基于FEM 的管道全自动打底焊用柔性衬垫的研究

程方杰 ，孔康骞，武少杰 ，李为卫

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300350；2. 天津市现代连接技术重点实验室，天津 300350；3. 中国石油管材研究所，西安 710077)

高质量高效率的自动化海底管线铺设是建设海洋强国重大发展战略中的一项重要任务．采用带铜衬垫的管道内对口器实现环焊缝自动打底焊是目前海底管线和小口径陆地管线铺设中主流的全自动焊接工艺[1]．铜衬垫的强制成形作用配合大热输入可以使焊根充分熔透，但大热输入下铜衬垫容易发生烧损，使得焊缝渗铜、夹铜现象加剧[2-3]，影响接头的性能，因此需要不定期进行更换．田学坤[4]和杨国栋等[5]针对管道内对口器衬垫材料的选取进行了研究，结果显示紫铜衬垫、铬锆铜、喷铬镍陶瓷衬垫等刚性衬垫都出现了不同程度的烧损，衬垫使用寿命有限．铜衬垫的更换成本高且大大降低焊接生产效率，因此解决铜衬垫的烧损问题是优化该技术的一个关键问题．

为了解决内对口器铜衬垫的烧损问题，本研究提出在铜衬垫表面增加一层高熔点的无机纤维材料来避免高温熔池和原铜衬垫的直接接触，减少熔池热量向铜衬垫的快速传导从而防止铜衬垫的烧损．为了叙述方便，下文中将“铜衬垫”称为“铜滑块”，而新增加的这层高熔点无机纤维材料称为“柔性衬垫”．本研究首先采用有限元方法建立起带柔性衬垫的铜滑块强制成形焊接过程的温度场仿真计算模型，然后研究衬垫材料的密度、比热容、热导率等物性参数对焊接温度场的影响规律，为柔性衬垫物性参数及厚度的选择提供参考．最后，根据模拟计算结果，选择一种衬垫材料，进行实际焊接试验验证工作，为下一步系统的工艺试验提供理论依据．

1 有限元模型建立

1.1 试验条件及几何模型

打底焊试验采用平板对接，坡口尺寸和试板厚度如图 1(a)所示．工件尺寸为 150 mm×75 mm×15 mm，材质为EH36 海洋工程用钢．铜滑块的尺寸为 150 mm×150 mm×20 mm，材质为紫铜，中间带一个宽度为20.0 mm、深度为1.0 mm 的槽．柔性衬垫呈条带状，宽20 mm，固定在铜滑块表面的槽中，工件和铜滑块刚性装夹在一起．焊接示意和有限元模型网格划分结果如图1(b)、(c)所示，并分别选取了熔池底部中心位置的点A、柔性衬垫上表面中心位置的点B 以及铜滑块上表面中心的点C 分别分析工件温度场和铜滑块温度场．

试验采用GMAW 工艺，焊接电流为150 A，焊接电压为23 V，焊接速度为7.5 mm/s．采用的保护气为Ar(80%)+CO2(20%)，气体流量为15 L/min．

图1 坡口尺寸、焊接示意以及有限元模型网格Fig.1 Size of groove，diagram of welding process，and finite element model mesh

1.2 热物性参数及热源模型

被焊工件的热导率和比热容如表1 所示，忽略密度随温度的变化，设定为常数7.92×103kg/m3．铜滑块除了与熔池接触的很小一部分温度会较高之外，其他部位温度都较低，可以认为其高温热物性参数的变化对温度场计算结果影响很小，因此本文选择的热物性参数均为室温下的参数，其中热导率为 377 W/(m·℃)，密度为 9.92×103kg/m3，比热容为386 J/(kg·℃)．

表1 工件的比热容和热导率Tab.1 Specific heat capacity and thermal conductivity of the workpiece

对于柔性衬垫材料主要的3 个热物性参数，即密度、比热容、热导率的选取，参考相关文献来确定其取值范围如下：①密度分别取0.2×103kg/m3、0.5×103kg/m3、2×103kg/m3、5×103kg/m3、8×103kg/m3；②比热容分别取200 J/(kg·℃)、500 J/(kg·℃)、1 000 J/(kg·℃)、1 500 J/(kg·℃)、2 000 J/(kg·℃)；③热导率分别取0.02 W/(m·℃)、0.2 W/(m·℃)、2 W/(m·℃)、20 W/(m·℃)、200 W/(m·℃)．分别研究上述参数范围内，焊接温度场的变化规律．

焊接热源采用高斯面热源加双椭球体热源构成的复合热源模型．高斯面热源模拟电弧传递的热量，双椭球体热源模拟熔滴过渡带来的热量，两者复合更符合实际的热量传递行为，焊接热效率取0.8．热源的相关参数如表2 所示．

