賴柏豪 宋健 張永康

摘要：樁腿是自升自航式風(fēng)電安裝船重要承載結(jié)構(gòu)。在焊接預(yù)熱過(guò)程中，海工八邊形樁腿由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性容易產(chǎn)生冷卻速率不一致，從而導(dǎo)致焊接變形現(xiàn)象。提出八角形樁腿選區(qū)電磁感應(yīng)焊前精確預(yù)熱技術(shù)，并基于電磁-熱耦合仿真方法研究模擬了恒電流、線性電流、優(yōu)化線性電流3種不同的感應(yīng)電流加載方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：不同的電流加載方式下，圍板和導(dǎo)向板正反面溫度場(chǎng)均不同。在導(dǎo)向板基底電流為165 A ，圍板基底電流為92 A ，電流加載頻率為10 kHz時(shí)，通過(guò)優(yōu)化線性電流加載幅度，加熱22 min時(shí)，在焊縫兩側(cè)75 mm范圍內(nèi)，正面溫度為154.8～181℃，反面溫度為150～180.6℃，圍板在焊縫兩側(cè)100mm的范圍內(nèi)，正面溫度為112.4～150.6℃，反面溫度為106.2～151.2℃，樁腿圍板和導(dǎo)向板正反兩面溫度均滿足精確選區(qū)預(yù)熱的溫度場(chǎng)要求且較為均勻。該研究對(duì)后續(xù)八邊形樁腿焊接制造工藝具有重要的理論指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：自航自升風(fēng)電安裝船;八角形樁腿;電磁感應(yīng);選區(qū)預(yù)熱;線性加載

中圖分類號(hào)：TH133.33+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0037-07開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Precision Area Preheating Method before Welding of Electromagnetic Induction Module in the Marine Octagonal Pile Leg

Lai Bohao，Song Jian ，Zhang Yongkang

（School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

Abstract： Pile leg is an important bearing structure of a self-raised self-propelled wind power installation ship. In the process of welding preheating， the inconsistency of cooling rate due to the complexity of its structure， which leads to welding deformation. The exact preheating technology for electromagnetic induction welding was presented， and the influence of three different induction current loading modes of constant current and optimized linear current on the temperature field were studied based on the electromagnetic-thermal coupling simulation method. The results show that under the current loading modes， the plate and guide fields are different. When the guide plate base current of 165 A， boarding plate base current of is 92 A， current loading frequency of 10 kHz， by optimizing the linear current loading range and heating 22 min， the front temperature is 154.8～181℃ ， the reverse temperature is 150～180.6℃ ， 100 mm on both sides of the weld， the front temperature is 112.4～150.6℃ ， the reverse temperature is 106.2～151.2℃ ， leg circumference and guide plate meet the temperature field requirements of accurate constituency preheating and relatively uniform. The study has an important theoretical guiding value for the subsequent manufacturing process of octagonal pile leg welding.

Key words： self-propelled wind power installation ship; octagonal pile leg; electromagnetic induction; constituency preheating; linear loading

0 引言

氣候的變化正日益成為全人類共同面對(duì)的挑戰(zhàn)。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。海上風(fēng)電是一種清潔的能源。近年來(lái)在我國(guó)迅速發(fā)展，2020年，我國(guó)海上風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)306萬(wàn) kW ，累計(jì)并網(wǎng)規(guī)模達(dá) 899萬(wàn) kW[2]，海上風(fēng)電的迅速發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)大了大型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)（船）的市場(chǎng)需求。制造出高穩(wěn)高效的海上風(fēng)電安裝平臺(tái)是助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的重要途經(jīng)。

