X80 管線鋼激光電弧復合焊接數值分析

石庭深，朱加雷，焦向東，孟慶晨，馮艷鵬，張永明

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

X80 管線鋼激光電弧復合焊接數值分析

石庭深1，2，朱加雷2，焦向東2，孟慶晨2，馮艷鵬2，張永明2

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）

根據激光電弧復合熱源焊接的物理特征，建立雙橢球體熱源焊接模型。使用ANSYS有限元分析軟件對X80管線鋼激光電弧復合焊接的溫度場和應力場進行耦合分析，在此基礎上對10 mm厚X80管線鋼進行對接焊試驗，并對比分析數值計算結果和實際焊接試驗結果。結果表明，數值仿真得到的焊縫截面形狀、焊縫尺寸以及試件殘余應力與焊接試驗所得結果吻合，驗證了選用熱源模型的適用性，為焊縫組織和性能的預測奠定了基礎。

X80管線鋼；復合焊；數值模擬；殘余應力

0　前言

X80管線鋼焊接是西氣東輸管道施工工程的關鍵環節，探究其焊接溫度場和焊接工藝有著重要意義[1-2]。激光-電弧復合焊接技術具有焊接熔深大、速度快、接頭性能好等特點，在油氣管線高強鋼焊接上的應用研究也越來越廣泛[3-4]。

隨著數值模擬技術及計算機硬件技術的發展，近年來采用數值模擬技術指導實際焊接過程已成為一種方便快捷的方法，避免了傳統實驗研究耗時耗力的缺點，是目前焊接工程領域的一個研究熱點[5]。

以10 mm厚X80管線鋼平板為研究對象，采用雙橢球體熱源模型，使用ANSYS有限元分析軟件模擬計算激光電弧復合焊接溫度場和應力場，并與實際焊接實驗所得焊縫形狀以及X射線衍射法（XRD）測得的殘余應力數據進行對比，以驗證復合熱源模型的準確性。

1　實驗系統與材料

實驗系統如圖1所示，光纖激光器型號為IPG YLS-4000，額定最大功率4kW，焦距300mm。熔化極氣體保護焊電源型號為肯比KMS500。

圖1　激光MIG復合焊接實驗系統示意Fig.1Diagram of torch setup of hybrid laser-MIG welding

2　激光電弧復合焊接模型

2.1激光電弧復合焊接熱源模型

為了描述和分析真實熱源，需要對實際的熱源做一定抽象簡化，建立熱源模型。受焊接速度的影響，熱源電弧運動方向前方的加熱區域比后方小，因此采用雙橢球熱源進行加載比高斯體熱源更貼近實際焊接過程[6-7]。雙橢球熱源分成前、后兩部分，其熱流密度公式如下：

前半橢球的熱流分布公式

后半橢球的熱流分布公式

式中q為熱流密度；ff，fr為熱源集中系數；af，ar，bh，ch為橢球軸的大小；Q為熱輸入功率。

雙橢球熱源模型如圖2所示。

圖2　雙橢球體分布區域示意Fig.2Dual ellipsoid distribution area diagram

2.2材料物性參數

材料物性參數的取值正確與否將直接決定模擬計算結果的準確性，除了材料的熔點（約1300℃）和工件的初始溫度（20℃）是常數外，材料的其他物性參數都是溫度的函數。假設材料為各向同性，在此采用外推法來求解設置材料的高溫性能參數。X80管線鋼物性參數如表1和表2所示。

表1　X80的熱物理性能參數Tab.1Thermal property parameters of X80

表2　X80的機械性能參數Tab.2Mechanical property parameters of X80

2.3有限元模型的建立

所用焊件尺寸為150mm×50mm×10mm的對稱平板，由于對稱性，為簡化計算，只取其中一半進行分析。焊縫區網格尺寸大小為1 mm，遠縫區5 mm，中間過渡區運用自由網格劃分，網格劃分情況如圖3所示，單元總數25557，節點數20 319。根據實驗確定有關工藝參數如下：激光輸出功率3 000 W；一般研究理論指出激光深熔焊接的熱效率大于0.8，在此取0.8；MIG焊接的熱效率為0.68～0.85，在此取0.7；激光光斑與電弧中心距離DLA=2 mm，激光離焦量1.0mm，焊接速度0.6m/min，電弧功率3600W，焊絲干伸長12 mm。

2.4初始條件與邊界條件

實際焊接過程中，熱能的損失主要通過輻射，而對流作用相對較小，由于對流和輻射過程較為復雜，因此為了簡化整個計算過程，采用一個總傳熱系數，即為33.5 W/（m2·K），環境溫度20℃。邊界條件即在模型的前后兩側面，z方向工件底部和焊縫面施加邊界條件。

圖3　模型網格劃分Fig.3Grid of welding mode

3　結果及分析

3.1模擬溫度場分布及與實驗結果對比

t=11 s時的焊縫溫度場分布如圖4所示，模擬焊縫形狀與實驗焊縫形狀對比如圖5所示。實測焊縫尺寸與有限元模擬尺寸對比如表3所示。

圖4　側面熔池Fig.4Profile of Molten pool

圖5　模擬結果與實驗結果的對比Fig.5Comparison of simulation and experiment

表3　實測焊縫尺寸與模擬焊縫尺寸對比Tab.3weld size of simulation and experiment

復合焊接同時具有電弧焊接熱源和激光焊接熱源的特點，如圖4所示，其焊接接頭處的溫度值高于1 950℃。溫度云圖上的等溫線形狀是以焊接方向為長軸的橢圓，說明熔池形狀呈橢球狀，這與選定的熱源模型符合。焊縫溫度場等溫線呈橢圓形并且在靠近熱源的地方等溫線分布密集，溫度梯度較大，而遠離熱源的部位等溫線分布較為稀疏，溫度梯度較小。