表2 热源模型参数Tab.2 Parameters of the heat source model

1.3 热接触作用及边界条件

带衬垫的焊接模拟过程一般假设衬垫和工件是一体的[6]．但是宏观上接触的物体由于装配精度、表面粗糙度等问题，实际上只是极少数的点接触[7-9]．对于热导率较低的陶瓷衬垫来说，这种处理方式对温度场的结果影响不大；而对于热导率很大的铜衬垫来说，模拟结果与实际焊接时将会产生较大误差．本模型初始设定熔池底部和衬垫之间存在一个微小间隙，在未熔透前主要是通过辐射和对流导热进行热量交换，当发生熔透后，再激活直接接触导热过程．在使用有限元分析软件ABAQUS 6.14 进行分析时，这一特殊的热边界条件是利用生死单元技术实现的．首先将焊缝分成若干段，在热源移动到第n段焊缝的末尾时刻激活该段焊缝与衬垫之间的热接触作用，随着热源的前进，接触的部位也随之不断增多．接触传热通过接触热导率进行描述，查阅相关文献[10-12]，本文设定熔池与衬垫接触热导率为10 W/(m·℃)．初始温度场为27 ℃，对流换热系数取10 W/(m·℃)，辐射换热系数取0.8．

2 模拟结果与分析

2.1 衬垫厚度对温度场的影响

为研究衬垫厚度对温度场的影响规律，选取常见的无机纤维材料的热物性参数来进行模拟计算[13]，即：密度为2×103kg/m3，比热容为1 000 J/(kg·℃)，热导率为0.2 W/(m·℃)．

不同厚度柔性衬垫作用下的工件表面温度场如图2 所示．图中灰色部分为超过1 450 ℃以上的区域，可以认为是熔池范围．从图中可以看出，首先，有柔性衬垫和无柔性衬垫作用下的熔池前方的温度梯度差别很小，而熔池后方的温度梯度差别较大，带柔性衬垫时高温区拖尾现象明显，无柔性衬垫时则很小．这说明熔池与铜滑块直接接触时其热量会被快速导走，熔池冷却速度很快；而柔性衬垫的热导率低，热传递能力差，对熔池起到了很好的隔热保温效果，熔池的冷却速度要小得多．其次，比较熔池尺寸大小可以发现，无柔性衬垫时的熔池在焊接方向上明显要短，而有柔性衬垫时熔池则明显变长，但是它们的宽度差别不大；更进一步发现，衬垫的厚度其实对熔池的尺寸影响很小．

图3 是不同厚度柔性衬垫作用下的熔池底部点A的温度-时间曲线，其对应的 t8/5时间也列于图上.可以发现，在无柔性衬垫保护的情况下，熔池底部的冷却速度非常快，其 t8/5仅有0.4 s，只有带柔性衬垫情况下的1/10 左右．当有柔性衬垫时，衬垫厚度对 t8/5影响不大．

图4 是铜滑块上表面点C的温度-时间曲线．从图中可以看出，无柔性衬垫保护时，点C的最高温度瞬间可达700 ℃左右．这种瞬时高温会导致铜滑块表面的局部烧损．从图4 还可以看出，即使只有0.5 mm的一层柔性衬垫，铜滑块表面的温度也会大幅度降低到90 ℃以下，铜滑块的烧损以及渗铜问题会得到根本性消除，而且随着厚度的增加，峰值温度降低并不明显．

图2 柔性衬垫厚度对工件焊接温度场的影响Fig.2 Effect of flexible-pad thickness on the welding temperature field of the workpiece

图3 柔性衬垫厚度与熔池底部点A 的温度-时间曲线Fig.3 Thickness of the flexible pad and temperature-time curve of point A at the bottom of the weld pool

图4 柔性衬垫厚度与铜滑块上表面点C 的温度-时间曲线Fig.4 Thickness of the flexible pad and temperature-time curve of point C on the top surface of the copper slider

2.2 衬垫热物性参数对焊接温度场的影响

选用厚度为0.5 mm 的柔性衬垫，来研究衬垫热物性参数对焊接温度场的影响．图5 给出了柔性衬垫的热导率变化时计算所得的工件温度场纵截面图．从图中可以看出，衬垫的热导率越大，熔池后方冷却速度越快，相应的温度梯度也就越大，熔池背面长度也越短，即熔池的体积也越小．表3 给出了熔池底部点A的峰值温度以及平均冷却速度，可以发现，当热导率达到纯铜热导率(340 W/(m·℃))时，点A的冷却速度比普通无机柔性衬垫作用时高了近20倍，因此选用不同热导率的柔性衬垫，不仅可以控制焊缝的形貌，同时还可以控制焊缝的冷却速度．

图5 柔性衬垫热导率对工件温度场的影响Fig.5 Effect of thermal conductivity of flexible pad on temperature field of the workpiece

表3 熔池内点A 从峰值温度冷却到500,℃的平均冷却速度Tab.3 Average cooling rate of point A at the bottom of the molten pool from peak temperature to 500,℃

