油氣管道自動(dòng)焊接應(yīng)力數(shù)值模擬分析

沈桓宇 豐兆安

1. 南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 南充 637000；2. 中國(guó)石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721000

1 管道焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬理論分析

焊接熱應(yīng)力分析過(guò)程涉及熱彈塑性問(wèn)題，焊接材料的自由能密度與溫度和應(yīng)變相關(guān)[1-2]。焊接應(yīng)力場(chǎng)分析過(guò)程涉及熱彈塑性問(wèn)題，從能量上看，焊接電弧提供給焊材熱能，大部分熱能使焊件溫度上升，一部分熱能消耗在焊件膨脹變形做功上。因此，焊接應(yīng)力場(chǎng)是耦合的，在焊接過(guò)程中，由于應(yīng)力場(chǎng)分析涉及熱彈塑性問(wèn)題，做以下假設(shè)[3-4]：①材料屈服服從Von-Mises屈服準(zhǔn)則；②材料塑性應(yīng)變服從塑性強(qiáng)化準(zhǔn)則和流動(dòng)準(zhǔn)則；③彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與溫度應(yīng)變是不可分的；④隨溫度變化的力學(xué)性能以及應(yīng)力應(yīng)變?cè)谳^小的時(shí)間增量?jī)?nèi)是線性變化的。

2 管道焊接應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)計(jì)算

2.1 焊接應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析

本文采用間接法來(lái)進(jìn)行焊接過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，將節(jié)點(diǎn)溫度作為熱載荷，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的分析，計(jì)算焊接時(shí)應(yīng)力變化過(guò)程、應(yīng)力分布規(guī)律及焊后殘余應(yīng)力。

以X70管線鋼為對(duì)象進(jìn)行管道對(duì)接自動(dòng)焊模擬研究，管道直徑1016mm，管壁厚度17.5mm，采用單邊寬60mm、沿焊縫方向角度取25°的部分管道進(jìn)行對(duì)接自動(dòng)焊建模，并結(jié)合焊接過(guò)程實(shí)際情況將V型坡口焊縫部分分為3層，如圖1所示。

圖1 V型坡口模型及焊縫分層示意圖

選用單元內(nèi)部生熱作為焊接熱源，采用生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)焊接模擬計(jì)算。根據(jù)雙絲自動(dòng)焊接工藝參數(shù)及電源特性，焊接模擬采用的焊接參數(shù)為：焊接電壓為23V；焊接電流為230A；電弧熱效率為0.75；焊接速度為850mm/min。

將熱分析單元設(shè)置為相應(yīng)的SOLID45結(jié)構(gòu)單元，定義分析時(shí)焊接材料隨溫度變化的泊松比、線性膨脹系數(shù)和彈性模量。塑性選項(xiàng)采用雙線性等向強(qiáng)化BISO，并且定義材料的屈服應(yīng)力和切變模量。加載時(shí)，管道焊接數(shù)值模擬時(shí)兩對(duì)接管道被視為無(wú)限長(zhǎng)，故在不影響應(yīng)力應(yīng)變的情況下將模型兩側(cè)施加全約束，焊接起始端和結(jié)束端施加對(duì)稱約束[5-6]。通過(guò)有限元軟件的后處理查看應(yīng)力場(chǎng)的分布云圖及曲線圖。

2.2 焊接過(guò)程中應(yīng)力分布

在焊接過(guò)程中，焊縫及熱影響區(qū)的加熱速度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，焊縫處金屬材料受熱后發(fā)生膨脹，受到遠(yuǎn)離焊縫處較冷區(qū)域材料的約束，產(chǎn)生彈性熱應(yīng)力。當(dāng)受熱區(qū)域溫度上升后，焊接材料的屈服極限會(huì)降低，導(dǎo)致部分熱應(yīng)力將超過(guò)材料的屈服極限，從而發(fā)生塑性壓縮。在焊接結(jié)束后，冷卻至接近室溫，焊縫處及熱影響區(qū)比遠(yuǎn)離焊縫處相對(duì)變窄、減小和縮短，造成該位置產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫處則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，最終得到焊縫殘余應(yīng)力。焊接過(guò)程中不同時(shí)刻殘余應(yīng)力云圖，如圖2所示。

