高強管線鋼焊接殘余應力研究現狀

0 前 言

隨著經濟的快速發展， 全球對石油天然氣的需求與日俱增， 輸送管道的壓力、 直徑、 壁厚不斷增大， 對管線鋼管的焊接質量提出更高要求。管線鋼的傳統焊接方法主要有焊條電弧焊、 氣體保護焊和埋弧焊等， 同時還有攪拌摩擦焊、 高能束焊、 激光-電弧復合焊等

。 由于焊接是一個非平衡的局部快速加熱至熔化， 并達到冶金結合后快速冷卻的過程， 導致在焊接接頭及附近區域產生不均勻分布的殘余應力。

在管線鋼的工程應用中， 殘余應力會極大地影響構件的使用性能， 尤其在強度、 疲勞壽命和尺寸穩定性等方面。 研究表明， 應力對疲勞裂紋的擴展有很大影響

， 較高的焊接殘余應力是產生應力腐蝕和裂紋并導致結構失效的主要原因。焊接接頭殘余應力的測量分為無損檢測和有損檢測兩大類

。 無損檢測采用X 射線衍射、 中子衍射和超聲波等對結構進行應力檢測， 能夠保證結構及其應力場的完整性； 有損檢測需要對結構件進行切片、 鉆孔以及壓痕應變等， 會對結構產生一定的破壞。 實測焊接殘余應力受一定的物理條件限制， 為進一步掌握殘余應力的分布狀態， 有學者采用熱彈性塑性有限元法研究焊接接頭處的焊接殘余應力

， 且多數采用軸對稱的2D 模型或3D 模型研究焊縫穩定區域的焊接殘余應力， 并重點開展模擬結果與測量數據之間的對比。 本研究介紹了高強管線鋼的焊接方法和殘余應力測量方法， 并綜述了有限元數值模擬在預測焊接殘余應力中的應用， 分析了殘余應力在焊縫區域的分布。

1 管線鋼焊接方法

1.1 傳統焊接方法

傳統的焊接方法主要有焊條電弧焊、 氣體保護焊和埋弧焊等， 采用電弧熔化焊縫區域進行連接。 Waris Nawaz Khan 等

采用鎢極氣體保護焊對X70 高強管線鋼和不銹鋼進行異種鋼焊接， 添加奧氏體填充材料使焊縫具有優異的拉伸和沖擊性能， 添加不銹鋼填充材料使焊縫具有良好的抗點蝕性能。 王學林等

針對K65 管線鋼研發出新配比的埋弧焊絲， 得到的焊縫具有優異的組織配比和高強高韌的性能。 X90 管線鋼的對接焊中， 劉偉等

采用手工電弧焊、熔化極氣體保護焊和埋弧焊3 種方式進行焊接， 對接頭組織性能對比發現， 埋弧焊接獲得的接頭性能較好， 得到的焊縫抗拉強度最大。趙偉等

采用雙熔敷極焊條電弧焊技術對X80 管線鋼進行焊接， 使得接頭粗晶區域晶粒細化，提升了接頭的力學性能， 但其耐腐蝕性比母材差。 魯欣豫等

采用藥芯焊絲氣體保護焊提高了X70 高強管線鋼的焊接效率， 相比常規焊條工藝提高了一倍以上， 且獲得力學性能良好的焊接接頭。 畢宗岳等

通過埋弧焊和優化的焊接工藝實現了厚壁X80 螺旋埋弧焊管的高速焊接， 其焊縫具有較好的力學性能。 李冉等

采用研制的焊絲使得X80 管線鋼氣體保護焊焊縫中產生細小的針狀鐵素體組織， 焊縫具有較高的強度。 在合適的焊接工藝下， 電弧焊均能使焊縫具有良好的力學性能。

Design and experiment for stem lift conveyer of sweetpotato multi-line harvester

1.2 先進焊接方法

先進的焊接方法主要有攪拌摩擦焊、 激光焊、 激光-電弧復合焊、 電子束焊和高頻感應焊等， 相對于傳統的熔化極焊， 其熔寬和熱影響區明顯減少， 以集中的熱源形成深而窄的焊縫獲得性能優良的焊接接頭。 Aydin 等

