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利用ＡＮＳＹＳ軟件建立了電磁感應(yīng)加熱的電磁－熱耦合數(shù)值模型，對(duì)大直徑３２１不銹鋼厚壁鋼管的焊前感應(yīng)預(yù)熱瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬分析。研究了感應(yīng)線圈中不同電流大小、頻率以及不同感應(yīng)加熱方式作用下不銹鋼管的溫度分布情況，通過調(diào)節(jié)電流參數(shù)和感應(yīng)加熱作用方式使得感應(yīng)預(yù)熱后不銹鋼管溫度達(dá)到（１２０±１０）℃的預(yù)熱工藝要求。結(jié)果表明：采用間隔２０ｓ加熱１０ｓ，且感應(yīng)電流頻率１０ｋＨｚ、大�。罚担埃恋募訜峁に嚍樽罴迅袘�(yīng)預(yù)熱工藝。

大口徑不銹鋼厚壁鋼管是裝備制造業(yè)中經(jīng)常遇到的結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于食品、制藥、化學(xué)和化工等領(lǐng)域。在其制造過程中，電弧焊接是最可靠的連接方式［１］，然而電弧的熱輸入集中、不銹鋼管局部加熱和冷卻速度快，焊后焊道容易出現(xiàn)應(yīng)力集中甚至開裂，導(dǎo)致不銹鋼管的使用性能和疲勞壽命嚴(yán)重降低。為了降低焊接應(yīng)力及消除裂紋，需要對(duì)不銹鋼管進(jìn)行焊前預(yù)熱。目前生產(chǎn)中常用的焊前預(yù)熱方法有火焰加熱和電阻加熱兩種方法�；鹧婕訜岱绞绞褂煤�(jiǎn)單，但不銹鋼管氧化和環(huán)境污染嚴(yán)重。電阻加熱方式依賴電阻絲或電阻片產(chǎn)生的熱輻射或熱傳導(dǎo)來加熱不銹鋼管，其能量利用率較低［２］。近年來，電磁感應(yīng)加熱在焊前預(yù)熱應(yīng)用中逐步增多。感應(yīng)加熱的原理是在線圈感應(yīng)器內(nèi)通入一定頻率的交變電流，線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)切割不銹鋼管，在不銹鋼管內(nèi)形成渦流，產(chǎn)生的焦耳熱使得不銹鋼管溫度升高［３］。與傳統(tǒng)加熱方式相比，感應(yīng)加熱具有加熱速度快，溫度便于控制，成本低，節(jié)能環(huán)保，而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)厚板厚壁鋼管宜采用感應(yīng)加熱熱處理方式進(jìn)行焊前預(yù)熱［４］。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)不同金屬材料感應(yīng)加熱的電磁和熱過程進(jìn)行了數(shù)值研究，取得了不少成果。ＭＡＯ等［５］建立了３１６ＬＮ不銹鋼管道的感應(yīng)加熱模型，分析了感應(yīng)加熱后電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，比較了預(yù)制孔上有蓋和無蓋兩種情況下管道的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)在預(yù)制孔上加蓋可以明顯減小溫度場(chǎng)的不均勻性。ＫＲＡＮＪＣ等［６］利用有限元法計(jì)算了Ｘ５ＣｒＮｉ１８９不銹鋼的感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)，比較了隨溫度變化的材料屬性和獨(dú)立材料屬性對(duì)溫度場(chǎng)的影響，通過實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比可知，模擬誤差主要取決于材料屬性。ＳＨＥＮ等［７］基于ＦＥＭＬＡＢ有限元軟件建立了鋼板電磁－熱耦合模型，得出了感應(yīng)加熱主要工藝參數(shù)對(duì)鋼板表面溫度的影響規(guī)律。趙敏等［８］對(duì)４５鋼坯鍛造前的感應(yīng)加熱過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，為感應(yīng)加熱線圈的設(shè)計(jì)和加熱工藝的制定提供了理論基礎(chǔ)。張洪亮［９］分析了電流密度、頻率以及線圈間隙等工藝參數(shù)對(duì)４５鋼高頻直縫焊管中頻感應(yīng)熱處理溫度場(chǎng)的影響。梁立凱等［１０］模擬了３０４不銹鋼柱狀坯料在感應(yīng)加熱過程中的溫度分布和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在快速加熱階段不銹鋼管內(nèi)外溫差較大，并且徑向大于縱向。然而，厚壁件在電弧焊前一般都開設(shè)有坡口，坡口的位置、大小以及形狀影響不銹鋼管感應(yīng)預(yù)熱溫度的分布，研究厚壁不銹鋼管的焊前預(yù)熱問題必須考慮焊接坡口對(duì)導(dǎo)熱的影響。目前，尚未見到有關(guān)感應(yīng)焊前預(yù)熱及焊接坡口在焊前預(yù)熱過程中的影響規(guī)律的研究報(bào)道。

