0 前 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展， 全球?qū)κ吞烊粴獾男枨笈c日俱增， 輸送管道的壓力、 直徑、 壁厚不斷增大， 對管線鋼管的焊接質(zhì)量提出更高要求。管線鋼的傳統(tǒng)焊接方法主要有焊條電弧焊、 氣體保護焊和埋弧焊等， 同時還有攪拌摩擦焊、 高能束焊、 激光-電弧復(fù)合焊等

。 由于焊接是一個非平衡的局部快速加熱至熔化， 并達到冶金結(jié)合后快速冷卻的過程， 導(dǎo)致在焊接接頭及附近區(qū)域產(chǎn)生不均勻分布的殘余應(yīng)力。

在管線鋼的工程應(yīng)用中， 殘余應(yīng)力會極大地影響構(gòu)件的使用性能， 尤其在強度、 疲勞壽命和尺寸穩(wěn)定性等方面。 研究表明， 應(yīng)力對疲勞裂紋的擴展有很大影響

， 較高的焊接殘余應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和裂紋并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要原因。焊接接頭殘余應(yīng)力的測量分為無損檢測和有損檢測兩大類

。 無損檢測采用X 射線衍射、 中子衍射和超聲波等對結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力檢測， 能夠保證結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力場的完整性； 有損檢測需要對結(jié)構(gòu)件進行切片、 鉆孔以及壓痕應(yīng)變等， 會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞。 實測焊接殘余應(yīng)力受一定的物理條件限制， 為進一步掌握殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)， 有學(xué)者采用熱彈性塑性有限元法研究焊接接頭處的焊接殘余應(yīng)力

， 且多數(shù)采用軸對稱的2D 模型或3D 模型研究焊縫穩(wěn)定區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力， 并重點開展模擬結(jié)果與測量數(shù)據(jù)之間的對比。 本研究介紹了高強管線鋼的焊接方法和殘余應(yīng)力測量方法， 并綜述了有限元數(shù)值模擬在預(yù)測焊接殘余應(yīng)力中的應(yīng)用， 分析了殘余應(yīng)力在焊縫區(qū)域的分布。

1 管線鋼焊接方法

1.1 傳統(tǒng)焊接方法

傳統(tǒng)的焊接方法主要有焊條電弧焊、 氣體保護焊和埋弧焊等， 采用電弧熔化焊縫區(qū)域進行連接。 Waris Nawaz Khan 等

采用鎢極氣體保護焊對X70 高強管線鋼和不銹鋼進行異種鋼焊接， 添加奧氏體填充材料使焊縫具有優(yōu)異的拉伸和沖擊性能， 添加不銹鋼填充材料使焊縫具有良好的抗點蝕性能。 王學(xué)林等

針對K65 管線鋼研發(fā)出新配比的埋弧焊絲， 得到的焊縫具有優(yōu)異的組織配比和高強高韌的性能。 X90 管線鋼的對接焊中， 劉偉等

采用手工電弧焊、熔化極氣體保護焊和埋弧焊3 種方式進行焊接， 對接頭組織性能對比發(fā)現(xiàn)， 埋弧焊接獲得的接頭性能較好， 得到的焊縫抗拉強度最大。趙偉等

采用雙熔敷極焊條電弧焊技術(shù)對X80 管線鋼進行焊接， 使得接頭粗晶區(qū)域晶粒細化，提升了接頭的力學(xué)性能， 但其耐腐蝕性比母材差。 魯欣豫等

采用藥芯焊絲氣體保護焊提高了X70 高強管線鋼的焊接效率， 相比常規(guī)焊條工藝提高了一倍以上， 且獲得力學(xué)性能良好的焊接接頭。 畢宗岳等

通過埋弧焊和優(yōu)化的焊接工藝實現(xiàn)了厚壁X80 螺旋埋弧焊管的高速焊接， 其焊縫具有較好的力學(xué)性能。 李冉等

采用研制的焊絲使得X80 管線鋼氣體保護焊焊縫中產(chǎn)生細小的針狀鐵素體組織， 焊縫具有較高的強度。 在合適的焊接工藝下， 電弧焊均能使焊縫具有良好的力學(xué)性能。

