趙衛(wèi)平，王振興，紀(jì)強(qiáng)溪，吳麗麗，朱彬榮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京100192)

中國超、特高壓輸電線路建設(shè)已跨越江河、通信線、山谷等線路，大徑厚比鋼管更能滿足輸電塔大跨越方向發(fā)展需求，相較于只能按照固定規(guī)格生成的軋制鋼管，焊接鋼管幾乎可制成連續(xù)變化的直徑和厚度[1-2]。埋弧焊接具有焊接效率高、焊縫質(zhì)量好、勞動(dòng)條件較好的優(yōu)點(diǎn)，在焊接圓鋼管生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，但鋼管焊接時(shí)局部高溫加熱產(chǎn)生熱應(yīng)力，冷卻后不可避免產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力[3-4]。殘余應(yīng)力大小受焊接前的準(zhǔn)備、焊接條件和多道焊縫中的焊道順序等因素影響[5-6]。有限元法計(jì)算不同焊接工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力不但有較高的計(jì)算精度，而且可為焊接工藝的制定提供參考。

當(dāng)鋼管壁厚較大時(shí)，焊接工藝為多層多道次焊接，適宜的熱源模型是實(shí)現(xiàn)焊接過程數(shù)值模擬的基本條件[7]。國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了點(diǎn)熱源模型、高斯熱源模型、均勻體積熱源模型、雙橢球熱源模型等[8-11]，并逐漸應(yīng)用到焊接數(shù)值模擬。楊俊芬等[12]采用均勻體熱源模型對(duì)Q690埋弧焊接圓鋼管焊接過程進(jìn)行了1道次焊接成形模擬，得到了截面縱向殘余應(yīng)力分布模式。孟慶國等[13]應(yīng)用雙橢球熱源模型進(jìn)行了3維狀態(tài)下低碳鋼多層多道焊溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)前一道次的預(yù)熱作用可有助于后一道次進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。鄧德安等[14]模擬了不銹鋼厚板多道次焊接方法并研究了殘余應(yīng)力分布形式，結(jié)果表明焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的大小和分布形狀均影響顯著。祁帥等[15]建立了X80管線鋼三絲埋弧焊熱-結(jié)構(gòu)耦合模型，發(fā)現(xiàn)焊接速度的提高會(huì)引起焊后縱向殘余應(yīng)力的增大。Arif等[16]對(duì)低碳鋼激光焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明恒功率下，焊接速度的提高將降低高應(yīng)力區(qū)的寬度。目前對(duì)于埋弧焊接高強(qiáng)(強(qiáng)度等級(jí)>460 MPa)圓鋼管多層多道次焊接過程的研究相對(duì)不足，特別是焊接方向、焊接速度、道間溫度等對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響尚不十分明確。

本文采用ANSYS參數(shù)化語言，構(gòu)造均勻體積熱源模型模擬熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)熱源及構(gòu)造雙橢球熱源模型模擬埋弧焊(SAW)熱源，對(duì)高強(qiáng)埋弧焊接圓鋼管3道次焊接過程進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析。模型中定義了高強(qiáng)鋼材隨溫度變化的物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算過程考慮了焊接工藝中的相變潛熱，有限元模型可自動(dòng)調(diào)整焊接過程中鋼管與外界熱交換的面積。通過有限元分析了焊接方向、焊接速度、道間溫度對(duì)高強(qiáng)埋弧焊接圓鋼管縱向殘余應(yīng)力分布的影響，對(duì)高強(qiáng)埋弧焊接圓鋼管的焊接工藝提出優(yōu)化建議。

1 有限元模型

熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)有限元分析包括溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬兩部分，包含所需自由度的耦合單元類型，僅通過1次計(jì)算即可得到耦合場(chǎng)分析結(jié)果，適用于多個(gè)物理場(chǎng)各自的響應(yīng)相互依賴且非線性程度較高的情況。