本工作以大直徑３２１不銹鋼厚壁筒件的焊前感應(yīng)預(yù)熱為研究對(duì)象，基于ＡＮＳＹＳ軟件建立厚壁厚壁鋼管的感應(yīng)加熱電磁－熱耦合模型，研究帶有坡口的厚壁鋼管焊前預(yù)熱感應(yīng)線圈電流參數(shù)、加熱方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響，對(duì)比分析不同電流參數(shù)以及連續(xù)加熱和間斷加熱后不銹鋼管溫度分布，得出最佳感應(yīng)加熱方案，滿足焊前預(yù)熱的要求。

１有限元模型

１．１電磁－熱數(shù)學(xué)模型

本工作研究對(duì)象為３２１不銹鋼厚壁鋼管，其外徑為２１７０ｍｍ，壁厚５０ｍｍ。不銹鋼管焊前首先沿徑向開６０°單Ｖ坡口，點(diǎn)焊固定，然后采用電磁感應(yīng)預(yù)熱，當(dāng)不銹鋼管坡口周圍的溫度達(dá)到預(yù)熱要求后，再進(jìn)行ＭＩＧ對(duì)接焊。感應(yīng)加熱時(shí)將兩匝線圈環(huán)繞在筒件外壁，線圈與筒件之間用厚１０ｍｍ的保溫棉相隔，不銹鋼管及感應(yīng)加熱方式如圖１所示。焊前預(yù)熱工藝要求不銹鋼管在感應(yīng)加熱后坡口中心線兩側(cè)１２０ｍｍ局部?jī)?nèi)的溫度為（１２０±１０）℃。

１．２邊界條件及網(wǎng)格劃分

在電磁場(chǎng)計(jì)算過程中，施加磁力線平行條件，保證管件中部的磁力線與筒件軸向平行。在溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，近遠(yuǎn)場(chǎng)空氣單元都設(shè)為無效，只考慮不銹鋼管溫度場(chǎng)。不銹鋼管處于流體介質(zhì)中，與周圍的空氣之間存在對(duì)流換熱，因此采用第三類邊界條件λ�担元担�ｎｘ＋λ�担元担�ｎｙ＋λ�担元担�ｎｚ＝βＴα－Ｔ（）ｓ。（６）其中：β為表面換熱系數(shù)（Ｗ·（ｍ２·℃）－１）；Ｔα為周圍介質(zhì)溫度（℃）；Ｔｓ為不銹鋼管邊界溫度（℃）。由于焊前預(yù)熱時(shí)坡口并未被熔融金屬填充，因此需要考慮坡口處的傳熱問題。本研究中假設(shè)單Ｖ坡口兩側(cè)的鈍邊緊密接觸，不存在熱阻；Ｖ型坡口內(nèi)物質(zhì)為空氣，只考慮不銹鋼管外壁面與空氣的對(duì)流導(dǎo)熱�？紤]到筒件的中心對(duì)稱性，為了提高計(jì)算效率，將模型簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行計(jì)算。電磁場(chǎng)模型中采用ｐｌａｎｅ２３３單元，計(jì)算過程中采用不均勻網(wǎng)格劃分，其中線圈、保溫棉、不銹鋼管以及近場(chǎng)空氣采用網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)場(chǎng)空氣采用較大網(wǎng)格自由劃分，共有３６３３０個(gè)節(jié)點(diǎn)，１５９４３個(gè)單元。溫度場(chǎng)模型中采用ｐｌａｎｅ７７單元，重新劃分不銹鋼管網(wǎng)格，劃分結(jié)束后共有１３３６１個(gè)節(jié)點(diǎn)，４３００個(gè)單元。不銹鋼管有限元網(wǎng)格的劃分如圖２所示。