Design and experiment for stem lift conveyer of sweetpotato multi-line harvester

1.2 先進焊接方法

先進的焊接方法主要有攪拌摩擦焊、 激光焊、 激光-電弧復(fù)合焊、 電子束焊和高頻感應(yīng)焊等， 相對于傳統(tǒng)的熔化極焊， 其熔寬和熱影響區(qū)明顯減少， 以集中的熱源形成深而窄的焊縫獲得性能優(yōu)良的焊接接頭。 Aydin 等

研究了不同熱輸入下的攪拌摩擦焊對X80 管線鋼接頭的影響，隨著熱輸入的降低， 硬化區(qū)貝氏體組織變細， 硬化區(qū)強度提高。 胡連海等

采用CO

激光焊接的方法對X52 管線鋼進行焊接， 獲得了16 mm 管線鋼的單道焊雙面成形焊縫， 在焊縫的底部中心產(chǎn)生細小晶粒以得到良好的焊縫力學(xué)性能。 石庭深等

發(fā)現(xiàn)采用激光前置的方法能夠有效避免焊接過程受到熔滴過渡和熔池波動的影響， 從而獲得較大的熔深。 激光和電弧功率匹配是影響焊縫成形的重要因素之一， Yin 等

在采用激光-電弧焊接時發(fā)現(xiàn)， 加大電弧的能量占比能夠獲得性能優(yōu)良的焊接接頭。 劉維等

采用高頻感應(yīng)焊對不銹鋼進行焊接， 測得其焊后殘余應(yīng)力僅為R

的0.25～0.3， 遠低于電弧焊的殘余應(yīng)力。 由于攪拌摩擦焊及高能束焊等設(shè)備不便攜帶， 因此對于管線鋼的戶外作業(yè)來說就受到很大的限制。

2 焊接殘余應(yīng)力檢測及分析

2.1 焊接殘余應(yīng)力的無損檢測

厚壁焊件一般采用多層多道焊

， 控制較高的層間溫度使焊縫金屬中產(chǎn)生有益的壓縮殘余應(yīng)力， 通過有限元方法模擬多層多道焊接工藝， 發(fā)現(xiàn)多層多道焊能夠很好地降低焊縫殘余應(yīng)力， 最大焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫底部， 隨著焊道層數(shù)的增加， 焊縫表面中心的橫向、 縱向焊接殘余應(yīng)力有明顯的降低。 劉成等

在X80 管線鋼的多層多道焊接模擬時發(fā)現(xiàn)， 焊縫區(qū)域存在余高時， 焊接殘余應(yīng)力主要存在于焊縫兩端比較窄的熱影響區(qū)內(nèi)， 且焊接殘余應(yīng)力峰值較高， 明顯高于無余高時的殘余應(yīng)力。 Deng 等

在采用有限元對不銹鋼進行環(huán)焊模擬中發(fā)現(xiàn)， 焊縫內(nèi)表面和外表面的軸向殘余應(yīng)力分布相反， 如圖5 所示。 通過建立3D 模型和2D 模型對焊縫區(qū)域的內(nèi)外表面應(yīng)力進行分析， 其模擬結(jié)果與試驗的實測結(jié)果趨于一致， 如圖6 所示。 在焊縫區(qū)及其附近， 內(nèi)表面產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力， 外表面產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力； 遠離焊縫中心線區(qū)域， 內(nèi)表面形成軸向壓應(yīng)力區(qū)域， 外表面形成軸向拉應(yīng)力。

Gou 等

通過X 射線衍射檢測出X70 管線鋼焊接殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在內(nèi)壁焊縫熱影響區(qū)，其方向與焊縫方向平行。 相比攪拌摩擦焊、 激光-電弧復(fù)合焊和電子束焊接， 電弧焊產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力較高且分布極不均勻， Moraes 等

采用攪拌摩擦焊和鎢極氣體保護焊對X65 管線鋼進行焊接， 在X 射線衍射的應(yīng)力檢測結(jié)果中， 攪拌摩擦焊產(chǎn)生的應(yīng)力值相對于電弧焊較低 （如圖2 所示）， 實現(xiàn)了殘余應(yīng)力的均勻化。 Avila 等

利用攪拌摩擦焊對X80 管線鋼進行焊接， 經(jīng)X 射線衍射測量出焊縫截面的殘余應(yīng)力呈M 形分布， 在攪拌區(qū)存在殘余壓應(yīng)力， 在熱影響區(qū)附近存在殘余拉應(yīng)力。 于福松等

