CN104809291A - 一种基于ansys的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，包括以下步骤：(1)确定焊接工艺参数；(2)建立有限元模型并进行网格划分；(3)确定焊接材料的热物理参数；(4)确定热源模型；(5)计算温度场；(6)计算应力场，算出双相不锈钢与异种钢的焊接变形。与现有技术相比，本发明成功地预测了SAF2507超级双相不锈钢及Q235低碳钢异种钢焊后变形，可根据预测结果制定焊后热处理方案，减少焊接工艺试验数量，节约人力物力，在产品制作过程中为前道放样下料工序提供技术规范，减少后道机加工工序的工作量。

Description

一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法

技术领域

本发明涉及一种焊接变形预测方法，尤其涉及一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法。

背景技术

焊接变形是焊接结构制造过程中常见的问题之一。焊接变形的存在不仅影响着焊接结构的制造过程,而且给产品的质量造成隐患，因此，在实际工艺中要对焊接变形作出合理的预测，然后加以有效控制，进而提高焊接质量。

SAF2507双相不锈钢由25％的铬，4％的钼以及7％的镍组成，因其耐点蚀指数通常大于40，因此称为超级双相不锈钢，该钢种具有较高的强度和抗腐蚀性能，同时具有较高的导热性和较低的热膨胀系数，当该钢种与Q235低碳钢进行焊接时，由于两种材料的热物理性能参数差别很大，且随着温度升高时，各物理参数的变化规律并不一致，因此在对组焊件进行焊接变形预测时具有一定的难度，对前道的下料放样及后道的整形以及精加工都带来了难以估算的浪费和难度。现有技术的不足处有以下几点：1、目前对SAF2507超级双相不锈钢的高温热物理性能参数还没有文献进行研究定义；2、SAF2507超级双相不锈钢与低碳钢焊接时焊接变形难以估算，给放样下料带来难度和不必要的浪费；3、进行实际焊接工艺试验费时费料费人力，一整套焊接工艺试验从下料到机加工坡口，再到焊接工艺试验，线切割加工试样等至少需要两星期时间，转序过程繁琐。

中国专利201310624243.8本发明公开了一种基于ANSYS的管线钢焊接温度场预测方法，及中国专利201310620539.2公开了一种基于ANSYS的管线钢焊接残余应力预测方法，上述现有技术都是针对管线钢的焊接工艺进行预测的，但未解决双相不锈钢与异种钢焊接变形的预测问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法。

本发明的技术方案是：一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，包括以下步骤：

(1)确定焊接工艺参数：通过焊接工艺试验确定焊接的层数、道数、电压、电流、焊接线能量、层温等工艺参数；

(2)建立有限元模型并进行网格划分：将焊接工艺参数代入进数值模拟模型中进行建模和网格划分；

(3)确定焊接材料的热物理参数：确定双相不锈钢与异种钢的热物理参数：温度T(℃)、热导率λ(W/m·℃)、线膨胀系数(×10^-6/℃)、密度ρ(kg/m³)、比热容c(J/kg·℃)、换热系数β(W/m²·℃)；

(4)确定热源模型：根据焊接工艺条件，选用适当的热源模型；

(5)计算温度场：通过“生死循环”方法对每一层每一道焊缝的温度场逐层进行数值模拟计算；

(6)计算应力场：采用前述温度场的模型，设置材料的属性，将热单元转换为相应的结构单元，计算出双相不锈钢与异种钢的焊接变形。

所述步骤(1)中所述焊接试验焊接线能量控制在10—15KJ/cm之间，焊接试验过程焊缝共5层9道，所述焊缝每层的控制温度小于150℃。

所述步骤(2)中建立的模型焊缝处的网格单元尺寸为4mm，焊接热影响区网格单元尺寸为6mm，母材区域的网格单元尺寸为12mm。

所述步骤(3)所述焊接材料的双相不锈钢为SAF2507超级双相不锈钢，所述异种钢为Q235异种钢；确定所述焊接材料的热物理参数所用的方法为相似相近法、插值法及外推法。

所述步骤(4)采用的热源模型为双椭球热源模型，所述双椭球热源模型的前半部分是一1/4椭球，后半部分是另一1/4椭球，前后两部分椭球的能量分配系数分别为f_f和f_r，且f_f+f_r＝2，其内热源分布分别为：

