元 媛，嚴(yán)春妍，安愛玲，包曄峰

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

X80管線鋼平板多層對(duì)接焊數(shù)值模擬

元 媛，嚴(yán)春妍，安愛玲，包曄峰

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

管線鋼在實(shí)際焊接過程中多采用多層焊，其焊接過程較單層焊更為復(fù)雜。利用SYSWELD專業(yè)焊接模擬軟件，對(duì)X80管線鋼中厚板平板多層焊焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究焊接速度、預(yù)熱溫度及層間溫度對(duì)焊接溫度場(chǎng)和熔深的影響。結(jié)果表明，隨著焊接速度的增加，焊接溫度場(chǎng)的最高溫度下降，熔深減小。提高預(yù)熱及層間溫度對(duì)溫度場(chǎng)無顯著影響。殘余應(yīng)力集中在焊縫及近縫的熱影響區(qū)。最大縱向殘余應(yīng)力出現(xiàn)在打底層的焊縫根部，其峰值大于橫向殘余應(yīng)力峰值。

溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)；SYSWELD；多層焊

0 前言

管線鋼作為液化石油及天然氣的輸送工具，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展變化。自二戰(zhàn)期間美國(guó)建立了世界上第一條具有現(xiàn)代規(guī)模的長(zhǎng)距離石油輸送管線以來，隨著輸送條件的變化，管線鋼的要求及鋼級(jí)不斷提高[1]。X80管線鋼通過形變強(qiáng)化而使材料具有很高的強(qiáng)韌性，又因其經(jīng)常服役于嚴(yán)苛的工作環(huán)境，因此對(duì)焊接加工提出了特殊的要求[2]。

使用多層焊焊接中厚板X80管線鋼時(shí)，由于多層焊會(huì)經(jīng)歷多次焊接熱循環(huán)過程，溫度場(chǎng)變化十分復(fù)雜，僅憑經(jīng)驗(yàn)并不能定量地、全面地掌握其變化規(guī)律[3]。加之焊接是對(duì)局部快速加熱又快速冷卻的過程，該過程會(huì)釋放大量應(yīng)力使得焊件焊后變形，從而可能導(dǎo)致焊接構(gòu)件失效。在此使用SYSWELD專業(yè)焊接模擬軟件模擬板厚14.6 mm、屈服強(qiáng)度625 MPa、抗拉強(qiáng)度720 MPa的X80管線鋼平板多層對(duì)接焊的焊接過程，獲得焊接工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，計(jì)算出焊后殘余應(yīng)力值，為實(shí)際X80管線鋼多層焊的焊接過程提供指導(dǎo)與理論依據(jù)。

1 焊接有限元理論基礎(chǔ)

1.1 溫度場(chǎng)方程

焊接溫度場(chǎng)三維非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的控制方程可表示為[4]

式中 ρ為密度；c為比熱容；Q為熱輸入；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度場(chǎng)的分布函數(shù)；t為時(shí)間。

通過對(duì)流和輻射損失的熱量qc、qr分別為[5]

式中 hf為表面散熱系數(shù)；T∞為周圍環(huán)境溫度；σ為玻爾茲曼常數(shù)；ε為體表面的輻射率。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)方程

材料處于彈性或塑性狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[6]

式中 [D]為彈性或彈塑性矩陣；{C}為與溫度有關(guān)的向量；{dε}為總應(yīng)變；{dσ}為總應(yīng)力。

整個(gè)構(gòu)建的平衡方程組為

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型

X80管線鋼平板多層焊接的焊件模型尺寸為150 mm×300 mm×14.6 mm。整個(gè)焊縫由打底層、填充層1、填充層2、蓋面層四層組成。由于平板焊件的對(duì)稱性，取模型的一半進(jìn)行研究。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。設(shè)定焊接方向平行于y軸，焊接起始點(diǎn)為原點(diǎn)。采用規(guī)則的六面體網(wǎng)格，在焊縫和熱影響區(qū)細(xì)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)處粗化網(wǎng)格。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2.2 熱源模型

利用有限元軟件模擬焊接過程時(shí)，選擇合適的焊接熱源模型是得到溫度場(chǎng)結(jié)果的前提。熱源模型中的雙橢球熱源模型，它以雙橢球能量密度分布的熱源模式，可用于處理一般的電弧沖力小的熱源模型，如焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等焊接方法[7]。在此選用雙橢球熱源模型作為溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算的熱源模型。

