魏 強(qiáng)， 王 帥， 宋建嶺， 王永發(fā)， 李 洋， 羅 震

（1. 天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司， 天津300462；2. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津300350）

0 前 言

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把先進(jìn)制造作為其核心技術(shù)和優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域[1-2]， 焊接作為先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)， 在大型鋼結(jié)構(gòu)件中有廣泛的發(fā)展空間。在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)制造中， 存在著“鐵水重力論” 認(rèn)識(shí)， 在設(shè)計(jì)與施工中盡量避免仰焊等焊接做法，且在國(guó)內(nèi)全位置焊接基礎(chǔ)理論方面問題尚未解決， 研究成果分散， 系統(tǒng)性不強(qiáng)， 影響了全位置焊接在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的推廣和應(yīng)用。 但國(guó)外全位置焊接發(fā)展較快， 如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI-2000 《美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)橋梁焊接規(guī)范》， 對(duì)仰焊、 立焊和橫焊技術(shù)做出了明確規(guī)定， 國(guó)際知名焊接公司如LINCOLN、 FRONIUS、 CLOOS 等都在開展全位置焊接的研究。 目前我國(guó)大型結(jié)構(gòu)的全位置焊接正在大型、 超大型結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用， 如北京鳥巢體育館率先進(jìn)行大規(guī)模仰焊施工， 證明了全位置焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)， 且需求不斷擴(kuò)大[2-4]。

本研究采用 “熱-電-力-流” 多場(chǎng)耦合的全位置焊接仿真技術(shù)， 通過(guò)焊接熔池單面約束原位變質(zhì)量成形原理， 建模并仿真激光-弧焊全位置復(fù)合焊接過(guò)程， 計(jì)算管道上熔池形成， 通過(guò)調(diào)節(jié)熔體金屬的力場(chǎng)、 溫度場(chǎng)、 流場(chǎng)等工藝參數(shù)， 得到管道焊縫成形規(guī)律。

1 “熱-電-力-流” 多場(chǎng)耦合建模

建立熔池成形微分-代數(shù)混合方程組， 包括質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)方程、 變質(zhì)量動(dòng)力學(xué)方程、 充液動(dòng)力學(xué)方程、 熔體金屬運(yùn)動(dòng)控制方程、 表面熱流密度方程、表面張力約束方程與空間軌跡約束方程， 得到單面完整約束的變質(zhì)量的熔池成型的方程組如下[3-5]：

運(yùn)用ANSYS、 MATLAB 計(jì)算軟件， 建立計(jì)算數(shù)值模型， 對(duì)方程組進(jìn)行求解。

2 “激光-電弧” 復(fù)合管道焊接有限元仿真

2.1 建立幾何模型

使用 “生死單元” 技術(shù)模擬多層多道焊過(guò)程， 分為打底、 填充及蓋面共3 部分， 打底-填充-蓋面模擬層數(shù)為1-2-1 層。 圖1 為建立的圓管1/8 模型 （45°）。 進(jìn)行多層多道焊接復(fù)合熱源模擬計(jì)算， 試驗(yàn)材料選擇X70 管線鋼， 材料性能見表1[5-7]。

圖1 圓管1/8 模型

表1 X70 管線鋼材料屬性

2.2 建立有限元激光-電弧復(fù)合焊接熱源

采用表面分布的高斯熱源模型

激光采用高斯面熱源

按照實(shí)際工況條件， 建立有限元模型， 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 模型共3 952 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 3 195 個(gè)單元，其中焊縫網(wǎng)格劃分較細(xì)， 母材網(wǎng)格較粗。

2.3 多場(chǎng)耦合模擬過(guò)程

根據(jù)激光-電弧復(fù)合熱源特點(diǎn)建立相關(guān)數(shù)值模擬模型， 采用ANSYS 有限元軟件模擬全位置焊接過(guò)程中的溫度分布及熔池流動(dòng)， 具體模擬過(guò)程如圖2 所示。 根據(jù)有限元多場(chǎng)耦合法， 對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬， 計(jì)算分為多段， 每段先對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析， 再進(jìn)行變形場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合計(jì)算。

