HFW 焊管滚槽加工对焊缝开裂的影响

2023-01-14封壮壮黄素霞刘晓立李河宗翟永利王志伟

焊管 2022年12期

封壮壮，黄素霞，刘晓立，李河宗，翟永利，王志伟

（1. 河北省智能工业装备技术重点实验室，河北邯郸 056000；2. 河北工程大学机械与装备工程学院，河北邯郸 056000；3. 邯郸正大制管集团股份有限公司，河北邯郸 056700）

0 前言

HFW 焊管具有尺寸精度高、生产效率高、焊缝热影响区小、对结合面质量要求低等优点，被广泛应用于能源管道、管道机械制造和低压流体输送管道中[1-2]。通常情况下，管道连接方式多采用卡箍式，也称沟槽式[3]。而在加工沟槽时，由于焊缝与母材的组织和力学性能存在差异，因此在沟槽成形过程中会在焊缝处产生开裂，又称“滚槽开裂”，降低焊管质量。故本研究基于热-力顺序耦合和显示动力学的理论，采用ABAQUS 有限元分析软件对焊管焊缝成形过程及滚槽加工过程进行模拟，通过分析形变量与力学性能探究滚槽开裂的原因。

1 有限元模型建立

1.1 尺寸选择

本研究采用的HFW 焊管，管体材料为Q235钢，其滚压沟槽形状及尺寸示意图如图1 所示，详细尺寸参数见表1。

图1 焊管及沟槽尺寸

表1 焊管和沟槽的尺寸

1.2 三维模型

高频电阻焊管的生产制造过程采用连续焊接的生产工艺，为简化分析过程，定义高频焊管模型管件长度为60 mm，滚槽加工模型如图2所示。

图2 滚槽加工模型

1.3 单元选取网格划分

焊接模型的有限元网格划分如图3 所示，共划分29 450 个单元，单元类型分别为热传递单元DC3D8 和三维应力单元C3D8R，挤压辊设置为离散刚体，共划分为750 个单元，单元类型为刚体单元R3D4。由于间隙和管体端部部分别是焊缝和滚槽区域，该处的温度梯度和应力梯度均较大，因此，需在间隙和滚槽及其附近区域进行网格细化。滚槽模型的钢管网格划分与焊接时的数据保持一致，压轮、压轮杆和支撑辊设置为离散刚体，单元类型为刚体单元R3D4，滚槽机机架设置为显示体，不参与计算。

图3 焊缝处细化网格

1.4 焊接热源模型及其参数

为进一步分析钢管高频焊接焊缝成形过程[4-5]，对其进行了数值模拟，其中，焊接温度是影响管体焊缝形状及残余应力的重要因素，而热源模型对温度场模拟的影响较大[6]，因此，需根据实际焊接参数条件下的能量分布状态建立相应的数学模型，使模拟的熔坑（液-固）边界与实际的熔接线相吻合[7]。本研究采用在间隙两侧待焊合的两侧面施加移动面热源的方法模拟高频焊接热量分布，面热源在待焊面上以焊接热源为中心，在焊缝长度方向上呈高斯分布[8]，并与挤压辊以相同的速度沿焊管轴向移动，任意一点的表面热流密度分布见公式（1）。

式中： r——热源半径， mm；

η——焊接热效率；

Q——焊接功率， kW；

v——焊接速度， m/s；

t——瞬时焊接时间， s。

经过试算，本研究的热源半径设为5 mm，环境初始温度设为室温20 ℃。

1.5 相互作用与边界条件的设置

1.5.1 相互作用

根据实际加工过程，将管件与挤压辊模型导入ABAQUS 软件中并进行装配，挤压量设置为1.5 mm，在管道待焊接的两个侧面和挤压辊与管道之间的接触面建立接触属性，切向采用摩擦接触，摩擦因数为0.1。将所有滚槽工作部件导入ABAQUS 软件并进行装配，下压量设置为2.2 mm，分别将压轮与管件外表面以及支撑辊与管件内表面建立接触关系，摩擦因数为0.3。两个模型法向均采用 “硬” 接触且设置为允许接触后分离，在钢管轴线中心处建立RP 点与钢管内表面耦合以便施加边界条件。

1.5.2 边界条件

在焊接模型中，焊接温度过高会对应力场有较大影响，为易于收敛，在计算高频电阻焊时采用热-力顺序耦合法[9]，即先使用热传递分析步计算温度分布，再将温度场结果导入力分析步计算应力场。根据高频焊管生产过程，在管体挤压过程中，预先对挤压辊设置位移边界条件。管体的挤压过程为，首先沿管体半径方向移动挤压辊，管体的焊接起点处受挤压闭合形成焊接点，然后沿管体轴向移动挤压辊，并与焊接速度保持一致，直至管道焊接完成。

焊缝成形后，由于在焊接过程中会发生压缩变形、热胀冷缩等作用，因而会在焊缝区域产生残余应力，故将该模型导入滚槽模型的预定义场中并作为初始状态，滚槽模型采用动力显示算法。依据滚槽的实际加工过程对模型设置边界条件，第一步为压轮下移与焊管外表面接触；第二步为压轮下压，同时电机开始转动，通过压轮和支撑辊的挤压与摩擦力的作用使焊管开始转动，直至压轮压至设定深度；第三步是压轮复位。

