X80管線鋼平板多層對接焊數值模擬

元 媛，嚴春妍，安愛玲，包曄峰

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

X80管線鋼平板多層對接焊數值模擬

元 媛，嚴春妍，安愛玲，包曄峰

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

管線鋼在實際焊接過程中多采用多層焊，其焊接過程較單層焊更為復雜。利用SYSWELD專業焊接模擬軟件，對X80管線鋼中厚板平板多層焊焊接溫度場及應力場進行數值模擬，研究焊接速度、預熱溫度及層間溫度對焊接溫度場和熔深的影響。結果表明，隨著焊接速度的增加，焊接溫度場的最高溫度下降，熔深減小。提高預熱及層間溫度對溫度場無顯著影響。殘余應力集中在焊縫及近縫的熱影響區。最大縱向殘余應力出現在打底層的焊縫根部，其峰值大于橫向殘余應力峰值。

溫度場；應力場；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，經歷了漫長的發展變化。自二戰期間美國建立了世界上第一條具有現代規模的長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不斷提高[1]。X80管線鋼通過形變強化而使材料具有很高的強韌性，又因其經常服役于嚴苛的工作環境，因此對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，由于多層焊會經歷多次焊接熱循環過程，溫度場變化十分復雜，僅憑經驗并不能定量地、全面地掌握其變化規律[3]。加之焊接是對局部快速加熱又快速冷卻的過程，該過程會釋放大量應力使得焊件焊后變形，從而可能導致焊接構件失效。在此使用SYSWELD專業焊接模擬軟件模擬板厚14.6 mm、屈服強度625 MPa、抗拉強度720 MPa的X80管線鋼平板多層對接焊的焊接過程，獲得焊接工藝參數對溫度場的影響，計算出焊后殘余應力值，為實際X80管線鋼多層焊的焊接過程提供指導與理論依據。

1 焊接有限元理論基礎

1.1 溫度場方程

焊接溫度場三維非線性瞬態熱傳導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方向上的導熱系數；T為溫度場的分布函數；t為時間。

通過對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；T∞為周圍環境溫度；σ為玻爾茲曼常數；ε為體表面的輻射率。

1.2 應力場方程

材料處于彈性或塑性狀態的應力應變關系[6]

式中 [D]為彈性或彈塑性矩陣；{C}為與溫度有關的向量；{dε}為總應變；{dσ}為總應力。

整個構建的平衡方程組為

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。由于平板焊件的對稱性，取模型的一半進行研究。在進行數值模擬計算時，在對稱面上施加對稱約束。設定焊接方向平行于y軸，焊接起始點為原點。采用規則的六面體網格，在焊縫和熱影響區細化網格，遠離焊縫和熱影響區處粗化網格。有限元模型網格劃分如圖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，選擇合適的焊接熱源模型是得到溫度場結果的前提。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、熔化極氣體保護焊等焊接方法[7]。在此選用雙橢球熱源模型作為溫度場數值模擬計算的熱源模型。

2.3 邊界條件及材料性能參數設置

采用SYSWELD專業焊接模擬軟件進行有限元分析，在進行焊接模擬時需要考慮材料的熱物理性能參數以及力學性能參數。本研究計算所用X80管線鋼部分材料性能參數參考國內外相關文獻，而對于部分未知溫度參數通過插值法和外推法確定。X80管線鋼的各項性能參數如圖2所示。

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

設定熱輻射和熱對流的邊界條件。總換熱系數采用SYSWELD中提供的換熱公式。本研究中環境溫度為20℃，預熱溫度和層間溫度為100℃。

2.4 焊接工藝參數

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焊。焊接工藝參數如表1所示。

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

圖3 焊接不同時刻的溫度場云圖Fig.3 Temperature field during welding and after cooling

3 結果及分析

3.1 平板焊接溫度場結果及分析

根據建立的有限元模型和確定的各項參數，計算出X80管線鋼三維瞬態溫度場模擬結果。焊接到每一層焊縫進入穩定焊接時的溫度場云圖如圖3所示。每層焊的焊接工藝參數如表1所示，預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，熔池所達最高溫度增大，且高溫覆蓋的范圍也擴大。

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個點，其坐標如下：

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）

研究各焊層上節點的焊接熱循環曲線（見圖4）。由圖4a可知，曲線出現了4個峰值，且峰值溫度依次下降。這是因為后面每一層焊接都對打底層的表面節點產生了熱影響。隨著后續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的熱循環曲線變化情況與打底層類似。蓋面層由于沒有后續焊層的影響，只出現了一個峰值溫度。

隨著時間推移，處于最高溫度的節點位置也不斷變化。這是由于在多層焊焊接中，后續焊層對已焊接層有焊后熱處理作用，而先焊層對后焊層則起到預熱作用。各個節點溫度變化基本一致，最高溫度相差甚微。

3.2 焊接速度對溫度分布的影響

焊接速度間接影響焊接熱輸入，從而影響溫度 場。不同焊接速度對于板件的焊接溫度場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點焊接熱循環曲線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，單位時間內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。

3.3 預熱及層間溫度對溫度分布的影響

采取相同的預熱溫度及層間溫度，選取20℃、60℃、100℃和150℃四個不同的溫度值研究溫度場的分布。不同預熱及層間溫度條件下，溫度場計算結果如圖7所示。

圖7 不同預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，預熱溫度及層間溫度對打底焊的影響大于對填充焊和蓋面焊的影響，且越到后續焊層其影響效果越弱。

3.4 應力場結果與分析

采用SYSWELD模擬X80管線鋼平板焊接的應力場時，首先按照熱傳導方程和邊界條件剖析計算不同節點、不同時刻的溫度值，并按規定的順序將數據記錄在溫度變化文件中；讀取溫度數據，并將不同時刻、不同節點的溫度作為載荷施加到應力分析中，以實現應力應變分析。

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

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

圖8 焊接殘余應力云圖Fig.8 Cloud picture of residual stress

4 結論

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

（2）分析多層焊焊接熱循環曲線可知，填充焊和蓋面焊對打底焊層上所取節點產生熱影響，使打底層的焊接熱循環曲線出現4個波峰。由于后續焊層對已焊接層的熱處理作用、先焊層對后焊層的預熱作用，使最高溫度的節點位置不斷變化。

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

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

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（3）在-30℃條件下對焊接接頭進行夏比沖擊實驗，缺口分別位于焊縫中心和熱影響區。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的斷口上分布著尺寸較大的韌窩。

（4）硬度分析表明，內襯層母材金屬硬度高于基層金屬母材硬度，由于經過多次后道焊縫的熱處理作用，內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。

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