基于ANSYS 的X80管線鋼焊接數(shù)值模擬

羅德通，萬夫偉，王海燕

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

焊接溫度場對焊接質(zhì)量的影響較大，是焊接冶金分析、焊接應(yīng)力、變形分析以及焊接質(zhì)量控制的前提［1-2］。X80管線鋼的焊接作為西氣東輸工程管道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，探究它的焊接溫度場及焊接工藝有著重大意義。目前X80管線鋼焊接數(shù)值分析主要集中在一些厚度較小的工件上，在實(shí)際應(yīng)用中仍有較大的局限性［3-4］。

針對這一問題利用ANSYS軟件模擬與實(shí)際工程相同的18.4 mm厚的X80管線鋼焊接過程，為焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化提供幫助，可節(jié)省大量時間和資源，還可以為其他實(shí)際大型工件的焊接提供可靠的參數(shù)依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)建模

1.1 非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)控制方程

焊接溫度場分析是典型的非線性瞬態(tài)問題，在求解域內(nèi)任意一點(diǎn)的瞬態(tài)溫度T（x，y，z，t）滿足以下微分方程為，

式中：ρ―密度；

c―比熱；

λ―導(dǎo)熱系數(shù)；

Q1，2―內(nèi)熱源；

T―溫度；

t―時間。

1.2 邊界條件

焊接過程中，由于焊件與周圍環(huán)境介質(zhì)有熱交換，因此，在施加載荷前對金屬板設(shè)定邊界條件是非常必要的。X80管線鋼焊接過程中，輻射和對流為主要的熱損失方式。模擬時通過提高熱對流系數(shù)來代替輻射作用，設(shè)定好空氣與焊件的對流系數(shù)即可。而且由于焊件結(jié)構(gòu)及傳熱的對稱性，模型的對稱面要取絕熱邊界［5-7］。邊界條件為，

式中：α―表面換熱系數(shù)；

n―表面外法線方向；

Ts―為邊界溫度；

T0―為周圍介質(zhì)溫度，取室溫T0=20℃。

1.3 雙橢球熱源分布模式

雙橢球熱源分為前后兩個部分，前半部分是1/4橢球，后半部分是另一個1/4橢球，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：q―熱通量；

x，y，z―分別相對于熱源中心的坐標(biāo)；

Q1，Q2―熱源前半球和后半球的最大值；

a1，a2，b，c―分別為雙橢球幾何形狀參數(shù)。

2 有限元分析

2.1 材料及工藝

將 2塊尺寸為 200 mm×60 mm×18.4 mm的X80管線鋼板對焊在一起，為簡化計(jì)算過程，焊縫區(qū)域設(shè)為3層埋弧焊，開V形坡口，帶余高。工藝參數(shù)見表1。

表1 工藝參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

焊接時焊縫處溫度梯度變化大，選擇合適的網(wǎng)格劃分方式及網(wǎng)格疏密程度，對最后溫度場模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要［8-9］。文中采用映射網(wǎng)格和智能網(wǎng)格劃分方式，在焊縫區(qū)及近焊縫區(qū)采用較細(xì)的網(wǎng)格；在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，采用較粗的網(wǎng)格；這兩個區(qū)域采用映射網(wǎng)格劃分，而中間的過渡區(qū)則采用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

2.3 材料熱物理性能參數(shù)

焊縫區(qū)的溫度隨著焊接的進(jìn)行而迅速改變，其材料的熱物理性能也發(fā)生較大改變，對溫度場的計(jì)算有較大影響，故焊接溫度場數(shù)值模擬時應(yīng)考慮熱物理性能參數(shù)的改變。表2給出了X80管線鋼的各項(xiàng)熱物理性能參數(shù)隨溫度改變的數(shù)值。

表2 X80鋼的熱物理性能參數(shù)

2.4 移動載荷的施加

在利用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)熱源移動和加載前，先利用EKILL命令，“殺死” 全部焊縫單元［10-11］。計(jì)算過程中，熱源每向前移動一個載荷步，就用EALIVE命令 “復(fù)活”相應(yīng)的單元，并施加相應(yīng)載荷。每步加載完成后，熱源中心就向前移動一個載荷步，并使用BFDELE命令刪除前一載荷步的載荷，并把上一次加載完后的溫度值作為本次加載的初始溫度值。當(dāng)一層焊接完成后，室溫空冷至50~150℃，再進(jìn)行下一層的焊接。

