隨著我國(guó)油氣需求量的日益增加， 原油運(yùn)輸效率在油氣供給上起到至關(guān)重要的作用， 改善油氣管道焊接質(zhì)量是保證油氣安全運(yùn)輸?shù)闹匾緩街唬?添加襯墊的單面焊雙面成形方法是一種改善小直徑管道焊接質(zhì)量問題的可靠方法

。 焊接襯墊按材質(zhì)區(qū)分可將其分為銅襯墊、 陶瓷襯墊、焊劑襯墊等

。 而銅襯墊作為金屬襯墊， 能夠?qū)艿纼?nèi)壁起到較強(qiáng)的支撐作用， 且焊接過程中能促使電弧穩(wěn)定， 有效提高焊接接頭強(qiáng)度

。

【評(píng)析】通過師生一起努力，與量角器形狀相同的半圓形，即量角器的雛形出現(xiàn)了。由于親自設(shè)計(jì)并創(chuàng)造出量角工具，學(xué)生對(duì)那些角和邊的由來有了清晰的認(rèn)識(shí),他們可輕松找到量角器的中心點(diǎn)、刻度線、標(biāo)準(zhǔn)角，不再對(duì)角“視而不見”。

目前， 大量研究集中于將銅襯墊引入平板焊接中， 并對(duì)銅襯墊增強(qiáng)焊縫質(zhì)量的機(jī)理進(jìn)行探究， 但少有學(xué)者將銅襯墊引入小直徑管道焊接工藝方面的研究， 更鮮有學(xué)者將襯墊焊接試驗(yàn)與仿真相結(jié)合， 研究焊接參數(shù)對(duì)小直徑管道焊縫質(zhì)量的影響

。 本研究將耦合仿真與焊接試驗(yàn)方法， 對(duì)引入襯墊的小直徑管道焊接工藝進(jìn)行研究，并探究電流大小對(duì)焊接質(zhì)量的影響， 為銅襯墊在小直徑管道焊接工藝中的應(yīng)用提供一定理論基礎(chǔ)。

1 管道焊接試驗(yàn)及建模仿真

1.1 焊接試驗(yàn)

20 鋼是一種含碳量較低的碳素鋼， 其塑性、韌性較好， 具有優(yōu)異的焊接性能， 常被用作天然氣的運(yùn)輸載體。 本試驗(yàn)將以小直徑20 鋼管道作為試驗(yàn)對(duì)象， 小直徑管道參數(shù)及銅襯墊參數(shù)見表1。

焊接前需對(duì)小直徑管道進(jìn)行預(yù)處理， 預(yù)處理主要包括打磨及清洗處理， 目的是除去管道表面鐵銹、 氧化膜、 油脂等雜質(zhì)， 避免影響管道焊接效果。 本試驗(yàn)將銅襯墊引入手工鎢極氬弧焊工藝， 采用氬氣 （純度為99.99%） 作為保護(hù)氣體對(duì)管道進(jìn)行正反面保護(hù)， 焊接設(shè)備選用奧太WSM-400 型氬弧焊焊機(jī)， 焊絲選擇屬于低碳結(jié)構(gòu)鋼類的ER50-6， 試樣加工成60°的V 形坡口，接頭采用環(huán)向焊接。 小直徑管道的焊接分為兩層， 兩層焊接速度均設(shè)置為3.14 mm/s， 焊接時(shí)間均為60 s。 根據(jù)前期研究

， 焊接時(shí)將焊接電壓設(shè)置為23 V， 焊接電流分別為90 A、 100 A和110 A， 并將樣品分別標(biāo)記為A、 B、 C。 焊接完成后， 在管道焊縫處接頭處制備金相試樣， 使用砂紙對(duì)試樣進(jìn)行粗磨、 細(xì)磨， 而后使用磨拋機(jī)對(duì)其進(jìn)行拋光處理， 再用濃度為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕、 水洗及酒精清洗， 最后烘干試樣備用。 采用日產(chǎn)PME3-323UN 型金相顯微鏡對(duì)焊縫處顯微組織進(jìn)行觀察； 采用CMT-5105 型SANS 拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸， 進(jìn)行3 次測(cè)量取平均值； 使用HV-1 維氏硬度計(jì)測(cè)定焊接接頭的硬度， 多次取點(diǎn)測(cè)量取平均值。

