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焊接顺序对管道残余应力和变形的影响研究

作者及机构
本研究由Navid Moslemi（通讯作者，马来西亚理工大学机械工程学院）、Behzad Abdi（英国曼彻斯特大学）、Scott Gohery（澳大利亚墨尔本大学）、Izman Sudin等多名学者合作完成，发表于《Construction and Building Materials》期刊2022年第342卷。

学术背景
该研究聚焦于焊接力学领域，重点探究焊接顺序（welding sequence）对奥氏体不锈钢（AISI 316L）管道焊接残余应力（residual stress）和径向变形（radial distortion）的影响。焊接残余应力和变形是管道结构安全性的关键威胁，可能导致疲劳寿命降低、应力腐蚀开裂等问题。尽管已有研究关注焊接顺序的优化，但针对全周向焊接（full circumferential welding）与分段焊接（quarter welding）的系统性对比仍存在空白。本研究旨在通过实验与数值模拟结合的方法，提出最优焊接顺序方案。

研究流程
1. 实验设计
- 研究对象：AISI 316L不锈钢管道，尺寸依据ASTM F 722–82标准制备，采用气体保护钨极电弧焊（GTAW）工艺。
- 实验分组：设计四种焊接顺序方案（Concepts 1–4），包括三种分段焊接（1/4周向）和一种全周向焊接。
- 数据采集：通过热电偶记录焊接瞬态温度，金相分析熔池尺寸，钻孔法测量残余应力。

1. 数值模拟

   • 模型构建：基于Sysweld®软件建立三维热-弹-塑性有限元模型（3D FE model），采用Hypermesh®进行网格划分。
     
   • 热源参数标定：通过人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）预测Goldak双椭球热源模型（double ellipsoidal heat source model）参数，以熔池尺寸和温度分布为训练目标。
     
   • 验证流程：将ANN预测参数导入有限元模型，与实验结果对比验证准确性。
     

2. 焊接顺序对比

   • 方案细节：
     
     • Concept 1：四分法顺序焊接（推荐自文献[39]）。
       
     • Concept 2：对称交叉焊接（参考Lu[37]方案）。
       
     • Concept 3：改进型四分法焊接（本研究提出）。
       
     • Concept 4：全周向焊接（本研究创新方案）。
       
   • 分析指标：残余应力分布、径向变形量、温度场均匀性。
     

主要结果
1. 热源参数验证
ANN预测的Goldak参数（如af=3.2 mm, b=2.8 mm）使模拟熔池尺寸与实验误差小于5%，温度分布曲线吻合良好（图10-12）。

1. 残余应力分布

   • 轴向应力：全周向焊接（Concept 4）的应力分布最均匀，分段焊接在起弧/熄弧位置出现应力波动（图13）。
     
   • 环向应力：全周向焊接的环向应力（hoop stress）幅值低于分段焊接，且无局部峰值（图15）。
     

2. 径向变形
   全周向焊接的径向变形量（0.5 mm）显著低于分段焊接（Concept 1达4.03 mm），且变形集中于焊缝区域（图16-17）。

3. 实验验证
   钻孔法实测残余应力与模拟结果误差小于10%，证实模型可靠性（图20）。

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了全周向焊接通过减少热源重叠效应，可降低残余应力非均匀性。
- 提出ANN与有限元联合标定方法，为焊接参数优化提供新范式。

1. 应用价值：
   
   • 全周向焊接方案可替代传统分段焊接，适用于石油、核电等领域的管道工程。
     
   • 研究方法可扩展至其他金属材料的焊接工艺优化。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将ANN用于Goldak热源参数预测，结合Sysweld®实现高精度模拟。
2. 工程意义：Concept 4方案将径向变形降低87%，为管道焊接工艺标准修订提供依据。
3. 多学科交叉：融合材料科学、人工智能与计算力学，推动焊接仿真技术发展。

其他发现
- 焊接顺序对环向应力的影响机制与塑性变形累积相关，需进一步研究微观组织演变。
- 研究数据已公开（UTM Post-Doctoral Fellowship Grant No. Q.J130000.21A2.05E30），可供后续研究参考。

此报告完整呈现了研究的学术逻辑与工程价值，重点突出了方法创新与结论的实践意义。