1.1 單元介紹

焊接圓鋼管采用20節(jié)點(diǎn)Solid226耦合單元模擬，包括X、Y、Z平動(dòng)自由度和溫度自由度。Solid226單元可模擬彈性、塑性、大應(yīng)變、大撓度、應(yīng)力硬化效應(yīng)、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，為提高計(jì)算效率，采用縮減積分單元技術(shù)[17]。

1.2 非線性材料屬性

熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)需要定義室溫(293.5 K)及以上所有焊接溫度變化范圍內(nèi)的鋼材物理性能參數(shù)。參考?xì)W洲Generalrules-structuralfiredesign[18]及文獻(xiàn)[19-20]，定義的高強(qiáng)鋼材物理力學(xué)參數(shù)見圖1。

圖1 鋼材物理性能參數(shù)

鋼材各溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線根據(jù)折算后的屈服應(yīng)力采用理想彈塑性模型[19]，見圖2。

圖2 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

焊接時(shí)焊縫金屬存在固態(tài)相變、固液相變、蒸發(fā)3種相變，采用熱焓法處理溫度區(qū)間的相變潛熱問題。熱焓法將材料的潛在熱量定義到焓中，熱焓可表示為密度與比熱容的乘積對(duì)溫度的積分[21]:

(1)

式中：H(T)為熱焓，ρ(T)為隨溫度變化的密度，c(T)為隨溫度變化的比熱容，T為溫度，單位為K，隨溫度變化的熱焓見圖1(a)。

1.3 焊接工藝及熱源模型

高強(qiáng)埋弧焊接圓鋼管由山東華安鐵塔公司提供，廠方提供的焊接工藝如下：

1)焊接坡口兩側(cè)保持干凈，采用GMAW的焊接方法，采用直徑1.2 mm的MG60-G-1焊絲、用80%Ar與20%CO2的保護(hù)氣體完成第一道打底焊。

2)用直徑4.0 mm的H08MnMoA焊絲，焊劑為SJ101進(jìn)行兩道次SAW焊接，道間溫度小于200 ℃。熔池寬度為9～11 mm，熔池深度8～9 mm，余高0～3 mm。埋弧焊焊接完成后盡量緩冷，24 h后再進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，各焊接道次參數(shù)見表1。

表1 焊接道次參數(shù)

3個(gè)焊接道次均采用同一焊接方向并根據(jù)焊接方式選取不同熱源模型。GMAW熱源采用均勻體積熱源模型，熱流密度為

(2)

式中：q0為熱流密度，U為焊接電壓，I為焊接電流，根據(jù)表1取U=20 V，I=140 A，η為焊接熱效率取0.7[12]，Vp表示均勻體積熱源作用的體積，熱源沿焊接方向的長(zhǎng)度取8 mm，截面面積取第一道次焊縫截面面積[22]。

SAW熱源采用雙橢球熱源模型，見圖3。雙橢球熱源模型前后兩個(gè)1/4部分內(nèi)部的熱流密度q1、q2為:

圖3 雙橢球熱源模型

(3)

(4)

式中：U、I根據(jù)表1取U=24 V，I=530 A，焊接熱效率η取0.7，f1=0.4、f2=1.6，b1=a取熔池寬度一半為4.5 mm，b2取熔池寬度2倍為18 mm、c取焊縫熔池深度9 mm[23]。

熱源模型通過ANSYS函數(shù)定義功能直接輸入熱流密度，見圖4。

圖4 熱源模型定義方式

焊接過程采用單元生死[17]方法模擬焊縫逐漸生長(zhǎng)過程，開始計(jì)算前殺死焊縫處所有單元，計(jì)算過程中按焊接順序依次激活被殺死的單元，每個(gè)荷載步間激活熔池縱向8 mm范圍內(nèi)單元。在不同荷載步間激活的單元附近建立局部坐標(biāo)系，再選中熱源模型作用范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，以生熱率的形式施加熱源載荷。

