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、大小７５０Ａ的加熱工藝為最佳感應(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重降低。為了降低焊接應(yīng)力及消除裂紋，需要對不銹鋼管進行焊前預(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�；鹧婕訜岱绞绞褂煤唵�，但不銹鋼管氧化和環(huán)境污染嚴重。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，交變磁場切割不銹鋼管，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，而且容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因此對厚板厚壁鋼管宜采用感應(yīng)加熱熱處理方式進行焊前預(yù)熱［４］。

國內(nèi)外眾多學者對不同金屬材料感應(yīng)加熱的電磁和熱過程進行了數(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)加熱后電磁場和溫度場的分布，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的不均勻性。ＫＲＡＮＪＣ等［６］利用有限元法計算了Ｘ５ＣｒＮｉ１８９不銹鋼的感應(yīng)加熱溫度場，比較了隨溫度變化的材料屬性和獨立材料屬性對溫度場的影響，通過實驗與模擬結(jié)果對比可知，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)對鋼板表面溫度的影響規(guī)律。趙敏等［８］對４５鋼坯鍛造前的感應(yīng)加熱過程的溫度場進行了數(shù)值分析，為感應(yīng)加熱線圈的設(shè)計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４５鋼高頻直縫焊管中頻感應(yīng)熱處理溫度場的影響。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)、加熱方式對溫度場的影響，對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)學模型

本工作研究對象為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，點焊固定，然后采用電磁感應(yīng)預(yù)熱，當不銹鋼管坡口周圍的溫度達到預(yù)熱要求后，再進行ＭＩＧ對接焊。感應(yīng)加熱時將兩匝線圈環(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局部內(nèi)的溫度為（１２０±１０）℃。

１．２邊界條件及網(wǎng)格劃分

在電磁場計算過程中，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。在溫度場計算時，近遠場空氣單元都設(shè)為無效，只考慮不銹鋼管溫度場。不銹鋼管處于流體介質(zhì)中，與周圍的空氣之間存在對流換熱，因此采用第三類邊界條件λＴｘｎｘ＋λＴｙｎｙ＋λＴｚｎｚ＝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流導(dǎo)熱�？紤]到筒件的中心對稱性，為了提高計算效率，將模型簡化為二維模型進行計算。電磁場模型中采用ｐｌａｎｅ２３３單元，計算過程中采用不均勻網(wǎng)格劃分，其中線圈、保溫棉、不銹鋼管以及近場空氣采用網(wǎng)格細化，遠場空氣采用較大網(wǎng)格自由劃分，共有３６３３０個節(jié)點，１５９４３個單元。溫度場模型中采用ｐｌａｎｅ７７單元，重新劃分不銹鋼管網(wǎng)格，劃分結(jié)束后共有１３３６１個節(jié)點，４３００個單元。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，電磁場計算部分用到了材料的相對磁導(dǎo)率、電阻率，溫度場計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［１１］，線圈材料選用Ｔ３銅，其相對磁導(dǎo)率為１，電阻率為１．７１×１０－８Ω·ｍ，空氣相對磁導(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

溫度場的模擬與分析基于電磁學及熱傳導(dǎo)理論，利用所建立的電磁－熱模型，采用ＡＮＳＹＳ計算中的“順序耦合法”進行求解，即先進行電磁計算，再進行瞬態(tài)溫度計算。計算時在不同時間間隔內(nèi)重復(fù)電磁分析以減小材料熱物性參數(shù)變化對計算結(jié)果的影響。為了達到感應(yīng)預(yù)熱要求溫度，需要對電流參數(shù)和加熱方式進行合理的設(shè)置。根據(jù)文獻［１２］中感應(yīng)加熱電流頻率、大小的計算公式，為了達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，依次進行焊前感應(yīng)預(yù)熱溫度場試算分析，具體設(shè)置如表１所示。

