X60鋼管焊接工藝參數的優化研究?

王影 孫雪嬌 耿西陽 韓佳桐

摘 要：本項目基于ANSYS軟件，對直徑為273mm、厚度為10mm的X60鋼管進行有限元數值模擬分析，利用間接模擬的方式對模型的溫度場和應力場進行數值模擬計算，通過實驗的方式對模擬結果的準確性進行佐證，最后通過對溫度、應力場結果的分析，不斷調整焊接工藝參數達到最優結果。

關鍵詞：管道焊接;溫度場;應力場;殘余應力;有限元分析

0 前言

管道輸送因其運輸量大、經濟性好、安全性高等諸多優點廣泛應用于能源輸送領域，管道焊接質量直接決定了管道的承載能力與運輸效率，合理的焊接工藝參數可以提升焊接管道質量和焊接效率，采用數值模擬技術可以節省大量的人力物力和工程周期，因此，如何運用數值模擬技術進行管道焊接工藝參數的優化研究就顯得尤為重要。

1 吊車桁架有限元分析前處理

模型采用全模型進行模擬，共分10個體。其中，V型坡口焊縫為8個半環體，這是由于利用面旋轉生成體的過程至少需要2等分。本文在劃分網格時，對四道焊縫分別賦予了不同的材料號碼，分別為1，2，3，4，母材的材料號碼定義為5，便于后續通過材料號碼對焊縫體及相關單元進行選取等操作。如圖1所示。

定義X60熱物理參數如表1所示。

2 吊車桁架殘余應力有限元分析

第一道焊接中，焊接末及焊后冷卻6s及30s時溫度場，依次如圖2，圖3，圖4，圖5所示。

結果可見：（1）第一道焊縫焊接中及焊接末整體模型最高溫度產生在焊縫前端，最高溫度分別為1463.29℃，1488.88℃，均滿足施焊要求。（2）冷卻6s時，整體模型最高溫度已經降至696.98℃，冷卻30s后最高溫度降低至225.7℃，此時主要組織相變已經完成，整體模型溫度較低，從而防止了連續焊接帶來的較大熱應力及變形，符合多道焊工藝設計要求。

第四道焊縫焊接初始，焊接末及焊后冷卻1000s，3500s時溫度場，依次如圖6，圖7，圖8，圖9所示。

結果可見：（1）第四道焊縫焊接初及焊接末模型整體最高溫度分別為1264.62℃，1294.34℃，略低于施焊要求。主要由于第四道焊縫橫截面最大，需要更大的體生熱率來滿足其焊接要求，因此，按照當前焊縫設計工藝，可以在實際焊接過程中考慮兩個方向的改進，一是改進焊縫面積，盡量使得四道焊縫的橫截面積相同，從而利用同樣大小的熱輸入均可獲得滿意的焊接溫度，二是改進焊接工藝參數，在第四道焊縫焊接時適當增大焊接電流即可。本文在第四章中也將通過更改焊接電流進行改進后的焊接溫度場，應力場模擬來進一步驗證。（2）冷卻1000s及3500s后最高溫度分別降低至271.78℃，43.26℃，這個時候整體模型的溫度已經接近于室溫，并且焊接區的溫度已基本相同，在這種狀態下已經可以評估殘余應力的結果。

3 結論

本文焊接溫度場模擬比較合理，整個模型在焊接過程中達到了準穩態過程，焊接溫度平穩，并冷卻至接近室溫，滿足焊接變形，殘余應力計算要求。同時，本章所設計焊接工藝存在尚需改進之處，如第四道焊縫焊接溫度偏低，作為焊接工藝改進的一項，本文將在第四章進行改進模擬并對比本章計算結果。

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基金：營口理工學院2020年大學生創新創業訓練計劃項目（112301001）

作者簡介：王影（1985-），女，遼寧營口人，研究生，主要研究方向：機械工程。