1.4 焊接圓鋼管有限元模型

有限元模型采用映射劃分，鋼管厚度方向網(wǎng)格尺寸為1 mm左右。根據(jù)3個(gè)焊接道次將焊縫劃分為3層，焊縫尺寸及網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖5。

圖5 焊縫網(wǎng)格劃分(mm)

對(duì)焊縫附近母材(鋼管)的網(wǎng)格加密，隨著距焊縫距離增大，網(wǎng)格尺寸由密變疏。網(wǎng)格疏密連接處通過接觸MPC(多點(diǎn)約束方程)實(shí)現(xiàn)。MPC使用內(nèi)部生成的約束方程在接觸面上保持協(xié)調(diào)，但可以傳遞溫度自由度，步驟如下：1)定義單元稀疏的表面為目標(biāo)面(Targe170單元)及單元密集的表面為接觸面(Conta174單元)。2)設(shè)置Conta174單元以下3個(gè)關(guān)鍵選項(xiàng)：模型自由度為X、Y、Z和T，計(jì)算約束為MPC多點(diǎn)約束方程，接觸面為綁定接觸。3)通過ESURF命令生成接觸對(duì)。沿焊接方向(縱向)焊縫及其附近的網(wǎng)格尺寸為4 mm，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的單元網(wǎng)格尺寸劃分為8～16 mm。

選中鋼管焊接起始端(底部)節(jié)點(diǎn)，約束縱向位移，選中焊縫正對(duì)面1排節(jié)點(diǎn)，同時(shí)約束徑向和環(huán)向位移，見圖6。

圖6 有限元模型網(wǎng)格劃分和位移邊界條件

1.5 焊接傳熱形式

熱的傳遞包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種基本形式。在熔焊的條件下由熱源傳熱給焊件的熱量主要是以輻射和對(duì)流為主，母材和焊條(焊絲)獲得熱能后，熱的傳播則是以熱傳導(dǎo)為主。輻射和對(duì)流可以采用綜合換熱系數(shù)ho表示[24]:

(5)

鋼管的初始溫度設(shè)定為293.5 K(20 ℃)。焊縫的生長(zhǎng)將改變?cè)嚰c空氣的對(duì)流及熱輻射面積，每一荷載步完成后，更新單元外表面，重新施加對(duì)流荷載，見圖7。

圖7 施加對(duì)流荷載后的有限元模型

焊接每一道次完成后冷卻模型至473.5 K以內(nèi)(道間溫度低于200 ℃)，全部焊接完成后冷卻至室溫293.5 K。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)概況

設(shè)計(jì)制作了1組3根高強(qiáng)埋弧焊接圓鋼管，試件規(guī)格和數(shù)量見表2。

表2 焊接圓鋼管規(guī)格

通過盲孔法[25]測(cè)試圓鋼管跨中截面外表面的縱向殘余應(yīng)力分布模式，殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備采用南京聚航科技有限公司生產(chǎn)的JHMK多點(diǎn)殘余應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，由圖8中JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置以及靜態(tài)應(yīng)力測(cè)量軟件組成。

圖8 殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備

在焊縫附近應(yīng)力梯度較大區(qū)域布置較密集的測(cè)點(diǎn)，隨距焊縫距離的增加測(cè)點(diǎn)稀疏。應(yīng)變計(jì)沿焊縫對(duì)稱布置，盲孔橫向最小間距大于5倍孔徑(7.5 mm)，縱向最小間距大于15倍孔徑(22.5 mm)，滿足規(guī)范ASTM E837-20[26]的要求。在鋼管焊縫一側(cè)展開后的布置情況見圖9，測(cè)試完成后鋼管見圖10。

圖9 測(cè)點(diǎn)布置

圖10 測(cè)試完成的焊接圓鋼管

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖11為埋弧焊接鋼管測(cè)試結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為焊縫兩側(cè)所在測(cè)點(diǎn)與焊縫形成的圓心角θ與π的比值，由圖11可見，縱向殘余應(yīng)力σr沿焊縫兩側(cè)分布基本對(duì)稱，焊縫處為殘余拉應(yīng)力，接近屈服強(qiáng)度。隨著距焊縫距離的增大，殘余拉應(yīng)力迅速降低并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，轉(zhuǎn)變區(qū)域位于焊縫兩側(cè)各15°范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較大的應(yīng)力梯度。繼續(xù)增大，壓應(yīng)力再次轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