1.2 仿真模型建立

檸檬果醋的L值、a值和b值使用色差計(jì)進(jìn)行測(cè)定。色差計(jì)使用前需要用較厚的白紙進(jìn)行校準(zhǔn)。ΔL值表示亮度；Δa值正值偏向紅色，負(fù)值偏向綠色；Δb值正值偏向黃色，負(fù)值偏向藍(lán)色。通過公式ΔE=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2來計(jì)算總色差。ΔE在0～0.5時(shí)，色差可以忽略，肉眼很難辨認(rèn)；ΔE在0.5～1.0時(shí)，色差值很低，只有長(zhǎng)期訓(xùn)練的人才能觀察出；ΔE在1.0～1.5時(shí)，色差值屬于中等；ΔE>1.5時(shí)，色差嚴(yán)重。

沿焊縫方向選取第一層焊縫7 個(gè)特征點(diǎn)的不同熱循環(huán)曲線， 特征點(diǎn)選取位置如圖5 所示， 熱循環(huán)曲線如圖6 所示。 由圖6 可知， A組參數(shù)下， 焊接初始溫度為1 315.5 ℃， 峰值溫度為1 450 ℃， 初始階段溫度未達(dá)到20 鋼熔點(diǎn)； B 組參數(shù)下， 焊接初始溫度為1 489.2 ℃，峰值溫度為1 760 ℃， 達(dá)到20 鋼熔點(diǎn)， 母材發(fā)生熔化； C 組參數(shù)下， 焊接初始溫度為1 689.6 ℃，峰值溫度為1 875 ℃， 母材發(fā)生熔化。 隨著焊接電流的逐漸增加， 管道峰值溫度也逐漸呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。 此外， 在焊接初始階段， 管道焊縫處溫度較低， 隨時(shí)間的不斷增加， 溫度逐漸升高。 在30 s 后， 溫度變化逐漸趨向平穩(wěn)狀態(tài)。 且隨著時(shí)間的變化， 不同位置依次達(dá)到溫度最大值， 可以很好地驗(yàn)證焊接熱源的移動(dòng)性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 管道焊接溫度場(chǎng)分析

圖9 為不同焊接電流下焊縫處的顯微組織，由圖9 可觀察到， A 組參數(shù)下， 焊縫區(qū)為均勻分布的粗大柱狀晶組織， 通過計(jì)算評(píng)定其晶粒度等級(jí)為2 級(jí)； B 組參數(shù)下， 焊縫區(qū)的柱狀晶組織呈現(xiàn)出細(xì)小且相互平行的形態(tài)， 通過計(jì)算評(píng)定其晶粒度等級(jí)為4 級(jí)； C 組參數(shù)下， 焊縫區(qū)的柱狀晶組織較為粗大， 通過計(jì)算評(píng)定其晶粒度等級(jí)為3 級(jí)。 晶粒度等級(jí)越高， 柱狀晶組織越細(xì)小，其焊縫處力學(xué)性能也越好。

圖2 為不同焊接電流下管道焊接完成后第一層、 第二層焊縫溫度場(chǎng)分布情況。 電流為90 A時(shí)， 第一層、 第二層峰值溫度分別為2 096.8 ℃和2 120.5 ℃； 電流為110 A 時(shí)， 第一層、 第二層峰值溫度分別為2 393.1 ℃和2 466.7 ℃。 符合隨焊接電流的增大， 焊縫溫度隨之升高的規(guī)律。

本次研究中，觀察組患者手術(shù)時(shí)間、住院時(shí)間、術(shù)中出血量等臨床指標(biāo)均小于對(duì)照組，組間對(duì)比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；觀察組患者并發(fā)癥發(fā)生率6.06%（2/33），對(duì)照組并發(fā)癥發(fā)生率為18.18%（18/33），就觀察組與對(duì)照組的并發(fā)癥發(fā)生率而言，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其結(jié)果與原有的研究結(jié)果相一致。

2.1.2 不添加銅襯墊的管道溫度場(chǎng)分析

圖3 為不同焊接電流下的銅襯墊表面溫度場(chǎng)分布情況， 從圖3 可以看出， 隨焊接電流的逐漸增大， 銅表面溫度略有升高， 這是由于熱源與銅襯墊無直接接觸， 盡管電流有所提高，但擴(kuò)散過程中消耗的熱量較多， 銅襯墊表面溫度變化不明顯。

