浙江至德鋼業(yè)有限公司研究不銹鋼焊管高頻電阻焊接后的殘余應(yīng)力值和分布規(guī)律，以及焊接速度和擠壓量等焊接參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。方法是通過(guò)有限元計(jì)算的方法施加移動(dòng)面熱源和移動(dòng)擠壓輥，來(lái)模擬高頻電阻焊的加熱和加壓過(guò)程，并用小孔法測(cè)量了高頻電阻焊后連續(xù)鋼管的殘余應(yīng)力值。結(jié)果 對(duì)比計(jì)算的和實(shí)際的焊縫尺寸，均是內(nèi)壁處為0.2 mm，壁厚中間部位為0.1 mm，內(nèi)壁凸起高度為1.0 mm，寬度為2.1 mm，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。計(jì)算得到的高頻電阻焊后在焊縫處的軸向殘余應(yīng)力較大，在400~500 MPa之間；環(huán)向殘余應(yīng)力較小，在?100~200 MPa之間，與小孔法測(cè)量的殘余應(yīng)力一致。結(jié)論是不銹鋼焊管的焊縫附近的殘余應(yīng)力主要由不均勻加熱引起，遠(yuǎn)離焊縫處的殘余應(yīng)力主要由擠壓引起。熱源與擠壓輥間距離和焊接速度增加會(huì)導(dǎo)致焊縫附近的殘余應(yīng)力增加；擠壓量增加和焊接功率增加會(huì)導(dǎo)致焊縫附近的殘余應(yīng)力降低。

 管道運(yùn)輸具有運(yùn)量大、效率高、消耗小、成本低、見(jiàn)效快、全封閉化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及便于管理等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為理想的能源運(yùn)輸方法，鋼管具有中空截面，被廣泛用于石油、天然氣及其他液氣體的管道運(yùn)輸。不銹鋼焊管是一種纏繞在卷筒上的無(wú)螺紋連接的長(zhǎng)油管，可使用在鉆井、開(kāi)發(fā)、測(cè)井和海底管線等石油鉆采業(yè)。使用不銹鋼焊管可降低鉆井作業(yè)成本，提高自動(dòng)化水平，還可用于高壓油層和欠平衡壓力鉆井中。欠平衡狀態(tài)可以避免地層損害，避免油藏?fù)p壞和減少環(huán)境污染。另外，連續(xù)油管不需要連接單根油管，減少了由于連接處破壞而造成的鉆井事故，節(jié)省了起、下鉆時(shí)間，縮短了鉆井周期。連續(xù)油管直徑小，可用于小眼井、老井側(cè)鉆和老井加深，可邊采邊鉆，節(jié)約時(shí)間成本。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，不銹鋼焊管在石油工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在引進(jìn)和開(kāi)發(fā)不銹鋼焊管技術(shù)中的硬件設(shè)施的同時(shí)，應(yīng)該關(guān)注連續(xù)油管的應(yīng)力、彎曲和疲勞等力學(xué)性能。焊接后的連續(xù)管在作業(yè)過(guò)程中易受到殘余應(yīng)力等因素的作用而發(fā)生塑性變形伸長(zhǎng)，因此焊接連續(xù)管設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮缺陷和殘余應(yīng)力的作用，因此研究連續(xù)管焊接后的殘余應(yīng)力分布十分重要。

 不銹鋼焊管的焊接通常采用管管對(duì)接鎢極氬弧焊和直縫高頻電阻焊等焊接方法。其中，鎢極氬弧焊在焊接時(shí)可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和全位置焊接，常用于連續(xù)油管的管管對(duì)接修復(fù)；直縫焊接時(shí)高頻電阻焊是使用最多的焊接方法。近年來(lái)，也有人嘗試使用瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊進(jìn)行連續(xù)油管的焊接。高頻焊管焊縫的疲勞抗力低于管體，而殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有著顯著影響，焊后殘余應(yīng)力可使疲勞壽命降低40%左右，因此對(duì)高頻焊管的焊接殘余應(yīng)力的研究十分重要。自20世紀(jì)40年代以來(lái)高頻電阻焊接技術(shù)出現(xiàn)，并由于固相焊概念的發(fā)展而得到了更廣泛的研究。