圖11 埋弧焊接鋼管縱向殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2.3 縱向殘余應(yīng)力分布有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

計(jì)算工作站參數(shù)為Intel(R)Xeon(R)Gold 6234 CPU @ 3.30 GHz，內(nèi)核16，邏輯處理器32，內(nèi)存128 GB。分別對(duì)80、160、320、480 mm的鋼管進(jìn)行了數(shù)值模擬，有限元模型網(wǎng)格密度保持一致，計(jì)算時(shí)間分別為6 h 23 min、24 h 17 min、60 h 35 min、119 h 41 min。

將縱向殘余應(yīng)力環(huán)向分布規(guī)律的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比于圖12，有限元模型能夠較為準(zhǔn)確的反演縱向殘余應(yīng)力的不同分布模式。

圖12 縱向殘余應(yīng)力分布有限元模型計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

從圖12不同計(jì)算長(zhǎng)度最大縱向殘余應(yīng)力(拉、壓)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比知，隨著計(jì)算長(zhǎng)度的增大，最大縱向殘余拉應(yīng)力σrto略有增大而最大縱向殘余壓應(yīng)力σrco無明顯規(guī)律。當(dāng)計(jì)算長(zhǎng)度為160 mm時(shí)，相較于實(shí)測(cè)值，最大縱向殘余拉應(yīng)力誤差為2.07%，最大縱向殘余壓應(yīng)力誤差為7.68%。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)的因素，以160 mm為計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行拓展研究，縱向殘余應(yīng)力分布見圖13。

圖13 160 mm鋼管縱向殘余應(yīng)力分布(MPa)

3 有限元模擬結(jié)果與討論

3.1 焊接溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

根據(jù)廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝，取表1中參數(shù)的中位數(shù)，計(jì)算長(zhǎng)度為160 mm，各焊接道次的方向均為由下至上。各焊接道次溫度場(chǎng)分布見圖14，各道次最大焊接溫度均出現(xiàn)在最終落焊點(diǎn)位置處，第一道GMAW打底焊溫度最低，熱影響區(qū)域長(zhǎng)度最小。3個(gè)道次焊接完成時(shí)瞬態(tài)溫度依次為958.54、1 320.49、1 322.15 K，熱影響區(qū)域?qū)挾仍?5°以內(nèi)。

圖14 各焊接道次溫度分布(K)

3.2 焊接殘余變形

焊后殘余變形見圖15，焊縫附近發(fā)生了收縮而焊縫兩側(cè)鋼管發(fā)生了外脹。焊接時(shí)局部高溫的焊縫區(qū)膨脹受到臨近低溫鋼材約束產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得熱塑狀態(tài)的焊縫產(chǎn)生塑性壓縮變形。在焊后冷卻過程中，鋼材因已有的塑性變形不能恢復(fù)原來長(zhǎng)度。收縮變形的大小與冷卻速度相關(guān)，道間溫度越高則冷卻速度越慢，導(dǎo)致收縮變形增大[27]。

圖15 焊接殘余變形(變形放大20倍)

3.3 焊接工藝對(duì)縱向殘余應(yīng)力影響

3.3.1 焊接方向

為研究各道次焊接方向?qū)v向殘余應(yīng)力的影響，4種焊接方向工況下縱向殘余應(yīng)力分布見圖16，最大縱向殘余拉應(yīng)力σrto大小關(guān)系為工況一<工況二<工況四<工況三，最大縱向殘余壓應(yīng)力σrco大小關(guān)系為工況二<工況三<工況四<工況一，即工況一最大縱向殘余拉應(yīng)力σrto最小，工況二最大縱向殘余壓應(yīng)力σrco最小。工況二最大縱向殘余拉應(yīng)力比工況一高9.12%，最大縱向殘余壓應(yīng)力比工況一低29.83%，綜合考慮殘余壓、拉應(yīng)力最小焊接方向工況二最優(yōu)。故焊接時(shí)第一和第三道次焊接方向相同而第二道次應(yīng)反向。