研究了不同熱輸入下的攪拌摩擦焊對X80 管線鋼接頭的影響，隨著熱輸入的降低， 硬化區貝氏體組織變細， 硬化區強度提高。 胡連海等

采用CO

激光焊接的方法對X52 管線鋼進行焊接， 獲得了16 mm 管線鋼的單道焊雙面成形焊縫， 在焊縫的底部中心產生細小晶粒以得到良好的焊縫力學性能。 石庭深等

發現采用激光前置的方法能夠有效避免焊接過程受到熔滴過渡和熔池波動的影響， 從而獲得較大的熔深。 激光和電弧功率匹配是影響焊縫成形的重要因素之一， Yin 等

在采用激光-電弧焊接時發現， 加大電弧的能量占比能夠獲得性能優良的焊接接頭。 劉維等

采用高頻感應焊對不銹鋼進行焊接， 測得其焊后殘余應力僅為R

的0.25～0.3， 遠低于電弧焊的殘余應力。 由于攪拌摩擦焊及高能束焊等設備不便攜帶， 因此對于管線鋼的戶外作業來說就受到很大的限制。

2 焊接殘余應力檢測及分析

2.1 焊接殘余應力的無損檢測

厚壁焊件一般采用多層多道焊

， 控制較高的層間溫度使焊縫金屬中產生有益的壓縮殘余應力， 通過有限元方法模擬多層多道焊接工藝， 發現多層多道焊能夠很好地降低焊縫殘余應力， 最大焊接殘余應力出現在焊縫底部， 隨著焊道層數的增加， 焊縫表面中心的橫向、 縱向焊接殘余應力有明顯的降低。 劉成等

在X80 管線鋼的多層多道焊接模擬時發現， 焊縫區域存在余高時， 焊接殘余應力主要存在于焊縫兩端比較窄的熱影響區內， 且焊接殘余應力峰值較高， 明顯高于無余高時的殘余應力。 Deng 等

在采用有限元對不銹鋼進行環焊模擬中發現， 焊縫內表面和外表面的軸向殘余應力分布相反， 如圖5 所示。 通過建立3D 模型和2D 模型對焊縫區域的內外表面應力進行分析， 其模擬結果與試驗的實測結果趨于一致， 如圖6 所示。 在焊縫區及其附近， 內表面產生軸向拉應力， 外表面產生軸向壓應力； 遠離焊縫中心線區域， 內表面形成軸向壓應力區域， 外表面形成軸向拉應力。

Gou 等

通過X 射線衍射檢測出X70 管線鋼焊接殘余應力最大值出現在內壁焊縫熱影響區，其方向與焊縫方向平行。 相比攪拌摩擦焊、 激光-電弧復合焊和電子束焊接， 電弧焊產生的焊接殘余應力較高且分布極不均勻， Moraes 等

采用攪拌摩擦焊和鎢極氣體保護焊對X65 管線鋼進行焊接， 在X 射線衍射的應力檢測結果中， 攪拌摩擦焊產生的應力值相對于電弧焊較低 （如圖2 所示）， 實現了殘余應力的均勻化。 Avila 等

利用攪拌摩擦焊對X80 管線鋼進行焊接， 經X 射線衍射測量出焊縫截面的殘余應力呈M 形分布， 在攪拌區存在殘余壓應力， 在熱影響區附近存在殘余拉應力。 于福松等