對(duì)不添加銅襯墊的小直徑管道焊接過程進(jìn)行模擬， 焊接電壓設(shè)置為23 V， 電流為100 A， 其余參數(shù)與添加銅襯墊的管道焊接模擬參數(shù)一致。焊接完成后第一層、 第二層焊縫的溫度場(chǎng)分布情況如圖4 所示， 第一層焊縫峰值溫度達(dá)到了2 720.6 ℃， 第二層焊縫峰值溫度達(dá)到2 943.3 ℃，不添加銅襯墊的管道焊縫峰值溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于添加銅襯墊的管道焊縫峰值溫度。 大量研究證明

， 當(dāng)峰值溫度過高、 高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)， 會(huì)導(dǎo)致晶粒變?yōu)榇执鬆顟B(tài)， 降低焊接接頭的力學(xué)性能。 銅襯墊在焊接過程中能夠吸收部分焊接熱量， 加快管道內(nèi)部散熱， 在焊接過程中有效保證焊接接頭焊透， 以獲得效果良好的焊接接頭。

2.2 沿焊縫方向上節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

在進(jìn)行模擬前對(duì)焊接熱源的選擇至關(guān)重要，使用手工電弧焊或鎢極氬弧焊等方法， 應(yīng)采用高斯熱源模型， 該模型可體現(xiàn)焊接電壓、 焊接電流、 焊接效率等參數(shù)； 使用激光焊接或熔化極氣體保護(hù)焊等方法， 應(yīng)采用雙橢球熱源模型；模擬焊縫填充過程， 應(yīng)使用熱流密度作為焊接熱源， 采用生死單元的方式進(jìn)行模擬。 為較好地模擬手工鎢極氬弧焊及焊縫填充過程， 本研究采用高斯熱源模型與生死單元相結(jié)合的方式進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。

主要儀器與試劑：立式高壓蒸汽滅菌鍋為YXQ-LS，購自上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；生物安全柜為ESCO Class II，購自珠海市珠峰儀器儀表有限公司；氣質(zhì)聯(lián)用儀為6890N-5973MSD，購自安捷倫科技有限公司；二氯甲烷為ACS級(jí)，購自北京百靈威科技有限公司；4-辛醇為GC級(jí)，購自阿拉丁試劑有限公司。

其他條件不變的情況下， 焊接電流的大小直接影響管道焊接的峰值溫度及高溫停留時(shí)間，而峰值溫度、 高溫停留時(shí)間又是影響焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)。 隨著峰值溫度的提高、 高溫停留時(shí)間的增加， 焊接冶金反應(yīng)速度越快， 越有利于奧氏體均質(zhì)化， 但峰值溫度過高、 高溫停留時(shí)間過久會(huì)導(dǎo)致焊縫區(qū)晶粒發(fā)生嚴(yán)重粗化現(xiàn)象， 降低焊接接頭韌性。 因此選擇合理的焊接電流對(duì)焊縫質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用， 合理的焊接電流可使焊縫整體溫度得到提高， 高溫滯留時(shí)間稍有增加， 有利于提高焊接接頭質(zhì)量，獲得理想的焊接接頭。

2.3 焊接接頭宏觀質(zhì)量分析

硬度測(cè)試能反映出焊接接頭各區(qū)域微觀組織的細(xì)微變化， 采用HV-1 維氏硬度計(jì)對(duì)焊縫硬度進(jìn)行檢測(cè)。 沿焊縫方向選取四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣， 采樣位置如圖10 所示， 不同采樣位置硬度值見表4。

利用ANSYS 軟件對(duì)小直徑管道進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分， 由于管道兩側(cè)完全對(duì)稱， 為方便觀察焊縫周圍溫度場(chǎng)分布， 選取一半管道進(jìn)行有限元分析。 熱結(jié)構(gòu)單元類型選用三維六面體單元solid90， 該單元適用于模擬曲面邊界情況

。 在保證計(jì)算效率的前提下對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分， 對(duì)靠近焊縫處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理， 遠(yuǎn)離焊縫處網(wǎng)格稀疏即可。 本研究采用掃略的方式對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 網(wǎng)格整體尺寸設(shè)置為1 mm， 在焊縫處對(duì)網(wǎng)格大小進(jìn)行細(xì)化， 網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5 mm， 劃分完成后的添加銅襯墊的小直徑管道模型如圖1所示， 其熱學(xué)及力學(xué)參數(shù)見表2， 銅襯墊熱學(xué)及力學(xué)參數(shù)見表3。 該模型中母材為20 鋼， 試驗(yàn)中選用的焊絲與母材成分相近， 因此焊縫材料熱學(xué)及力學(xué)參數(shù)與20 鋼設(shè)置相同。

