程方杰 ，孔康騫，武少杰 ，李為衛(wèi)

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300350；3. 中國石油管材研究所，西安 710077)

高質(zhì)量高效率的自動化海底管線鋪設(shè)是建設(shè)海洋強國重大發(fā)展戰(zhàn)略中的一項重要任務(wù)．采用帶銅襯墊的管道內(nèi)對口器實現(xiàn)環(huán)焊縫自動打底焊是目前海底管線和小口徑陸地管線鋪設(shè)中主流的全自動焊接工藝[1]．銅襯墊的強制成形作用配合大熱輸入可以使焊根充分熔透，但大熱輸入下銅襯墊容易發(fā)生燒損，使得焊縫滲銅、夾銅現(xiàn)象加劇[2-3]，影響接頭的性能，因此需要不定期進行更換．田學(xué)坤[4]和楊國棟等[5]針對管道內(nèi)對口器襯墊材料的選取進行了研究，結(jié)果顯示紫銅襯墊、鉻鋯銅、噴鉻鎳陶瓷襯墊等剛性襯墊都出現(xiàn)了不同程度的燒損，襯墊使用壽命有限．銅襯墊的更換成本高且大大降低焊接生產(chǎn)效率，因此解決銅襯墊的燒損問題是優(yōu)化該技術(shù)的一個關(guān)鍵問題．

為了解決內(nèi)對口器銅襯墊的燒損問題，本研究提出在銅襯墊表面增加一層高熔點的無機纖維材料來避免高溫熔池和原銅襯墊的直接接觸，減少熔池?zé)崃肯蜚~襯墊的快速傳導(dǎo)從而防止銅襯墊的燒損．為了敘述方便，下文中將“銅襯墊”稱為“銅滑塊”，而新增加的這層高熔點無機纖維材料稱為“柔性襯墊”．本研究首先采用有限元方法建立起帶柔性襯墊的銅滑塊強制成形焊接過程的溫度場仿真計算模型，然后研究襯墊材料的密度、比熱容、熱導(dǎo)率等物性參數(shù)對焊接溫度場的影響規(guī)律，為柔性襯墊物性參數(shù)及厚度的選擇提供參考．最后，根據(jù)模擬計算結(jié)果，選擇一種襯墊材料，進行實際焊接試驗驗證工作，為下一步系統(tǒng)的工藝試驗提供理論依據(jù)．

1 有限元模型建立

1.1 試驗條件及幾何模型

打底焊試驗采用平板對接，坡口尺寸和試板厚度如圖 1(a)所示．工件尺寸為 150 mm×75 mm×15 mm，材質(zhì)為EH36 海洋工程用鋼．銅滑塊的尺寸為 150 mm×150 mm×20 mm，材質(zhì)為紫銅，中間帶一個寬度為20.0 mm、深度為1.0 mm 的槽．柔性襯墊呈條帶狀，寬20 mm，固定在銅滑塊表面的槽中，工件和銅滑塊剛性裝夾在一起．焊接示意和有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1(b)、(c)所示，并分別選取了熔池底部中心位置的點A、柔性襯墊上表面中心位置的點B 以及銅滑塊上表面中心的點C 分別分析工件溫度場和銅滑塊溫度場．

試驗采用GMAW 工藝，焊接電流為150 A，焊接電壓為23 V，焊接速度為7.5 mm/s．采用的保護氣為Ar(80%)+CO2(20%)，氣體流量為15 L/min．

圖1 坡口尺寸、焊接示意以及有限元模型網(wǎng)格Fig.1 Size of groove，diagram of welding process，and finite element model mesh

1.2 熱物性參數(shù)及熱源模型

被焊工件的熱導(dǎo)率和比熱容如表1 所示，忽略密度隨溫度的變化，設(shè)定為常數(shù)7.92×103kg/m3．銅滑塊除了與熔池接觸的很小一部分溫度會較高之外，其他部位溫度都較低，可以認(rèn)為其高溫?zé)嵛镄詤?shù)的變化對溫度場計算結(jié)果影響很小，因此本文選擇的熱物性參數(shù)均為室溫下的參數(shù)，其中熱導(dǎo)率為 377 W/(m·℃)，密度為 9.92×103kg/m3，比熱容為386 J/(kg·℃)．