圖16 焊接方向?qū)v向殘余應(yīng)力的影響

3.3.2 焊接速度

為研究各個(gè)焊接道次焊接速度對(duì)縱向殘余應(yīng)力的影響，3種焊接速度工況計(jì)算結(jié)果見圖17。

圖17 焊接速度對(duì)縱向殘余應(yīng)力的影響

圖17中vGMAW表示GMAW焊接速度，vSAW表示SAW焊接速度，焊接速度的改變對(duì)應(yīng)于ANSYS中每個(gè)荷載步瞬態(tài)分析的計(jì)算時(shí)間，由圖17知，焊接速度工況一最大縱向殘余拉應(yīng)力σrto和最大縱向殘余壓應(yīng)力σrco均最小，為最優(yōu)焊接速度工況。本文焊接速度建議值為第一道次4 mm/s，第二、三道次6 mm/s。

3.3.3 道間溫度

根據(jù)1.3節(jié)焊接工藝說明，道間溫度需低于473.5 K(200 ℃)，道間溫度為母材在下一焊道施焊之前的最高瞬時(shí)溫度，即圖18中每道次焊接完成后的最高溫度。為研究道間溫度對(duì)縱向殘余應(yīng)力的影響，3種道間溫度工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖18，相較于工況一，工況二僅第二道焊接完成后最高瞬時(shí)溫度增大了75 K，最大縱向殘余拉應(yīng)力σrto增大了12.17%，最大縱向殘余壓應(yīng)力σrco增大了1.36%。因此第二道焊接完后道間溫度的增大會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力增大。相較于工況二，工況三僅第一道焊接完成后最高瞬時(shí)溫度增大了35 K，則最大縱向殘余拉應(yīng)力σrto增大了1.18%，最大縱向殘余壓應(yīng)力σrco增大了10.03%。因此第一道焊接完后道間溫度的增大會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力增大。道間溫度的提高會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力提高，焊接時(shí)冷卻時(shí)間的增加使得道間溫度降低，但會(huì)增加時(shí)間成本。為使焊接殘余應(yīng)力最小，在冷卻時(shí)間成本可控范圍內(nèi)道間溫度應(yīng)控制在最低范圍。

圖18 道間溫度對(duì)縱向殘余應(yīng)力影響

4 結(jié) 論

對(duì)高強(qiáng)埋弧焊接圓鋼管3道次焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了焊接方向、焊接速度、道間溫度對(duì)最大縱向殘余應(yīng)力的影響，得到如下結(jié)論：

1)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果對(duì)比表明，本文有限元模擬方法可以模擬高強(qiáng)埋弧焊接圓鋼管焊接過程并對(duì)焊接縱向殘余應(yīng)力的大小進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2)第一和第三道次焊接方向相同而第二道次反向?yàn)樽顑?yōu)焊接方向，與3個(gè)焊接道次同向相比，雖縱向殘余拉應(yīng)力大9.12%，但縱向殘余壓應(yīng)力小29.83%。

3)第一道次焊接速度為4 mm/s，第二、三道次焊接速度為6 mm/s時(shí)，焊后最大縱向殘余應(yīng)力最小。

4)道間溫度提高后最大縱向殘余應(yīng)力增大。第一道焊接完成后道間溫度每增加1 K，最大縱向殘余拉應(yīng)力提高0.03%，最大縱向殘余壓應(yīng)力提高0.28%。第二道焊接完成后道間溫度每增加1 K，最大縱向殘余拉應(yīng)力提高0.16%，最大縱向殘余壓應(yīng)力提高0.02%。