不同热导率柔性衬垫保护下铜滑块上点C的温度-时间曲线如图6 所示．可以发现，当热导率小于等于 2 W/(m·℃)时，铜滑块的表面温度都不超过80 ℃；当热导率达到了20 W/(m·℃)时，铜滑块表面的温度也只有210 ℃，该热导率已经大大超出了隔热材料的范围；即使热导率达到200 W/(m·℃)，铜滑块表面的温度峰值也只有400 ℃．常见的隔热材料的热导率都在0.2 W/(m·℃)左右，所以在选取材料时热导率的制约并不是很大．即使热导率达到200 W/(m·℃)，只要柔性衬垫在作用时能够将熔池和铜滑块隔离开来，就能起到保护铜滑块避免其烧损的目的．

图6 热导率对铜滑块上表面点C 温度的影响Fig.6 Effect of thermal conductivity on the temperatureof point C on the top surface of the copper slider

至于柔性衬垫材料的密度和比热容这两个热物性参数，仿真结果表明，在给定的常用材料的这两个参数的范围内，它们的变化对温度场及根部冷却速度等方面的影响非常小，在选择柔性衬垫材料时可以不用考虑其影响．

2.3 衬垫对焊道背面成形的影响

为了分析柔性衬垫对打底焊道背面成形的影响，从距起弧点75 mm 处开始，每间隔1.0 mm 提取焊道背面的熔宽数据(即打底焊道背面温度在1 450 ℃以上区域的宽度)绘制出焊缝背面熔宽轮廓．1～7 号点是打底焊道焊缝表面中心关键点，即熔宽最窄和最宽时的焊缝中心点，其中1 号点距起弧点75 mm，7 号点距起弧点120 mm，提取出其热循环曲线，结果如图7 所示．由背面熔宽轮廓线形状可以发现，在没有柔性衬垫的情况下，焊缝背面的熔宽呈不连续的链结状，链结的最大熔宽为 5.5 mm，平均长度为15.0 mm，间隔为2.0～3.0 mm．轮廓关键点上的热循环曲线相差较大，链结之间的位置上的最高温度都明显偏低，未达到1 450 ℃，如图7(a)所示；而增加柔性衬垫后，背面熔宽变得十分均匀，平均熔宽也较大，达到6.0 mm 左右，相应点上的热循环曲线也都一致，都超过了1 450 ℃，如图7(b)所示．由此可以推测，传统的铜衬垫焊接时熔池尺寸波动较大，当熔池跟铜衬垫接触时会迅速冷却而变小，与铜衬垫的接触面积也随之减小；随后熔池由于散热变慢又快速长大，与铜衬垫的接触面积则随之增大．如此循环下去得到的将是周期性变化的背面熔宽．而带有柔性衬垫后，焊根的背面成形变得非常均匀且稳定．

图7 根部焊道轮廓以及关键点的温度-时间曲线Fig.7 Profile of root pass and temperature-time curves at critical points

图8 铜滑块的烧损和根部焊道成形Fig.8 Burning of copper slider and the appearance of the root weld

3 试验验证

根据模拟计算获得的规律，选用了一种厚度为0.5 mm 的硅酸铝陶瓷纤维布放置在铜滑块表面的槽中作为柔性衬垫，采用模拟计算所使用的热输入参数进行了焊接试验．图8 为有无柔性衬垫时铜滑块表面烧损及焊道背面成形情况．从图8(a)、(b)可以看出，无柔性衬垫保护时，铜滑块表面与熔池直接接触的部位生成了黑色的氧化物(只焊接一次)，而有柔性衬垫保护时铜滑块表面则完好无损(连续焊接10 次，每次更换柔性衬垫)，说明柔性衬垫很好地避免了铜滑块的烧损．从图8(c)可以看出，熔池与铜滑块直接接触时形成了周期性宽窄变化的根部熔宽，焊道表面平直，焊趾处曲率半径较小，过渡不圆滑；从图8(d)则可以看出有柔性衬垫时，根部焊道宽窄均匀，且焊趾呈圆弧状过渡．

4 结 论

(1) 在铜滑块和工件之间增加一层柔性衬垫可以显著减少熔池热量向铜滑块的传递，可以将铜滑块表面温度由700 ℃降低到90 ℃以下，有效避免铜滑块的烧损和渗铜缺陷的发生．

(2) 在一定范围内柔性衬垫的厚度对焊接温度场影响很小，只需要0.5～1.0 mm 厚度就能达到良好的保护效果．

(3) 通过数值模拟发现，材料的密度和比热容对隔热效果的影响非常小，只有热导率会明显影响温度分布和熔池大小．

(4) 增加柔性衬垫可以改善根部焊道背面成形，形成宽度均匀的背面熔宽，且焊趾过渡圆滑．