CN102693336B - 一种预测大型管道焊接热循环参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测大型管道焊接热循环参数的方法，包括根据大型管道焊接条件，选取平板状测温板，采用热电偶测温，提取其焊接热循环参数；针对测温板和大型管道建模及网格划分；初步确定测温板模型热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件；计算测温板温度场，提取其热循环参数并与实测热循环参数对比，通过微调使两者误差小于10%，将测温板边界条件施加到大型管道模拟分析中，计算大型管道温度场并提取焊接热循环参数，完成大型管道热循环参数的预测。本发明采用建立在少量工艺试验基础上的计算机数值模拟技术，实现对大型管道焊接热循环定量分析与模拟，减少焊接工艺试验成本及工作量，对生产大型管道具有指导意义。

Description

一种预测大型管道焊接热循环参数的方法

技术领域

本发明涉及一种预测热循环参数的方法，尤其涉及一种利用数值模拟技术预测大型结构件焊接热循环参数的方法。

背景技术

焊接过程是一个特殊的局部加热和冷却过程，且热影响区的粗晶区处在过热状态，奥氏体晶粒因加热而严重长大，冷却后便产生复杂粗大的组织，韧性很低，过热粗晶区通常成为力学性能薄弱区，是催化和裂纹的发生地。因此，准确地测量焊接热影响区热循环曲线，是调整和控制焊接工艺参数以及研究金属焊接组织变化对性能影响的前提，也是进一步深入探讨相关理论的基础。

在生产领域，大型管道多由焊接方法成型。在焊接过程中，焊接加热和冷却对大型管道焊接热影响区组织和性能的影响很大，因此大型管道热影响区的热循环参数测量越来越受到重视。但是，由于生产实际的限制，准确测量其热影响区焊接热循环曲线需要耗费大量的人力物力。目前尚无针对大型管道焊接热影响区热循环测量简易成型的方法。

近年来随着计算机技术及有限元数值模拟技术的飞速发展，为采用工艺试验与理论数值模拟技术结合方式实现焊接工艺过程定量分析计算及预测提供强有力手段。

发明内容

针对上述现有技术，为了精确的获得大型管道焊接热影响区热循环曲线,解决大型管道热影响区焊接热循环参数测量成本太高的问题，本发明提出了一种预测大型管道焊接热循环参数的方法。采用建立在少量工艺试验基础上的计算机数值模拟技术，实现对大型管道过程中热影响区焊接热循环定量分析与模拟，不仅可以优化管道结构设计和工艺设计，而且能极大减少焊接工艺试验工作量和降低新产品开发成本，极大提高提生产效率，对生产高强度、高韧性、高可靠性及高适应性管道焊接具有极为重要的指导意义。

为了解决上述技术问题，本发明一种预测大型管道焊接热循环参数的方法包括以下步骤：

步骤一、确定大型管道的焊接条件，包括：环境温度，焊接工艺，管道壁厚，坡口形式，管道直径，管道材质，埋弧焊焊剂铺盖宽度；

步骤二、根据上述焊接条件选取平板状的测温板试样，并根据实验条件确定测温板试样的长度和宽度；

步骤三、对测温板试样进行焊接，并采用热电偶背面打孔方式对测温板试样焊接过程中热影响区进行测温，并记录测温位置和测温结果，整理后提取焊接热影响区不同位置焊接热循环参数；

步骤四、利用网格划分软件Visual mesh分别针对测温板试样和大型管道进行建模和网格划分，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格，其中，对焊缝及距离焊缝边缘5mm内区域网格划分的单元长度设置为1mm，对距离焊缝边缘大于5mm外网格划分的单元长度的确定是：与焊缝边缘的距离每增大100mm，其网格划分的单元长度随之增大2mm；大型管道模型和测温板试样模型的大小分别与大型管道和测温板试样的几何参数相同；

步骤五、初步确定测温板试样模型热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件：

设定测温板试样模型的热学边界条件：大型管道的焊接过程有气保焊和埋弧焊两种焊接方式，首先施加气保焊，之后施加埋弧焊；利用焊接用有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核，在数值模拟中，采用双椭球形热源分布函数，并以双椭球形热源模型作为热学边界条件；

设定测温板模型的散热边界条件：焊件的热学边界与外界存在温度差因而与周围介质换热，包括对流换热和辐射换热，其中，埋弧焊作用区域的对流换热系数为2～3W/m²°C，未铺盖埋弧焊剂区域的对流换热系数为25W/m²°C；

设定测温板试样模型的装卡边界条件：在测温板试样模型的端面选取不在一条直线上三点，分别记为点1、点2、点3，其中，对点1施加X，Y，Z方向约束，对点2施加X，Z方向约束；对点3施加Y方向约束；

步骤六、计算测温板试样模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；

步骤七、将步骤六首次得到的测温板试样模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤三得到的测试板试样实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%，则记录上述模拟过程中测温板试样模型的热学边界条件、散热边界条件、装卡边界条件，否则，对热源参数及埋弧焊焊剂与大气对流换热系数进行微调后，返回步骤五，直到测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%为止；