 近年來(lái)焊接殘余應(yīng)力的有限元計(jì)算日益發(fā)展，焊接的有限元計(jì)算已經(jīng)涉及到各種焊接方法（如手工電弧焊、鎢極氬弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊等），各種焊接材料（鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金等），也發(fā)展出了各種大結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程的高效計(jì)算技術(shù)和使用宏微觀耦合的方式來(lái)計(jì)算金屬基復(fù)合材料的宏觀及微觀殘余應(yīng)力。胡等用線狀熱源計(jì)算了高頻電阻焊的溫度場(chǎng)，可較好地模擬高頻電阻焊的實(shí)際焊接溫度。至德鋼業(yè)等用二維模型計(jì)算了高頻電阻焊的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和接頭形狀，但是沒(méi)有分析高頻電阻焊接頭的應(yīng)力分布。目前高頻電阻焊有限元計(jì)算的研究大多只考慮了焊接熱源，但是沒(méi)有考慮高頻電阻焊的擠壓對(duì)應(yīng)力分布的影響。基于上述原因，文中考慮了高頻電阻焊的移動(dòng)加熱和移動(dòng)擠壓過(guò)程，并與小孔法測(cè)量得到的高頻電阻焊管的實(shí)際殘余應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比，還對(duì)比分析了只加熱和只擠壓時(shí)計(jì)算得到的殘余應(yīng)力分布結(jié)果，分別分析了焊接溫度場(chǎng)和擠壓對(duì)高頻電阻焊管應(yīng)力分布的影響，還研究了高頻焊接參數(shù)對(duì)高頻焊管殘余應(yīng)力的影響，如焊接功率、焊接速度、模具擠壓量和熱源與模具間距離等。研究高頻電阻焊的不銹鋼焊管的殘余應(yīng)力分布和影響因素對(duì)降低該管道焊接殘余應(yīng)力和指導(dǎo)管道設(shè)計(jì)以及分析管道的失效原因等都具有指導(dǎo)意義。

一、不銹鋼焊管制造過(guò)程有限元模型

 高頻焊接的原理是利用線圈和磁棒產(chǎn)生高頻電流，通過(guò)高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使感應(yīng)電流高度集中在管坯的開(kāi)口角邊緣，并在很短的時(shí)間內(nèi)使管坯開(kāi)口角邊緣迅速加熱至焊接溫度，然后在擠壓輥的作用下進(jìn)行壓力焊接，如圖所示，因此高頻焊接具有焊接熱影響區(qū)窄、加熱速度快、焊接質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。集膚效應(yīng)指由于高頻電流主要分布在導(dǎo)體外表面，電流頻率越高，集膚效應(yīng)越強(qiáng)。鄰近效應(yīng)指在兩個(gè)距離很近的導(dǎo)體中，有方向相反的高頻電流通過(guò)時(shí)，高頻電流僅沿兩個(gè)導(dǎo)體的相鄰面流動(dòng)，利用鄰近效應(yīng)可以使電流通過(guò)合適的感應(yīng)器，集中在焊件需要加熱的區(qū)域。

 1. 高頻電阻焊的受熱和受力分析

  由于高頻焊接的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，熱量主要集中在待焊接間隙的兩個(gè)面上，因此采用在間隙待焊合的兩個(gè)面上施加移動(dòng)面熱源的方法來(lái)模擬高頻焊接過(guò)程中電磁場(chǎng)和電流場(chǎng)產(chǎn)生的熱量分布。面熱源在待焊面上以焊接熱源為中心，在焊縫長(zhǎng)度方向上呈高斯分布，并與模具以相同的速度沿焊管進(jìn)行軸向移動(dòng)，移動(dòng)面熱源的熱流密度分布見(jiàn)式。

  式中焊接功率和焊接速度為實(shí)際焊接過(guò)程中的焊接功率和焊接速度值。熱源半徑的值與熔池長(zhǎng)度的一半大致相同。至德鋼業(yè)用高速攝像機(jī)拍攝得到的高頻電阻焊熔池長(zhǎng)度的一半大約為15 mm，不同的高頻電阻焊參數(shù)會(huì)導(dǎo)致熔池長(zhǎng)度的小幅度變化。經(jīng)過(guò)試算，認(rèn)為對(duì)于本次計(jì)算的管道尺寸和焊接參數(shù)，熱源半徑取19 mm時(shí)較為合適。環(huán)境初始溫度設(shè)為室溫20℃。