2.3 邊界條件及材料性能參數(shù)設(shè)置

采用SYSWELD專業(yè)焊接模擬軟件進(jìn)行有限元分析，在進(jìn)行焊接模擬時(shí)需要考慮材料的熱物理性能參數(shù)以及力學(xué)性能參數(shù)。本研究計(jì)算所用X80管線鋼部分材料性能參數(shù)參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，而對(duì)于部分未知溫度參數(shù)通過插值法和外推法確定。X80管線鋼的各項(xiàng)性能參數(shù)如圖2所示。

圖2 X80鋼材料性能參數(shù)Fig.2 Material properties of X80 steel

設(shè)定熱輻射和熱對(duì)流的邊界條件。總換熱系數(shù)采用SYSWELD中提供的換熱公式。本研究中環(huán)境溫度為20℃，預(yù)熱溫度和層間溫度為100℃。

2.4 焊接工藝參數(shù)

打底焊采用焊條電弧焊。填充和蓋面焊采用藥芯焊絲半自動(dòng)焊。焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters of the plate

圖3 焊接不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖Fig.3 Temperature field during welding and after cooling

3 結(jié)果及分析

3.1 平板焊接溫度場(chǎng)結(jié)果及分析

根據(jù)建立的有限元模型和確定的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算出X80管線鋼三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果。焊接到每一層焊縫進(jìn)入穩(wěn)定焊接時(shí)的溫度場(chǎng)云圖如圖3所示。每層焊的焊接工藝參數(shù)如表1所示，預(yù)熱溫度及層間溫度均為100℃。

由圖3可知，隨著焊接道次的增加，熔池所達(dá)最高溫度增大，且高溫覆蓋的范圍也擴(kuò)大。

利用SYSWELD的后處理功能，分別在打底層、填充層1、填充層2、蓋面層的焊縫表面處選取3個(gè)點(diǎn)，其坐標(biāo)如下：

打底層:（0，30，2）（0，100，2）（0，200，2）

填充層1:（0，30，6）（0，100，6）（0，200，6）

填充層2:（0，30，10）（0，100，10）（0，200，10）

蓋面層：（0，30，14）（0，100，14）（0，200，14）

研究各焊層上節(jié)點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線（見圖4）。由圖4a可知，曲線出現(xiàn)了4個(gè)峰值，且峰值溫度依次下降。這是因?yàn)楹竺婷恳粚雍附佣紝?duì)打底層的表面節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了熱影響。隨著后續(xù)焊接厚度方向距離的增大，熱影響逐漸變小，因此峰值溫度下降。填充層1、2的熱循環(huán)曲線變化情況與打底層類似。蓋面層由于沒有后續(xù)焊層的影響，只出現(xiàn)了一個(gè)峰值溫度。

隨著時(shí)間推移，處于最高溫度的節(jié)點(diǎn)位置也不斷變化。這是由于在多層焊焊接中，后續(xù)焊層對(duì)已焊接層有焊后熱處理作用，而先焊層對(duì)后焊層則起到預(yù)熱作用。各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度變化基本一致，最高溫度相差甚微。

3.2 焊接速度對(duì)溫度分布的影響

焊接速度間接影響焊接熱輸入，從而影響溫度 場(chǎng)。不同焊接速度對(duì)于板件的焊接溫度場(chǎng)最高溫度和熔深的影響如圖5、圖6所示。

圖4 不同焊層上焊縫表面節(jié)點(diǎn)焊接熱循環(huán)曲線Fig.4 Thermal cycle of the nodes on the surface of welding beads in different layers

圖5 不同焊接速度下的焊接最高溫度Fig.5 Maximum temperature in different welding speeds

圖6 不同焊接速度下的熔深Fig.6 Penetration in the different welding speeds

由圖5可知，隨著焊接速度的增大，最高溫度降低。說明在焊接熱輸入一定的情況下，隨著焊接速度的增大，焊接熱輸入減小，單位時(shí)間內(nèi)給予焊件的能量減小，因此最高溫度降低。由圖6可知，隨著焊接速度的增大，熔深呈遞減趨勢(shì)。

3.3 預(yù)熱及層間溫度對(duì)溫度分布的影響

采取相同的預(yù)熱溫度及層間溫度，選取20℃、60℃、100℃和150℃四個(gè)不同的溫度值研究溫度場(chǎng)的分布。不同預(yù)熱及層間溫度條件下，溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同預(yù)熱溫度下的焊接最高溫度Fig.7 Maximum temperature in the different preheating temperatures