圖2 多場(chǎng)耦合求解過(guò)程

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 溫度場(chǎng)分布

圖3 鋼管溫度場(chǎng)分布云圖

焊接過(guò)程中鋼管溫度場(chǎng)分布云圖如圖3 所示。 在面熱源與體熱源作用下， 焊接過(guò)程的最終溫度場(chǎng)分布如圖3 （a） 所示， 熱源剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度場(chǎng)分布如圖3 （b） 所示， 其中灰色部分為熔池， 由于管道材質(zhì)為X70 鋼， 熱導(dǎo)率相對(duì)較低， 因此熔池沿焊槍移動(dòng)方向呈明顯細(xì)長(zhǎng)狀；打底焊、 第一道填充、 第二道填充、 蓋面焊時(shí)，熔池的溫度分布情況如圖3 （c） ～3 （f） 所示。

在焊接初始時(shí)期， 即形成了熔池， 此時(shí)管道中無(wú)熱積累， 溫度場(chǎng)分布取決于焊接熱源。 焊槍沿12 點(diǎn)→3 點(diǎn)→6 點(diǎn)→9 點(diǎn)→12 點(diǎn)的方向進(jìn)行移動(dòng)， 在焊接前期， 熔池的流速減小， 維持熔池溫度所需的熱輸入較少， 隨著接近6 點(diǎn)鐘位置， 逐漸加大焊接電流， 此時(shí)的流場(chǎng)流速較快， 對(duì)流換熱等帶走大量熱； 在6 點(diǎn)鐘位置時(shí)適當(dāng)增加焊接電流， 有利于焊縫成形。

圖4 鋼管不同焊接位置流場(chǎng)分布

3.2 流場(chǎng)分布

通過(guò)有限元計(jì)算分析， 得到鋼管的流場(chǎng)分布如圖4 所示。 圖4 （a） 中， 焊接進(jìn)行0°時(shí)鎢極移動(dòng)到導(dǎo)管正上方， 整體流場(chǎng)區(qū)域也很小， 流動(dòng)方向向下部及四周發(fā)散， 此時(shí)熔化區(qū)受力較為均勻， 最大速度0.006 7 m/s， 相對(duì)較小， 結(jié)合溫度場(chǎng)此時(shí)總體溫度剛剛超過(guò)熔點(diǎn)， 熔化區(qū)域很??；在圖4 （c） 中， 焊接至正下方時(shí)， 即處于仰焊位置時(shí)， 流體最大速度約0.025 m/s， 這是由于重力與電弧力方向正好相反， 流體在這兩種力以及表面張力作用下， 流動(dòng)狀態(tài)處于復(fù)雜的紊流狀態(tài)， 流動(dòng)方向與受力方向不同， 故達(dá)到最大速度偏低； 圖4 （b）、 圖4 （d） 類似， 最高速度達(dá)0.055 m/s， 由于最開始焊接就對(duì)此位置有預(yù)加熱作用， 此時(shí)熔池達(dá)到最高溫度更高， 熔池區(qū)域更大，流場(chǎng)范圍和最高速度也更高。 在熔深方向的流動(dòng)更加明顯， 同時(shí)下趟傾向更強(qiáng)， 因無(wú)法對(duì)上方熔池產(chǎn)生托起作用， 故此處更易形成焊接缺陷。

4 結(jié) 論

（1） 創(chuàng)建的管道全位置焊接熔池成形方程組， 可應(yīng)用于熔池受力和熔體金屬運(yùn)動(dòng)過(guò)程， 建立的全位置焊接ANSYS 有限元模型， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合分析。

（2） 使用多場(chǎng)耦合， 得到了不同階段熔池溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的分布， 熔池主要由電弧力、 重力和表面張力驅(qū)動(dòng)， 流動(dòng)形式還受到電弧與焊件相對(duì)位置的影響。

（3） 在熔池較小時(shí)， 無(wú)明顯影響； 熔池較大時(shí)其形態(tài)受電弧力和重力的影響很大。 總的來(lái)說(shuō)， 270°和90°位置敏感度大， 容易形成焊漏或者焊塌現(xiàn)象； 360°則易形成下趟熔池， 對(duì)焊接速度及熱輸入的敏感度高。