基于FEM的管道全自动打底焊用柔性衬垫的研究

作者：程方杰^*; 孔康骞; 武少杰; 李为卫

来源：天津大学学报 (自然科学与工程技术版), 2021, 54(03): 289-294.

• 全自动焊
• 管道打底焊
• 根部成形
• 铜衬垫
• 有限元方法

在海底管线铺设时的环焊缝全自动焊过程中,一般采用带铜衬垫的内对口器配合大热输入焊接参数进行强制成形.由于高温熔池直接和刚性铜衬垫接触,焊根背面不能形成圆滑过渡的焊趾,应力集中较为严重;同时铜衬垫也烧损严重,存在焊缝渗铜和夹铜的风险,需要不定期进行更换.针对铜衬垫所存在的上述问题,本研究提出在铜衬垫表面再放置一层很薄的耐高温柔性衬垫材料,以避免铜衬垫与高温熔池的直接接触.基于有限元方法(FEM),使用有限元软件ABAQUS系统研究了柔性衬垫的厚度及材料的热导率、比热容等关键热物性参数对焊接温度场的影响规律以及衬垫对焊道背面成形的特殊作用.模拟结果表明,柔性衬垫的存在使得铜衬垫表面的峰值温度从700℃大幅下降至90℃以下,但其厚度对焊接温度场的影响很小;柔性衬垫的密度和比热容对焊接温度场的影响也很小;但柔性衬垫的热导率会明显影响熔池的大小、冷却速度及温度梯度的分布,进而对焊道的成形以及接头的组织和性能造成影响.模拟和试验结果都表明,合适的柔性衬垫材料可以大大降低铜衬垫表面的峰值温度,避免其烧损,同时还可以有效改善根部焊道的背面成形,使得铜衬垫作用下形成的周期性宽窄不均的背面熔宽变得均匀,且焊趾过渡也变得圆滑.

• 单位
  中国石油天然气集团公司管材研究所; 天津大学