步骤八、将上述确定的测温板试样模型的热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件施加到大型管道的数值模拟分析中，从而计算大型管道模型的焊接温度场，

步骤九、通过焊接用有限元分析软件SYSWELD读取焊接热影响区热循环曲线及热循环参数，至此，完成大型管道焊接热循环参数的预测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以利用数值模拟工具来确定平板模型与大型管道模型焊接过程热影响区热循环参数的比例关系，从而可以结合平板测温实验成功预测大型管道的温度变化，具有以下优势：

1.充分发挥数值模拟工具的作用，减少了焊接工艺试验的工作量，极大降低了实验成本。

2.本发明提供的技术思想不仅可以成功推测大型管道热影响区的测温结果，还可以用于其他难以测量热循环或者需要很高测量成本的结构，在实际生产中有很重要的意义。

附图说明

图1是本发明预测大型管道热影响区热循环参数流程图；

图2-1本发明实施例中测温板热影响区实验结果；

图2-2本发明实施例中测温板焊接热影响区计算结果；

图2-3本发明实施例中管道焊接热影响区计算结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明的设计思想是利用数值模拟技术结合测温板测温实验结果实现大型管道焊接热循环参数预测。

如图1所示，本发明一种预测大型管道焊接热循环参数的方法，包括以下步骤：

步骤一、确定大型管道的焊接条件，包括：环境温度，焊接工艺，管道壁厚，坡口形式，管道直径，管道材质，埋弧焊焊剂铺盖宽度；

步骤二、根据上述焊接条件选取平板状的测温板试样，并根据实验条件确定测温板试样的长度和宽度；

步骤三、利用与步骤一相同的焊接条件对测温板试样进行焊接，平板试样的坡口形式，厚度，材质完全参照前面大型管道的参数；并采用热电偶背面打孔方式对测温板试样焊接过程中热影响区进行测温，并记录测温位置和测温结果，对实验结果整理后提取焊接热影响区不同位置焊接热循环参数；

步骤四、利用网格划分软件Visual mesh分别针对测温板试样和大型管道进行建模和网格划分，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格，其中，焊缝及附近区域网格划分的要很细密，如：为了兼顾计算精度和计算时间，对焊缝及距离焊缝边缘5mm内区域网格划分的单元长度设置为1mm；而对远离焊缝的部分网格可以划分的较粗，可随距离不断增大，网格逐渐稀疏，如：对距离焊缝边缘大于5mm外网格划分的单元长度的确定是：与焊缝边缘的距离每增大100mm，其网格划分的单元长度随之增大2mm；大型管道模型和测温板试样模型的大小分别与大型管道和测温板试样的几何参数相同；

步骤五、初步确定测温板试样模型热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件：

设定测温板试样模型的热学边界条件：大型管道的焊接过程有气保焊和埋弧焊两种焊接方式，首先施加气保焊，之后施加埋弧焊；利用焊接用有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核，主要包括双椭球模型前后半球的长度方向参数，宽度方向参数及深度方向参数等；在数值模拟中，对于电弧冲力效应较大的焊接方法,如气保焊和埋弧焊接,采用双椭球形热源分布函数，将确定完参数之后的热源模型作为热学边界条件；

设定测温板试样模型的散热边界条件：焊件的热学边界与外界存在温度差因而与周围介质换热，焊接过程中热量散失主要通过热辐射和对流换热方式，高温下散失的热量以辐射换热为主，低温则以对流换热为主。对流换热系数与焊件的部位有关，因为周围气体流动特性不一样；由于焊缝附近埋弧焊剂的存在，使得焊缝区域对流换热与其他区域不同，本发明中，采用反演法逆推得出其换热系数，即：埋弧焊作用区域的对流换热系数为2～3W/m²°C，作用区域根据实际焊接过程埋弧焊焊剂覆盖范围确定；未铺盖埋弧焊剂区域的对流换热系数为25W/m²°C；

设定测温板试样模型的装卡边界条件：在测温板试样模型的端面选取不在一条直线上三点，分别记为点1、点2、点3，其中，对点1施加X，Y，Z方向约束，对点2施加X，Z方向约束；对点3施加Y方向约束；

步骤六、计算测温板试样模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；

步骤七、将步骤六首次得到的测温板试样模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤三得到的测试板试样实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%，则记录上述模拟过程中测温板试样模型的热学边界条件、散热边界条件、装卡边界条件，否则，对热源参数及埋弧焊焊剂与大气对流换热系数进行微调后，返回步骤五，该微调方式是如增大或减小热源模型参数，这个步骤可能需要反复多次进行，直到测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%为止；记录上述模拟过程中的热学边界条件，散热边界条件和装卡边界条件；

步骤八、将上述确定的测温板试样模型的热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件施加到大型管道的数值模拟分析中，从而计算大型管道模型的焊接温度场，