１．３材料屬性

材料屬性是材料本身所具有的性能或特性，電磁場(chǎng)計(jì)算部分用到了材料的相對(duì)磁導(dǎo)率、電阻率，溫度場(chǎng)計(jì)算部分用到了材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等材料屬性。本工作中筒件為３２１不銹鋼，其熱物性參數(shù)具體值取自參考文獻(xiàn)［１１］，線圈材料選用Ｔ３銅，其相對(duì)磁導(dǎo)率為１，電阻率為１．７１×１０－８Ω·ｍ，空氣相對(duì)磁導(dǎo)率為１，保溫棉導(dǎo)熱系數(shù)為０．０３Ｗ·（ｍ·ｋ）－１。

２感應(yīng)加熱

溫度場(chǎng)的模擬與分析基于電磁學(xué)及熱傳導(dǎo)理論，利用所建立的電磁－熱模型，采用ＡＮＳＹＳ計(jì)算中的“順序耦合法”進(jìn)行求解，即先進(jìn)行電磁計(jì)算，再進(jìn)行瞬態(tài)溫度計(jì)算。計(jì)算時(shí)在不同時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)電磁分析以減小材料熱物性參數(shù)變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。為了達(dá)到感應(yīng)預(yù)熱要求溫度，需要對(duì)電流參數(shù)和加熱方式進(jìn)行合理的設(shè)置。根據(jù)文獻(xiàn)［１２］中感應(yīng)加熱電流頻率、大小的計(jì)算公式，為了達(dá)到本研究中不銹鋼管感應(yīng)預(yù)熱工藝要求，線圈電流頻率應(yīng)在５～１５ｋＨｚ內(nèi)，電流大小應(yīng)在２００～１０００Ａ內(nèi)。初步設(shè)置電流頻率分別為５、１０ｋＨｚ，電流大小為５００、８００Ａ，依次進(jìn)行焊前感應(yīng)預(yù)熱溫度場(chǎng)試算分析，具體設(shè)置如表１所示。

２．１不銹鋼管坡口設(shè)置

為了研究坡口對(duì)溫度場(chǎng)的影響，首先采用連續(xù)加熱的方式進(jìn)行表１中ｃａｓｅ１的模擬計(jì)算，得到不銹鋼管坡口及附近的溫度分布情況如圖３所示。由圖３（ａ）可知，不銹鋼管開坡口后坡口兩側(cè)溫度最高，在６０～８０℃之間，坡口內(nèi)沒有溫度變化，這是由于坡口內(nèi)為空氣，只存在與坡口邊緣處的對(duì)流換熱作用，與實(shí)際情況相符。由圖３（ｂ）可知，不開坡口時(shí)不銹鋼管在線圈正下方處溫度最高，在８０～１１０℃范圍內(nèi)，這是由于不開坡口意味著將坡口內(nèi)空氣設(shè)置為了不銹鋼管屬性，因此感應(yīng)加熱時(shí)此部分迅速升溫，同時(shí)通過熱傳導(dǎo)作用影響不銹鋼管周圍部分的升溫，增加周圍不銹鋼管的升溫速率，影響不銹鋼管的溫度分布。因此在模擬計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行開坡口處理是必要的。為了進(jìn)一步研究感應(yīng)加熱方式對(duì)不銹鋼管溫度場(chǎng)的影響，模擬計(jì)算時(shí)設(shè)置連續(xù)感應(yīng)加熱和間斷感應(yīng)加熱兩種方式。

３．２連續(xù)加熱方式

根據(jù)表１中的方案設(shè)置，采用連續(xù)加熱的方式進(jìn)行ｃａｓｅ１和ｃａｓｅ２的模擬計(jì)算，得到不銹鋼管的溫度分布情況如圖４所示。為了觀察內(nèi)外壁溫度，只顯示留三維模型的四分之三部分。

