CN108681643A - 一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法 - Google Patents

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文波
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Abstract

本发明提供了一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，方法包括：建立双椭球热源模型；建立焊接件的有限元模型，并对该模型进行网格划分；对HAZ进行宽度分析，根据材料的相变温度来确定HAZ各子区间的宽度。本发明利用双椭球热源模型，对单丝埋弧焊焊接热影响区宽度进行数值模拟，为埋弧焊焊接接头质量的评定提供了依据，更加有利于生产工艺的优化；本发明采用有限元法，借助SYSWELD软件对焊接热循环过程进行数值模拟计算，根据模拟得到的特征温度值进而得到不同线能量输入下热影响区宽度的变化趋势。通过模拟得到的数值来指导焊接生产，节省了时间、材料、人力物力，也提高了生产率和安全系数。

Description

一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法
技术领域
本发明涉及到单丝埋弧焊领域，具体涉及到一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法。
背景技术
埋弧焊是现代焊接方法中最重要的焊接方法之一，具有焊接速度快、焊接质量好、劳动条件好、节约金属及电能等优点，由此也成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要结构制作中的主要焊接方法。近年来，虽然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用领域依然未受任何影响。
焊接接头质量的好坏直接决定了焊接是否成功，甚至在工程上直接决定工程安全问题。在对焊接接头质量研究中，焊接接头热影响区的研究显得尤为重要。如热影响区宽度太大，会导致发生脆化的范围增加，加剧了热影响区组织的不均匀性，从而导致力学性能不均匀性增加。所以焊接热影响区宽度预测对调控焊接接头质量具有重要的实际应用意义。但是大量的试验不仅时间周期长，而且还会造成人力物力的浪费。
发明内容
本发明的目的在于解决现有试验技术的不足，提供了一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，解决了需要做大量的试验来测得焊接热影响区宽度的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：建立双椭球热源模型；
选取热源模型为与实际焊接过程较为贴近的双椭球热源模型，确定该双椭球热源模型的热流密度分布函数，前半球椭球按公式(1)计算，后半球椭球按公式(2)计算：
式中Q为电弧有效功率，Q＝ηUI，U为焊接电压，I为焊接电流，η为电弧有效热效率系数，取值0.77～0.9，ff和fr分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且ff+fr＝2，af、ar、b、c为热源形状参数，af、ar为椭球的前后半轴长度，af、ar之和为焊缝的熔池的长度，b为椭球的宽度，c为椭球的深度；
步骤二：建立焊接件的有限元模型，并对该模型进行网格划分；
按照1:1数值比例建立焊接件的有限元模型并赋予材料热物理性能参数，在划分网格时，焊缝区及其附近区域网格尺寸小而密，随着远离焊缝区域网格逐渐变大而稀疏。其中，材料的热物理性能参数包括：密度、导热系数、比热容、换热系数。
步骤三：对HAZ进行宽度分析，根据材料的相变温度来确定HAZ及其各个子区间的宽度；
(1)利用SYSWELD软件，在模拟焊接过程中选取合适的模拟焊接时间(使得焊接过程处在准稳态)，沿垂直于焊缝方向选择一条路径，做出温度-距焊缝中心距离的曲线图。
(2)根据温度-距焊缝中心距离的曲线图，结合材料的相变温度，确定各个子区间部分，从而得到HAZ各子区间的宽度及HAZ宽度。
由于埋弧焊焊接时，在焊接热源的作用下，HAZ的组织和性能不同于母材也不同于焊缝，且在热影响区的不同子区间内，组织组成和晶粒大小等出现了明显变化，从而也导致了硬度值的变化，因此可通过金相组织分析和显微硬度的测量得到HAZ宽度值，以验证模拟计算值的准确性。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明采用有限元法，借助SYSWELD软件对焊接热循环过程进行数值模拟计算，根据模拟得到的特征温度值进而得到不同线能量输入下热影响区宽度的变化趋势。通过模拟得到的数值来指导焊接生产，节省了时间、材料、人力物力，也提高了生产率和安全系数。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明中双椭球热源模型的结构示意图；
图3是本发明实施例中焊接件的有限元模型示意图；
图4是本发明实施例中模拟结果所示温度随距离焊缝位置变化示意图；
图5是本发明实施例中实际焊接接头与模拟结果对比示意图；
图6是本发明实施例中焊接接头各区域金相示意图；
图7是本发明实施例中测量显微硬度的位置示意图；