樁腿是自升自航式海上風(fēng)電安裝船的重要結(jié)構(gòu)，保障了風(fēng)電安裝船在風(fēng)大浪急的復(fù)雜海洋條件中有一個(gè)平穩(wěn)的安裝環(huán)境，其自身承受著及其復(fù)雜的環(huán)境載荷。由于樁腿是由多段腿節(jié)拼焊而成的，樁腿分段焊接質(zhì)量直接決定了樁腿的強(qiáng)度和變形，從而影響了定位銷孔的圓度、同軸度、直線度與位置精度，進(jìn)而直接影響平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，尤其是多條腿上下運(yùn)動(dòng)的同步控制，錯(cuò)誤安裝甚至導(dǎo)致整體平臺(tái)報(bào)廢[3]。樁腿使用高強(qiáng)鋼制造，通常分為圓筒樁腿和八角形樁腿。八角形樁腿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工藝繁瑣，冷裂紋、焊縫角變形是焊接的常見缺陷。焊前預(yù)熱是一種消除冷裂紋和焊接變形的有效方法，還可以降低焊縫處的殘余應(yīng)力[4]。目前，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)里常用的焊前預(yù)熱方式是電阻式加熱，在圓筒形樁腿的焊接工藝中已經(jīng)有著較為成熟的應(yīng)用[5]。郇學(xué)東等[6]對(duì)由100 mm的E690鋼材卷制的圓柱形樁腿的打底焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)選取150℃作為焊接預(yù)熱及保溫溫度時(shí)，焊接殘余應(yīng)力及焊接徑向變形均最小。

感應(yīng)預(yù)熱是一種新型的焊前預(yù)熱方法，憑借其節(jié)能、清潔、效率高的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)感應(yīng)預(yù)熱工藝過(guò)程作了一定的研究。汪斌等[7]對(duì)海工高強(qiáng)鋼焊前電阻式預(yù)熱和感應(yīng)預(yù)熱兩種方法進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在同等工況下，感應(yīng)預(yù)熱能耗降低60%，加熱效率提升40%，并且溫度場(chǎng)更加均勻，布線更加方便。高強(qiáng)鋼焊件體積巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)外難以進(jìn)行感應(yīng)預(yù)熱的實(shí)物試驗(yàn)，因此數(shù)值有限元分析是驗(yàn)證和優(yōu)化感應(yīng)預(yù)熱工藝效果的有效手段。顏躍文[8]對(duì)高強(qiáng)鋼感應(yīng)預(yù)熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套平板船舶用鋼焊前感應(yīng)預(yù)熱的設(shè)備，并使用數(shù)值模擬方法對(duì)電流、頻率、線圈形式等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。李靜[9]對(duì)厚壁圓筒件的焊前預(yù)熱建立了更為完善的數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)預(yù)熱可以有效降低焊縫的殘余應(yīng)力，優(yōu)化了坡口形式和加熱方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

通常情況下，感應(yīng)預(yù)熱的溫度范圍是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來(lái)的，并使用同一套加熱參數(shù)進(jìn)行預(yù)熱。然而，八角形樁腿這一類海工結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，是由兩種不同厚度的板拼裝而成的，在使用同一套預(yù)熱參數(shù)時(shí)，厚板過(guò)冷或薄板過(guò)熱，溫度場(chǎng)不均勻，這導(dǎo)致了各焊縫間冷卻速度不一樣，這不僅降低了減少冷裂紋的效果，并可能產(chǎn)生更為嚴(yán)重的焊接變形。因此，需要根據(jù)樁腿的結(jié)構(gòu)分區(qū)域精確地制訂預(yù)熱溫度和層間溫度。

本文將以自升自航式風(fēng)電安裝船的八邊形樁腿作為研究對(duì)象，根據(jù)焊接標(biāo)準(zhǔn) CR ISO/TR 15608、 EN? ISO-13916，分區(qū)域計(jì)算適合的預(yù)熱溫度，提出海工八邊形樁腿精確感應(yīng)預(yù)熱的工藝標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)樁腿結(jié)構(gòu)和板厚設(shè)計(jì)差異化的感應(yīng)線圈形式和加熱參數(shù)，并使用 COMSOL軟件建立八邊形樁腿感應(yīng)預(yù)熱的電磁-熱耦合仿真模型，求出預(yù)熱溫度場(chǎng)，對(duì)設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步優(yōu)化。

1 八邊形樁腿選取精確感應(yīng)預(yù)熱工藝標(biāo)準(zhǔn)

1.1 八邊形樁腿結(jié)構(gòu)