由圖４（ａ）可知，當(dāng)電流頻率為５ｋＨｚ，電流大小為５００Ａ?xí)r，感應(yīng)加熱５００ｓ后不銹鋼管溫度場(chǎng)穩(wěn)定，其內(nèi)外表面溫度均在８０℃以下，未達(dá)到預(yù)熱要求。由圖４（ｂ）可知，當(dāng)電流頻率為５ｋＨｚ，電流大小為８００Ａ?xí)r，感應(yīng)加熱５００ｓ后不銹鋼管溫度場(chǎng)穩(wěn)定，不銹鋼管內(nèi)部溫度在１１０～１３０℃范圍內(nèi)，但不銹鋼管外表面溫度已經(jīng)超過１３０℃，超出要求的溫度范圍，因此ｃａｓｅ１和ｃａｓｅ２不是合理的方案。圖中反映出的內(nèi)外表面溫差較大的問題是由于采用連續(xù)加熱的方式導(dǎo)致的，由于線圈作用在不銹鋼管的外表面，感應(yīng)加熱時(shí)存在嚴(yán)重的集膚現(xiàn)象，不銹鋼管外表面升溫快，而內(nèi)表面則主要是依靠外表面的熱傳導(dǎo)作用，升溫速度慢。連續(xù)作用的加熱方式使得不銹鋼管受熱不均勻，不銹鋼管內(nèi)外表面存在很大的溫度差，因此考慮將加熱方式更換為間斷加熱方式，根據(jù)常用感應(yīng)加熱方式，將停止加熱的間隔時(shí)間設(shè)置為２０ｓ。

２．３間斷加熱方式

設(shè)置感應(yīng)間隔２０ｓ加熱１０ｓ的間斷加熱模式，分別采用表１中的ｃａｓｅ３和ｃａｓｅ４進(jìn)行計(jì)算分析，即固定電流頻率為１０ｋＨｚ，電流分別采用５００Ａ和８００Ａ進(jìn)行計(jì)算，１５００ｓ后不銹鋼管溫度場(chǎng)穩(wěn)定，結(jié)果如圖５所示。

由圖５（ａ）可知，當(dāng)電流頻率為１０ｋＨｚ，電流大小為５００Ａ?xí)r，坡口兩側(cè)２５０ｍｍ范圍內(nèi)不銹鋼管的溫度升高，最高溫度出現(xiàn)在坡口兩側(cè)８５ｍｍ內(nèi)，為８０℃，達(dá)不到工藝要求。由圖５（ｂ）可知，當(dāng)電流大小為８００Ａ?xí)r，坡口兩側(cè)４７０ｍｍ范圍內(nèi)不銹鋼管的溫度升高，溫度在坡口兩側(cè)分布對(duì)稱，且隨著與坡口處距離的增加而遞減，最高溫度出現(xiàn)在坡口兩側(cè)１２５ｍｍ范圍內(nèi)，已超過１３０℃，不滿足工藝要求，因此再次調(diào)整模擬方案，將電流減小至７００Ａ。圖６為電流頻率為１０ｋＨｚ、電流大小為７００Ａ（ｃａｓｅ５）第１５００ｓ時(shí)不銹鋼管的溫度分布。由圖可知，坡口兩側(cè)４８０ｍｍ內(nèi)的不銹鋼管溫度升高，坡口兩側(cè)寬度５０ｍｍ、深度３８ｍｍ內(nèi)的不銹鋼管溫度最高，在１１０～１３０℃范圍內(nèi)。不銹鋼管內(nèi)部溫度在１１０℃以下，內(nèi)外溫差嚴(yán)重，這是由于感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，不銹鋼管外表面升溫迅速，從外表面到內(nèi)表面溫度梯度較大，這種溫度梯度容易引起應(yīng)力集中，因此再次調(diào)整方案，通過改變線圈電流大小來改善不銹鋼管內(nèi)的熱傳導(dǎo)作用，從而減小內(nèi)外溫差。比較圖５（ｂ）和圖６可知，當(dāng)電流為８００Ａ?xí)r不銹鋼管溫度超過工藝要求，當(dāng)電流為７００Ａ?xí)r不銹鋼管溫度達(dá)不到工藝要求，因此將電流調(diào)節(jié)至７５０Ａ（ｃａｓｅ６）再次進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖７所示。由圖７（ａ）可知，當(dāng)電流頻率為１０ｋＨｚ，電流大小為７５０Ａ?xí)r，坡口兩側(cè)５００ｍｍ內(nèi)不銹鋼管溫度升高，不銹鋼管內(nèi)外壁受熱均勻，這是由于增大電流后不銹鋼管表面渦流增大，從而使得熱傳導(dǎo)作用增強(qiáng)，內(nèi)外壁溫差減小。由圖７（ｂ）可知，坡口兩側(cè)１２８ｍｍ范圍內(nèi)不銹鋼管溫度在１１０～１３０℃之間，越遠(yuǎn)離坡口處溫度越低，這是因?yàn)槠驴谖挥诰�圈的正下方，感應(yīng)加熱作用最強(qiáng)，越遠(yuǎn)離坡口的位置感應(yīng)作用越弱。