2.4 焊接接頭顯微組織分析

2.1.1 添加銅襯墊的管道溫度場(chǎng)分析

翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是一切教學(xué)活動(dòng)直接作用的對(duì)象，也只有學(xué)生個(gè)體才能主動(dòng)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的過程，使教育教學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生效果。因此學(xué)習(xí)者的各類特征，“涉及智力因素和非智力因素兩個(gè)方面。與智力因素有關(guān)的特征主要包括知識(shí)基礎(chǔ)、認(rèn)知能力和認(rèn)知結(jié)構(gòu)變量；與非智力因素有關(guān)的特征則包括興趣、動(dòng)機(jī)、情感、意志和性格”[10]，應(yīng)作為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，為后續(xù)的各個(gè)環(huán)節(jié)提供依據(jù)。同時(shí)，一切以學(xué)習(xí)者特征為基礎(chǔ)，無形中也確定了學(xué)生的主體地位，即翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)模式中學(xué)習(xí)者特征分析更加具有無可比擬、不可忽視的重要意義。

上述現(xiàn)象歸因于： 在焊接電流較小時(shí)， 焊縫處溫度較低， 晶粒形核速率也較慢， 因此單位面積下的晶粒數(shù)量較少， 晶粒較為粗大； 隨著焊接電流的增加使焊縫處溫度升高， 晶粒形核速率加快， 晶體數(shù)量逐漸增加從而獲得細(xì)小的晶粒； 當(dāng)電流超過一定數(shù)值后， 焊縫處溫度過高， 同時(shí)高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)， 導(dǎo)致晶粒重新變?yōu)榇执鬆顟B(tài)。

2.5 焊接接頭顯微硬度分析

圖7 所示為三組不同焊接電流下獲得的管道正面打底焊縫， 均呈現(xiàn)出較為規(guī)則的魚鱗形狀，并且隨焊接電流的增大， 焊縫正面成形更加飽滿。 圖8 所示為不同焊接電流下的背面焊縫， 當(dāng)電流為90 A 時(shí)， 背面焊縫有部分位置存在未焊透的焊接缺陷； 當(dāng)電流為100 A 時(shí)， 背面焊縫成形光滑平整， 未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷； 當(dāng)電流為110 A 時(shí)， 焊縫成形效果也較為理想， 符合宏觀上的檢查要求。

Joan Rubin認(rèn)為“學(xué)習(xí)策略是語言學(xué)習(xí)者用以獲取知識(shí)的技術(shù)或手段?！盵14]她指出,有意識(shí)地采用學(xué)習(xí)策略的學(xué)習(xí)者能夠幫助自己習(xí)得第二語言。按照她的研究,優(yōu)秀語言學(xué)習(xí)者具備的條件之一就是要在犯錯(cuò)中提高自己的語言糾錯(cuò)意識(shí)，不斷調(diào)整自己的學(xué)習(xí)策略。

將同一電流下獲得的硬度進(jìn)行計(jì)算并取其平均值， 顯微硬度隨電流變化曲線如圖11 所示。 電流為100 A 時(shí)， 焊縫處顯微硬度最大，其值為205.7HV

； 電流為90 A 時(shí)， 焊縫處顯微硬度最小， 其值為164.2HV

。 由圖11 可知，隨著焊接電流增大， 焊縫處顯微硬度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 這是因?yàn)楹附与娏鬏^小時(shí)， 晶粒呈現(xiàn)出粗大的柱狀晶形態(tài)， 因此焊縫處顯微硬度較低； 隨焊接電流的增大， 焊縫處溫度升高， 焊縫處晶粒變得細(xì)小彌散， 細(xì)晶強(qiáng)化作用使焊縫處顯微硬度明顯提高； 當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)， 焊縫處高溫停留時(shí)間增加， 晶粒快速生長(zhǎng)使晶粒重新變得粗大， 導(dǎo)致其硬度略有下降。

2.6 焊接接頭拉伸性能分析

采用CMT-5105 型SANS 拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)， 即平行于管道進(jìn)行橫向取樣， 取樣位置及尺寸如圖12 所示， 拉伸試樣斷裂照片如圖13 所示。 焊接件抗拉強(qiáng)度隨焊接電流變化曲線如圖14 所示， 電流為100 A 時(shí)， 抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率最大， 其值分別為585 MPa 和13.7%； 電流為90 A 時(shí)， 抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率最小， 其值分別為519 MPa 和8.6%。