第三代風(fēng)電安裝船“MPI DISCOVER”號(hào)上設(shè)置有6根八邊形樁腿，如圖1所示。八邊形樁腿總長(zhǎng)71 m ，由8個(gè)腿節(jié)拼焊而成，腿節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)腿節(jié)有一個(gè)八邊形的定位平臺(tái)，圍板和導(dǎo)向板對(duì)稱分布地圍在定位平臺(tái)的八個(gè)邊上，圍板和相鄰的導(dǎo)向板之間的角度為45°。在每個(gè)圍板下還附有4條加強(qiáng)肋。在相鄰?fù)裙?jié)之間拼焊是指對(duì)應(yīng)位置的圍板和導(dǎo)向板進(jìn)行對(duì)焊。導(dǎo)向板厚100 mm ，使用的鋼材為 E690。圍板厚35 mm ，使用的鋼材為 E420。E690[2]與 E420[10]兩種鋼材的主要化學(xué)成分如表1所示。

1.2 最低預(yù)熱溫度的確定

高強(qiáng)鋼的最低預(yù)熱溫度一般由以下幾個(gè)因素的影響：焊縫區(qū)域氫含量、母材碳當(dāng)量、母材厚度和熱輸入量。焊縫區(qū)域氫含量的主要來(lái)源是受潮后所帶的水分，在焊接現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)保證焊條焊劑烘干、保溫，焊條筒保證預(yù)熱和通電，隨取隨用，并且應(yīng)徹底清理坡口，去除油、水、銹，盡量避免氫元素的侵入;母材的淬透傾向通常使用碳當(dāng)量來(lái)表示，碳當(dāng)量越高，產(chǎn)生冷裂紋的傾向越大;母材的厚度影響冷卻速度、熱影響區(qū)的淬透程度，進(jìn)而影響了焊縫內(nèi)氫含量和殘余應(yīng)力大小。熱輸入量影響焊接熱循環(huán)，但一般不采用增加線能量的方式來(lái)降低冷卻速度，因?yàn)檫@將可能造成過(guò)熱區(qū)晶粒粗大，接頭韌性下降，降低其抗裂性能。但熱輸入過(guò)小，冷卻速度加快，會(huì)增加淬硬冷裂傾向。

根據(jù)歐洲焊接規(guī)范 EN 1011-2[11]與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊接工藝參數(shù)，得到了八邊形樁腿的選區(qū)精確焊前預(yù)熱的最低預(yù)熱溫度和層間溫度如表2所示。

預(yù)熱溫度和層間溫度的測(cè)量方法依據(jù) ISO-13916[12]規(guī)定的方法，如圖3所示，使用手持非接觸式激光測(cè)溫筆在焊縫兩側(cè) A 范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)溫，其中， E690板厚為100 mm，A=75 mm ，E420板厚為35 mm，A=50 mm。

2 八角形樁腿選區(qū)電磁感應(yīng)精確預(yù)熱模塊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 物理模型的建立

考慮到焊前感應(yīng)預(yù)熱的溫度場(chǎng)集中在焊縫區(qū)域附近，且溫度場(chǎng)在各板具有對(duì)稱性，為了提高計(jì)算效率，對(duì)模型進(jìn)行了如下處理：截取焊縫兩側(cè)860 mm的腿節(jié)區(qū)域;一個(gè)腿節(jié)只建立兩塊圍板和一塊導(dǎo)向板的模型;圍板的溫度場(chǎng)只求取一半，其余部分通過(guò)軟件對(duì)稱功能獲得。圍板的焊縫是單 V 型多層多道焊縫，坡口朝向內(nèi)徑，在圍板外表面的焊縫根部區(qū)域布置感應(yīng)線圈模塊，在外表面和線圈模塊之間貼敷一層10 mm 厚的保溫棉?？紤]到導(dǎo)向板是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，且板厚為100 mm ，為保證焊接質(zhì)量，使用雙 V 型焊縫。在導(dǎo)向板外表面設(shè)置感應(yīng)線圈模塊。導(dǎo)向板線圈模塊的內(nèi)圈長(zhǎng)度大于導(dǎo)向板的焊縫長(zhǎng)度，保證了焊工在正反兩面均可以順利施焊。導(dǎo)向板的焊縫區(qū)域外露面積比圍板多，與空氣對(duì)流散熱，蓄熱條件相對(duì)較差，因此在導(dǎo)向板的正反兩面的焊縫兩側(cè)外露區(qū)域均需要貼敷10 mm厚的保溫棉。整體建模效果如圖4所示。

