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X100 管线钢四丝埋弧焊温度应力场的数值分析 ① 刘笑笑1, 颜志勇1, 倪川皓2 (1.湖南机电职业技术学院,湖南 长沙 410100; 2.中联重科股份有限公司,湖南 长沙 410205) 摘 要 采用 ANSYS 有限元软件,对 X100 管线钢的四丝埋弧焊的焊接温度场和应力场进行了模拟,研究了焊接电流、焊接速度、焊 丝间距对焊接温度场和残余应力分布的影响。 计算结果表明,当每根焊丝的电流增加 50 A 时,焊接温度场的峰值温度增加 135 ℃,焊 接热循环的冷却速度略有下降;当焊接速度从0.72 m/ min 增加到0.84 m/ min 时,焊接温度场的峰值温度下降183 ℃,焊后冷却速度 明显增加;当焊丝间距由 30 mm 增加到 50 mm 时,焊接温度场的峰值温度下降 189 ℃,焊后冷却速度增加。 焊接电流增加 50 A 时, 焊接残余应力水平略有增加;而增加焊接速度和焊丝间距时,残余应力峰值水平下降。 关键词 焊接; 油气管道; X100 管线钢; 多丝埋弧焊; 温度场; 应力场 中图分类号 TG457.11文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.03.030 文章编号 0253-6099(2019)03-0123-05 Numerical Simulation of Welding Temperature Field and Stress Field in the Four-wire Submerged Arc Welding of X100 Pipeline Steel LIU Xiao-xiao1, YAN Zhi-yong1, NI Chuan-hao2 (1.Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic, Changsha 410100, Hunan, China; 2.Zoomlion Heavy Industry Science & Technology Co Ltd, Changsha 410205, Hunan, China) Abstract The welding temperature distribution in the four-wire submerged arc welding of X100 pipeline steel was simulated by using ANSYS finite element software. The influences of welding current, welding speed and inter-wire spacing on the welding temperature field and residual stress distribution were investigated. Results showed that an increase of 50 A in the welding current of each wire led to an increase of 135 ℃ in the peak temperature and a slight decrease in the cooling rate of the thermal cycle. When the welding speed increased from 0.72 m/ min to 0.84 m/ min, the peak temperature of the welding temperature field decreased by 183 ℃ and the cooling rate after welding was remarkably increased. When the inter-wire spacing increased from 30 mm to 50 mm, the peak temperature decreased by 189 ℃, and the cooling rate after welding also increased. The equivalent residual stress magnitude increased slightly when the welding current of each wire increased by 50 A, but fell down with an increase in welding speed and inter-wire spacing. Key words welding; oil-gas pipeline; X100 pipeline steel; multiple-wire submerged arc welding; temperature field; stress field 目前国家大力倡导低碳绿色能源、积极进行能源 转型,天然气消费量快速增长,我国油气管道建设进入 了一个新的高峰期,采用 X100 及以上级别高强度钢 进行大口径、长距离、高压力输送油气成为未来管道建 设的主要方向[1-2]。 多丝埋弧焊技术因生产效率和机 械化程度高,在油气输送管道焊接中获得广泛应 用[3-4]。 与单丝埋弧焊相比,多丝埋弧焊熔池存在时 间长、冶金反应充分,焊缝热裂纹及气孔敏感性降低。 但由于多丝埋弧焊的焊接热输入较大,焊缝及热影响 区(heat affected zone,HAZ)组织比较粗大,导致焊接 接头的力学性能(尤其是韧性)降低。 而焊接热影响 区的显微组织主要取决于热循环,因此分析焊接温度 场及热循环特征对于研究和控制焊接接头的显微组 织、冶金过程、固态相变、应力应变以及焊接接头性能 等具有重要意义。 对焊接应力场的分析,则有利于优 化多丝埋弧焊工艺参数。 