由圖13 可知， 拉伸試樣斷裂位置位于母材處， 說明選擇焊接參數(shù)合理。 隨著焊接電流增大， 抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 這是因?yàn)樵诤附与娏鬏^小時(shí)， 焊縫處晶粒較大， 晶界較少， 因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力就越差， 管道抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率較低； 隨焊接電流的增大， 接頭處可以獲得更加充分的再結(jié)晶， 使焊縫區(qū)晶粒得到明顯細(xì)化， 從而提高焊縫力學(xué)性能； 當(dāng)焊接電流值繼續(xù)增大時(shí)， 焊縫處溫度過高， 晶粒生長(zhǎng)速度過快又引起晶粒粗大， 從而呈現(xiàn)出較低的力學(xué)性能， 管道抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率降低。

3 結(jié) 論

（1） 選用不同焊接電流參數(shù)對(duì)添加銅襯墊的小直徑管道進(jìn)行表征測(cè)試與試驗(yàn)分析， 從焊縫處顯微組織、 顯微硬度及拉伸性能三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析， 可確定當(dāng)電流為100 A 時(shí)， 獲得的焊縫性能較為理想。

（2） 當(dāng)焊接電流為100 A 時(shí)， 焊接獲得的焊縫正面呈魚鱗狀且背面成形飽滿， 其金相組織為細(xì)小且相互平行的柱狀晶形態(tài)， 焊縫處顯微硬度為205.7HV

， 管道抗拉強(qiáng)度為585 MPa， 伸長(zhǎng)率為13.7%。

[1] 黃旭明. 提升油氣管道焊接質(zhì)量安全的關(guān)鍵控制技術(shù)研究[J]. 石油石化物資采購，2021（7）：2.

[2] 白潔. 淺談?dòng)蜌忾L(zhǎng)輸管道施工中的焊接技術(shù)[J].冶金管理，2020（9）：6-7.

[3] ZHAO K，YANG Y. Study on automatic welding technology of single-side welding and double-side forming of large diameter steel[J]. IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2021，787（1）：012180.

[4] TUNEL O，AYDIN H. A comparison of tensile properties of single-sided and double-sided laser welded DP600 steel sheets[J]. Materials Science， 2020， 26（2）： 173-178.

[5] 沈根平. CO

氣體保護(hù)焊陶瓷襯墊單面焊雙面成型的技術(shù)探討[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（4）：105-107.

[6] 曹小兵. 帶陶瓷襯墊薄板埋弧焊工藝研究[J]. 機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)），2020，285（1）：37-41.

[7] 楊家雷. CO

氣體保護(hù)焊單面焊雙面成形焊接技術(shù)研究[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（1）：254-256.

[8] ZHANG M Y， GAO P， YAN Z F， et al. Structure of copper shaped charge liner evolution law based on die forging process[J]. Journal of Physics: Conference Series，2020，1507（3）：032036.

[9] ELSHENAWY T，ELBEIH A，ZAKI M G，et al. A study of the detonation wave shape inside confined explosive with a metallic copper liner[J].IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2020，975（1）：012007.

[10] 彭和永，吳香清. 采用銅襯墊的高強(qiáng)鋼對(duì)接焊焊接缺陷研究與預(yù)防[J]. 建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2020，33（2）：121-122.

[11] 鹿鋒華，孫增武，王辛夷. X65 鋼銅襯墊根焊工藝裂紋的敏感性[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2016，35（8）：819-822.

[12] 王士軍，孫增光，周永鑫，等. 基于ANSYS 的焊接溫度場(chǎng) 仿 真 分 析[J]. 熱 加 工 工 藝，2020，49（9）：127-128，136.

[13] 李小兵. 基于不同熱源模型的Q345 鋼中厚板焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 焊接技術(shù)，2020，49（10）：19-21.

[14] 許海玲. 20 鋼單面焊雙面成形的數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析[D]. 南昌：南昌大學(xué)，2012.

[15] 楊蕭. 管焊接的殘余應(yīng)力分析及其疲勞壽命評(píng)估[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2019.

[16] 楊江. Q345/316L 異種鋼焊接溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2017.

[17] 王影. 基于ANSYS 的X60 鋼管道焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬[D]. 沈陽：東北大學(xué)，2019.

[18] 陳 權(quán). 基 于Simufact welding 的20/0Cr18Ni9 異 種 金屬焊接模擬研究[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2019.