 計(jì)算高頻電阻焊時(shí)采用熱力直接耦合法，計(jì)算溫度的同時(shí)計(jì)算應(yīng)力。根據(jù)高頻焊管道生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程進(jìn)行擠壓分析時(shí)，通過(guò)給擠壓輥施加位移的邊界條件，先在徑向上移動(dòng)擠壓輥，使起弧點(diǎn)的管道受擠壓閉合；然后在軸向上移動(dòng)擠壓輥，使其以焊接速度運(yùn)動(dòng)，直至管道焊接完成。在管道待焊接的兩個(gè)面上建立接觸，在模具和管道之間也建立接觸，切向采用摩擦因數(shù)為0.1的摩擦接觸，法向采用“硬”接觸。

 2. 幾何和網(wǎng)格模型

  通常連續(xù)焊管的總長(zhǎng)度一般為幾百米至幾千米，但除了起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)，管道中間部位的焊接熱過(guò)程一般認(rèn)為是一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，在管道軸向上任意橫截面上的溫度變化和最終殘余應(yīng)力分布應(yīng)該是相同的，因此不失一般性。為了分析高頻焊過(guò)程，選取50 mm長(zhǎng)的管道，分析焊接殘余應(yīng)力的分布和變化，擠壓輥設(shè)置為離散剛體。不銹鋼焊管的高頻焊接過(guò)程的制造模型如圖2所示。進(jìn)行管道高頻電阻焊時(shí)，同時(shí)加熱和加壓，用間隙附近的移動(dòng)面熱源實(shí)現(xiàn)加熱，如圖中虛線所示，用擠壓輥在半徑方向上（R方向）收縮和在軸向上（z方向）移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)加壓。邊界條件如圖所示，在點(diǎn)A處約束徑向（R方向）位移，沿軸向的直線AB上約束環(huán)向（T方向）位移，過(guò)點(diǎn)A的端面內(nèi)表面處約束軸向（z方向）位移。高頻焊管的有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示，管道共劃分了12144個(gè)單元，計(jì)算的單元類型為熱力耦合單元C3D8T；擠壓輥為離散剛體，共劃分了686個(gè)單元，單元類型為剛體單元R3D4或R3D3。由于間隙是焊縫區(qū)域，該處溫度梯度和應(yīng)力梯度較大，因此在間隙及其附近區(qū)域（如圖中紅色方框所示）進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

  不銹鋼焊管用的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等非線性熱物理參量隨溫度變化而變化，計(jì)算時(shí)認(rèn)為焊縫和母材的材料相同，具體參數(shù)如圖所示。假設(shè)不銹鋼焊管用鋼的密度和泊松比不隨溫度變化，密度為7800 kg/m3，泊松比為0.3。管道與空氣的對(duì)流換熱和輻射統(tǒng)一為綜合換熱系數(shù)，隨溫度變化的綜合換熱系數(shù)值見(jiàn)圖4a。

二、結(jié)果與討論

 首先對(duì)比實(shí)際焊縫形貌和計(jì)算焊縫形貌，以及通過(guò)小孔法實(shí)際測(cè)量得到的殘余應(yīng)力和有限元計(jì)算得到的殘余應(yīng)力，來(lái)驗(yàn)證模型的正確性，并進(jìn)一步對(duì)高頻電阻焊的徑向、環(huán)向和軸向殘余應(yīng)力的分布特征，加熱和加壓分別對(duì)殘余應(yīng)力的影響，熱源與擠壓輥距離、擠壓量、焊接功率和焊接速度等各焊接參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行分析。

 1. 實(shí)際與計(jì)算焊縫形貌的對(duì)比

  圖為實(shí)際的高頻電阻焊接頭橫截面，下部為管道內(nèi)壁，中間的深色部分為焊縫。高頻電阻焊的焊縫寬度很窄，管道內(nèi)壁處的焊縫寬度約為0.2 mm，管道中間部位的焊縫寬度約為0.1 mm。管道內(nèi)壁處金屬被擠出，擠出金屬部分為圓形和月牙形兩部分，月牙形為液態(tài)金屬被擠出后再凝固形成。有限元計(jì)算為固態(tài)計(jì)算，因此不考慮月牙形部分，擠出金屬的圓形部分寬度為2.1 mm，高度在0.9~1.1 mm之間。