目前,四丝/ 五丝埋弧焊工艺在海底管线用厚壁直 缝钢管的焊接上获得了较广泛应用[5],但目前对三丝 以上多丝埋弧焊温度场及应力场的研究较少。 本文针 对 X100 级管线钢的四丝埋弧焊接,采用 ANSYS 有限 ①收稿日期 2019-01-12 作者简介 刘笑笑(1985-),女,湖南长沙人,讲师,硕士,主要研究方向为金属材料焊接过程数值模拟及分析研究。 通讯作者 颜志勇(1982-),女,湖南涟源人,副教授,硕士,主要从事机械工程及创新创业教育研究。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 ChaoXing 元软件,建立了 X100 管线钢中厚板焊件的三维有限 元模型,对其焊接过程的温度场及应力分布进行了研 究。 同时,分析了四丝埋弧焊的焊接工艺参数(电流、 焊接速度、焊丝间距等)对焊接瞬态温度场、热循环和 残余应力分布的影响规律,为优化四丝埋弧焊的焊接 工艺参数及力学性能提供数据支持。 1 有限元模型的建立 1.1 几何模型的建立 试验用焊接材料为 X100 管线钢,采用四丝埋弧 焊的方法进行堆焊,焊板尺寸为 400 mm 150 mm 18.4 mm。 建立焊件的三维实体模型并进行网格划 分,有限元模型如图 1 所示。 考虑到保证计算精度的 同时尽量节省计算时间,在划分网格时,选择 Solid 70 单元,焊缝和热影响区部分采用的网格尺寸较小,而远 离热影响区的母材部分采用的网格尺寸较大。 图 1 试样的有限元模型 1.2 热源模型 焊接热源模型是否选取适当,对焊接温度场和应 力场的模拟计算精度会有很大影响。 由于多丝埋弧焊 的熔深大、电弧对熔池的冲击作用高,因此采用双椭球 热源模型[6]。 各焊丝对应的热源模型参数根据试验 所得的熔池尺寸进行设置和调整,直至计算所得熔池 的形貌、尺寸和实际熔池的形貌、尺寸基本吻合。 1.3 焊接工艺参数与边界条件 初始温度为室温(20 ℃),考虑热对流和热辐射 2 种方式进行热传递,在模型的表面设置对流和辐射的 边界条件。 第一丝采用直流电源,后置三丝采用交流电源,四 丝埋弧焊的具体焊接工艺参数如表 1 所示。 2 温度场计算结果 2.1 一定工艺参数下焊接温度场 为方便分析,只选择四丝埋弧焊某一特定焊接工 艺参数组合 表 1 中第 1 组焊接工艺参数,研究焊 件在不同时刻温度分布及变化规律。 表 1 焊接工艺参数 方案 焊丝 编号 焊接电流 I/ A 焊接电压 U/ V 焊速 v/ (mmin -1 ) 两丝间距 l/ mm 1 195034 285038 375040 460042 0.7230 2 11 10034 290038 380040 465042 0.7230 3 195034 285038 375040 460042 0.8430 4 195034 285038 375040 460042 0.7250 通过 POST1 后处理,可以得到四丝埋弧焊温度场 数据,图 2 为焊接加热过程的温度场分布云图。 图 2 不同时刻的焊接温度场 (a) 8.5 s; (b) 20.5 s 由图 2 看出,加热开始时(t= 8.5 s),温度分布很 不稳定,焊件迅速升温;随着电弧作用时间延长,熔池 长度、宽度、深度均随热源的移动不断变化,经过一段 时间后,焊件上形成相对稳定的温度场。 到达准稳态 421矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 后温度场变化不大(见图 2(b)),此时熔池中的峰值 温度达到 2 362 ℃。 熔池前部温度较高、温度梯度较 大,后半部分温度梯度较小。 在焊缝表面的中心线上选取 5 个不同点,来研究焊 缝中心各点的焊接热循环规律。 这 5 个点距起焊点的 距离分别为60 mm(A1)、120 mm(A2)、180 mm(A3)、 240 mm(A4)和 300 mm(A5),对应的热循环曲线如 图 3 所示。 由图 3 看出,这 5 个点的热循环曲线形状 比较相似,热循环曲线均具有 4 个峰,第 1 个峰的温度 相对较低,后 3 个峰的温度较高,符合四丝埋弧焊的加 热特点。 电弧作用时间/s 2500 2000 1500 1000 500 0 200406080100 温度/℃ A1 A2 A3 A4 A5 图 3 焊缝中心线上各点热循环曲线 在垂直焊缝方向的板宽方向上也选取 5 个不同 点,研究板宽方向各点的焊接热循环的分布规律。 这 5 个点离焊缝中心线的距离分别为0 mm(B1)、6 mm (B2)、24 mm(B3)、48 mm(B4)和96 mm(B5),其对应 的热循环曲线如图 4 所示。 由图 4 看出,离焊缝中心 距离越大,焊接热循环的峰值温度越低,当距离焊缝 48 mm 时,峰值温度已降至 250 ℃左右。 电弧作用时间/s 2500 2000 1500 1000 500 0 200406080100 温度/℃ B1 B2 B3 B4 B5 图 4 板宽方向各点热循环曲线 2.2 焊接电流对温度场的影响 为考察焊接电流对温度场的影响,采用第 1、2 组 参数进行焊接,这两组焊件的焊接速度相同,但第 2 组 的四丝电流均比第1 组增加50 A。 第2 组参数下焊件 的焊接温度场云图如图 5 所示;焊缝中心同一位置在 两组参数下的热循环曲线如图 6 所示。 图 5 第 2 组参数下焊件的焊接温度场云图 电弧作用时间/s 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 200406080 温度/℃ 第1组参数 第2组参数 图 6 电流对热循环曲线的影响 对比图 2(b)和图 5 可以看出,更大的电流下,温 度场峰值温度提高,第 2 组参数下焊件温度场的峰值 温度比第 1 组参数下提高了 135 ℃。 由图 6 可以看 出,在大电流条件下,热循环曲线的峰值温度更高,冷 却速度较慢。 2.3 焊接速度对温度场的影响 研究表明,焊接速度对多丝埋弧焊的焊接温度场 影响较大[7-8]。 