導(dǎo)向板線圈和圍板線圈使用模塊化方式建模，其詳細(xì)的幾何參數(shù)如表3和圖5所示。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 電磁場(chǎng)

電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型滿足 MAXWELL 方程組，其物理含義：交變的電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng);感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流;電場(chǎng)是帶電荷源的有源場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁力線是閉合的，是無(wú)源場(chǎng)。

式（1） ～ （4） 中：基本計(jì)算物理量為矢量A 磁矢勢(shì);磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 為磁矢勢(shì)的旋度，T。且磁場(chǎng)強(qiáng)度 H= B/μ，A/m ，其中μ代表磁導(dǎo)率，H/m;H再取旋度為電流密度 J ，A/m3;電流密度 J 分成感應(yīng)電場(chǎng)導(dǎo)致的感應(yīng)電流密度σE 和位移電流 jωD ; D 為位移電場(chǎng)，C/m2;σ代表電導(dǎo)率，S/m;ω為電流角頻率，ω=2πf;f為電流頻率，Hz ;E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，N/C。

由于基本變量A 磁矢勢(shì)在方程里面無(wú)初始約束的情況下無(wú)唯一解，任意的A′=A+?φ，?A′=?A ，需要利用磁矢勢(shì)規(guī)度修復(fù)令散度為0，使得

?·A =0（5）

2.2.2 熱場(chǎng)

在感應(yīng)加熱的過(guò)程中，渦流效應(yīng)產(chǎn)生焦耳熱。由于樁腿整體結(jié)構(gòu)的不均勻性，整體溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，高溫?zé)崃砍蜏貐^(qū)域傳導(dǎo)，遵守傅里葉定律;溫度升高的樁腿、線圈和保溫棉與室溫環(huán)境的空氣形成溫差，產(chǎn)生熱量交換，遵守?zé)釋?duì)流定律;同時(shí)，溫度升高的區(qū)域成為一個(gè)新熱源，向低溫區(qū)域輻射熱量，遵守?zé)彷椛涠伞?/p>

熱傳導(dǎo)模型為：

式中： T 為溫度， K;ρ為密度，kg/m3; Cp 為恒壓熱容， J/（ kg ·K ）;矢量場(chǎng) u 為有流體存在時(shí)的流速場(chǎng)，預(yù)熱在無(wú)風(fēng)靜止室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行，不考慮流體項(xiàng)故 u=0;q 為熱量矢量場(chǎng)，可理解為熱流，J;k 為熱導(dǎo)率，W/（ m ·K ）。

模型考慮換熱和輻射，換熱模型為：

定義物體表面熱量的換熱法向流量為參考溫度差的正比。q0為對(duì)流熱通量，J;h 為傳熱系數(shù)，W/（ m2·K ），根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取樁腿工件與空氣的傳熱系數(shù) h1=5 W/（ m2·K ），保溫棉與空氣的傳熱系數(shù) h2=4 W/（ m2·K ），線圈模塊與空氣的傳熱系數(shù)為 h3=8 W/（ m2·K ）; Text 為外部環(huán)境溫度，K ;預(yù)熱環(huán)境為室溫，取 Text=293.15K。

熱輻射模型為：

定義輻射熱量法向流量為輻射率和斯特藩玻爾茲曼（輻射規(guī)律常數(shù)）和溫度四方差的乘積。其中，ε為輻射率，σ為輻射規(guī)律常數(shù)，取值為5.67 W/m2K4。

為降低計(jì)算量在模型對(duì)稱面利用對(duì)稱邊界，設(shè)：

定義法向熱量為0，即兩邊對(duì)稱等溫，不存在熱擴(kuò)散。

2.2.3 耦合場(chǎng)

在多物理場(chǎng)電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)的耦合中，頻域—瞬態(tài)的耦合方程組為：

