基于SYSWELD的X80管线钢焊接接头温度场的数值模拟

田万鹏

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲412000）

0 引 言

焊接温度场是影响焊接质量的因素之一，能为焊接冶金分析、残余应力、应变分析等提供参考依据[1-4]。X80管线钢被大量应用在西气东输工程、中俄东线工程等，对整个工程的正常运行起着尤为重要的作用，探索焊接接头温度场的分布对优化焊接工艺，保证焊接质量具有重要意义。现阶段关于X80管线钢数值模拟主要集中在厚度为10 mm的板材上，对于在实际工程中的应用具有较大局限性[5-7]。因此，本文采用SYSWELD软件对于实际工程厚度为20 mm的X80管线钢进行数值模拟，这样能为改善焊接接头质量提供理论依据，还能为生产实际提供参考数据。

1 试验材料与数学建模

1.1 试验材料

X80管线钢为2块，规格为150 mm×80 mm×20 mm，坡口形状为V形，焊接方法为埋弧焊，焊道数量为3道。具体工艺参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数

1.2 数学建模

1.2.1 非线性瞬态热传导控制方程

焊接温度场分布呈非线性式分布，温度场的任意一点的瞬时温度T（x，y，z）满足以下方程：

式中：ρ为密度；c为比热；λ为导热系数；Q1,2为内热源；T表示温度；t为焊接时间。

1.2.2 边界条件

焊接过程是一个剧烈的热交换过程，这样就需在施加外载荷之前要对板材设定边界条件。整个焊接过程热损失以热辐射和热对流为主，由于SYSWELD软件只能设定热对流系数，因此可通过增大热对流系数模拟热辐射的效果。另外，由于试验材料和传热的对称性，模型的对称面要取绝热边界[8-9]，其可表示为

1.2.3 双椭球热源模型

双椭球热原模型前后两部分分别是由两个不同的1/4椭球构成的，其满足以下方程：

式中：q为热通量；x、y、z分别为相对于热源中心沿X、Y、Z方向的距离；Q12为双椭球热源前后部分能量的最大值；a12、b、c为双椭球的几何形状参数。

2 数值分析

2.1 焊接试件网格划分

焊接过程温度急剧变化，因此网格的划分将对计算和分析的结果产生直接的影响[10-11]。由于焊缝区温度梯度大，而且应力应变变化复杂，为了保证数值计算的精度，本文对焊接接头区域采取精细的网格划分，在远离焊缝的母材部分采用较粗的网格。焊接模型及网格划分如图1所示。

图1 网格划分

2.2 焊接试件热物理性能参数选择

由于焊接过程温度变化大，在数值分析过程中需考虑管线钢的非线性特征，即考虑材料的温度相关性[12-14]。表2给出了主要的热物理参数及力学参数随温度变化的值。

表2 X80钢性能参数

3 结果及分析

3.1 焊接温度场仿真

通过与试验结果的对比，表明焊接温度场模拟的正确性。为了方便观察和分析，每层焊接的时间大致为10 s。因为焊层间温度要保持在80～200 ℃以下，这样，每层焊接结束需要冷却90 s，总焊接时长为300 s。为了观察焊接温度场的分布情况，取不同时刻的焊接温度场云图，如图2所示。主要观察X80管线钢处于熔融状态时的温度场分布。图2为第1、3层焊接时依次取10、50、100、180、260 s的温度场云图。由图2可知，随着热源的移动，热源周围温度急剧升高，随后，温度又快速下降。在焊接的初始阶段，熔池处于非稳态，随着焊接过程的进行，熔池又趋于准稳态。从模拟结果来看，熔池形状与双椭球热源模型高度吻合，这也进一步验证了温度场模拟的正确性。从云图能看出焊件的峰值温度在1319～1409 ℃，随着时间的推移，焊接热影响区任意一点的温度变化规律基本一致，未焊接的母材温度变化不明显。这能为优化焊接工艺、提高焊接质量提供参考依据，有助于了解焊缝缺陷的机理。

3.2 模拟焊接热循环曲线

图2 不同时刻温度场云图

通过SYSWELD的后处理方式，能生成各变量随温度变化的曲线，从焊接接头位置取4个节点对参数进行处理，获得温度随时间变化的曲线，如图3所示。当热源未达到所取节点时，该点温度较低，当热源移动到该位置时，温度急剧升高，短时间达到最大值。随着时间推移，热源移开时温度又快速降低，但能明显看出的是上升速率快于下降速率。从图3（b）能看出，焊接热循环曲线有3 个峰值，大小呈递减趋势，这是由于焊层之间的影响所导致，总体来看，第1层焊影响最大，当焊缝进入准稳态时，各点的热循环曲线基本重合。

选取焊缝中心的4个节点进行分析，获得焊接热循环曲线。从图4可以看出，由于上一层焊的预热作用，导致节点（0.005，0.016，0.2）的峰值温度大于其他3点的峰值温度；初始时间段曲线基本处于水平是由于热源未移动到该点所致，温度基本维持在120 ℃。

图3 焊接热循环曲线

图4 距焊缝中心距离不同节点热循环曲线

4 结 论

本文选择与焊接实际情况相符的双椭球热源模型，通过对比得知，模拟结果与试验结果高度一致。通过SYSWELD对热源进行移动加载，获得了焊接接头的温度场分布情况及焊接热循环曲线，与实际情况基本吻合。数值模拟表明，使用SYSWELD模拟焊接接头温度场的分布情况是可行的，这为本课题探究焊缝开裂机理、进行焊接接头残余应力、应变的计算及焊接组织结构分析提供坚实理论依据，对提高焊接质量具有参考价值。