HFW 焊管滾槽加工對焊縫開裂的影響

封壯壯， 黃素霞， 劉曉立， 李河宗，翟永利， 王志偉

（1. 河北省智能工業裝備技術重點實驗室， 河北 邯鄲 056000；2. 河北工程大學機械與裝備工程學院， 河北 邯鄲 056000；3. 邯鄲正大制管集團股份有限公司， 河北 邯鄲 056700）

0 前 言

HFW 焊管具有尺寸精度高、 生產效率高、 焊縫熱影響區小、 對結合面質量要求低等優點， 被廣泛應用于能源管道、 管道機械制造和低壓流體輸送管道中[1-2]。 通常情況下， 管道連接方式多采用卡箍式， 也稱溝槽式[3]。 而在加工溝槽時， 由于焊縫與母材的組織和力學性能存在差異， 因此在溝槽成形過程中會在焊縫處產生開裂， 又稱“滾槽開裂”，降低焊管質量。 故本研究基于熱-力順序耦合和顯示動力學的理論， 采用ABAQUS 有限元分析軟件對焊管焊縫成形過程及滾槽加工過程進行模擬，通過分析形變量與力學性能探究滾槽開裂的原因。

1 有限元模型建立

1.1 尺寸選擇

本研究采用的HFW 焊管， 管體材料為Q235鋼， 其滾壓溝槽形狀及尺寸示意圖如圖1 所示， 詳細尺寸參數見表1。

圖1 焊管及溝槽尺寸

表1 焊管和溝槽的尺寸

1.2 三維模型

高頻電阻焊管的生產制造過程采用連續焊接的生產工藝， 為簡化分析過程， 定義高頻焊管模型管件長度為60 mm， 滾槽加工模型如圖2所示。

圖2 滾槽加工模型

1.3 單元選取網格劃分

焊接模型的有限元網格劃分如圖3 所示，共劃分29 450 個單元， 單元類型分別為熱傳遞單元DC3D8 和三維應力單元C3D8R， 擠壓輥設置為離散剛體， 共劃分為750 個單元， 單元類型為剛體單元R3D4。 由于間隙和管體端部部分別是焊縫和滾槽區域， 該處的溫度梯度和應力梯度均較大， 因此， 需在間隙和滾槽及其附近區域進行網格細化。 滾槽模型的鋼管網格劃分與焊接時的數據保持一致， 壓輪、 壓輪桿和支撐輥設置為離散剛體， 單元類型為剛體單元R3D4， 滾槽機機架設置為顯示體， 不參與計算。

圖3 焊縫處細化網格

1.4 焊接熱源模型及其參數

為進一步分析鋼管高頻焊接焊縫成形過程[4-5]，對其進行了數值模擬， 其中， 焊接溫度是影響管體焊縫形狀及殘余應力的重要因素， 而熱源模型對溫度場模擬的影響較大[6]， 因此， 需根據實際焊接參數條件下的能量分布狀態建立相應的數學模型， 使模擬的熔坑 （液-固） 邊界與實際的熔接線相吻合[7]。 本研究采用在間隙兩側待焊合的兩側面施加移動面熱源的方法模擬高頻焊接熱量分布， 面熱源在待焊面上以焊接熱源為中心， 在焊縫長度方向上呈高斯分布[8]， 并與擠壓輥以相同的速度沿焊管軸向移動， 任意一點的表面熱流密度分布見公式（1）。

式中： r——熱源半徑， mm；

η——焊接熱效率；

Q——焊接功率， kW；

v——焊接速度， m/s；

t——瞬時焊接時間， s。

經過試算， 本研究的熱源半徑設為5 mm，環境初始溫度設為室溫20 ℃。

1.5 相互作用與邊界條件的設置

1.5.1 相互作用

根據實際加工過程， 將管件與擠壓輥模型導入ABAQUS 軟件中并進行裝配， 擠壓量設置為1.5 mm， 在管道待焊接的兩個側面和擠壓輥與管道之間的接觸面建立接觸屬性， 切向采用摩擦接觸， 摩擦因數為0.1。 將所有滾槽工作部件導入ABAQUS 軟件并進行裝配， 下壓量設置為2.2 mm，分別將壓輪與管件外表面以及支撐輥與管件內表面建立接觸關系， 摩擦因數為0.3。 兩個模型法向均采用 “硬” 接觸且設置為允許接觸后分離，在鋼管軸線中心處建立RP 點與鋼管內表面耦合以便施加邊界條件。