$q_{f1}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_f{Q}_i}{a_{i1}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}=\exp (-\frac{3x^2}{{a_{i1}}^2})\exp (-\frac{3y^2}{{b_i}^2})\exp (-\frac{3z^2}{{c_i}^2})$

$q_{r1}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_r{Q}_i}{a_{i2}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}=\exp (-\frac{3x^2}{{a_{i2}}^2})\exp (-\frac{3y^2}{{b_i}^2})\exp (-\frac{3z^2}{{c_i}^2})$

特征参数a_ij、b_i以及c_i(i＝1,2；j＝1,2)为不同的值且相互之间是独立的。前1/4椭球的x、y、z方向的半轴长度分别为a_ij、b_i、c_i(i＝1,2；j＝1)，后1/4椭球的x、y、z方向的半轴长度分别为a_ij、b_i、c_i(i＝1,2；j＝2)，前后两部分椭球的能量分配系数分别为f_f和f_r，且f_f+f_r＝2，Q_i为体热源功率，t为时间。

进一步，所述步骤(5)还包括以下步骤：

1)确定求解的时间步长；

2)施加边界条件；

3)加载焊接移动热源。

所述时间步长设置如下：加热过程时间步长为焊缝单元尺寸/每层每道所对应的焊速，每个载荷步设5个子步。

所述边界条件的界定为：双相不锈钢侧两顶点对角线在x轴、y轴、z轴方向上的位移全部约束为0，温度场边界条件为热对流和热辐射，将对流与辐射做叠加处理。

所述加载焊接移动热源所采用的方法为：沿焊接方向将焊缝长度L分为N段，将各段的后点作为热源中心，加载热源进行计算，计算时间为L/N，每段计算为下一个载荷步，在进行下一个载荷步时，消除上一段所加的热流密度，且上一次加载计算的温度作为下一段加载计算的初始条件，如此循环计算模拟热源的移动，实现焊接瞬态温度场的计算。

进一步，所述步骤(6)中应力场的计算采用“生死循环”的方法：即在每一步热应力计算时，将对应的温度场的计算结果进行选择，超过熔点的单元令其“死掉”，低于熔点的单元将其“激活”。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、成功地预测了SAF2507超级双相不锈钢及Q235低碳钢异种钢焊后变形；

2、通过该数值模拟模型可以减少SAF2507与Q235异种钢焊接时的焊接工艺试验数量，节约人力物力；

3、还可以利用该数值模拟模型对SAF2507与Q235异种钢焊接的焊后残余应力进行预测评定，从而制定焊后热处理方案；

4、在产品制作过程中为前道放样下料工序提供技术规范，减少后道机加工工序的工作量。

附图说明

图1是本发明具体实施工艺流程图；

图2是本发明实施例1第60s时焊接温度场；

图3是本发明实施例1第880s焊接后的变形图；

图4是本发明实施例1焊接后冷却5077s时温度场；

图5是本发明实施例1焊接后Y方向位移分布云图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其具体实施流程为：

首先通过进行实际焊接工艺试验来定义焊接数值模拟模型中的各个参数，再将实际焊接工艺参数代入进数值模拟模型中进行建模和网格划分，再分别对SAF2507超级双相不锈钢和Q235低碳钢的热物理性能参数进行模拟计算，定义能量分配系数和特征参数，施加热源模型，计算焊接温度场分布，最后将温度场作为体载荷施加到应力场计算中去，计算出异种钢焊接后的焊后变形。

实施例1

一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，包括以下6步骤：

(1)确定焊接工艺参数

通过焊接工艺试验确定焊接工艺参数：工艺试样尺寸为450×150×δ20mm，焊接方法为熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)，焊材ER2594焊丝(φ1.2)，焊接时，无需预热和后热，严格控制层温小于150℃，并控制焊接线能量在10～15KJ/cm之间，保护气为99.99％的氩气，背面用陶瓷衬垫。焊接试验过程共焊接5层9道，每层每道的工艺参数见下表1。