式中：ρ為密度，kg/m3; Cp 為恒壓熱容，J/kg℃; k 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m ·℃）; T 為時(shí)間， s ;u=u（ t ，x ，y ，z ），為時(shí)間變數(shù) t 與空間變數(shù)（x ，y ，z ）的函數(shù)。Qe為電磁熱損耗;Qrh為電損耗的熱量;Qml為磁場(chǎng)損耗的熱量，J。

2.3 材料屬性

E690、E420鋼板的相對(duì)磁導(dǎo)率、電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是和溫度相關(guān)的函數(shù)，根據(jù)兩種金屬的已知化學(xué)成分使用JMatPro計(jì)算得出，如表4～5所示。保溫棉選材為硅酸鋁纖維，導(dǎo)熱率設(shè)置為0.03 W/（ m ·K ）?？諝獾南鄬?duì)磁導(dǎo)率設(shè)置為1。感應(yīng)線圈選材為銅線，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電阻率為0.0172Ω? m 。

2.4 網(wǎng)格劃分與邊界條件

當(dāng)導(dǎo)體中通入交變電流時(shí)，電流在導(dǎo)體中的分布是不均勻的，在導(dǎo)體外表面電流分布密集，電流密度大，在導(dǎo)體內(nèi)部電流密度小，導(dǎo)體中的電流密度由表面向中心呈現(xiàn)冪指數(shù)規(guī)律逐漸遞減的現(xiàn)象，這種效應(yīng)叫做集膚效應(yīng)也稱趨膚效應(yīng)[8]。在感應(yīng)加熱過(guò)程中在電流透入深度內(nèi)產(chǎn)生的能量用于金屬加熱，導(dǎo)體內(nèi)層金屬的加熱是通過(guò)熱傳導(dǎo)完成的。因此在集膚深度附近應(yīng)加密網(wǎng)格。在線圈一側(cè)的金屬表面設(shè)置邊界層，邊界層數(shù)為3，邊界層拉伸因子為1.8。

線圈、樁腿、保溫棉設(shè)為四面體類型網(wǎng)格，加熱線圈模塊設(shè)為掃掠網(wǎng)格，為模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的空氣環(huán)境，構(gòu)建7 m×7 m×2 m的長(zhǎng)方體空氣域，空氣域網(wǎng)格類型為四面體。網(wǎng)格的大小限制在0.01～0.6 mm范圍內(nèi)，最大單元增長(zhǎng)率設(shè)為1.5，曲率因子設(shè)為0.6，狹窄區(qū)域分辨率設(shè)為0.5。劃分完網(wǎng)格后一共產(chǎn)生32040個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，179847個(gè)單元，最小單元質(zhì)量為0.01362，平均單元質(zhì)量為0.5918。網(wǎng)格劃分效果如圖6所示。

3 結(jié)果與討論

電流的加載方式對(duì)于溫度場(chǎng)的均勻性有著重要的影響。恒電流大小加載控制方式簡(jiǎn)單，但可能會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱而無(wú)法達(dá)到整體溫度場(chǎng)的要求。電流線性加載或間斷加載的方法可以使局部過(guò)熱的地方充分散熱，以控制整體溫度場(chǎng)，達(dá)到選區(qū)精確預(yù)熱的目的。

3.1 恒電流加載

八邊形樁腿的結(jié)構(gòu)均屬于厚板件，屬于中頻感應(yīng)加熱，選擇電流的頻率為10 kHz 。導(dǎo)向板和圍板的厚度不一致，選取較厚的導(dǎo)向板預(yù)熱電流為165 A ，較薄的圍板的預(yù)熱溫度為92 A 。加熱時(shí)間根據(jù)模擬得到的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，由表1對(duì)導(dǎo)向板和圍板的精確預(yù)熱溫度和層間溫度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)向板對(duì)溫度場(chǎng)的均勻性要求更高，因此，以導(dǎo)向板的溫度場(chǎng)的一面或兩面達(dá)到規(guī)定溫度場(chǎng)的加熱時(shí)間為準(zhǔn)。厚板對(duì)溫度恒電流加載，匝數(shù)為13匝，求取溫度場(chǎng)，對(duì)參數(shù)有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