采用手工電弧焊對X80管線鋼進行焊接， 經X 射線衍射測得在無拘束條件下焊縫中心到熱影響區的殘余應力均為拉應力。 Amilton

采用手工電弧焊和藥芯焊絲電弧焊方法對X80 管線鋼進行焊接， 經X 射線衍射測量出兩種焊接工藝下產生的殘余應力均主要集中在接頭的頂部， 且殘余應力的分布極 不 均 勻。 MAG 焊、 激 光 焊 和 激 光-MAG 復合焊接應力分布如圖3

所示， 電弧焊產生的應力主要集中在熱影響區， 且分布極不均勻，出現斷崖式的分布， 易導致焊縫失效。 相對于電弧焊來說， 激光和激光-電弧焊接產生的應力降低且分布范圍較窄。

2.2 殘余應力數值分析

對焊接接頭進行焊前預熱和焊后熱處理可以很大程度降低焊接殘余應力。 Hemmatzadeh 等

對不同焊接工藝下X46 管線鋼的焊接殘余應力進行了模擬， 發現熱輸入和徑厚比的增大導致環向和軸向應力變大， 此外高熱輸入和小徑厚比的相互作用也會因增大層間溫度而造成殘余應力變大， 控制熱輸入在較低范圍內可顯著改善殘余應力的分布， 較大的徑厚比對焊接殘余應力影響不明顯。 王引真

采用熱力耦合的方式對管線鋼焊接接頭的殘余應力進行分析， 在焊后進行保溫或者熱處理均能降低焊接接頭的峰值殘余應力。 安愛玲等

建立雙橢球熱源模型， 通過熱力耦合的方式對X80 管線鋼的四絲埋弧焊焊接過程進行模擬， 結果表明， 增大首絲電流將加劇縱向應力的產生， 縱向殘余應力的大小隨焊接速度的增大而降低。 郭楊柳等

通過熱力耦合的方法對X80管線鋼的焊接及焊后熱處理進行分析， 經過焊后熱處理， 焊縫內、 外表面的焊接殘余應力均有大幅降低， 如圖8 所示。

在工程應用領域， 對高強管線鋼焊縫殘余應力的測量優先采用無損檢測的方法， 其優勢在于能夠在不切割的情況下對結構件進行殘余應力測量， 能保持殘余應力場和結構件的完整。 由于殘余應力的存在導致晶面間距產生變化， 根據力場導致的變形和晶面間距關系， 使用X 射線衍射和中子衍射即可測量出焊縫中的殘余應力

。 與X 射線衍射相比

， 中子衍射具有更強的穿透力，能夠穿透許多工程材料而進行作業， 通過對待測的試樣進行平移和轉動， 使試樣上的待測點與中子束中心重合， 如圖1

所示， 根據晶面間距的變化與彈性應變的關系計算得到不同位置的正應變， 得出相應位置的三向應力。 由于中子衍射的設備造價昂貴， 且不便攜帶到戶外進行作業，因此在戶外作業中一般以便攜式的X 射線衍射儀為主。

本工程的建設是為了維護河勢穩定和防洪保安，2012年12月26日，國務院以國函2012〔220〕號文對《長江流域綜合規劃》進行了批復，明確銅陵河段河勢控制規劃方案為實施南夾江裁彎工程。

高頻感應焊屬于壓力焊接方法之一

， 能在0.01 s 內把待焊部位加熱至焊接溫度， 其具有熱影響區小和加熱速度快的優勢。 谷緒地

對高頻感應焊的殘余應力進行了數值模擬分析， 發現管線鋼焊縫內、 外表面的應力值分布趨于一致， 但與中間部位的應力分布有較大差異， 如圖7 所示。 在焊縫區域內， 中間面的軸向應力與徑向應力均大于內、 外表面， 而在熱影響區低于內、 外表面的軸向與徑向應力， 由此， 其中間面的殘余應力存在較為復雜的分布。