表1 工件的比熱容和熱導(dǎo)率Tab.1 Specific heat capacity and thermal conductivity of the workpiece

對于柔性襯墊材料主要的3 個熱物性參數(shù)，即密度、比熱容、熱導(dǎo)率的選取，參考相關(guān)文獻來確定其取值范圍如下：①密度分別取0.2×103kg/m3、0.5×103kg/m3、2×103kg/m3、5×103kg/m3、8×103kg/m3；②比熱容分別取200 J/(kg·℃)、500 J/(kg·℃)、1 000 J/(kg·℃)、1 500 J/(kg·℃)、2 000 J/(kg·℃)；③熱導(dǎo)率分別取0.02 W/(m·℃)、0.2 W/(m·℃)、2 W/(m·℃)、20 W/(m·℃)、200 W/(m·℃)．分別研究上述參數(shù)范圍內(nèi)，焊接溫度場的變化規(guī)律．

焊接熱源采用高斯面熱源加雙橢球體熱源構(gòu)成的復(fù)合熱源模型．高斯面熱源模擬電弧傳遞的熱量，雙橢球體熱源模擬熔滴過渡帶來的熱量，兩者復(fù)合更符合實際的熱量傳遞行為，焊接熱效率取0.8．熱源的相關(guān)參數(shù)如表2 所示．

表2 熱源模型參數(shù)Tab.2 Parameters of the heat source model

1.3 熱接觸作用及邊界條件

帶襯墊的焊接模擬過程一般假設(shè)襯墊和工件是一體的[6]．但是宏觀上接觸的物體由于裝配精度、表面粗糙度等問題，實際上只是極少數(shù)的點接觸[7-9]．對于熱導(dǎo)率較低的陶瓷襯墊來說，這種處理方式對溫度場的結(jié)果影響不大；而對于熱導(dǎo)率很大的銅襯墊來說，模擬結(jié)果與實際焊接時將會產(chǎn)生較大誤差．本模型初始設(shè)定熔池底部和襯墊之間存在一個微小間隙，在未熔透前主要是通過輻射和對流導(dǎo)熱進行熱量交換，當(dāng)發(fā)生熔透后，再激活直接接觸導(dǎo)熱過程．在使用有限元分析軟件ABAQUS 6.14 進行分析時，這一特殊的熱邊界條件是利用生死單元技術(shù)實現(xiàn)的．首先將焊縫分成若干段，在熱源移動到第n段焊縫的末尾時刻激活該段焊縫與襯墊之間的熱接觸作用，隨著熱源的前進，接觸的部位也隨之不斷增多．接觸傳熱通過接觸熱導(dǎo)率進行描述，查閱相關(guān)文獻[10-12]，本文設(shè)定熔池與襯墊接觸熱導(dǎo)率為10 W/(m·℃)．初始溫度場為27 ℃，對流換熱系數(shù)取10 W/(m·℃)，輻射換熱系數(shù)取0.8．

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 襯墊厚度對溫度場的影響

為研究襯墊厚度對溫度場的影響規(guī)律，選取常見的無機纖維材料的熱物性參數(shù)來進行模擬計算[13]，即：密度為2×103kg/m3，比熱容為1 000 J/(kg·℃)，熱導(dǎo)率為0.2 W/(m·℃)．

不同厚度柔性襯墊作用下的工件表面溫度場如圖2 所示．圖中灰色部分為超過1 450 ℃以上的區(qū)域，可以認(rèn)為是熔池范圍．從圖中可以看出，首先，有柔性襯墊和無柔性襯墊作用下的熔池前方的溫度梯度差別很小，而熔池后方的溫度梯度差別較大，帶柔性襯墊時高溫區(qū)拖尾現(xiàn)象明顯，無柔性襯墊時則很?。@說明熔池與銅滑塊直接接觸時其熱量會被快速導(dǎo)走，熔池冷卻速度很快；而柔性襯墊的熱導(dǎo)率低，熱傳遞能力差，對熔池起到了很好的隔熱保溫效果，熔池的冷卻速度要小得多．其次，比較熔池尺寸大小可以發(fā)現(xiàn)，無柔性襯墊時的熔池在焊接方向上明顯要短，而有柔性襯墊時熔池則明顯變長，但是它們的寬度差別不大；更進一步發(fā)現(xiàn)，襯墊的厚度其實對熔池的尺寸影響很小．