3 結(jié)果與討論

3.1 焊接溫度場云圖

焊接模擬每層的焊接時間約為11 s，由于層間溫度要控制在50~150℃以下，每層焊完后需冷卻100s，因此總時長約為333s。為觀察焊接溫度場的瞬態(tài)變化，分別取焊接時不同時刻的溫度場云圖，如圖2所示。重點(diǎn)觀察1530℃以上的區(qū)域（X80鋼處于熔融態(tài)）。圖2為第13層焊接時依次取 0.5 s，4.5 s， 8.5 s， 112 s， 114 s，116 s， 223 s，225s，227s的溫度場云圖。由圖2可知，熱源沿焊接方向勻速移動，熱源所到區(qū)域溫度迅速升高，隨著熱源的移動，溫度又快速下降。加熱開始時，熔池處于非穩(wěn)態(tài)，隨著時間的推移，熔池逐漸處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熔池形狀呈橢球狀，這與選定的熱源模型符合。焊件上的最高溫度始終保持在2221℃～2 625℃左右逐步升高。隨著焊接的不斷進(jìn)行，焊縫區(qū)只有焊接部分出現(xiàn)溫度升高的情況，未焊接到的部分并未受熱升溫，這是由于 “生死”單元技術(shù)應(yīng)用，模擬了真實(shí)的焊接過程，逐步激活單元相當(dāng)于焊縫的不斷填充過程，未焊到的部分即未填充部分，不會出現(xiàn)溫度升高的情況。

圖2 不同時刻的溫度等值線

3.2 焊接熱循環(huán)曲線

為分析焊接過程中焊接方向各點(diǎn)的溫度變化情況，取工件厚度方向6 mm、距焊接初始位置為20 mm，40 mm，70 mm，100 mm處的4個節(jié)點(diǎn)，這4個點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線如圖3所示。由圖3（a）可知，由于采用了 “生死”單元技術(shù)逐漸激活焊縫單元，因此當(dāng)熱源未到達(dá)所取焊接點(diǎn)時，相應(yīng)點(diǎn)溫度一直處于預(yù)熱溫度（120℃）且一直未發(fā)生變化，而當(dāng)熱源移動到該點(diǎn)處時，該點(diǎn)的溫度迅速升高，短時間內(nèi)達(dá)到最大值。當(dāng)焊接熱源離開后，溫度又由最大值處逐漸下降，整體來看溫度升高速度明顯大于溫度下降速度。由圖3（b）可見，熱循環(huán)曲線出現(xiàn)3個波峰且波峰大小遞減。分析可知，第2層和第3層焊接對第1層上所取點(diǎn)產(chǎn)生了影響，但影響不如第1層焊接時那么強(qiáng)烈。當(dāng)焊接過程進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)后，各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線基本相同。

圖3 熱循環(huán)曲線

取距離焊接起始端100 mm，工件厚度方向18 mm，距焊縫中心面5 mm，10 mm，15 mm以及20 mm處的4個特征點(diǎn)，繪制熱循環(huán)曲線，如圖4所示。圖4中后3點(diǎn)的曲線均出現(xiàn)3個峰值，且后面峰值溫度大于前面峰值溫度，這是由于后一層焊接有前一層的預(yù)熱，所以后面的峰值溫度大于前面的峰值溫度；起始位置有一小段水平線，表示焊接熱源未到此處時，由于“生死”單元技術(shù)的應(yīng)用使得該處溫度一直處于預(yù)熱溫度120℃。第一個點(diǎn)只在第3層焊接是出現(xiàn)了一個峰值，這是由于該點(diǎn)取在了使用生死單元技術(shù)的焊縫區(qū)，當(dāng)焊接1層和2層焊縫時該點(diǎn)單元處于殺死狀態(tài)，故其溫度一直處于預(yù)熱溫度的120℃，僅當(dāng)焊接到第3層該點(diǎn)時才激活該單元出現(xiàn)溫度升高的情況。第2層開始焊接時初始溫度已經(jīng)降到150℃以下，符合焊接要求。

圖4 距焊縫中心不同距離節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

4 結(jié) 論

（1）建立了X80管線鋼板三維有限元模型，采用三維雙橢球體積熱源分布模式作為焊接熱源，通過編寫多層埋弧焊接的APDL程序，實(shí)現(xiàn)了熱源的移動加載，符合實(shí)際焊接過程。

（2）計(jì)算結(jié)果表明，焊接移動溫度場具有準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn)，“生死”單元技術(shù)能有效模擬焊縫的形成，模擬結(jié)果與實(shí)際焊接過程理論上是一致的，說明數(shù)值模擬方法計(jì)算焊接溫度場是可行的，為焊接殘余應(yīng)力的求解和焊縫組織結(jié)構(gòu)的預(yù)測提供了條件。

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