1.5.2 邊界條件

在焊接模型中， 焊接溫度過高會對應力場有較大影響， 為易于收斂， 在計算高頻電阻焊時采用熱-力順序耦合法[9]， 即先使用熱傳遞分析步計算溫度分布， 再將溫度場結果導入力分析步計算應力場。 根據高頻焊管生產過程， 在管體擠壓過程中， 預先對擠壓輥設置位移邊界條件。 管體的擠壓過程為， 首先沿管體半徑方向移動擠壓輥， 管體的焊接起點處受擠壓閉合形成焊接點，然后沿管體軸向移動擠壓輥， 并與焊接速度保持一致， 直至管道焊接完成。

焊縫成形后， 由于在焊接過程中會發生壓縮變形、 熱脹冷縮等作用， 因而會在焊縫區域產生殘余應力， 故將該模型導入滾槽模型的預定義場中并作為初始狀態， 滾槽模型采用動力顯示算法。 依據滾槽的實際加工過程對模型設置邊界條件， 第一步為壓輪下移與焊管外表面接觸； 第二步為壓輪下壓， 同時電機開始轉動， 通過壓輪和支撐輥的擠壓與摩擦力的作用使焊管開始轉動，直至壓輪壓至設定深度； 第三步是壓輪復位。

1.6 材料參數

本研究選取Q235 鋼為作為母材， 材料的結晶潛熱為252 J/g， 固相線溫度為1 430 ℃， 液相線溫度為1 510 ℃， Q235 鋼的熱傳導率、 比熱、熱膨脹系數等熱物理參數隨溫度變化而變化，Q235 鋼在不同溫度下的熱物理性能參數以及室溫下的力學參數如圖4 所示[10-11]。

圖4 不同溫度下Q235 的材料性能參數

2 試驗驗證

圖5 為實際溝槽成形后的集合參數和截面參數對比圖， 取截面測量其尺寸， 結果與有限元模擬得到的模型基本一致， 從而驗證了有限元模型的正確性。

圖5 實際溝槽成形后集合參數和截面參數對比圖（單位：mm）

3 結果與討論

3.1 溫度場及應力場云圖

3.1.1 焊接溫度場云圖

焊接溫度場模擬過程如圖6 所示， 該分析步為熱傳遞， 只計算熱流密度， 紅色區域溫度為高于1 500 ℃的熔池區， 最高溫度可達2 000 ℃以上。

圖6 焊接溫度場云圖

3.1.2 焊接殘余應力場云圖

圖7 為焊接殘余應力場云圖， 由圖7 可以看出， 高頻焊接起點和終點以及距焊縫中心1.5～3.5 mm 區域的Mises 應力較大。 由于焊接起點和終點處的焊縫內壁受到擠壓作用， 因此該處的切向殘余應力最大， 而軸向殘余應力在焊縫及附近區域最大， 接近屈服應力， 由于管件的厚度只有3.5 mm， 因此徑向殘余應力較小。

圖7 HFW 焊管焊接殘余應力場云圖

3.1.3 溝槽應力場云圖

圖8 為溝槽加工后的應力云圖。 滾壓后的殘余應力場云圖如圖8 （a） 所示， 由于焊縫區域與母材組織性能不一， 在焊接殘余應力及下壓輥作用下， 沿焊縫附近及溝槽處的殘余應力較大且有應力集中， 表明這些區域也是滾壓過程中極易開裂的位置。 由滾槽加工原理可知， 下壓輥對溝槽底邊產生壓應力時會在溝槽邊緣產生彎矩， 這些彎矩可分解成沿切線向上的應力， 使焊縫處更加容易發生撕裂， 焊縫截面處的應力分布如圖8 （b） 所示，由圖可知， 焊縫處最大主應力以切向應力為主。