圖2 焊接殘余應(yīng)力分布云圖（第一層）

從圖2的（a）圖可以看出，焊接殘余應(yīng)力值隨著焊接熱源的移動(dòng)而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。在焊縫處由于焊材的熔化，新成型焊縫上應(yīng)力很小?？拷缚p的熔合區(qū)，由于高溫受熱膨脹，并迅速降低，應(yīng)力比較大，熱影響區(qū)的應(yīng)力相對(duì)小一些，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，溫度升高和冷卻都比較緩慢些，所以殘余應(yīng)力比較小。從圖2的b圖、圖3、圖4中可以看出焊縫區(qū)域在每道焊接時(shí)接受能量大，由于焊縫處瞬間高溫，會(huì)引起材料膨脹，產(chǎn)生拉應(yīng)力，焊縫區(qū)域是焊接過(guò)程中焊件殘余應(yīng)力最大的部位。從圖3可以看出在焊接第二層時(shí)，焊接殘余應(yīng)力主要是集中在第一層焊縫的根部位置，圖4可以看出在焊接第三層時(shí)，由于對(duì)第一層焊縫又進(jìn)行了一次熱處理，第一層焊縫上部殘余應(yīng)力有所減小，焊接殘余應(yīng)力主要集中在第一層焊縫和第二層焊縫根部位置。

圖3 第118.5s殘余應(yīng)力分布云圖（第二層）

圖4 第230s殘余應(yīng)力分布云圖（第三層）

2.3 焊后殘余應(yīng)力分布

通過(guò)設(shè)置不同路徑，多層焊接結(jié)束后焊縫冷卻到室溫情況下，分析焊接接頭殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。在焊縫截面上，選取與焊縫中心垂直的路徑，路徑位置分別為管道外表面、內(nèi)表面和管壁內(nèi)部，路徑位置如圖5所示。

圖5 路徑示意圖

由圖6可以看出，管道外表面、內(nèi)表面和管壁內(nèi)部均在焊縫處出現(xiàn)最大殘余應(yīng)力，在熔合區(qū)和熱影響區(qū)殘余應(yīng)力迅速下降，且殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。管道外表面要比內(nèi)表面和管壁內(nèi)部的最大殘余應(yīng)力要大，其值為411.6MPa，管道內(nèi)表面的最大殘余應(yīng)力為301.9MPa，管壁內(nèi)部的最大殘余應(yīng)力為267.7MPa。在多層焊接中，后面的焊層將會(huì)對(duì)前面的焊層又一次加熱，相當(dāng)于作了一次熱處理，使得中間焊層的殘余應(yīng)力要小。每進(jìn)行一次焊接時(shí)，在焊縫處就會(huì)產(chǎn)生一次角變形，焊縫處管道內(nèi)表面發(fā)生角變形最為嚴(yán)重，所以管道內(nèi)表面殘余應(yīng)力要比管壁內(nèi)部殘余應(yīng)力要大些，由于最后一層焊接完后就開(kāi)始進(jìn)入冷卻階段，后面沒(méi)有焊層對(duì)其進(jìn)行熱處理，所以外表面的焊接殘余應(yīng)力最大。

圖6 沿路徑方向殘余應(yīng)力分布

3 焊接參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3.1 焊接電壓電流對(duì)及殘余應(yīng)力的影響

在相同焊接速度情況下，分別改變焊接電壓和電流進(jìn)行焊接數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同焊接電壓和電流對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律。根據(jù)表1的工藝參數(shù)分別進(jìn)行焊接應(yīng)力模擬計(jì)算，得到焊接結(jié)束后冷卻到室溫時(shí)的殘余應(yīng)力，研究不同焊接電壓和電流對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