采用手工電弧焊對X80管線鋼進行焊接， 經(jīng)X 射線衍射測得在無拘束條件下焊縫中心到熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力。 Amilton

采用手工電弧焊和藥芯焊絲電弧焊方法對X80 管線鋼進行焊接， 經(jīng)X 射線衍射測量出兩種焊接工藝下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力均主要集中在接頭的頂部， 且殘余應(yīng)力的分布極 不 均 勻。 MAG 焊、 激 光 焊 和 激 光-MAG 復(fù)合焊接應(yīng)力分布如圖3

所示， 電弧焊產(chǎn)生的應(yīng)力主要集中在熱影響區(qū)， 且分布極不均勻，出現(xiàn)斷崖式的分布， 易導(dǎo)致焊縫失效。 相對于電弧焊來說， 激光和激光-電弧焊接產(chǎn)生的應(yīng)力降低且分布范圍較窄。

2.2 殘余應(yīng)力數(shù)值分析

對焊接接頭進行焊前預(yù)熱和焊后熱處理可以很大程度降低焊接殘余應(yīng)力。 Hemmatzadeh 等

對不同焊接工藝下X46 管線鋼的焊接殘余應(yīng)力進行了模擬， 發(fā)現(xiàn)熱輸入和徑厚比的增大導(dǎo)致環(huán)向和軸向應(yīng)力變大， 此外高熱輸入和小徑厚比的相互作用也會因增大層間溫度而造成殘余應(yīng)力變大， 控制熱輸入在較低范圍內(nèi)可顯著改善殘余應(yīng)力的分布， 較大的徑厚比對焊接殘余應(yīng)力影響不明顯。 王引真

采用熱力耦合的方式對管線鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力進行分析， 在焊后進行保溫或者熱處理均能降低焊接接頭的峰值殘余應(yīng)力。 安愛玲等

建立雙橢球熱源模型， 通過熱力耦合的方式對X80 管線鋼的四絲埋弧焊焊接過程進行模擬， 結(jié)果表明， 增大首絲電流將加劇縱向應(yīng)力的產(chǎn)生， 縱向殘余應(yīng)力的大小隨焊接速度的增大而降低。 郭楊柳等

通過熱力耦合的方法對X80管線鋼的焊接及焊后熱處理進行分析， 經(jīng)過焊后熱處理， 焊縫內(nèi)、 外表面的焊接殘余應(yīng)力均有大幅降低， 如圖8 所示。

在工程應(yīng)用領(lǐng)域， 對高強管線鋼焊縫殘余應(yīng)力的測量優(yōu)先采用無損檢測的方法， 其優(yōu)勢在于能夠在不切割的情況下對結(jié)構(gòu)件進行殘余應(yīng)力測量， 能保持殘余應(yīng)力場和結(jié)構(gòu)件的完整。 由于殘余應(yīng)力的存在導(dǎo)致晶面間距產(chǎn)生變化， 根據(jù)力場導(dǎo)致的變形和晶面間距關(guān)系， 使用X 射線衍射和中子衍射即可測量出焊縫中的殘余應(yīng)力

。 與X 射線衍射相比

， 中子衍射具有更強的穿透力，能夠穿透許多工程材料而進行作業(yè)， 通過對待測的試樣進行平移和轉(zhuǎn)動， 使試樣上的待測點與中子束中心重合， 如圖1

所示， 根據(jù)晶面間距的變化與彈性應(yīng)變的關(guān)系計算得到不同位置的正應(yīng)變， 得出相應(yīng)位置的三向應(yīng)力。 由于中子衍射的設(shè)備造價昂貴， 且不便攜帶到戶外進行作業(yè)，因此在戶外作業(yè)中一般以便攜式的X 射線衍射儀為主。

本工程的建設(shè)是為了維護河勢穩(wěn)定和防洪保安，2012年12月26日，國務(wù)院以國函2012〔220〕號文對《長江流域綜合規(guī)劃》進行了批復(fù)，明確銅陵河段河勢控制規(guī)劃方案為實施南夾江裁彎工程。

