CN107908831A - 一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法 - Google Patents

一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法，该方法主要步骤为：在ANSYS中求解出焊接过程“沙漏”形的温度场；在ANSYS中求解出热处理过程“倒三角”形的温度场；提取“沙漏”形温度场中980℃的等温线、“倒三角”形温度场中920℃和980℃的等温线与钢管内、外表面轮廓线，并且在MATLAB中进行曲线拟合；将5条曲线导入同一坐标系进行匹配，求出各种热处理缺陷面积大小；以缺陷面积率k作为量化检测焊缝缺陷的技术指标，预测焊缝质量。本发明分析了一种区别于常规加热缺陷的隐性缺陷，通过有限元软件进行数值分析，缩短研究周期，节约成本，有助于提高焊管在恶劣环境服役的可靠性，也适应了未来热处理向精密化和绿色化方向发展的需求。

Description

一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法
技术领域
本发明涉及热处理缺陷的预测方法，特别涉及一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法。
背景技术
焊管依靠其成本低及技术的不断完善在众多行业逐渐替代了无缝管。但服役条件恶劣的油井、化工和高压用管仍难普及。这与决定焊缝质量的两道关键工序焊接和热处理工艺密切相关。
目前，薄壁低压流体管的生产技术已较为成熟，如暖气和下水管道等。但是，即使厂家规范生产、客户现场验收合格，高压厚壁管仍存在不同程度的隐性缺陷，这不仅降低了客户的认可度，更制约了高端焊管产品的进一步发展。该隐性缺陷不同于常规探伤检测出来的焊接裂纹、夹渣、气孔和焊缝外观等缺欠，它包括隐藏在焊缝及热影响区内部、离散分布在不同位置的材料特性缺陷，如某些区域表现出来的韧性过低、硬度偏高，残余应力较大，以及综合机械性能稳定性差等问题，给焊管在恶劣条件下服役埋下了较大安全隐患。
经检索发现，叶朝峰在文献“P91大径钢管焊缝热处理质量控制[J]，金属热处理，2010,(04)：84-86”中通过实验研究钢管热处理后钢管的硬度和组织，来控制钢管的质量，但该实验方法一是只能通过几组实验进行分析，没有普遍性；二是实验成本高，改变工艺参数进行实验在实际生产中难以实现；三是没有提出焊缝热处理缺陷如何产生的，故没有预测机制。公开号CN105740536A的中国专利公开了一种对直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法，该仿真方法将感应线圈的运动代替实际生产中焊管的运动，编写了基于ANSYS APDL语言的宏文件库，但该方法没有对在线热处理缺陷进行研究，没有总结预测热处理质量的通用方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法，该方法内容包括以下步骤：
步骤1，在ANSYS中建立焊管焊接过程高精度的电-磁-热多场耦合预测模型，包括管坯、焊接加热线圈、导磁体和空气，进行耦合计算后，得到呈“沙漏”形的温度场；
步骤2，在ANSYS中建立焊管中频热处理过程高精度的电-磁-热多场耦合预测模型，包括管坯、中频热处理线圈和空气，进行耦合计算后，得到呈“倒三角”形的温度场；
步骤3，提取步骤1“沙漏”形的温度场中温度值为980℃的节点坐标，提取步骤2“倒三角”形温度场中温度值为920℃与980℃的节点坐标，将上述3组节点坐标与钢管内、外表面2组坐标经处理后平移至以焊缝中心为z轴、以焊缝外表面顶点为y轴的坐标系中；
步骤4，将平移后的上述5组坐标分别输入MATLAB，通过二项式，即y＝Az2+Bz+C,拟合出焊接热源边界方程，其中A、B、C为常数，通过椭圆的方程，即y2/a+z2/b＝1分别拟合出热处理过程920℃、980℃边界方程，其中a、b为常数且a＞b＞0，通过圆的方程，即(z+c)2+y2＝r2拟合出钢管内外表面边界方程，其中c，r为常数；