圖3 是不同厚度柔性襯墊作用下的熔池底部點A的溫度-時間曲線，其對應(yīng)的 t8/5時間也列于圖上.可以發(fā)現(xiàn)，在無柔性襯墊保護的情況下，熔池底部的冷卻速度非?？?，其 t8/5僅有0.4 s，只有帶柔性襯墊情況下的1/10 左右．當(dāng)有柔性襯墊時，襯墊厚度對 t8/5影響不大．

圖4 是銅滑塊上表面點C的溫度-時間曲線．從圖中可以看出，無柔性襯墊保護時，點C的最高溫度瞬間可達700 ℃左右．這種瞬時高溫會導(dǎo)致銅滑塊表面的局部燒損．從圖4 還可以看出，即使只有0.5 mm的一層柔性襯墊，銅滑塊表面的溫度也會大幅度降低到90 ℃以下，銅滑塊的燒損以及滲銅問題會得到根本性消除，而且隨著厚度的增加，峰值溫度降低并不明顯．

圖2 柔性襯墊厚度對工件焊接溫度場的影響Fig.2 Effect of flexible-pad thickness on the welding temperature field of the workpiece

圖3 柔性襯墊厚度與熔池底部點A 的溫度-時間曲線Fig.3 Thickness of the flexible pad and temperature-time curve of point A at the bottom of the weld pool

圖4 柔性襯墊厚度與銅滑塊上表面點C 的溫度-時間曲線Fig.4 Thickness of the flexible pad and temperature-time curve of point C on the top surface of the copper slider

2.2 襯墊熱物性參數(shù)對焊接溫度場的影響

選用厚度為0.5 mm 的柔性襯墊，來研究襯墊熱物性參數(shù)對焊接溫度場的影響．圖5 給出了柔性襯墊的熱導(dǎo)率變化時計算所得的工件溫度場縱截面圖．從圖中可以看出，襯墊的熱導(dǎo)率越大，熔池后方冷卻速度越快，相應(yīng)的溫度梯度也就越大，熔池背面長度也越短，即熔池的體積也越?。? 給出了熔池底部點A的峰值溫度以及平均冷卻速度，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱導(dǎo)率達到純銅熱導(dǎo)率(340 W/(m·℃))時，點A的冷卻速度比普通無機柔性襯墊作用時高了近20倍，因此選用不同熱導(dǎo)率的柔性襯墊，不僅可以控制焊縫的形貌，同時還可以控制焊縫的冷卻速度．

圖5 柔性襯墊熱導(dǎo)率對工件溫度場的影響Fig.5 Effect of thermal conductivity of flexible pad on temperature field of the workpiece

表3 熔池內(nèi)點A 從峰值溫度冷卻到500,℃的平均冷卻速度Tab.3 Average cooling rate of point A at the bottom of the molten pool from peak temperature to 500,℃

不同熱導(dǎo)率柔性襯墊保護下銅滑塊上點C的溫度-時間曲線如圖6 所示．可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱導(dǎo)率小于等于 2 W/(m·℃)時，銅滑塊的表面溫度都不超過80 ℃；當(dāng)熱導(dǎo)率達到了20 W/(m·℃)時，銅滑塊表面的溫度也只有210 ℃，該熱導(dǎo)率已經(jīng)大大超出了隔熱材料的范圍；即使熱導(dǎo)率達到200 W/(m·℃)，銅滑塊表面的溫度峰值也只有400 ℃．常見的隔熱材料的熱導(dǎo)率都在0.2 W/(m·℃)左右，所以在選取材料時熱導(dǎo)率的制約并不是很大．即使熱導(dǎo)率達到200 W/(m·℃)，只要柔性襯墊在作用時能夠?qū)⑷鄢睾豌~滑塊隔離開來，就能起到保護銅滑塊避免其燒損的目的．

圖6 熱導(dǎo)率對銅滑塊上表面點C 溫度的影響Fig.6 Effect of thermal conductivity on the temperatureof point C on the top surface of the copper slider

至于柔性襯墊材料的密度和比熱容這兩個熱物性參數(shù)，仿真結(jié)果表明，在給定的常用材料的這兩個參數(shù)的范圍內(nèi)，它們的變化對溫度場及根部冷卻速度等方面的影響非常小，在選擇柔性襯墊材料時可以不用考慮其影響．