使用恒電流加載時(shí)，導(dǎo)向板正面在加熱1.4 min時(shí)接近達(dá)標(biāo)。求得此時(shí)導(dǎo)向板正反面溫度場(chǎng)、圍板正反面溫度場(chǎng)如圖7所示。由圖7（a） ～ （b），導(dǎo)向板正面焊縫兩側(cè)75 mm處的溫度場(chǎng)的范圍為147.3～176.2℃，在板的橫軸零點(diǎn)處±400 mm范圍內(nèi)溫度高且分布均勻，而在板的邊緣與導(dǎo)向板連接的位置出現(xiàn)溫度的低值，在坐標(biāo)（0.6，0.1）處溫度為147.3℃，此位置位于焊縫兩側(cè)75 mm范圍內(nèi)，溫度不達(dá)標(biāo)。導(dǎo)向板反面的溫度場(chǎng)分布規(guī)律與正面相似，焊縫兩側(cè)75 mm 處溫度范圍143.7～176.1℃，同樣在板的邊緣與導(dǎo)向板連接的位置出現(xiàn)溫度的低值。這是由于在該位置，導(dǎo)向板通過(guò)焊接與圍板連接，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式由導(dǎo)向板傳向圍板。由圖7（c） ～ （d），在圍板正面焊縫兩側(cè)100 mm處的溫度場(chǎng)范圍為142.5～184.5℃，反面溫度場(chǎng)125.9～152.7℃，正反兩面溫度均無(wú)法達(dá)標(biāo)。從縱向坐標(biāo)來(lái)看，由于在圍板使用單 V 型焊縫，正面為坡口根部，空間狹窄且正面貼敷保溫棉，散熱條件差，容易造成熱量集中，因此正面溫度較高。圍板反面為單 V 型坡口的頂部，與空氣接觸形成熱對(duì)流，且有兩根加強(qiáng)肋板與之連接形成熱傳導(dǎo)，散熱條件好，因此溫度較低。從橫向坐標(biāo)來(lái)看，圍板正反兩面與導(dǎo)向板連接處的區(qū)域溫度較高，遠(yuǎn)離連接處的中間區(qū)域溫度相對(duì)較低。

3.2 線性電流加載

恒電流加載時(shí)，關(guān)鍵部件導(dǎo)向板在僅加熱1.4 min時(shí)即可接近要求的溫度場(chǎng)，可見感應(yīng)預(yù)熱的效率之高。然而短時(shí)間內(nèi)的高功率加熱容易導(dǎo)致局部過(guò)熱，并且散熱條件也由于時(shí)間過(guò)短存在局限。可以考慮使用線性加載的電流，緩慢提升加熱功率，延長(zhǎng)加熱時(shí)間，以獲得更好的散熱條件。線性電流加載的設(shè)置如下：導(dǎo)向板基底電流為165 A ，圍板基底電流為92 A ，導(dǎo)向板加載的實(shí)時(shí)電流為165×pw1（t） A ，圍板加載的實(shí)時(shí)電流為92×pw1（t） A ，pw1（t）函數(shù)圖線如圖8所示。在加熱時(shí)間為13.6 min 時(shí)，導(dǎo)向板正反兩面的溫度場(chǎng)均已達(dá)標(biāo)。故求取 t=13.6 min時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

由圖9可知，線性電流加載方式下導(dǎo)向板與圍板的溫度場(chǎng)規(guī)律與恒電流加載時(shí)類似。由圖9（a） ～ （b）所示，在與圍板連接的區(qū)域存在低溫區(qū)域。焊縫兩側(cè)75 mm 范圍內(nèi)的正面溫度為151.5～176.6℃，反面溫度為149.4～177.9℃。由此可見，使用線性電流加載的方法有效。然而，有圖9（c） ～ （d）所示，圍板在焊縫兩側(cè)100 mm 范圍內(nèi)的正面溫度為122.5～177.6℃，反面溫度為111.4～145.7℃，在圍板正面的焊縫坡口根部存在177.6℃的高溫點(diǎn)，薄板正面的溫度場(chǎng)無(wú)法達(dá)標(biāo)。