比較圖5和表3可知，模擬所得的焊縫形狀與實驗所得的焊縫形狀較為接近，且兩種結果的焊縫熔深和熔寬的誤差絕對值不超過-5％，由此可知模擬結果和實測結果是基本吻合的。由于模擬實驗沒有考慮熔池實際焊接過程中的各種熱運動過程，只是施加了一個熱傳導系數，因此存在小幅誤差。

3.2應力場結果分析及與實驗結果對比

t=5 s時的等效應力分布如圖6所示。等效應力主要分布在焊縫及焊縫附近的區域，焊縫中心熔池處由于呈熔融狀態應力很小，等效應力的峰值出現在焊縫邊界附近。

圖6　t=5 s時的等效應力分布云圖Fig.6Nephogram of equivalent stress when t=5 s

為驗證模擬結果，采用XRD法進行焊接試板正面殘余應力的測試，測量9個點，相鄰點之間間隔6 mm，具體測量位置如圖7所示。所測點焊后縱向殘余應力仿真和實驗數值對比如圖8所示。

圖7　選取殘余應力測量點的位置示意Fig.7Schematic diagram of residual stress samplingpoints

圖8　縱向殘余應力數值對比Fig.8Contrast of longitudinal residual stresses

縱向殘余應力數值對比如圖8所示。由圖8可知該路徑焊縫區縱向殘余拉應力在焊縫區域承受最大拉應力，其值為368 MPa，主要原因是在焊接過程中，熱源對焊縫處材料快速加熱直至熔化，使材料本身產生熱膨脹。該部分材料所受熱應力隨著溫度升高逐漸增大，直至超過材料的屈服極限而產生較大壓縮塑性變形；當焊接熱源離開該位置后，焊縫及近縫區材料逐漸冷卻，其本身的強度也逐漸恢復，由于該區域材料在冷卻過程中要受到周邊基體金屬的牽制，因此焊縫及近縫區出現較大拉應力，最終形成了縱向殘余拉應力。隨著距焊縫距離的增加，焊接應力逐漸由拉應力轉變為壓縮應力，主要原因是工件前后的卡具限制了該方向的受熱膨脹，使工件在縱向受到擠壓，從而產生縱向殘余壓應力。

通過比較模擬和實驗的殘余應力曲線可知，焊接殘余應力數值計算結果與實驗測量結果基本吻合，但有小幅誤差，引起誤差的原因可能是進行溫度場及應力場模擬時對X80管線鋼的熱物理性能參數采用外推法進行了估算。

4　結論

（1）采用雙橢球體熱源模型對10 mm厚的X80管線鋼平板對接激光-電弧復合焊的溫度場進行模擬，通過對比仿真和實驗兩者所得的焊縫截面形狀以及焊縫尺寸，說明建立焊接熱源模型的準確性。

（2）通過對X80管線鋼激光-電弧復合焊應力場的模擬分析計算可以得出，縱向殘余應力在焊縫以及焊縫附近表現為拉應力，在距焊縫15 mm的區域內急劇減小，隨著距焊縫距離的增加轉變為壓應力并趨于穩定。

（3）由模擬得出的殘余應力分布曲線與實驗測得的應力分布曲線對比分析可知，X80管線鋼平板對接激光-電弧復合焊的應力場模擬結果與實驗測得的應力場分布曲線形狀相似，但是數值模擬結果和實驗測量結果存在一定差異，這可能與模擬時材料熱物理性能參數的設置有關。

[1]崔旭明，李劉合，張彥華.激光-電弧復合熱源焊接[J].焊接技術，2003，32（2）：19-21.

[2]嚴春妍，李午申，馮靈芝.X100級管線鋼及其焊接性[J].焊接學報，2007，28（10）：105-108.

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[5]吳圣川，劉建華.鋁合金激光-電弧復合焊的有限元數值[J].模擬航空制造技術，2005（12）：74-76.

[6]Chen Yanbin，Li Liqun，Gang Junfei，et al.Temperature field simulation of laser-TIG hybrid welding[J].China Welding，2003，12（1）：62-66.

[7]劉黎明，遲鳴聲，宋剛，等.鎂合金激光-TIG復合熱源焊接熱源模型建立及期數值模擬[J].機械工程學報，2006，42（2）：82-85.

Numerical analysis of X80 pipeline steel in laser-arc hybrid welding

SHI Tingshen1，2，ZHU Jialei2，JIAO Xiangdong2，MENG Qingchen2，FENG Yanpeng2，ZHANG Yongming2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2.College of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

According to the physical characteristics of laser-arc hybrid welding heat source，the double ellipsoid welding heat source model was established.Using the ANSYS FEM software to analyze the temperature and residual stress distribution of X80 jam welded by hybrid welding.On this basis，experiments were carried out on X80 pipeline steel with 10 mm thick and the simulation results were compared with the experimental results.The results showed that the simulation results of weld contour，weld size and residual stresses were all agreed with the experimental results，which proved the applicability of the heat source model and laid a solid foundation for the prediction of weld microstructure and properties.

X80 pipeline steel；hybrid welding；numerical analysis；residual stress

TG456.9

A

1001－2303（2016）02－0078-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.17

2015-09-02；

2015-09-30

國家自然科學基金（51205026，51175046）；科技北京百名領軍人才培養工程（Z131104000513025）；北京石油化工學院優秀青年教師和管理骨干培育計劃資助項目：BIPT-BPOYTMB-2013；北京石油化工學院大學生研究訓練[URT]計劃資助項目（2014J00049，2015J00084）

石庭深（1990—），男，浙江人，碩士，主要從事激光電弧復合焊接方面的研究。