多丝串列埋弧焊接工艺是厚壁直缝焊管生产中的关键技术之一,其焊接接头质量的好坏直接关系到钢管最后的成型质量。针对超高强管线钢容易出现焊接热影响区组织粗化和焊接接头软化的问题,拟借助数值模拟技术和焊接工艺试验相结合的研究方案,研究焊接热输入量对接头组织性能的影响规律,从而提出优化焊接工艺方案,改善接头性能的措施。本研究具有重要的理论意义和工程实用价值。选用22 mm厚X80级管线钢开展焊接工艺试验,坡口为带钝边的X型,采用串列四丝直缝埋弧焊接工艺分别焊接内焊道和外焊道。对于试验所得的焊接接头进行金相观察、硬度测试、拉伸试验、冲击试验等力学性能测试。分析和测试结果表明,焊缝区组织以针状铁素体为主,并含有一定量的多边形铁素体和细长条状的板条贝氏体组成;粗晶热影响区组织为粒状贝氏体分布在粗大块状的多边形铁素体中;细晶热影响区组织以细小块状的先共析铁素体为主,含有少量准多边形铁素体、粒状贝氏体和少量M-A组元。内外焊道的硬度均呈“W”型分布,热影响区的硬度介于母材和焊缝之间,存在一定程度的软化现象。拉伸断口出现在母材,表明接头的抗拉强度大于母材,与高强匹配的焊接选用相一致。内外焊道的冲击功都超过了200 J,韧窝断口,表明焊缝的冲击韧性良好。各项测试指标都满足API 5L的技术要求。结合串列四丝直缝埋弧焊接工艺特点,选用四个双椭球体积热源模型,热流密度在空间进行复合与叠加,并考虑焊枪倾角的影响,建立四丝串列埋弧焊接热过程数值分析模型。并加载电磁力、电弧压力、表面张力、浮力和重力的作用力,建立熔池内液态金属流动模型。分别对内焊道和外焊道的焊接温度场、熔池流场和焊接热循环进行数值分析和研究。首先分析了串列四丝埋弧焊接过程中始焊阶段、准稳态阶段和冷却阶段的焊接温度场和熔池流场的动态演变。对于内焊道,熔池在1.0 s时形成单熔池,在3.7 s左右达到准稳态,若数值计算中设置在6.0 s时进入冷却过程,则7.9 s时进入液固两相冷却过程,11.7 s时进入固态冷却过程。从始焊、准稳态到冷却,熔池的深度、宽度与峰值温度均经历了先上升至一稳定值再下降的过程,熔池形状由多熔池不断增大形成单熔池,再减小变为多熔池。准稳态阶段,峰值温度约2 613 K,熔池长度、宽度和深度的最大值分别为132 mm、24.2 mm和13.9 mm;其中熔池深度、熔池宽度最大值出现在第四个焊接热源的后方,且此处的横截面产生了4个对称的环流,纵截面有4个顺时针的大环流。焊接热循环曲线研究结果表明,距离熔合线越远的点,峰值温度越低,冷却时间越长,降温阶段由于在液固转变时释放出相变潜热,热循环曲线出现了缓降平台。分析焊接热循环曲线,可计算出冷却时间t_8/5,与X80级管线钢的SH-CCT曲线对比,可预测微观组织由5.7%的铁素体与94.3%的贝氏体组成,硬度约为230 HV10,与测试的焊接接头硬度值较为吻合。文中还讨论了不同焊接工艺参数对串列四丝埋弧焊接热影响区的热循环参数和准稳态阶段熔池形状的影响。增大焊接速度或焊丝间距,熔深和冷却时间t_8/5大幅减小,熔宽和峰值温度略微减小;增加预热温度,熔深和冷却时间t_8/5大幅增大,熔宽和峰值温度略微增大。