3.3 優(yōu)化線性電流的加載

線性電流的加載方式使樁腿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、與外部環(huán)境空氣的熱對(duì)流更加充分，因此熱量分布更加均勻，對(duì)工件的整體溫度場(chǎng)有明顯改善作用，但在局部區(qū)域仍然存在不達(dá)標(biāo)的高溫點(diǎn)。逐步降低電流值可以達(dá)到最佳的散熱效果，使溫度場(chǎng)更加均勻，但該方法會(huì)整體使溫度場(chǎng)偏低?？紤]到在進(jìn)行焊前預(yù)熱后還要使用加熱模塊對(duì)樁腿整體進(jìn)行消氫處理，消氫溫度范圍為200～250℃。因此在感應(yīng)預(yù)熱的過(guò)程中，過(guò)程溫度達(dá)到200℃是合理的。使用線性加載的方式增加電流，當(dāng)工件到達(dá)溫度峰值后再使用線性加載的方式減小電流，并至此之后維持一個(gè)恒電流，保持加熱與散熱的平衡，保證溫度場(chǎng)基本穩(wěn)定，既有利于感應(yīng)預(yù)熱溫度場(chǎng)的達(dá)標(biāo)，也為焊后消氫工藝提供一個(gè)良好的起步溫度平臺(tái)。線性電流加載優(yōu)化后的設(shè)置如下：導(dǎo)向板基底電流為165 A ，圍板基底電流為92 A ，導(dǎo)向板加載的實(shí)時(shí)電流為165×pw2（t） A ，圍板加載的實(shí)時(shí)電流為92×pw2（t） A， pw2（t）函數(shù)圖線如圖10所示，求取加熱時(shí)間 t=22 min 時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

由圖11（a） ～ （b），優(yōu)化線性電流加載得到的導(dǎo)向板溫度場(chǎng)分布規(guī)律與恒電流加載、線性電流加載時(shí)類似，在焊縫兩側(cè)75 mm 范圍內(nèi)，正面溫度為154.8～181℃，反面溫度為150～180.6℃，正反兩面溫度場(chǎng)均達(dá)標(biāo)，并且在與圍板連接的低溫區(qū)域溫度為150～161.7℃，與線性電流加載工況相比，溫度有所提高，整體溫度場(chǎng)的均勻性有所改善。如圖11所示，圍板在焊縫兩側(cè)100 mm的范圍內(nèi)，正面溫度為112.4～150.6℃，反面溫度為106.2～151.2℃，正反兩面溫度均達(dá)標(biāo)。在圍板焊縫坡口根部的熱量集中現(xiàn)象緩解，最高溫度降至151.2℃，溫度場(chǎng)沿焊縫兩側(cè)的分布均勻性比前兩種工況更佳。綜合圖11，導(dǎo)向板和圍板正反兩面焊縫兩面溫度場(chǎng)均已達(dá)到表1規(guī)定的最低預(yù)熱溫度和層間溫度，對(duì)八邊形樁腿復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的選區(qū)焊前預(yù)熱的工藝目標(biāo)已經(jīng)達(dá)成。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究制訂了八角形樁腿焊前預(yù)熱的最低預(yù)熱溫度和層間溫度，設(shè)計(jì)了一種選區(qū)電磁感應(yīng)焊前精確預(yù)熱模塊，使用 COMSOL建立了八角形樁腿和預(yù)熱模塊的電磁-熱耦合數(shù)值模型。研究模擬了恒電流、線性電流、優(yōu)化線性電流3種不同的感應(yīng)電流加載方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響。優(yōu)化的線性電流加載方式是先線性增加電流值，達(dá)到峰值后線性減小電流值，該加載方法得到的溫度場(chǎng)滿足精確選區(qū)預(yù)熱的溫度場(chǎng)要求，并且較均勻，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)的調(diào)整有良好的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：

賴柏豪（1995-），男，廣東佛山人，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榇笮秃９ぱb備制造，已發(fā)表論文2篇。

張永康（1963-），男，博士生導(dǎo)師，教授，研究領(lǐng)域?yàn)榇笮秃９ぱb備制造、激光先進(jìn)制造與檢測(cè)技術(shù)等，已發(fā)表論文227篇。

（編輯：刁少華）