基于SYSWELD的X80管線鋼焊接接頭溫度場的數(shù)值模擬

田萬鵬

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲412000）

0 引 言

焊接溫度場是影響焊接質(zhì)量的因素之一，能為焊接冶金分析、殘余應(yīng)力、應(yīng)變分析等提供參考依據(jù)[1-4]。X80管線鋼被大量應(yīng)用在西氣東輸工程、中俄東線工程等，對(duì)整個(gè)工程的正常運(yùn)行起著尤為重要的作用，探索焊接接頭溫度場的分布對(duì)優(yōu)化焊接工藝，保證焊接質(zhì)量具有重要意義。現(xiàn)階段關(guān)于X80管線鋼數(shù)值模擬主要集中在厚度為10 mm的板材上，對(duì)于在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有較大局限性[5-7]。因此，本文采用SYSWELD軟件對(duì)于實(shí)際工程厚度為20 mm的X80管線鋼進(jìn)行數(shù)值模擬，這樣能為改善焊接接頭質(zhì)量提供理論依據(jù)，還能為生產(chǎn)實(shí)際提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與數(shù)學(xué)建模

1.1 試驗(yàn)材料

X80管線鋼為2塊，規(guī)格為150 mm×80 mm×20 mm，坡口形狀為V形，焊接方法為埋弧焊，焊道數(shù)量為3道。具體工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)建模

1.2.1 非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)控制方程

焊接溫度場分布呈非線性式分布，溫度場的任意一點(diǎn)的瞬時(shí)溫度T（x，y，z）滿足以下方程：

式中：ρ為密度；c為比熱；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Q1,2為內(nèi)熱源；T表示溫度；t為焊接時(shí)間。

1.2.2 邊界條件

焊接過程是一個(gè)劇烈的熱交換過程，這樣就需在施加外載荷之前要對(duì)板材設(shè)定邊界條件。整個(gè)焊接過程熱損失以熱輻射和熱對(duì)流為主，由于SYSWELD軟件只能設(shè)定熱對(duì)流系數(shù)，因此可通過增大熱對(duì)流系數(shù)模擬熱輻射的效果。另外，由于試驗(yàn)材料和傳熱的對(duì)稱性，模型的對(duì)稱面要取絕熱邊界[8-9]，其可表示為

1.2.3 雙橢球熱源模型

雙橢球熱原模型前后兩部分分別是由兩個(gè)不同的1/4橢球構(gòu)成的，其滿足以下方程：

式中：q為熱通量；x、y、z分別為相對(duì)于熱源中心沿X、Y、Z方向的距離；Q12為雙橢球熱源前后部分能量的最大值；a12、b、c為雙橢球的幾何形狀參數(shù)。

2 數(shù)值分析

2.1 焊接試件網(wǎng)格劃分

焊接過程溫度急劇變化，因此網(wǎng)格的劃分將對(duì)計(jì)算和分析的結(jié)果產(chǎn)生直接的影響[10-11]。由于焊縫區(qū)溫度梯度大，而且應(yīng)力應(yīng)變變化復(fù)雜，為了保證數(shù)值計(jì)算的精度，本文對(duì)焊接接頭區(qū)域采取精細(xì)的網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)離焊縫的母材部分采用較粗的網(wǎng)格。焊接模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

2.2 焊接試件熱物理性能參數(shù)選擇

由于焊接過程溫度變化大，在數(shù)值分析過程中需考慮管線鋼的非線性特征，即考慮材料的溫度相關(guān)性[12-14]。表2給出了主要的熱物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)隨溫度變化的值。

表2 X80鋼性能參數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 焊接溫度場仿真

通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，表明焊接溫度場模擬的正確性。為了方便觀察和分析，每層焊接的時(shí)間大致為10 s。因?yàn)楹笇娱g溫度要保持在80～200 ℃以下，這樣，每層焊接結(jié)束需要冷卻90 s，總焊接時(shí)長為300 s。為了觀察焊接溫度場的分布情況，取不同時(shí)刻的焊接溫度場云圖，如圖2所示。主要觀察X80管線鋼處于熔融狀態(tài)時(shí)的溫度場分布。圖2為第1、3層焊接時(shí)依次取10、50、100、180、260 s的溫度場云圖。由圖2可知，隨著熱源的移動(dòng)，熱源周圍溫度急劇升高，隨后，溫度又快速下降。在焊接的初始階段，熔池處于非穩(wěn)態(tài)，隨著焊接過程的進(jìn)行，熔池又趨于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。從模擬結(jié)果來看，熔池形狀與雙橢球熱源模型高度吻合，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了溫度場模擬的正確性。從云圖能看出焊件的峰值溫度在1319～1409 ℃，隨著時(shí)間的推移，焊接熱影響區(qū)任意一點(diǎn)的溫度變化規(guī)律基本一致，未焊接的母材溫度變化不明顯。這能為優(yōu)化焊接工藝、提高焊接質(zhì)量提供參考依據(jù)，有助于了解焊縫缺陷的機(jī)理。

3.2 模擬焊接熱循環(huán)曲線

圖2 不同時(shí)刻溫度場云圖

通過SYSWELD的后處理方式，能生成各變量隨溫度變化的曲線，從焊接接頭位置取4個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理，獲得溫度隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。當(dāng)熱源未達(dá)到所取節(jié)點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)溫度較低，當(dāng)熱源移動(dòng)到該位置時(shí)，溫度急劇升高，短時(shí)間達(dá)到最大值。隨著時(shí)間推移，熱源移開時(shí)溫度又快速降低，但能明顯看出的是上升速率快于下降速率。從圖3（b）能看出，焊接熱循環(huán)曲線有3 個(gè)峰值，大小呈遞減趨勢，這是由于焊層之間的影響所導(dǎo)致，總體來看，第1層焊影響最大，當(dāng)焊縫進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線基本重合。

選取焊縫中心的4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，獲得焊接熱循環(huán)曲線。從圖4可以看出，由于上一層焊的預(yù)熱作用，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)（0.005，0.016，0.2）的峰值溫度大于其他3點(diǎn)的峰值溫度；初始時(shí)間段曲線基本處于水平是由于熱源未移動(dòng)到該點(diǎn)所致，溫度基本維持在120 ℃。

圖3 焊接熱循環(huán)曲線

圖4 距焊縫中心距離不同節(jié)點(diǎn)熱循環(huán)曲線

4 結(jié) 論

本文選擇與焊接實(shí)際情況相符的雙橢球熱源模型，通過對(duì)比得知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果高度一致。通過SYSWELD對(duì)熱源進(jìn)行移動(dòng)加載，獲得了焊接接頭的溫度場分布情況及焊接熱循環(huán)曲線，與實(shí)際情況基本吻合。數(shù)值模擬表明，使用SYSWELD模擬焊接接頭溫度場的分布情況是可行的，這為本課題探究焊縫開裂機(jī)理、進(jìn)行焊接接頭殘余應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算及焊接組織結(jié)構(gòu)分析提供堅(jiān)實(shí)理論依據(jù)，對(duì)提高焊接質(zhì)量具有參考價(jià)值。