數值模擬作為一種能快速預測焊接過程的手段， 對某一對象建立相關的數學模型， 通過對方程的控制進行求解， 從而能夠在短時間內得知焊接工藝水平。 采用正確的數值模擬能夠得到與試驗結果相符的模擬結果， 數值模擬中的熱源采用與實際焊接過程中熱源熱量分布相符的雙橢球熱源模型。 在激光-電弧復合焊接的數值模擬中建立雙橢球熱源模型對X80 管線鋼焊接過程進行數值模擬， 得出的殘余應力分布與試驗結果相近

， 數值模擬和相應試驗的對比如圖4

所示， 試驗和模擬得到的應力分布結果基本相近。

2.3 焊接殘余應力的分布

2000年以來，全球約90%的研發投入集中在北美、歐洲和亞洲，不過北美和歐洲占全球研發投入的比重一直呈下降趨勢，北美從40%下降到28%，歐洲從27%降至22%，東亞、東南亞和南亞地區則從25%上升至40%，預計亞洲的這種上升趨勢短期內不會結束（見圖1）。

焊接殘余應力在接頭中的分布一般均為沿焊縫中心線對稱分布

， 如圖9 所示， Mises 應力主要集中在焊縫金屬及其相鄰焊接熱影響區，軸向應力、 徑向應力和環向應力也均為沿焊縫中心線對稱分布。 其中， 徑向應力和軸向應力相對于Mises 應力和環向應力有較大幅度降低，但環向應力值的大小對焊接接頭的影響較大。因此， 在焊接過程中必須嚴格控制管線鋼環向應力。

3 結 論

（1） 管線鋼的焊接包括手工電弧焊、 氣體保護焊、 埋弧焊、 攪拌摩擦焊、 激光焊、 激光-電弧復合焊等， 相比傳統的弧焊工藝， 攪拌摩擦焊、 激光焊和激光-電弧復合焊接的殘余應力分布較為平緩且范圍較窄。 但在實際戶外工程應用中主要還以弧焊為主。

（2） 通過X 射線衍射和中子衍射等無損檢測方法可測得焊接接頭的殘余應力分布， 相較于X 射線衍射， 中子衍射具有更強的穿透力， 能對多種材料的殘余應力進行測量。 但由于中子衍射的設備比較昂貴和笨重， 戶外測量時一般采用便攜式的X 射線衍射儀。

照社會主義的原則說，社會革命在資本制度發達到一定的程度的時候，自然要實現的，然而也可以用他種人為勢力——非妥協的階級斗爭——促進他的速度。英、美的資本制度比俄國的要發達得十數倍，英、美兩國的工會比俄國的也要發達得十數倍，何以社會革命不在英、美兩國發生，反在俄國實現呢？這就是因為俄國社會革命黨實行的力量比英、美兩國的大的原故。所以我國在中國運動社會革命的人，不必專受理論上的拘束，要努力在實行上去做。

（3） 通過模型和有限元數值分析的方法預測焊接接頭的殘余應力， 可快速了解不同焊接接頭處的殘余應力分布狀態， 并對相應焊接工藝進行調整， 在很大程度上節省了時間和經濟成本。

[1] 張錦剛，王海燕，王茜，等.管線鋼高效焊接技術的研究現狀及前景分析[J]. 熱加工工藝，2018，47（3）:18-22.

[2] YELBAY H I，CAM I，GUR C H. Non-destructive determination of residual stress state in steel weldments by Magnetic barkhausen noise technique[J]. NDT & E International，2010，43（1）:29-33.

[3] XU G Q，LUO Y，YAO B，et al. Stresses measurement and failure prevention of on-line natural gas transmission pipelines for compressor station on collapsible loess area in northwest China[J]. Engineering Failure Analysis，2021（126）:105467.

[4] DENG D，KIYOSHIMA S. FEM prediction of welding residual stresses in a SUS304 girth-welded pipe with emphasis on stress distribution near weld start/end location[J].Computational Materials Science，2011，50（2）:612-621.

[5] KHAN W N，CHHIBBER R. Effect of filler metal on solidification, microstructure and mechanical properties of dissimilar super duplex/pipeline steel GTA weld[J]. Materials Science and Engineering: A，2021（803）:140476.