２．１不銹鋼管坡口設(shè)置

為了研究坡口對溫度場的影響，首先采用連續(xù)加熱的方式進行表１中ｃａｓｅ１的模擬計算，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流換熱作用，與實際情況相符。由圖３（ｂ）可知，不開坡口時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)加熱時此部分迅速升溫，同時通過熱傳導(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。因此在模擬計算時對模型進行開坡口處理是必要的。為了進一步研究感應(yīng)加熱方式對不銹鋼管溫度場的影響，模擬計算時設(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)加熱的方式進行ｃａｓｅ１和ｃａｓｅ２的模擬計算，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，當電流頻率為５ｋＨｚ，電流大小為５００Ａ時，感應(yīng)加熱５００ｓ后不銹鋼管溫度場穩(wěn)定，其內(nèi)外表面溫度均在８０℃以下，未達到預(yù)熱要求。由圖４（ｂ）可知，當電流頻率為５ｋＨｚ，電流大小為８００Ａ時，感應(yīng)加熱５００ｓ后不銹鋼管溫度場穩(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)加熱時存在嚴重的集膚現(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進行計算分析，即固定電流頻率為１０ｋＨｚ，電流分別采用５００Ａ和８００Ａ進行計算，１５００ｓ后不銹鋼管溫度場穩(wěn)定，結(jié)果如圖５所示。

由圖５（ａ）可知，當電流頻率為１０ｋＨｚ，電流大小為５００Ａ時，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℃，達不到工藝要求。由圖５（ｂ）可知，當電流大小為８００Ａ時，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，當電流為８００Ａ時不銹鋼管溫度超過工藝要求，當電流為７００Ａ時不銹鋼管溫度達不到工藝要求，因此將電流調(diào)節(jié)至７５０Ａ（ｃａｓｅ６）再次進行計算，結(jié)果如圖７所示。由圖７（ａ）可知，當電流頻率為１０ｋＨｚ，電流大小為７５０Ａ時，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，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，越遠離坡口處溫度越低，這是因為坡口位于線圈的正下方，感應(yīng)加熱作用最強，越遠離坡口的位置感應(yīng)作用越弱。

為了更好的分析溫度隨時間的變化情況，做出圖７（ｂ）中１、２、３點溫度隨時間變化的曲線，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。當達到最高溫度后，加熱停止，不銹鋼管與外部空氣進行熱交換，此時整個不銹鋼管溫度都快速下降，并且各點溫度下降曲線一致，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)和對流換熱越嚴重，溫度下降速率越快。當不銹鋼管與周圍空氣之間的溫差減小時，對應(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現(xiàn)感應(yīng)加熱時不銹鋼管外部往內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，同時線圈電流頻率為１０ｋＨｚ、電流大小為７５０Ａ能很好地滿足溫度工藝要求，為最佳方案。為了驗證模擬結(jié)果的正確性，使用點焊的方式將Ｋ型鎳鉻－鎳硅熱電偶固定在圖７（ｂ）中所示的點１位置，測出在最佳感應(yīng)加熱方案條件下點１處的實際溫度變化曲線，并與模擬溫度變化曲線進行對比，如圖９所示。結(jié)果表明：模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)較吻合，數(shù)值分析結(jié)果可以有效地預(yù)測焊前感應(yīng)預(yù)熱溫度場變化。不銹鋼管降溫階段的模擬值與實驗值存在一定誤差，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)置與實際值存在偏差。

為了比較不銹鋼管開坡口時與未開坡口時的溫度分布情況，選用最佳工藝方案（ｃａｓｅ６）對未考慮坡口時的不銹鋼管進行焊前預(yù)熱溫度場進行模擬，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最高溫度超過１３０℃，且不銹鋼管整體溫度比開坡口時高出約３０℃。由此可知，坡口對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、電流大小）和感應(yīng)加熱方式，模擬計算了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，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的溫度分布，證明了感應(yīng)預(yù)熱模擬時對筒件開坡口處理的必要性。