圖8 溝槽加工后的應力場云圖

3.2 滾槽開裂的影響因素

3.2.1 焊接殘余應力

本研究將有無焊接殘余應力的鋼管分別進行滾壓模擬， 分析殘余應力對焊縫處的切向應力與下壓力的影響， 結果如圖9 所示。 由圖9可見， 有焊接殘余應力的管鋼壓輪下壓力、 滾后最大切向應力較大。 焊接時的高溫與冷卻過程可近似看作局部熱處理， 而焊縫處的局部熱處理會導致焊縫組織與力學性能分布不均勻，由于焊接后的焊縫的強度高于母材， 因此， 在滾槽加工過程中， 壓輪產生的下壓力會更大，同時根據滾壓原理， 滾壓時的最大切向應力也隨之變大， 滾槽開裂傾向增大。

圖9 HFW 焊管焊接殘余應力對滾壓的影響

3.2.2 滾壓圈數

在溝槽加工過程中， 鋼管每轉動一圈， 壓輪便加壓一次， 直至達到一定深度， 下壓過程中均勻施加向下的壓力， 本研究模擬在總下壓量一定時， 通過改變滾壓圈數控制變形速度， 進而對結果產生影響， 結果如圖10 所示。

圖10 滾壓圈數對壓力、應力的影響

由圖10 可知， 滾壓1～5 圈時， 由于滾壓圈數少， 每次下壓量差值較大， 塑性變形程度較大； 同時， 隨著滾壓圈數的增多， 每圈下壓量必然減小， 故滾壓過程所施加壓力的最大值以及焊縫處的最大切向應力也隨之變小； 滾壓6 圈以后， 每次下壓量差值較小， 塑性變形程度減小，壓力與應力值波動較小， 基本呈穩定狀態。

3.2.3 滾壓進給量

在金屬發生塑性變形過程中， 金屬晶格間產生了彈性畸變， 阻礙了金屬內滑移的進行，隨著變形程度增大， 金屬的形變抗力也增大，進而產生加工硬化[12]。 本研究通過調節壓輪單次進給量， 采用不均勻的進給方式控制變形程度， 試驗方案見表2， 不同的滾壓進給量試驗方案對結果的影響如圖11 所示， 不均勻進給量會出現單次下壓量較大的情況， 會使單次的變形程度增大， 從而變形抗力變大， 下壓力和沿焊縫切向應力會產生突變， 由圖11 可知不均勻進給方案對滾壓最大應力值影響較大， 而均勻下壓的方案1 影響最小。

表2 不同下壓圈數及壓輪進給量試驗方案

圖11 不同進給方案對下壓力和切向應力的影響

3.2.4 滾壓位置

在滾壓加工溝槽時， 不同初始下壓位置會對焊縫區域產生不同的影響。 本研究模擬了壓下位置分別為焊縫熔合區、 熱影響區和母材的滾槽成形過程， 試驗結果如圖12 所示。 圖12 （a）、 圖12（b） 分別為不同初始下壓位置對滾槽成形過程的影響， 由圖12 （a）、 圖12 （b） 可知， 初始下壓位置為焊縫熔合區時， 該處的下壓力與滾壓最大切向應力均最大。 本研究所劃分的焊縫熔合區包含了極窄部分的熔合區， 也稱過渡區， 此處的晶粒尺寸較大， 化學成分和組織分布不均勻， 力學性能較差。

圖12 不同滾壓位置對下壓力和切向應力的影響

4 結 論

（1） 當焊縫存在焊接殘余應力時， 滾壓所需壓力以及最大切向應力比無焊接殘余應力時更大， 故焊接后的殘余應力加劇了滾槽加工中的焊縫開裂， 因此， 在加工過程中應提高焊接質量，減小焊接殘余應力。

（2） 在總下壓量一定時， 滾壓1～5 圈內，滾壓過程所施加壓力的最大值以及焊縫處的最大切向應力與滾壓圈數成反比， 6 圈以后壓輪下壓力及液壓最大切向應力趨于穩定且小于材料抗拉強度， 故滾壓加工時滾壓圈數盡量大于6 圈。

（3） 在總下壓量一定時， 采用均勻下壓方案所施加壓力的最大值以及焊縫處的最大切向應力均最小， 故實際滾壓時應采用均勻下壓方案。

（4） 進行滾壓加工時， 滾壓初位置為母材區域可減小壓輪在焊縫處的下壓力以及切向應力，故滾槽加工時應先從母材區域起壓。