油气管道自动焊接应力数值模拟分析

沈桓宇 丰兆安

1. 南充职业技术学院 四川 南充 637000；2. 中国石油宝鸡石油机械有限责任公司 陕西 宝鸡 721000

1 管道焊接应力场模拟理论分析

焊接热应力分析过程涉及热弹塑性问题，焊接材料的自由能密度与温度和应变相关[1-2]。焊接应力场分析过程涉及热弹塑性问题，从能量上看，焊接电弧提供给焊材热能，大部分热能使焊件温度上升，一部分热能消耗在焊件膨胀变形做功上。因此，焊接应力场是耦合的，在焊接过程中，由于应力场分析涉及热弹塑性问题，做以下假设[3-4]：①材料屈服服从Von-Mises屈服准则；②材料塑性应变服从塑性强化准则和流动准则；③弹性应变、塑性应变与温度应变是不可分的；④随温度变化的力学性能以及应力应变在较小的时间增量内是线性变化的。

2 管道焊接应力场场计算

2.1 焊接应力场计算分析

本文采用间接法来进行焊接过程应力场数值模拟，将节点温度作为热载荷，进行应力场的分析，计算焊接时应力变化过程、应力分布规律及焊后残余应力。

以X70管线钢为对象进行管道对接自动焊模拟研究，管道直径1016mm，管壁厚度17.5mm，采用单边宽60mm、沿焊缝方向角度取25°的部分管道进行对接自动焊建模，并结合焊接过程实际情况将V型坡口焊缝部分分为3层，如图1所示。

图1 V型坡口模型及焊缝分层示意图

选用单元内部生热作为焊接热源，采用生死单元技术实现了移动焊接模拟计算。根据双丝自动焊接工艺参数及电源特性，焊接模拟采用的焊接参数为：焊接电压为23V；……