對鈦合金平板單道焊接過程中的殘余應力進行了預測計算，并分析了模型幾何尺寸、焊接速度和其他外部條件等參數(shù)變化時的焊接溫度和應力結果。

于瀾[6]利用ANSYS軟件，分別模擬計算了TIG焊接TA15鈦合金平板、T型接頭及某型飛機鈦合金壁板過程的溫度和應力應變分布。在此基礎上，研究分析了焊接順序變化時焊接構件的焊后殘余應力分布特點和形變狀態(tài)，為鈦合金試驗焊接工藝的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

彭善德[7]采用ANSYS軟件對TC4搭接接頭的激光焊接熱效應進行模擬分析。其模擬運用間接法，先進行了一個非線性瞬態(tài)熱傳導過程分析，獲得搭接焊接頭的溫度場分布；然后在溫度場載荷作用過程中，進行了一個準穩(wěn)態(tài)的熱彈塑性力學分析，得到焊接殘余應力和變形云圖。此外，針對激光深熔焊的小孔傳熱特征，建立了一個用于鈦合金薄板焊接的組合熱源模型。通過與不同焊接工藝條件下的試驗結果對比，得出模擬熔池的表面寬度、搭接面寬度和熔深結果，與試驗值相比差約10％，進一步證實了熱源模型的合理性。

胡美娟等[8]在ANSYS有限元分析軟件基礎上，建立12mm厚TC4鈦合金平板電子束焊接過程的三維有限元數(shù)值計算模型。該模型充分考慮了電子束焊接時的小孔效應；材料的熱、力學性能與溫度的關系；及材料的相變和焊接熔池中液體的對流散熱。其模擬獲得的焊縫宏觀形貌和焊接殘余應力與試驗測得的結果吻合度較好[9]。

曾慶繼等[10]通過工藝試驗總結出9mm厚TC4電子束焊接的最佳工藝參數(shù)，在此基礎上，利用有限元計算軟件ABAQUS建立了穿透性強的圓錐熱源和輻射性強的雙橢球熱源，從而組成復合熱源模型。模擬獲得的焊縫形貌和表面殘余應力分布結果與試驗結果高度一致。另外，分析得出焊縫周圍存在較高殘余應力，焊件內(nèi)部有危險的三維拉伸應力存在。

2.2 鈦/鋼復合板爆炸焊制備模擬

爆炸焊作為鈦/鋼復合板板材制備的主要方式廣泛運用于石化電力等行業(yè)，而由于爆炸焊的特殊性，通過數(shù)值模擬研究爆炸焊接參數(shù)機理成為一種行之有效的分析手段。

王飛等[11]利用二維有限差分法對爆炸焊接中的波狀界面結合過程進行了模擬研究，得出界面處的剪力流速度分布和周期性擾動是波狀界面和渦街形成的主要原因。另外，定量模擬分析了波狀界面的渦流參數(shù)值，其模擬結果得到了驗證。

薛治國[12]針對在爆炸焊接特別是大面積爆炸焊接過程中出現(xiàn)的板間不復、周邊打傷、界面不良和變形嚴重等問題進行了有限元數(shù)值模擬，提出了一種合理的爆炸焊接參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化方法。此外，在經(jīng)驗公式和工藝試驗基礎上制定爆炸焊接工藝參數(shù)，并采用有限元動力學分析軟件對所確定的大面積厚復層爆炸焊接工藝參數(shù)進行調(diào)整，得出炸藥厚度與復合板合格率間的關系，為大面積厚層鈦鋼復合板爆炸焊接工藝參數(shù)的科學制定提供理論依據(jù)。

2.3 鈦鋼復合板對接模擬

對接是鈦鋼復合板制成器件的最后一步，也是決定構件使用性能最為關鍵的一步。但鈦鋼復合板對接模擬在近十幾年才開始逐漸發(fā)展起來。

段瀟恢[13]采用有限元分析法模擬分析了鈦合金 TA15與304不銹鋼直接對焊和預置填充層鈦/鋼電子束焊接兩種情況下的溫度場與應力場，并研究了不同填充層厚度、不同偏束位置熱作用下的預置填充層鈦/鋼電子束焊接的熔化特征，為實際焊接工藝參數(shù)的確定提供了一定的理論指導。