高頻感應(yīng)焊屬于壓力焊接方法之一

， 能在0.01 s 內(nèi)把待焊部位加熱至焊接溫度， 其具有熱影響區(qū)小和加熱速度快的優(yōu)勢。 谷緒地

對高頻感應(yīng)焊的殘余應(yīng)力進行了數(shù)值模擬分析， 發(fā)現(xiàn)管線鋼焊縫內(nèi)、 外表面的應(yīng)力值分布趨于一致， 但與中間部位的應(yīng)力分布有較大差異， 如圖7 所示。 在焊縫區(qū)域內(nèi)， 中間面的軸向應(yīng)力與徑向應(yīng)力均大于內(nèi)、 外表面， 而在熱影響區(qū)低于內(nèi)、 外表面的軸向與徑向應(yīng)力， 由此， 其中間面的殘余應(yīng)力存在較為復(fù)雜的分布。

數(shù)值模擬作為一種能快速預(yù)測焊接過程的手段， 對某一對象建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型， 通過對方程的控制進行求解， 從而能夠在短時間內(nèi)得知焊接工藝水平。 采用正確的數(shù)值模擬能夠得到與試驗結(jié)果相符的模擬結(jié)果， 數(shù)值模擬中的熱源采用與實際焊接過程中熱源熱量分布相符的雙橢球熱源模型。 在激光-電弧復(fù)合焊接的數(shù)值模擬中建立雙橢球熱源模型對X80 管線鋼焊接過程進行數(shù)值模擬， 得出的殘余應(yīng)力分布與試驗結(jié)果相近

， 數(shù)值模擬和相應(yīng)試驗的對比如圖4

所示， 試驗和模擬得到的應(yīng)力分布結(jié)果基本相近。

2.3 焊接殘余應(yīng)力的分布

2000年以來，全球約90%的研發(fā)投入集中在北美、歐洲和亞洲，不過北美和歐洲占全球研發(fā)投入的比重一直呈下降趨勢，北美從40%下降到28%，歐洲從27%降至22%，東亞、東南亞和南亞地區(qū)則從25%上升至40%，預(yù)計亞洲的這種上升趨勢短期內(nèi)不會結(jié)束（見圖1）。

焊接殘余應(yīng)力在接頭中的分布一般均為沿焊縫中心線對稱分布

， 如圖9 所示， Mises 應(yīng)力主要集中在焊縫金屬及其相鄰焊接熱影響區(qū)，軸向應(yīng)力、 徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力也均為沿焊縫中心線對稱分布。 其中， 徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力相對于Mises 應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力有較大幅度降低，但環(huán)向應(yīng)力值的大小對焊接接頭的影響較大。因此， 在焊接過程中必須嚴格控制管線鋼環(huán)向應(yīng)力。

3 結(jié) 論

（1） 管線鋼的焊接包括手工電弧焊、 氣體保護焊、 埋弧焊、 攪拌摩擦焊、 激光焊、 激光-電弧復(fù)合焊等， 相比傳統(tǒng)的弧焊工藝， 攪拌摩擦焊、 激光焊和激光-電弧復(fù)合焊接的殘余應(yīng)力分布較為平緩且范圍較窄。 但在實際戶外工程應(yīng)用中主要還以弧焊為主。

（2） 通過X 射線衍射和中子衍射等無損檢測方法可測得焊接接頭的殘余應(yīng)力分布， 相較于X 射線衍射， 中子衍射具有更強的穿透力， 能對多種材料的殘余應(yīng)力進行測量。 但由于中子衍射的設(shè)備比較昂貴和笨重， 戶外測量時一般采用便攜式的X 射線衍射儀。

照社會主義的原則說，社會革命在資本制度發(fā)達到一定的程度的時候，自然要實現(xiàn)的，然而也可以用他種人為勢力——非妥協(xié)的階級斗爭——促進他的速度。英、美的資本制度比俄國的要發(fā)達得十?dāng)?shù)倍，英、美兩國的工會比俄國的也要發(fā)達得十?dāng)?shù)倍，何以社會革命不在英、美兩國發(fā)生，反在俄國實現(xiàn)呢？這就是因為俄國社會革命黨實行的力量比英、美兩國的大的原故。所以我國在中國運動社會革命的人，不必專受理論上的拘束，要努力在實行上去做。

（3） 通過模型和有限元數(shù)值分析的方法預(yù)測焊接接頭的殘余應(yīng)力， 可快速了解不同焊接接頭處的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)， 并對相應(yīng)焊接工藝進行調(diào)整， 在很大程度上節(jié)省了時間和經(jīng)濟成本。

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