表1 焊接工艺参数

(2)建立有限元模型并进行网格划分

利用焊接工艺参数进行建模，考虑到焊接属于热力耦合的过程，在热弹塑性分析的过程中不仅需要计算温度场，还需要进行应力应变场的分析，因此选择使用solid70热单元，同时在对表面进行热对流及热辐射分析时选用surf152表面效应单元，由于焊接过程中热源输入高度集中，有效加热区域非常小，因而在网格划分时，要求在焊缝附近采用很小的网格尺寸，而在远离焊缝的区域可以选择较大的网格尺寸，为此本有限元模型在网格划分方面，为保证模拟精度，同时减少计算时间，在焊缝区的单元予以局部加密，网格单元尺寸设为4mm，并向周边尽量均匀地过渡，焊缝热影响区单元尺寸设为6mm，远离焊缝区的母材网格单元尺寸为12mm，还采用了2D几何模型来保证应力一温度这两个自由度的相容。

(3)确定焊接材料的热物理参数

由于焊接过程属于材料非线性的分析过程，而许多材料的热物理参数在高温特别是在接近熔化状态时还处于空白状态，因此在进行焊接数值模拟定义材料的特征参数时用相似相近法、插值法及外推法来确定材料的热物理参数。考虑到焊缝选用的是与SAF2507化学成分等同的焊丝焊接而成，因此在定义热物理参数时将焊缝的热物理参数与SAF2507母材等同处理。下表表2为SAF2507与Q235的部分热物理性能参数。

表2 材料的热物理性能参数(部分)

(4)确定热源模型

选择热源模型时采用双椭球热源模型，双椭球热源模型的前半部分是一1/4椭球，后半部分是另一1/4椭球，设前1/4椭球的x、y、z方向的半轴长度分别为a_ij、b_i、c_i(i＝1,2；j＝1)，后1/4椭球的x、y、z方向的半轴长度分别为a_ij、b_i、c_i(i＝1,2；j＝2)，前后两部分椭球的能量分配系数分别为f_f和f_r，且f_f+f_r＝2，Q_i为体热源功率，t为时间，根据能量平衡方程，

前1/4椭球的内热源分布分别为：

$q_{f1}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_f{Q}_i}{a_{i1}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}=\exp (-\frac{3x^2}{{a_{i1}}^2})\exp (-\frac{3y^2}{{b_i}^2})\exp (-\frac{3z^2}{{c_i}^2})$

后1/4椭球的内热源分布分别为：

$q_{r1}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_r{Q}_i}{a_{i2}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}=\exp (-\frac{3x^2}{{a_{i2}}^2})\exp (-\frac{3y^2}{{b_i}^2})\exp (-\frac{3z^2}{{c_i}^2})$

每层每道的能量分配系数具体见下表表3所示。

表3 能量分配系数和特征参数

(5)计算温度场

通过“生死循环”方法对每一层每一道焊缝的温度场逐层进行数值模拟计算。这一步骤(5)还包括以下步骤：

1)确定求解的时间步长：加热过程时间步长为焊缝单元尺寸/每层每道的焊速，每个载荷步设5个子步；

2)施加边界条件：焊缝中心线为绝热边界条件，其它部位按照对流和辐射来进行处理；本实施例对边界采用的约束为：双相不锈钢侧两顶点对角线在x轴、y轴、z轴方向上的位移全部约束为0，温度场边界条件为热对流和热辐射，将对流与辐射做叠加处理；

3)加载焊接移动热源：所述加载焊接移动热源所采用的方法为：沿焊接方向将焊缝长度L分为N段，将各段的后点作为热源中心，加载热源进行计算，计算时间为L/N，每段计算为下一个载荷步，在进行下一个载荷步时，消除上一段所加的热流密度，且上一次加载计算的温度作为下一段加载计算的初始条件，如此循环计算模拟热源的移动，实现焊接瞬态温度场的计算。

(6)计算应力场

计算应力时，不需要重新建模，仍采用前述温度场的模型，设置材料的属性，将热单元转换为相应的结构单元，计算出焊接的应力场分布，进而计算出双相不锈钢与异种钢的焊接变形。焊接时应力场的计算仍然采用“生死循环”的方法：即在每一步热应力计算时，将对应的温度场的计算结果进行选择，超过熔点的单元令其“死掉”，低于熔点的单元将其“激活”。

表4为利用本发明实施例1的方法来预测双相不锈钢与异种钢焊接变形结果，实际测量与数值模拟结果如下所示：

表4 实际测量与数值模拟结果

项目	实际工艺试验结果	数值模拟结果
			焊后冷却到常温所用时间/h	1.6	1.41
最大纵向收缩/mm	2	2.21
			最大挠度变形/mm	20.5	17.81