步骤5，在MATLAB同一坐标系下，输入步骤4拟合出的5个边界方程，将焊接过程中温度大于980℃的焊接热影响区定义为焊接过热区，将焊接过热区与中频热处理温度大于920℃的区域进行匹配，根据上述5个边界方程围成的区域，将焊接过热区内低于920℃的区域称为加热盲区，将超出焊接过热区范围无需热处的区域称为加热重复区，将在中频热处理过程热处理温度超过980℃的区域称为加热过度区；
步骤6，用MATLAB分别计算出各区域的面积，加热盲区面积记为Sm，加热重复区面积记为Sc，加热过度区面积记为Sq，焊接过热区面积记为Sr；
步骤7，热处理缺陷面积包括加热盲区、加热重复区和加热过度区，以缺陷面积率k作为量化检测焊缝缺陷的技术指标，k＝S/Sr×100％，其中S为热处理缺陷面积，分别计算各缺陷区域占焊接过热区的百分比对焊缝在线热处理缺陷进行预测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明分析了一种区别于常规加热缺陷的隐性缺陷，并给出了缺陷面积率作为评价这种缺陷的量化指标；
2、本发明有助于提高焊管在恶劣环境服役的可靠性，也适应了未来热处理向精密化和绿色化方向发展的需求；
3、本发明通过有限元软件进行数值分析，缩短研究周期，节约成本。
附图说明
图1是焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法流程图。
图2是焊接过程形成的“沙漏”形温度场示意图。
图3是热处理过程形成的“倒三角”形温度场示意图。
图4是平移后“沙漏”形温度场中980℃的等温线示意图。
图5是平移后“倒三角”形温度场中920℃与980℃的等温线示意图。
图6是坐标系和热处理前后等温线匹配图。
具体实施方式
为更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
现对规格为Φ219×8.94mm、材料为J55的焊管，钢管运动速度为47mm/s的条件下进行在线热处理，在ANSYS与MATLAB平台上，运用本发明方法实现对焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测，其预测方法流程如图1所示，预测方法的具体步骤如下：
步骤1，在ANSYS中建立焊管焊接过程高精度的电-磁-热多场耦合预测模型，包括管坯、焊接加热线圈、导磁体和空气，采用顺序耦合物理环境法计算(即先后进行电磁和热物理环境耦合计算)后，得到呈“沙漏”形的温度场，如图2所示；
步骤2，在ANSYS中建立焊管中频热处理过程高精度的电-磁-热多场耦合预测模型，包括管坯、中频热处理线圈和空气，采用顺序耦合物理环境法计算(即先后进行电磁和热物理环境耦合计算)后，得到呈“倒三角”形的温度场，如图3所示；
步骤3，提取步骤1“沙漏”形的温度场中温度值为980℃的节点坐标，提取步骤2“倒三角”形温度场中温度值为920℃与980℃的节点坐标，将3组节点坐标与钢管内、外表面的坐标经EXCEL处理后平移至以焊缝中心为z轴、以焊缝外表面顶点为y轴的坐标系中，如图4、图5所示；
步骤4，将平移后的5组坐标分别输入MATLAB，通过二项式，即y＝Az2+Bz+C(其中A、B、C为常数)拟合出焊接热源边界方程，在本实施例中求得焊接热源边界方程为y＝0.139z2-1.306z+5.008与y＝-0.139z2+1.306z-5.008，通过椭圆的方程，即y2/a2+z2/b2＝1(其中a、b为常数且a＞b＞0)分别拟合出热处理过程920℃、980℃边界方程，在本实施例中求得热处理过程920℃边界方程为y2/6.6322+z2/8.92＝1，在本实施例中求得热处理过程980℃边界方程为y2/2.6342+z2/1.9512＝1，通过圆的方程，即(z+c)2+y2＝r2(其中c，r为常数)拟合出钢管内、外表面边界方程，在本实施例中求得钢管外表面边界方程为(z+109.5)2+y2＝109.52，钢管内表面边界方程为(z+109.5)2+y2＝100.562；