1.6 材料参数

本研究选取Q235 钢为作为母材，材料的结晶潜热为252 J/g，固相线温度为1 430 ℃，液相线温度为1 510 ℃， Q235 钢的热传导率、比热、热膨胀系数等热物理参数随温度变化而变化，Q235 钢在不同温度下的热物理性能参数以及室温下的力学参数如图4 所示[10-11]。

图4 不同温度下Q235 的材料性能参数

2 试验验证

图5 为实际沟槽成形后的集合参数和截面参数对比图，取截面测量其尺寸，结果与有限元模拟得到的模型基本一致，从而验证了有限元模型的正确性。

图5 实际沟槽成形后集合参数和截面参数对比图（单位：mm）

3 结果与讨论

3.1 温度场及应力场云图

3.1.1 焊接温度场云图

焊接温度场模拟过程如图6 所示，该分析步为热传递，只计算热流密度，红色区域温度为高于1 500 ℃的熔池区，最高温度可达2 000 ℃以上。

图6 焊接温度场云图

3.1.2 焊接残余应力场云图

图7 为焊接残余应力场云图，由图7 可以看出，高频焊接起点和终点以及距焊缝中心1.5～3.5 mm 区域的Mises 应力较大。由于焊接起点和终点处的焊缝内壁受到挤压作用，因此该处的切向残余应力最大，而轴向残余应力在焊缝及附近区域最大，接近屈服应力，由于管件的厚度只有3.5 mm，因此径向残余应力较小。

图7 HFW 焊管焊接残余应力场云图

3.1.3 沟槽应力场云图

图8 为沟槽加工后的应力云图。滚压后的残余应力场云图如图8 （a）所示，由于焊缝区域与母材组织性能不一，在焊接残余应力及下压辊作用下，沿焊缝附近及沟槽处的残余应力较大且有应力集中，表明这些区域也是滚压过程中极易开裂的位置。由滚槽加工原理可知，下压辊对沟槽底边产生压应力时会在沟槽边缘产生弯矩，这些弯矩可分解成沿切线向上的应力，使焊缝处更加容易发生撕裂，焊缝截面处的应力分布如图8 （b）所示，由图可知，焊缝处最大主应力以切向应力为主。

图8 沟槽加工后的应力场云图

3.2 滚槽开裂的影响因素

3.2.1 焊接残余应力

本研究将有无焊接残余应力的钢管分别进行滚压模拟，分析残余应力对焊缝处的切向应力与下压力的影响，结果如图9 所示。由图9可见，有焊接残余应力的管钢压轮下压力、滚后最大切向应力较大。焊接时的高温与冷却过程可近似看作局部热处理，而焊缝处的局部热处理会导致焊缝组织与力学性能分布不均匀，由于焊接后的焊缝的强度高于母材，因此，在滚槽加工过程中，压轮产生的下压力会更大，同时根据滚压原理，滚压时的最大切向应力也随之变大，滚槽开裂倾向增大。

图9 HFW 焊管焊接残余应力对滚压的影响

3.2.2 滚压圈数

在沟槽加工过程中，钢管每转动一圈，压轮便加压一次，直至达到一定深度，下压过程中均匀施加向下的压力，本研究模拟在总下压量一定时，通过改变滚压圈数控制变形速度，进而对结果产生影响，结果如图10 所示。

图10 滚压圈数对压力、应力的影响

由图10 可知，滚压1～5 圈时，由于滚压圈数少，每次下压量差值较大，塑性变形程度较大；同时，随着滚压圈数的增多，每圈下压量必然减小，故滚压过程所施加压力的最大值以及焊缝处的最大切向应力也随之变小；滚压6 圈以后，每次下压量差值较小，塑性变形程度减小，压力与应力值波动较小，基本呈稳定状态。

3.2.3 滚压进给量

在金属发生塑性变形过程中，金属晶格间产生了弹性畸变，阻碍了金属内滑移的进行，随着变形程度增大，金属的形变抗力也增大，进而产生加工硬化[12]。本研究通过调节压轮单次进给量，采用不均匀的进给方式控制变形程度，试验方案见表2，不同的滚压进给量试验方案对结果的影响如图11 所示，不均匀进给量会出现单次下压量较大的情况，会使单次的变形程度增大，从而变形抗力变大，下压力和沿焊缝切向应力会产生突变，由图11 可知不均匀进给方案对滚压最大应力值影响较大，而均匀下压的方案1 影响最小。

表2 不同下压圈数及压轮进给量试验方案

图11 不同进给方案对下压力和切向应力的影响

3.2.4 滚压位置

在滚压加工沟槽时，不同初始下压位置会对焊缝区域产生不同的影响。本研究模拟了压下位置分别为焊缝熔合区、热影响区和母材的滚槽成形过程，试验结果如图12 所示。图12 （a）、图12（b）分别为不同初始下压位置对滚槽成形过程的影响，由图12 （a）、图12 （b）可知，初始下压位置为焊缝熔合区时，该处的下压力与滚压最大切向应力均最大。本研究所划分的焊缝熔合区包含了极窄部分的熔合区，也称过渡区，此处的晶粒尺寸较大，化学成分和组织分布不均匀，力学性能较差。