采用表 1 中第 1、3 组参数进行焊接, 考察焊接速度对温度场的影响。 第 3 组参数下焊件温 度场云图如图 7 所示,焊缝中心同一位置在不同焊接 速度下的热循环曲线如图 8 所示。 图 7 第 3 组参数下焊件的焊接温度场云图 521第 3 期刘笑笑等 X100 管线钢四丝埋弧焊温度应力场的数值分析 ChaoXing 电弧作用时间/s 2500 2000 1500 1000 500 0 200406080 温度/℃ 第1组参数 第3组参数 图 8 焊接速度对热循环曲线的影响 对比图 2(b)和图 7 可以看出,第 3 组焊接速度较 大(v=0.84 m/ min),温度场的峰值温度相比第 1 组 (v=0.72 m/ min)的峰值温度降低了 183 ℃。 由图 8 可 以看出,焊接速度对焊接热循环曲线的影响较大,提高 焊接速度,热循环曲线的峰值温度下降,冷却速度更大。 2.4 焊丝间距对温度场的影响 采用表 1 中第 1、4 组参数进行焊接,研究焊丝间 距对焊接熔池形状和温度场的影响。 第 4 组参数下焊 件温度场云图如图 9 所示,焊缝中心同一位置在不同 焊丝间距下的热循环曲线如图 10 所示。 图 9 第 4 组参数下焊件的焊接温度场云图 电弧作用时间/s 2500 2000 1500 1000 500 0 200406080 温度/℃ 第1组参数 第4组参数 图 10 焊丝间距对热循环曲线的影响 对比图 2(b)和图 9 可以看出,第 4 组参数下焊丝 间距较大(l = 50 mm),每根焊丝的熔池分离,这与之 前的研究结果一致[8]。 焊丝间距增大,导致熔池的峰 值温度下降了 189 ℃。 从图 10 可以看出,与焊丝间距 较小(l = 30 mm) 的第 1 组相比,焊丝间距为 50 mm 时,当焊缝中某点经历第一个热源加热后,在后一个热 源到来之前,该点温度已经降低较多,因此第 2、3、4 丝 对应的峰值温度相对第 1 组的更低。 从热循环曲线冷 却阶段的斜率也可以看出,间距较大的条件下,焊后冷 却速度更大。 3 应力场计算结果 图 11 为第 1 组参数下焊件焊后残余应力的分布 云图。 由图 11 可知,应力集中主要出现在焊缝及热影 响区,等效残余应力 σvon峰值可达 564 MPa;纵向残余 应力 σx在焊缝中心及热影响区出现较高的拉应力,最 高可达 566 MPa;横向残余应力 σy在焊缝两端出现较 高的压应力,最大压应力可达 493 MPa。 图 11 第 1 组参数下焊件焊后残余应力分布云图 (a) 等效残余应力 σvon; (b) 纵向残余应力 σx; (c) 横向残余应力 σy 621矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 计算结果表明,4 组参数下 σvon峰值差别不大,最大 差异为17 MPa;σx峰值差别也不大,最大差异为22 MPa。 不同参数下残余应力在板宽方向分布如图 12 所 示。 从图 12 看出,增加焊接电流(第 2 组),σvon、σx相 对于第 1 组略有增加;增加焊接速度(第 3 组),σvon、 σx略有降低;增加焊丝间距时,σvon、σx降低较多。 距焊缝中心距离/mm 600 400 200 0 -200 40080120160 纵向残余应力/MPa 第1组参数 第2组参数 第3组参数 第4组参数 ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆■ ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲◆■ ● ▲◆ ■ ● ▲◆ ■ ● ▲ ◆ ■● ▲ ◆ ■ ● ▲◆ ■● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ●▲● 距焊缝中心距离/mm 600 500 400 300 200 100 0 40080120160 等效残余应力/MPa 第1组参数 第2组参数 第3组参数 第4组参数 ▲ ◆ ■ ● ▲◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ●▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲ ◆■ ● ▲◆ ■ ● ▲◆ ■ ● ▲◆ ■ ● ▲ ◆ ■ ● ▲◆ ■ ● 图 12 不同参数下残余应力在板宽方向分布 4 结 论 建立了 X100 管线钢的三维有限元模型,在不同 焊接参数下对 X100 管线钢四丝埋弧焊的焊接温度场 和应力场进行了数值模拟。 结果表明,增加每根焊丝 的焊接电流,焊接温度场的峰值温度上升,热循环曲线 对应的冷却速度下降;焊接速度、焊丝间距增加,焊接 温度场的峰值温度下降,焊后冷却速度加快。 增加每 根焊丝的焊接电流,焊件残余应力水平略有上升;焊接 速度、焊丝间距增加时,焊件残余应力均下降。 参考文献 [1] 霍春勇,李 鹤,张伟卫,等. 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X100 管线钢四丝埋弧焊温度应力 场的数值分析[J]. 矿冶工程, 2019,39(3)123-127. 中国知网版权声明 本刊已许可中国学术期刊(光盘版)电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇 编、发行、信息网络传播本刊全文。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。 作者向本刊提交文章发表的行为即 视为同意本刊上述声明。 矿冶工程编辑部 2019 年 6 月 721第 3 期刘笑笑等 X100 管线钢四丝埋弧焊温度应力场的数值分析 ChaoXing
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