步骤5，在MATLAB同一坐标系下，输入步骤4拟合出的5个边界方程，将焊接过程中温度大于980℃的焊接热影响区定义为焊接过热区，将焊接过热区与中频热处理温度大于920℃的区域进行匹配，如图6所示，根据上述5个边界方程围成的区域，将焊接过热区内低于920℃的区域，称为加热盲区，即对应图6中的和将超出焊接过热区范围无需热处的区域称为加热重复区，即对应图6中的和将在中频热处理过程超过热处理要求(高于980℃)的区域称为加热过度区，即对应图6中的
步骤6，用MATLAB分别计算出各区域的面积，加热盲区面积记为Sm，本实施例中Sm＝4.5mm2，加热重复区面积记为Sc，本实施例中Sc＝42.9mm2，加热过度区面积记为Sq，本实施例中Sq＝7.9mm2，焊接过热区面积记为Sr，本实施例中Sr＝50.6mm2；
步骤7，热处理缺陷面积包括加热盲区、加热重复区和加热过度区，以缺陷面积率k作为量化检测焊缝缺陷的技术指标，k＝S/Sr×100％，S为热处理缺陷面积，分别计算各缺陷区域占焊接过热区的百分比对焊缝在线热处理缺陷进行预测，在本实施例中Sm对应的缺陷面积率为8.9％，Sc对应的缺陷面积率为84.3％，Sq对应的缺陷面积率为15.6％。在一定程度上同时降低三种热处理缺陷对应的面积缺陷率的大小，达到热处理应用的理想效果，可尝试综合调节焊管生产过程中的各项复杂电磁和几何参数，以达到减少缺陷面积的目的。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤1，在ANSYS中建立焊管焊接过程高精度的电-磁-热多场耦合预测模型，包括管坯、焊接加热线圈、导磁体和空气，进行耦合计算后，得到呈“沙漏”形的温度场；
步骤2，在ANSYS中建立焊管中频热处理过程高精度的电-磁-热多场耦合预测模型，包括管坯、中频热处理线圈和空气，进行耦合计算后，得到呈“倒三角”形的温度场；
步骤3，提取步骤1“沙漏”形的温度场中温度值为980℃的节点坐标，提取步骤2“倒三角”形温度场中温度值为920℃与980℃的节点坐标，将上述3组节点坐标与钢管内、外表面2组坐标经处理后平移至以焊缝中心为z轴、以焊缝外表面顶点为y轴的坐标系中；
步骤4，将平移后的上述5组坐标分别输入MATLAB，通过二项式，即y＝Az2+Bz+C,拟合出焊接热源边界方程，其中A、B、C为常数，通过椭圆的方程，即y2/a+z2/b＝1分别拟合出热处理过程920℃、980℃边界方程，其中a、b为常数且a＞b＞0，通过圆的方程，即(z+c)2+y2＝r2拟合出钢管内外表面边界方程，其中c，r为常数；
步骤5，在MATLAB同一坐标系下，输入步骤4拟合出的5个边界方程，将焊接过程中温度大于980℃的焊接热影响区定义为焊接过热区，将焊接过热区与中频热处理温度大于920℃的区域进行匹配，根据上述5个边界方程围成的区域，将焊接过热区内低于920℃的区域称为加热盲区，将超出焊接过热区范围无需热处的区域称为加热重复区，将在中频热处理过程热处理温度超过980℃的区域称为加热过度区；
步骤6，用MATLAB分别计算出各区域的面积，加热盲区面积记为Sm，加热重复区面积记为Sc，加热过度区面积记为Sq，焊接过热区面积记为Sr；
步骤7，热处理缺陷面积包括加热盲区、加热重复区和加热过度区，以缺陷面积率k作为量化检测焊缝缺陷的技术指标，k＝S/Sr×100％，其中S为热处理缺陷面积，分别计算各缺陷区域占焊接过热区的百分比对焊缝在线热处理缺陷进行预测。
2.根据权利要求1所述的一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法，其特征在于：在步骤1或步骤2中进行电-磁-热多场耦合时，采用顺序耦合物理环境法。
3.根据权利要求1所述的一种焊接钢管焊缝在线热处理缺陷的预测方法，其特征在于：在步骤3中，所述的处理为EXCEL处理。
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