2.3 襯墊對焊道背面成形的影響

為了分析柔性襯墊對打底焊道背面成形的影響，從距起弧點75 mm 處開始，每間隔1.0 mm 提取焊道背面的熔寬數(shù)據(jù)(即打底焊道背面溫度在1 450 ℃以上區(qū)域的寬度)繪制出焊縫背面熔寬輪廓．1～7 號點是打底焊道焊縫表面中心關(guān)鍵點，即熔寬最窄和最寬時的焊縫中心點，其中1 號點距起弧點75 mm，7 號點距起弧點120 mm，提取出其熱循環(huán)曲線，結(jié)果如圖7 所示．由背面熔寬輪廓線形狀可以發(fā)現(xiàn)，在沒有柔性襯墊的情況下，焊縫背面的熔寬呈不連續(xù)的鏈結(jié)狀，鏈結(jié)的最大熔寬為 5.5 mm，平均長度為15.0 mm，間隔為2.0～3.0 mm．輪廓關(guān)鍵點上的熱循環(huán)曲線相差較大，鏈結(jié)之間的位置上的最高溫度都明顯偏低，未達到1 450 ℃，如圖7(a)所示；而增加柔性襯墊后，背面熔寬變得十分均勻，平均熔寬也較大，達到6.0 mm 左右，相應(yīng)點上的熱循環(huán)曲線也都一致，都超過了1 450 ℃，如圖7(b)所示．由此可以推測，傳統(tǒng)的銅襯墊焊接時熔池尺寸波動較大，當(dāng)熔池跟銅襯墊接觸時會迅速冷卻而變小，與銅襯墊的接觸面積也隨之減??；隨后熔池由于散熱變慢又快速長大，與銅襯墊的接觸面積則隨之增大．如此循環(huán)下去得到的將是周期性變化的背面熔寬．而帶有柔性襯墊后，焊根的背面成形變得非常均勻且穩(wěn)定．

圖7 根部焊道輪廓以及關(guān)鍵點的溫度-時間曲線Fig.7 Profile of root pass and temperature-time curves at critical points

圖8 銅滑塊的燒損和根部焊道成形Fig.8 Burning of copper slider and the appearance of the root weld

3 試驗驗證

根據(jù)模擬計算獲得的規(guī)律，選用了一種厚度為0.5 mm 的硅酸鋁陶瓷纖維布放置在銅滑塊表面的槽中作為柔性襯墊，采用模擬計算所使用的熱輸入?yún)?shù)進行了焊接試驗．圖8 為有無柔性襯墊時銅滑塊表面燒損及焊道背面成形情況．從圖8(a)、(b)可以看出，無柔性襯墊保護時，銅滑塊表面與熔池直接接觸的部位生成了黑色的氧化物(只焊接一次)，而有柔性襯墊保護時銅滑塊表面則完好無損(連續(xù)焊接10 次，每次更換柔性襯墊)，說明柔性襯墊很好地避免了銅滑塊的燒損．從圖8(c)可以看出，熔池與銅滑塊直接接觸時形成了周期性寬窄變化的根部熔寬，焊道表面平直，焊趾處曲率半徑較小，過渡不圓滑；從圖8(d)則可以看出有柔性襯墊時，根部焊道寬窄均勻，且焊趾呈圓弧狀過渡．

4 結(jié) 論

(1) 在銅滑塊和工件之間增加一層柔性襯墊可以顯著減少熔池?zé)崃肯蜚~滑塊的傳遞，可以將銅滑塊表面溫度由700 ℃降低到90 ℃以下，有效避免銅滑塊的燒損和滲銅缺陷的發(fā)生．

(2) 在一定范圍內(nèi)柔性襯墊的厚度對焊接溫度場影響很小，只需要0.5～1.0 mm 厚度就能達到良好的保護效果．

(3) 通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，材料的密度和比熱容對隔熱效果的影響非常小，只有熱導(dǎo)率會明顯影響溫度分布和熔池大?。?/p>

(4) 增加柔性襯墊可以改善根部焊道背面成形，形成寬度均勻的背面熔寬，且焊趾過渡圓滑．