  當(dāng)熱源與擠壓輥間距離為20 mm，擠壓量為1.9 mm時(shí)，計(jì)算得到的高頻電阻焊的焊接溫度場(chǎng)見(jiàn)圖6，圖6中紅色區(qū)域?yàn)闇囟雀哂?500℃的熔池區(qū)域；綠色區(qū)域?yàn)闇囟仍?50~1500℃之間的熱影響區(qū)；藍(lán)色區(qū)域?yàn)闇囟鹊陀?50℃的區(qū)域。圖中測(cè)量得到的管道內(nèi)表面的焊縫寬度約為0.2 mm，與實(shí)際一致。距離起弧點(diǎn)20,25,30,35 mm處焊縫中心的焊接熱循環(huán)曲線見(jiàn)圖，這4條曲線的最高溫度為1940℃左右，且曲線形狀類似，說(shuō)明距離起弧點(diǎn)20~35 mm的溫度變化處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，50 mm長(zhǎng)的管道可以模擬準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的焊接溫度場(chǎng)和焊接應(yīng)力場(chǎng)，因此后續(xù)均選取管道中間部位以分析高頻焊過(guò)程中的溫度和焊縫形貌的變化過(guò)程以及焊后殘余應(yīng)力，即距離起弧點(diǎn)25 mm處的截面。圖為不同時(shí)刻高頻電阻焊接管道橫截面（如圖中黃色方框所示）的溫度變化和受擠壓后焊縫形貌的變化過(guò)程。0.080 s時(shí)焊接前加熱和擠壓還未開(kāi)始，管道上存在間隙；隨著熱源的逐步逼近，0.115 s時(shí)，溫度逐漸升高，間隙邊緣溫度達(dá)到1500℃以上，間隙邊緣熔化；0.121 s時(shí)，在擠壓輥的擠壓作用下，兩側(cè)管道的內(nèi)壁接觸，熔化區(qū)域進(jìn)一步增加；0.128秒時(shí)，兩側(cè)管道的內(nèi)壁和外壁均接觸，熔化區(qū)域?qū)挾冗M(jìn)一步增加；0.136秒時(shí)，熔化區(qū)域在擠壓作用下在管道中間部位較窄，在管道內(nèi)壁和外壁處較寬，與圖中的實(shí)際情況相符，而且在擠壓輥的作用下由于焊縫附近區(qū)域的溫度較高，易變形，因此焊縫處的管道內(nèi)壁和外壁都出現(xiàn)了凸起；0.181秒時(shí)，隨著熱源的遠(yuǎn)離，該截面的溫度降低，熔化區(qū)域凝固，但是該處溫度仍然較高且容易變形，該處受到進(jìn)一步擠壓后內(nèi)壁凸起量大幅增加，外壁凸起寬度小幅增加，這是由于內(nèi)壁比外壁直徑小，同時(shí)受到徑向擠壓時(shí)內(nèi)壁的擠壓程度更大，因此內(nèi)壁凸起量比外壁凸起量大；0.270秒時(shí)，管道冷卻至室溫，擠壓輥遠(yuǎn)離該截面，該截面的焊接完成，最終內(nèi)壁凸起高度為1.0 mm，凸起寬度為2.1 mm，與圖中實(shí)際凸起尺寸相符。

 2. 實(shí)際與計(jì)算殘余應(yīng)力的對(duì)比

  高頻電阻焊后的殘余應(yīng)力云圖如圖所示，起弧點(diǎn)處的殘余Mises應(yīng)力較大，其次是距焊縫中心約1.5 mm處。由于計(jì)算管道厚度僅為3 mm，高頻電阻焊后的徑向殘余應(yīng)力較小，即管道厚度方向的應(yīng)力較小，基本在200 MPa以內(nèi)；環(huán)向殘余應(yīng)力在起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)處最大，起弧點(diǎn)的焊縫內(nèi)壁處由于受擠壓導(dǎo)致環(huán)向殘余壓應(yīng)力較大；軸向殘余應(yīng)力在焊縫及其附近區(qū)域最大，接近屈服強(qiáng)度。管道外壁的軸向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，管道內(nèi)壁的軸向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力。距離起弧點(diǎn)25 mm處的管道外壁上的環(huán)向和軸向殘余應(yīng)力如圖曲線所示，圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)為小孔法測(cè)試得到的殘余應(yīng)力結(jié)果，計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較小。焊縫及其附近區(qū)域的軸向應(yīng)力較大，焊縫處的軸向應(yīng)力約為450 MPa；環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力相比較小，距焊縫中心約2 mm處的環(huán)向應(yīng)力最大，約為200 MPa左右。