由圖7可知，預(yù)熱溫度及層間溫度對(duì)打底焊的影響大于對(duì)填充焊和蓋面焊的影響，且越到后續(xù)焊層其影響效果越弱。

3.4 應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果與分析

采用SYSWELD模擬X80管線鋼平板焊接的應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，首先按照熱傳導(dǎo)方程和邊界條件剖析計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)、不同時(shí)刻的溫度值，并按規(guī)定的順序?qū)?shù)據(jù)記錄在溫度變化文件中；讀取溫度數(shù)據(jù)，并將不同時(shí)刻、不同節(jié)點(diǎn)的溫度作為載荷施加到應(yīng)力分析中，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變分析。

采用表1所示的焊接工藝參數(shù)，預(yù)熱溫度及層間溫度均為100℃，得到焊件的焊后縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力以及等效殘余應(yīng)力的分布云圖，如圖8所示。

由圖8可知，縱向殘余應(yīng)力集中在焊縫及近縫的熱影響區(qū)。最大縱向殘余應(yīng)力值590 MPa，出現(xiàn)在焊根處，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。焊后橫向殘余應(yīng)力在焊縫和熱影響區(qū)表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，母材承受壓應(yīng)力。最大橫向殘余拉應(yīng)力值為561 MPa?？v向殘余拉應(yīng)力的最高水平大于橫向殘余拉應(yīng)力的，但其值均小于材料的屈服強(qiáng)度。等效殘余應(yīng)力集中在焊縫根部，最大值為580 MPa。

圖8 焊接殘余應(yīng)力云圖Fig.8 Cloud picture of residual stress

4 結(jié)論

（1）建立X80管線鋼平板多層對(duì)接焊的有限元模型，獲得焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布云圖。

（2）分析多層焊焊接熱循環(huán)曲線可知，填充焊和蓋面焊對(duì)打底焊層上所取節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱影響，使打底層的焊接熱循環(huán)曲線出現(xiàn)4個(gè)波峰。由于后續(xù)焊層對(duì)已焊接層的熱處理作用、先焊層對(duì)后焊層的預(yù)熱作用，使最高溫度的節(jié)點(diǎn)位置不斷變化。

（3）在焊接熱輸入不變的情況下，焊接速度增大，焊接溫度場(chǎng)的最高溫度下降，熔深減小。預(yù)熱及層間溫度對(duì)X80管線鋼平板多層焊焊接溫度場(chǎng)的影響很小。

（4）殘余應(yīng)力集中在焊縫及熱影響區(qū)打底層的焊縫根部。最大縱向殘余應(yīng)力590 MPa，最大等效殘余應(yīng)力580 MPa，均小于材料的屈服強(qiáng)度。

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（3）在-30℃條件下對(duì)焊接接頭進(jìn)行夏比沖擊實(shí)驗(yàn)，缺口分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)。其平均沖擊吸收能量分別為119.7 J和230.7 J。斷口掃描顯示，缺口位于焊縫的斷口上，存在大量韌窩和少量的解離刻面，而缺口位于熱影響區(qū)的斷口上分布著尺寸較大的韌窩。

（4）硬度分析表明，內(nèi)襯層母材金屬硬度高于基層金屬母材硬度，由于經(jīng)過多次后道焊縫的熱處理作用，內(nèi)襯層焊縫硬度同樣高于基層焊縫的硬度。

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Numerical simulation of multi-layer butt-welding of X80 pipeline steel

YUAN Yuan，YAN Chunyan，AN Ailing，BAO Yefeng
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

In the actual welding process，multi-layer welding is mostly used for welding pipeline steel，and it is more complex than singlelayer.The temperature and stress field of multi-layer butt-welding of medium thickness plate of X80 pipeline steel are simulated by SYSWELD software.The influence of welding rate，interpass temperature and preheat temperature on the temperature field is studied.The effects of welding parameters on the maximum welding temperature and penetration are gained.The results show that the maximum temperature of welding temperature field and the penetration decrease as welding speed increases.While the increase of preheat and interpass temperature has little effect on temperature filed.The residual stresse is concentrated in the HAZ of the welds and near the welds. The maximum longitudinal residual stress appears in the root of weld in backing layer.The peak of longitudinal residual stress is higher than that of the transverse residual stress.

temperature field；stress field；SYSWELD；multi-layer welding

TG457.6

A

1001－2303（2017）05－0098-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.21

2016-12-09；

2016-12-19

元 媛（1992—），女，在讀碩士，主要從事焊接過程數(shù)值模擬及冷裂敏感性的研究工作。E-mail：153685699@qq.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：元媛，嚴(yán)春妍，安愛玲，等.X80管線鋼平板多層對(duì)接焊的數(shù)值模擬[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：98-103.