[6] 王學林，董利明，楊瑋瑋，等.Mn/Ni/Mo 配比對K65 管線鋼焊縫金屬組織與力學性能的影響[J]. 金屬學報，2016，52（6）:649-660.

[7] 劉偉，劉利超，康全，等. 焊接方法對X90 管線鋼焊接接頭性能的影響[J]. 材料保護，2017，50（12）:33-37.

[8] 趙偉，鄒勇，夏佃秀，等.X80 管線鋼焊條電弧焊接頭組織與耐蝕性分析[J]. 焊接學報，2016，37（10）:51-54，132.

[9] 魯欣豫，李桓，曹軍，等. 高強鋼X70 海管的藥芯焊絲氣體保護焊工藝[J]. 焊接技術，2009，38（11）:27-28.

[10] 畢宗岳， 金時麟. X80 高強度高韌性厚壁管線鋼及高速埋弧焊接頭性能[J]. 焊接，2008（10）:42-46，71.

[11] 李冉，施哲，魏金山，等.X80 管線鋼氣體保護焊用焊絲熔敷金屬組織與性能研究[J].焊接，2006（12）:34-38.

[12] AYDIN H，NELSON T W. Microstructure and mechanical properties of hard zone in friction stir welded X80 pipeline steel relative to different heat input[J]. Materials Science and Engineering: A，2013（586）:313-322.

[13] 胡連海，黃堅，李鑄國，等. 高功率CO

激光焊接管線鋼接 頭 的 組 織 與 性 能[J]. 中國激光，2009，36（12）:3174-3178.

[14] 石庭深，朱加雷，焦向東，等. X80 管線鋼激光-電弧復合焊接工藝[J]. 電焊機，2015，45（5）:69-72.

[15] YIN L，WANG J，CHEN X，et al. Microstructures and their distribution within HAZ of X80 pipeline steel welded using hybrid laser-MIG welding [J]. Welding in the World，2018，62（4）:721-727.

[16] 劉維，張玉鳳，霍立興，等. 高頻焊管殘余應力的測量及三維有限元數值模擬[J]. 焊接學報，2007（1）:37-40.

[17] CEGLIAS R B，ALVES J M，BOTELHO R A，et al.Residual stress evaluation by X-ray diffraction and hole-drilling in an API 5L X70 steel pipe bent by hot induction[J].Materials Research，2016（19）:1176-1179.

[18] CHEN B Q，HASHEMZADEH M，GUEDES S C. Validation of numerical simulations with X-ray diffraction measurements of residual stress in butt-welded steel plates[J].Ships and Offshore Structures，2018，13（3）:273-282.

[19] PARADOWSKA A M，PRICE J W H，FINLAYSON T R，et al. Comparison of neutron diffraction measurements of residual stress of steel butt welds with current fitness-forpurpose assessments[EB/OL].（2008-12-01）[2021-10-28].https://www.researchgate.net/profile/Anna-Paradowska-2/pub lication 267644679_Comparison_of_Netron_Diffrac tion_Residual_Stress_Measurements_of_Steel_Welded_Repairs_ With_ Current_ Fitness- for- Purpose_Assess ments/links/547d9cd50cf2cfe203c21f11/Comparison-of-Neutron-Diffraction-Residual-Stress-Measurements-of-Steel-Welded-Repairs-With-Current-Fitness- for-Purpose-Assessments.

[20] LI H G，LEE T L，ZHENG W，et al. Characterization of residual stress in laser melting deposited CoCrFeMnNi high entropy alloy by neutron diffraction[J].Materials Letters，2019（263）:127247.

[21] GOU R，ZHANG Y，XU X，et al.Residual stress measurement of new and in-service X70 pipelines by X-ray diffraction method[J].NDT&E International，2011，44（5）:387-393.