表1 不同焊接電壓和電流焊后殘余應(yīng)力

通過(guò)圖6可以看出，由于后層焊接對(duì)前層焊縫的熱處理作用，所以焊后冷卻到室溫時(shí)管壁內(nèi)部殘余應(yīng)力要比外、內(nèi)表面的殘余應(yīng)力小。因此，我們?cè)诜治龊附庸に噮?shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響時(shí)，主要考慮管道外表面和內(nèi)表面的焊接殘余應(yīng)力。

由表1管道內(nèi)外表面的殘余應(yīng)力分析可知，當(dāng)管道自動(dòng)焊焊接速度穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)焊接電壓和焊接電流增大時(shí)，管道的外表面即管道蓋面層的外表面殘余應(yīng)力變化較小，而管道的內(nèi)表面焊接殘余應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诤癖诙鄬雍附又校恳粚雍缚p焊接完成后，在焊縫區(qū)由于角變形的影響，在焊縫根部會(huì)有相對(duì)較大的殘余應(yīng)力，在進(jìn)行后面一層焊接時(shí)，會(huì)對(duì)前一層焊縫進(jìn)行熱處理，使其殘余應(yīng)力有所降低，當(dāng)熱輸入量增加時(shí)，對(duì)前一層焊縫熱處理的范圍和效果就越明顯。

3.2 焊接速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在相同焊接電壓和焊接電流情況下，改變焊接速度進(jìn)行焊接數(shù)值模擬計(jì)算，研究焊接速度變化時(shí)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

由表2管道內(nèi)外表面的殘余應(yīng)力分析可知，當(dāng)焊接電壓和焊接電流保持不變時(shí)，隨著焊接速度增加，管道外表面的殘余應(yīng)力變化較小，而管道內(nèi)表面的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

表2 不同焊接速度焊后殘余應(yīng)力

3.3 焊接模擬參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)不同工藝參數(shù)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，可以看出，當(dāng)焊接電壓和焊接電流增大或者焊接速度降低時(shí)，造成焊接電弧熱輸入量相對(duì)的增加，焊接熱源溫度相應(yīng)的增大，管道外表面殘余應(yīng)力變化不大，管道內(nèi)表面殘余應(yīng)力相應(yīng)地降低。所以在焊接試驗(yàn)或者工程焊接應(yīng)用時(shí)，在保證焊接成型良好的情況下，有效的增大焊接電壓和電流或者降低焊接速度，都可以降低焊接接頭處焊后殘余應(yīng)力，進(jìn)而有效降低焊縫開(kāi)裂、應(yīng)力集中等現(xiàn)象的發(fā)生。

根據(jù)上述有限元方法，對(duì)多組焊接參數(shù)分別進(jìn)行焊接過(guò)程數(shù)值模擬，得出焊后焊接模擬參數(shù)內(nèi)表面殘余應(yīng)力，如表3所示。

表3 不同焊接參數(shù)焊后殘余應(yīng)力

由表3中管道內(nèi)外表面的殘余應(yīng)力分析，得到最佳焊接模擬參數(shù)組合為：焊接速度850mm/min，焊接電壓25V，焊接電流250A，其對(duì)應(yīng)的上、內(nèi)表面殘余應(yīng)力分別為408.2MPa、264.8MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)管道自動(dòng)焊接應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到焊接過(guò)程中焊縫處應(yīng)力變化規(guī)律，焊縫處瞬間高溫，會(huì)引起材料膨脹，產(chǎn)生拉應(yīng)力，焊縫區(qū)域是焊接過(guò)程中焊件殘余應(yīng)力最大的部位，而外表面的焊接殘余應(yīng)力最大。

通過(guò)對(duì)不同工藝參數(shù)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，當(dāng)焊接電壓和焊接電流增大或者焊接速度降低時(shí)，造成焊接電弧熱輸入量相對(duì)的增加，焊接熱源溫度相應(yīng)的增大，管道外表面殘余應(yīng)力變化不大，管道內(nèi)表面殘余應(yīng)力相應(yīng)地降低。