劉播[14]針對工作溫度、工作壓力和焊接殘余應力，采用有限元軟件模擬了5種不同鈦鋼復合板蓋板焊接頭形式下的焊接過程，并分析了工作載荷下不同接頭形式的應力應變分布，得出了不同蓋板形式的接頭在不同工作溫度下的失效載荷，為蓋板焊焊接參數(shù)的制定提供了參考。

單磊[15]提出TC4鈦合金和鋼的激光焊接熱源模型和高速移動熱源解析式，模擬了其焊接過程，并驗證了模擬結果，進一步證明該模型可用于激光焊接異種金屬時的數(shù)值模擬。在此基礎上，應用彈塑性理論模擬預測了焊接殘余應力和應變情況。

3 鈦鋼復合板焊接有限元模擬發(fā)展趨勢

目前，鈦鋼復合板焊接模擬研究主要集中在焊接方式、模型尺寸和焊速等宏觀方面，而忽略了焊接電流、焊接順序、焊接坡口形式和焊接層數(shù)等細節(jié)對鈦鋼復合板對接接頭溫度場及殘余應力的影響。另外，現(xiàn)有的模擬僅僅考慮了單一焊接方式鈦鋼復合板的溫度及應力變化，而未將不同的焊接方式綜合起來，根據(jù)實際試驗方案進行鈦鋼復合板搭接連接過程模擬分析。

此外，鈦鋼焊接數(shù)值分析還停留在模擬鈦/鋼板對接和鈦鋼復合板蓋板搭接連接方面，很少涉及鈦鋼復合板直接熔焊連接，而鈦鋼復合板直接熔焊連接機理研究作為鈦鋼焊接研究的重要分支在國內(nèi)外已經(jīng)開展了很長時間。因此，通過有限元模擬分析鈦鋼復合板直接熔焊連接過程必將成為鈦鋼焊接方面一個新的研究熱點。

4 建 議

(1)考慮實際熔焊工藝，將組合焊納入鈦鋼復合板焊接模擬研究范疇。

(2)進一步建立合理的過渡金屬熔焊有限元模型，并將其與現(xiàn)有的鈦鋼復合板焊接模型結合在一起，以期模擬出更加貼近焊接試驗的結果。

(3)模擬鈦鋼復合板在多種坡口下的多層多道焊接過程，再現(xiàn)鈦鋼復合板整個焊接過程，獲得焊接過程中更為合理的溫度場、應力場和變形分布，從而為優(yōu)化鈦鋼復合板焊接試驗方案提供指導。

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[6]于瀾.TA15鈦合金構件 TIG焊接過程的數(shù)值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.

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[13]段瀟恢.鈦/鋼異種金屬電子束焊接溫度場與應力場模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2011.

[14]劉播.TA15鈦合金構件TIG焊接過程的數(shù)值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2011.

[15]單磊.TC4鈦合金鋼復合激光焊接工藝研究[D].浙江:浙江大學,2006.

Research Progress on Finite Element Simulation of Titanium Steel Clad Plate Welding

WANG Qiang1,2,GUO Runyuan3,ZENG Liang4,CHENG Cheng1,2,YANG Jun1,2
(1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.School of Computer Science and Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048;4.Baoji Line Pipe Company of BSG Group,Baoji 721008,Shaanxi,China)

In order to deeply analyze the residual stress variation of titanium steel clad plate under different welding method in welding process,based on current research status of finite element numerical simulation in the aspect of titanium steel clad plate welding,combined with the commonly used methods and process characteristics of titanium steel clad plate welding,it analyzed the research progress and development status of finite element numerical simulation.The results indicated that the combination welding in actual welding process should be brought into finite element simulation research of titanium steel composite plate welding.Meanwhile,the simulation process of multilayer and multi-pass welding under different combination groove should be conducted to get more reasonable welding parameters.

titanium clad steel plate;welding;finite element simulation;fusion welding

TG457.19

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.013

國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目“雙金屬層狀結構復合管材技術研究”(項目號2013AA031303)。

汪 強(1989—)，男，碩士，主要從事焊材開發(fā)及焊接有限元分析方面工作。

2016-04-19

羅 剛