[22] MORAES C A P，CHLUDZINSKI M，NUNES R M，et al.Residual stress evaluation in API 5L X65 girth welded pipes joined by friction welding and gas tungsten arc welding[J]. Journal of Materials Research and Technology，2019，8（1）: 988-995.

[23] áVILA J A，CONDE F F，PINTO H C，et al. Microstructural and residuals stress analysis of friction stir welding of X80 pipeline steel plates using magnetic Barkhausen noise[J]. Journal of Nondestructive Evaluation，2019，38（4）: 1-9.

[24] 于福松，薛屺，秦曾，等. X80 管線鋼焊接接頭殘余應力的研究[J]. 熱加工工藝，2013，42（21）:28-31.

[25] AMILTON D，SOUZA L D，FONSECA M C. Characterization of mechanical properties and residual stress in API 5L X80 steel welded joints[J]. Journal of Materials Engineering and Performance，2018，27（1）: 124-137.

[26] 李曉東，孫曉紅，孟立春. 焊接工藝對SUS301L 不銹鋼殘余應力的影響[J]. 電焊機，2018，48（3）:281-284.

[27] 石庭深，朱加雷，焦向東，等. X80 管線鋼激光電弧復合焊接數值分析[J]. 電焊機，2016，46（2）:78-81.

[28] OBEID O，ALFANO G，BAHAI H，et al. Numerical simulation of thermal and residual stress fields induced by lined pipe welding[J]. Thermal Science and Engineering Progress，2018（5）: 1-14.

[29] DIXNEIT J，KROMM A，BOIN M，et al. Influence of heat control on residual stresses in low transformation temperature （LTT）large scale welds[J]. Residual Stresses，2016（2）：223-228.

[30] 白芳，童莉葛，丁紅勝，等.X80 鋼多層焊溫度分布對殘余應 力的影響研究[J]. 工程熱物理學報，2019，40（4）:931-937.

[31] ZHAO W，JIANG W，ZHANG H，et al. 3D finite element analysis and optimization of welding residual stress in the girth joints of X80 steel pipeline[J]. Journal of Manufacturing Processes，2021（66）:166-178.

[32] 劉成，尹立孟，姚宗湘，等. 焊縫余高對復合型坡口X80管線鋼多層多道焊接殘余應力的影響[J]. 焊接學報，2018，39（12）:100-104，133.

[33] DENG D，MURAKAWA H. Numerical simulation of temperature field and residual stress in multi-pass welds in stainless steel pipe and comparison with experimental measurements[J].Computational Materials Science，2006，37（3）:269-277.

[34] 楊明秦，路廣平，朱斌燕. 管線鋼化學成分及組織對HFW 鋼管焊縫性能的影響[J]. 鋼管，2016，45（3）:52-57.

[35] 谷緒地. 直縫焊管高頻感應焊接殘余應力分析[D]. 秦皇島：燕山大學，2010.

[36] HEMMATZADEH M，MOSHAYEDI H，SATTARI-FAR I. Influence of heat input and radius to pipe thickness ratio on the residual stresses in circumferential arc welded pipes of API X46 steels[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping，2017（150）: 62-71.

[37] 王引真，劉潤昌，焦震，等. L485 管線鋼焊接接頭應力狀態數值模擬[J]. 熱加工工藝，2019，48（19）:169-173.

[38] 安愛玲，嚴春妍，祁帥. X80 管線鋼四絲埋弧焊的數值模擬[J]. 熱加工工藝，2016，45（3）:220-223.

[39] 郭楊柳，馬廷霞，劉維洋，等. 基于ABAQUS 的X80 管線鋼焊接殘余應力數值模擬[J]. 金屬熱處理，2018，43（9）:218-222.

[40] ZHAO W，JIANG W，ZHANG H，et al. 3D finite element analysis and optimization of welding residual stress in the girth joints of X80 steel pipeline[J]. Journal of Manufacturing Processes，2021（66）: 166-178.