图2是本实施例1第60s时焊接温度场，图3是其焊接后的变形图。图4是焊接后冷却5077s时温度场，图5是焊接后Y方向位移分布云图。

从表4和图2-5中可以得知，该数值模拟模型结果基本与实际情况吻合，利用该焊接数值模拟模型可以很好地预测出SAF2507与Q235焊接时所产生的焊接变形，从而可以为下料放样提供基准，在制造过程中采取相应措施来控制焊接变形。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)确定焊接工艺参数：通过焊接工艺试验确定焊接的层数、道数、电压、电流、焊接线能量、层温等工艺参数；

(2)建立有限元模型并进行网格划分：将焊接工艺参数代入进数值模拟模型中进行建模和网格划分；

(3)确定焊接材料的热物理参数：确定双相不锈钢与异种钢的热物理参数：温度T(℃)、热导率λ(W/m·℃)、线膨胀系数(×10^-6/℃)、密度ρ(kg/m³)、比热容c(J/kg·℃)、换热系数β(W/m²·℃)；

(4)确定热源模型：根据焊接工艺条件，选用适当的热源模型；

(5)计算温度场：通过“生死循环”方法对每一层每一道焊缝的温度场逐层进行数值模拟计算；

(6)计算应力场：采用前述温度场的模型，设置材料的属性，将热单元转换为相应的结构单元，计算出双相不锈钢与异种钢的焊接变形。

2.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述焊接试验焊接线能量控制在10—15KJ/cm之间，焊接试验过程焊缝共5层9道，所述焊缝每层的控制温度小于150℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述步骤(2)中建立的模型焊缝处的网格单元尺寸为4mm，焊接热影响区网格单元尺寸为6mm，母材区域的网格单元尺寸为12mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述焊接材料的双相不锈钢为SAF2507超级双相不锈钢，所述异种钢为Q235异种钢；确定所述焊接材料的热物理参数所用的方法为相似相近法、插值法及外推法。

5.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述步骤(4)采用的热源模型为双椭球热源模型，所述双椭球热源模型的前半部分是一1/4椭球，后半部分是另一1/4椭球，前后两部分椭球的能量分配系数分别为f_f和f_r，且f_f+f_r＝2，其内热源分布分别为：

$q_{f1}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_f{Q}_i}{a_{i1}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}=\exp (-\frac{3x^2}{{a_{i1}}^2})\exp (-\frac{3y^2}{{b_i}^2})\exp (-\frac{3z^2}{{c_i}^2})$

$q_{r1}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_r{Q}_i}{a_{i2}{b}_i{c}_i\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}=\exp (-\frac{3x^2}{{a_{i2}}^2})\exp (-\frac{3y^2}{{b_i}^2})\exp (-\frac{3z^2}{{c_i}^2})$

特征参数a_ij、b_i以及c_i(i＝1,2；j＝1,2)为不同的值且相互之间是独立的。

6.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述步骤(5)包括以下步骤：

1)确定求解的时间步长；

2)施加边界条件；

3)加载焊接移动热源。

7.根据权利要求6所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述时间步长设置如下：加热过程时间步长为焊缝单元尺寸/每层每道所对应的焊速，每个载荷步设5个子步。

8.根据权利要求6所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述边界条件的界定为：双相不锈钢侧两顶点对角线在x轴、y轴、z轴方向上的位移全部约束为0，温度场边界条件为热对流和热辐射，将对流与辐射做叠加处理。

9.根据权利要求6所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述加载焊接移动热源所采用的方法为：沿焊接方向将焊缝长度L分为N段，将各段的后点作为热源中心，加载热源进行计算，计算时间为L/N，每段计算为下一个载荷步，在进行下一个载荷步时，消除上一段所加的热流密度，且上一次加载计算的温度作为下一段加载计算的初始条件，如此循环计算模拟热源的移动，实现焊接瞬态温度场的计算。

10.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法，其特征在于：所述步骤(6)中应力场的计算采用“生死循环”的方法：即在每一步热应力计算时，将对应的温度场的计算结果进行选择，超过熔点的单元令其“死掉”，低于熔点的单元将其“激活”。