為了更好的分析溫度隨時(shí)間的變化情況，做出圖７（ｂ）中１、２、３點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線，如圖８所示。由圖８可知，內(nèi)外壁升溫階段均為非線性曲線，升溫速率從外壁往內(nèi)部逐漸遞減。當(dāng)達(dá)到最高溫度后，加熱停止，不銹鋼管與外部空氣進(jìn)行熱交換，此時(shí)整個(gè)不銹鋼管溫度都快速下降，并且各點(diǎn)溫度下降曲線一致，降溫速率均隨著溫度的降低而減小，這是由于不銹鋼管溫度越高，與周圍空氣的熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱越嚴(yán)重，溫度下降速率越快。當(dāng)不銹鋼管與周圍空氣之間的溫差減小時(shí)，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱與換熱作用也減小，在圖８中表現(xiàn)為降溫曲線越來越平緩。在此種加熱方式作用下，不銹鋼管外壁最高溫度為１２４℃，中部最高溫度為１２０℃，內(nèi)壁最高溫度為１１６℃，內(nèi)外壁溫度均滿足要求，并且溫差較小，說明間隔２０ｓ加熱１０ｓ這種加熱方式能很好地實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱時(shí)不銹鋼管外部往內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，同時(shí)線圈電流頻率為１０ｋＨｚ、電流大小為７５０Ａ能很好地滿足溫度工藝要求，為最佳方案。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，使用點(diǎn)焊的方式將Ｋ型鎳鉻－鎳硅熱電偶固定在圖７（ｂ）中所示的點(diǎn)１位置，測(cè)出在最佳感應(yīng)加熱方案條件下點(diǎn)１處的實(shí)際溫度變化曲線，并與模擬溫度變化曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖９所示。結(jié)果表明：模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，數(shù)值分析結(jié)果可以有效地預(yù)測(cè)焊前感應(yīng)預(yù)熱溫度場(chǎng)變化。不銹鋼管降溫階段的模擬值與實(shí)驗(yàn)值存在一定誤差，誤差產(chǎn)生的原因可能是模擬過程中材料熱物性參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際值存在偏差。

為了比較不銹鋼管開坡口時(shí)與未開坡口時(shí)的溫度分布情況，選用最佳工藝方案（ｃａｓｅ６）對(duì)未考慮坡口時(shí)的不銹鋼管進(jìn)行焊前預(yù)熱溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到如圖１０所示的溫度分布。比較圖１０（ｂ）和圖７（ｂ）可知，不銹鋼管未開坡口時(shí)最高溫度超過１３０℃，且不銹鋼管整體溫度比開坡口時(shí)高出約３０℃。由此可知，坡口對(duì)不銹鋼管溫度的分布及大小影響很大，因此焊前感應(yīng)預(yù)熱模擬時(shí)必須要考慮坡口的存在。

３結(jié)語

通過改變電流參數(shù)（電流頻率、電流大�。┖透袘�(yīng)加熱方式，模擬計(jì)算了３２１不銹鋼在不同參數(shù)下的感應(yīng)預(yù)熱溫度分布。通過比較可知當(dāng)電流頻率為１０ｋＨｚ、電流大小為７５０Ａ，采用間隔２０ｓ加熱１０ｓ的加熱方式時(shí)，不銹鋼管外壁最高溫度為１２４℃，內(nèi)壁最高溫度為１１６℃，內(nèi)外溫差小，溫度滿足要求，此為最佳的感應(yīng)加熱工藝方案。比較了在最佳工藝方案作用下筒件考慮坡口與不考慮坡口時(shí)的溫度分布，證明了感應(yīng)預(yù)熱模擬時(shí)對(duì)筒件開坡口處理的必要性。