步骤九、通过焊接用有限元分析软件SYSWELD读取焊接热影响区热循环曲线及热循环参数，至此，完成大型管道焊接热循环参数的预测。

实施例：

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例所涉及的焊接方法有：气保焊，埋弧焊。首先施加气保焊，之后施加埋弧焊，两者之间时间间隔定为300秒。测温方式：采用热电偶背面打孔方式测温。

首先，记录管道焊接条件：管道壁厚18.4mm；管道直径：1016mm；管道长度：12m;平板试样：壁厚18.4mm；长度：500mm；宽度：200mm。焊接规范如表1和表2所示。

表1气保焊焊接规范

焊接电流	焊接电压	焊丝直径	焊接速度	焊枪倾角	保护气流量
						900A	24V	3.2mm	58mm/s	0±2°	40L/min

表2焊接规范

在焊接过程中对平板试样进行测温实验。利用热电偶背面打孔方式进行测温。热电偶之间纵向间隔为1mm，以保证热电偶可以测到焊接热影响区的温度，为简化测温工作，仅对埋弧焊焊接过程进行测温。测温结果如图2-1所示。图2-1显示了在埋弧焊接过程中距离熔合线1~3mm处的焊接热循环曲线实验结果；

本发明实施例中管道热影响区热循环参数计算流程如图1所示。

图2-2为本发明实施例中测温板焊接热影响区计算结果,该图显示了距离熔合线1-3mm处的焊接热循环曲线的模拟结果；

对图2-1和图2-2的焊接热循环曲线的实验和模拟结果进行整理，提取测温板埋弧焊接阶段热循环；

测温板热循环参数实验及模拟结果对比，其对比结果如表3所示。

表3测温板热循环参数实验及模拟结果对比

通过模拟结果与试验结果的对比发现：距离熔合线1～3mm处测温板热循环参数的计算结果预测精度均在95％以上，满足预期要求。利用本试验参数修正的边界条件可以施加到大型焊管的计算中。

将利用实验参数修正的边界条件施加到大型管道的数值模拟计算中，得到本实施例18.4mm壁厚大型管道热影响区热循环曲线，如图2-3，对图2-3进行整理分析，得到大型管道埋弧焊接过程t_8/5预测结果，如表4所示。

表4大型管道热影响区t_8/5最终预测结果

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种预测大型管道焊接热循环参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定大型管道的焊接条件，包括：环境温度，焊接工艺，管道壁厚，坡口形式，管道直径，管道材质，埋弧焊焊剂铺盖宽度；

步骤二、根据上述焊接条件选取平板状的测温板试样，并根据实验条件确定测温板试样的长度和宽度；

步骤三、对测温板试样进行焊接，并采用热电偶背面打孔方式对测温板试样焊接过程中热影响区进行测温，并记录测温位置和测温结果，整理后提取焊接热影响区不同位置焊接热循环参数；

步骤四、利用网格划分软件Visual mesh分别针对测温板试样和大型管道进行建模和网格划分，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格，其中，对焊缝及距离焊缝边缘5mm内区域网格划分的单元长度设置为1mm，对距离焊缝边缘大于5mm外网格划分的单元长度的确定是：与焊缝边缘的距离每增大100mm，其网格划分的单元长度随之增大2mm；大型管道模型和测温板试样模型的大小分别与大型管道和测温板试样的几何参数相同；

步骤五、初步确定测温板试样模型热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件：

设定测温板试样模型的热学边界条件：大型管道的焊接过程有气保焊和埋弧焊两种焊接方式，首先施加气保焊，之后施加埋弧焊；利用焊接用有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核，在数值模拟中，采用双椭球形热源分布函数，并以双椭球形热源模型作为热学边界条件；

设定测温板模型的散热边界条件：焊件的热学边界与外界存在温度差因而与周围介质换热，包括对流换热和辐射换热，其中，埋弧焊作用区域的对流换热系数为2～3W/m²°C，未铺盖埋弧焊剂区域的对流换热系数为25W/m²°C；

设定测温板试样模型的装卡边界条件：在测温板试样模型的端面选取不在一条直线上三点，分别记为点1、点2、点3，其中，对点1施加X，Y，Z方向约束，对点2施加X，Z方向约束；对点3施加Y方向约束；

步骤六、计算测温板试样模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；

步骤七、将步骤六首次得到的测温板试样模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤三得到的测试板试样实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%，则记录上述模拟过程中测温板试样模型的热学边界条件、散热边界条件、装卡边界条件，否则，对热源参数及埋弧焊焊剂与大气对流换热系数进行微调后，返回步骤五，直到测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%为止；

步骤八、将上述确定的测温板试样模型的热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件施加到大型管道的数值模拟分析中，从而计算大型管道模型的焊接温度场，

步骤九、通过焊接用有限元分析软件SYSWELD读取焊接热影响区热循环曲线及热循环参数，至此，完成大型管道焊接热循环参数的预测。