 3. 加熱與加壓對(duì)殘余應(yīng)力的影響

 由于高頻電阻焊包括了加熱和加壓兩個(gè)過(guò)程，因此焊后殘余應(yīng)力受到不均勻加熱和擠壓輥擠壓的雙重影響，圖對(duì)比分析了只加熱、只擠壓和高頻電阻焊實(shí)際情況下的殘余應(yīng)力，分析加熱和加壓分別對(duì)高頻電阻焊的殘余應(yīng)力分布的影響。從圖可知，只加壓時(shí)焊縫處的環(huán)向殘余應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力均為300 MPa左右，既加熱又加壓的高頻焊實(shí)際情況的環(huán)向殘余應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力與只加熱時(shí)的殘余應(yīng)力在焊縫附近區(qū)域較接近，說(shuō)明高頻電阻焊焊縫附近的殘余應(yīng)力主要受不均勻加熱導(dǎo)致的溫度梯度的影響。只加熱時(shí)遠(yuǎn)離焊縫處的環(huán)向殘余應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力為0，而只加壓時(shí)與高頻電阻焊的實(shí)際情況在遠(yuǎn)離焊縫處的環(huán)向殘余應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力較接近，說(shuō)明高頻電阻焊遠(yuǎn)離焊縫處的殘余應(yīng)力主要受擠壓輥擠壓的影響。

 4. 高頻電阻焊參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

 為了分析高頻電阻焊的焊接參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響，計(jì)算了以下4種參數(shù)改變時(shí)殘余應(yīng)力的變化：熱源與擠壓輥間距離、擠壓量、焊接功率和焊接速度。焊接參數(shù)改變時(shí)，距焊縫中心3~35 mm處的殘余應(yīng)力的變化較大，其他區(qū)域的殘余應(yīng)力變化較小。隨著熱源與擠壓輥之間距離的增加，焊縫附近區(qū)域的環(huán)向殘余應(yīng)力明顯增加，軸向殘余應(yīng)力略微增加。熱源與擠壓輥之間距離超過(guò)28 mm時(shí)，焊縫附近區(qū)域的軸向應(yīng)力隨熱源與擠壓輥距離增加而產(chǎn)生的變化較小。隨著擠壓量的增加，焊縫附近區(qū)域的環(huán)向殘余應(yīng)力略微降低，軸向殘余應(yīng)力明顯降低。隨著焊接功率的增加，焊縫附近區(qū)域的環(huán)向殘余應(yīng)力明顯降低，軸向殘余應(yīng)力略微降低。隨著焊接速度的增加，焊縫附近區(qū)域的環(huán)向殘余應(yīng)力明顯增加，軸向殘余應(yīng)力略微增加。

三、結(jié)論

  通過(guò)對(duì)不同焊接參數(shù)下的不銹鋼焊管的高頻電阻焊接的殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了以下結(jié)論。

 1. 使用移動(dòng)面熱源和擠壓輥擠壓模擬得到的高頻電阻焊的焊縫寬度、擠出的凸起尺寸、殘余應(yīng)力分布都與試驗(yàn)值相符，可以較好地模擬高頻電阻焊的加熱過(guò)程。使用熱力直接耦合法能較好地模擬高溫熔池在擠壓力的作用下變窄，導(dǎo)致高頻電阻焊的焊縫寬度非常窄的實(shí)際情況。

 2. 管壁厚度為3 mm的不銹鋼焊管在高頻電阻焊焊接后的徑向殘余應(yīng)力非常??；環(huán)向殘余應(yīng)力在起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)較大，其余區(qū)域較??；軸向殘余應(yīng)力較大，在焊縫處的軸向殘余應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度。高頻電阻焊焊縫附近的環(huán)向殘余應(yīng)力主要受不均勻加熱導(dǎo)致的溫度梯度的影響。高頻電阻焊遠(yuǎn)離焊縫處的殘余應(yīng)力主要受擠壓輥擠壓的影響。

 3. 焊接參數(shù)改變時(shí)，距焊縫中心3~35 mm處的殘余應(yīng)力的變化較大。隨著熱源與擠壓輥之間距離的增加，焊縫附近的殘余應(yīng)力增加。隨著擠壓量的增加，焊縫附近的殘余應(yīng)力降低。隨著焊接功率的增加，焊縫附近的殘余應(yīng)力降低。隨著焊接速度的增加，焊縫附近的殘余應(yīng)力增加。