管道全位置激光-電弧復合焊接成形有限元研究*

魏 強， 王 帥， 宋建嶺， 王永發， 李 洋， 羅 震

（1. 天津航天長征火箭制造有限公司， 天津300462；2. 天津大學 材料科學與工程學院， 天津300350）

0 前 言

工業發達國家把先進制造作為其核心技術和優先發展領域[1-2]， 焊接作為先進制造業的關鍵技術， 在大型鋼結構件中有廣泛的發展空間。在我國鋼結構制造中， 存在著“鐵水重力論” 認識， 在設計與施工中盡量避免仰焊等焊接做法，且在國內全位置焊接基礎理論方面問題尚未解決， 研究成果分散， 系統性不強， 影響了全位置焊接在鋼結構行業的推廣和應用。 但國外全位置焊接發展較快， 如美國國家標準ANSI-2000 《美國國家標準橋梁焊接規范》， 對仰焊、 立焊和橫焊技術做出了明確規定， 國際知名焊接公司如LINCOLN、 FRONIUS、 CLOOS 等都在開展全位置焊接的研究。 目前我國大型結構的全位置焊接正在大型、 超大型結構中推廣應用， 如北京鳥巢體育館率先進行大規模仰焊施工， 證明了全位置焊接技術的優勢， 且需求不斷擴大[2-4]。

本研究采用 “熱-電-力-流” 多場耦合的全位置焊接仿真技術， 通過焊接熔池單面約束原位變質量成形原理， 建模并仿真激光-弧焊全位置復合焊接過程， 計算管道上熔池形成， 通過調節熔體金屬的力場、 溫度場、 流場等工藝參數， 得到管道焊縫成形規律。

1 “熱-電-力-流” 多場耦合建模

建立熔池成形微分-代數混合方程組， 包括質點系運動方程、 變質量動力學方程、 充液動力學方程、 熔體金屬運動控制方程、 表面熱流密度方程、表面張力約束方程與空間軌跡約束方程， 得到單面完整約束的變質量的熔池成型的方程組如下[3-5]：

運用ANSYS、 MATLAB 計算軟件， 建立計算數值模型， 對方程組進行求解。

2 “激光-電弧” 復合管道焊接有限元仿真

2.1 建立幾何模型

使用 “生死單元” 技術模擬多層多道焊過程， 分為打底、 填充及蓋面共3 部分， 打底-填充-蓋面模擬層數為1-2-1 層。 圖1 為建立的圓管1/8 模型 （45°）。 進行多層多道焊接復合熱源模擬計算， 試驗材料選擇X70 管線鋼， 材料性能見表1[5-7]。

圖1 圓管1/8 模型

表1 X70 管線鋼材料屬性

2.2 建立有限元激光-電弧復合焊接熱源

采用表面分布的高斯熱源模型

激光采用高斯面熱源

按照實際工況條件， 建立有限元模型， 進行網格劃分。 模型共3 952 個節點， 3 195 個單元，其中焊縫網格劃分較細， 母材網格較粗。

2.3 多場耦合模擬過程

根據激光-電弧復合熱源特點建立相關數值模擬模型， 采用ANSYS 有限元軟件模擬全位置焊接過程中的溫度分布及熔池流動， 具體模擬過程如圖2 所示。 根據有限元多場耦合法， 對焊接過程進行模擬， 計算分為多段， 每段先對溫度場進行分析， 再進行變形場和流場的耦合計算。

圖2 多場耦合求解過程

3 模擬結果與分析

3.1 溫度場分布

圖3 鋼管溫度場分布云圖

焊接過程中鋼管溫度場分布云圖如圖3 所示。 在面熱源與體熱源作用下， 焊接過程的最終溫度場分布如圖3 （a） 所示， 熱源剛開始運動時的溫度場分布如圖3 （b） 所示， 其中灰色部分為熔池， 由于管道材質為X70 鋼， 熱導率相對較低， 因此熔池沿焊槍移動方向呈明顯細長狀；打底焊、 第一道填充、 第二道填充、 蓋面焊時，熔池的溫度分布情況如圖3 （c） ～3 （f） 所示。

在焊接初始時期， 即形成了熔池， 此時管道中無熱積累， 溫度場分布取決于焊接熱源。 焊槍沿12 點→3 點→6 點→9 點→12 點的方向進行移動， 在焊接前期， 熔池的流速減小， 維持熔池溫度所需的熱輸入較少， 隨著接近6 點鐘位置， 逐漸加大焊接電流， 此時的流場流速較快， 對流換熱等帶走大量熱； 在6 點鐘位置時適當增加焊接電流， 有利于焊縫成形。

圖4 鋼管不同焊接位置流場分布

3.2 流場分布

通過有限元計算分析， 得到鋼管的流場分布如圖4 所示。 圖4 （a） 中， 焊接進行0°時鎢極移動到導管正上方， 整體流場區域也很小， 流動方向向下部及四周發散， 此時熔化區受力較為均勻， 最大速度0.006 7 m/s， 相對較小， 結合溫度場此時總體溫度剛剛超過熔點， 熔化區域很小；在圖4 （c） 中， 焊接至正下方時， 即處于仰焊位置時， 流體最大速度約0.025 m/s， 這是由于重力與電弧力方向正好相反， 流體在這兩種力以及表面張力作用下， 流動狀態處于復雜的紊流狀態， 流動方向與受力方向不同， 故達到最大速度偏低； 圖4 （b）、 圖4 （d） 類似， 最高速度達0.055 m/s， 由于最開始焊接就對此位置有預加熱作用， 此時熔池達到最高溫度更高， 熔池區域更大，流場范圍和最高速度也更高。 在熔深方向的流動更加明顯， 同時下趟傾向更強， 因無法對上方熔池產生托起作用， 故此處更易形成焊接缺陷。

4 結 論

（1） 創建的管道全位置焊接熔池成形方程組， 可應用于熔池受力和熔體金屬運動過程， 建立的全位置焊接ANSYS 有限元模型， 實現了對焊接過程的溫度場和流場的耦合分析。

（2） 使用多場耦合， 得到了不同階段熔池溫度場與流場的分布， 熔池主要由電弧力、 重力和表面張力驅動， 流動形式還受到電弧與焊件相對位置的影響。

（3） 在熔池較小時， 無明顯影響； 熔池較大時其形態受電弧力和重力的影響很大。 總的來說， 270°和90°位置敏感度大， 容易形成焊漏或者焊塌現象； 360°則易形成下趟熔池， 對焊接速度及熱輸入的敏感度高。