图8是本发明实施例中焊接接头显微硬度随距离焊缝位置变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明采用的实验材料为Q235钢板，尺寸为300mm×100mm×10mm，采用焊剂HJ431，焊丝H08A。
如图1所示，本发明的一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，包括以下步骤：
步骤一：建立双椭球热源模型；
选取热源模型为与实际焊接过程较为贴近的双椭球热源模型，确定该双椭球热源模型的热流密度分布函数，前半球椭球按公式(1)计算，后半球椭球按公式(2)计算：
式中Q为电弧有效功率，Q＝ηUI，U为焊接电压，I为焊接电流，η为电弧有效热效率系数，取值0.77～0.9，ff和fr分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且ff+fr＝2，af、ar、b、c为热源形状参数，如图2所示，af、ar为椭球的前后半轴长度，af、ar之和为焊缝的熔池的长度，b为椭球的宽度，c为椭球的深度。相关焊接工艺参数值如表1所示。
表1试验所取焊接工艺参数值
利用模式搜索法得到一组双椭球热源模型参数，其中取af＝b，ar＝3b。
步骤二：建立焊接件的有限元模型，并对该模型进行网格划分；
按照1:1数值比例建立焊接件的有限元模型并赋予材料热物理性能参数。
本发明所用Q235钢材热物理性能参数如表2所示。
表2 Q235钢材料性能参数
对该有限元模型进行划分网格时，焊缝区及其附近区域网格尺寸小而密，随着远离焊缝区域网格逐渐变大而稀疏，如图3所示。
步骤三：对HAZ(热影响区)进行宽度分析，根据材料的相变温度来确定HAZ及其各个子区间的宽度；
(1)利用SYSWELD软件，在模拟焊接过程中选取合适的模拟焊接时间(使得焊接过程处在准稳态)，沿垂直于焊缝方向选择一条路径，做出温度-距焊缝中心距离的曲线图。本试验中取模拟焊接时间t＝30s(即焊接过程已经处在准稳态)，做出的温度-距焊缝中心距离的曲线图如图4所示。
(2)根据温度-距焊缝中心距离的曲线图，结合材料的相变温度，确定各个子区间部分，从而得到HAZ各子区间的宽度及HAZ宽度。
本发明中所用材料的相变温度AC1：730℃，AC3：825℃，TG：1100℃，Tm：1500℃。得到HAZ各子区间宽度的示意图如图4所示，其中ab区间为过热区(粗晶区)，bc区间为完全重结晶区(细晶区)，cd区间为不完全重结晶区。各子区间宽度和HAZ宽度值如表3所示。
表3模拟得到的各子区间宽度和HAZ宽度值
图5所示为实际焊接接头熔池形貌与模拟结果对比示意图。
通过测量焊缝组织形貌及尺寸和显微硬度的方法，得到HAZ宽度值，共同验证数值模拟结果的准确性；
由于埋弧焊焊接时，在焊接热源的作用下，焊接热影响区的组织和性能不同于母材也不同于焊缝，且在热影响区的不同子区间内，显微组织和晶粒大小等出现了明显变化，从而也导致了硬度值的变化，因此可通过金相组织分析和显微硬度的测量得到焊接热影响区宽度值，以验证模拟计算值的准确性。依据金相分析法，通过金相观察焊接接头各区域组织形貌特征，不同区域的组织形貌如图6所示，测量各区域的宽度值即可得HAZ及其各个子区间的宽度。
如图7所示，取距试样顶端2mm处直线，沿直线从左到右进行显微硬度测量，记录硬度值随着距焊缝处的距离的变化结果，做出硬度－距离曲线，如图8所示。根据距离测试得出本试验HAZ及其各个子区间宽度数值如表4所示。
表4试验测得HAZ及其各个子区间的宽度值
通过试验的方法采用金相分析法和显微硬度测试得到的热影响区宽度试验值与数值模拟软件得到的模拟值进行比较，HAZ总宽度模拟值和试验值误差为1.9％，具有很好的吻合度。
本发明所提供的一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，解决了需要做大量试验来测得焊接热影响区宽度的问题。本领域技术人员在使用本发明的方法时，容易找到给出的焊接工艺参数组合下的焊接热影响区宽度值。
以上所述仅是本发明的非限定实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，不脱离本发明创造构思和不作出创造性劳动的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：建立双椭球热源模型；
选取热源模型为与实际焊接过程较为贴近的双椭球热源模型，确定该双椭球热源模型的热流密度分布函数；
步骤二：建立焊接件的有限元模型，并对该模型进行网格划分；
按照1:1数值比例建立焊接件的有限元模型并赋予材料热物理性能参数，在划分网格时，焊缝区及其附近区域网格尺寸小而密，随着远离焊缝区域网格逐渐变大而稀疏；
步骤三：对HAZ进行宽度分析，根据材料的相变温度来确定HAZ及其各个子区间的宽度。
2.根据权利要求1所述的单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征在于：步骤一中在确定该双椭球热源模型的热流密度分布函数时双椭球热源模型的前半球椭球和后半球椭球采用不同的公式。
3.根据权利要求2所述的单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征在于：所述前半球椭球按公式(1)计算，所述后半球椭球按公式(2)计算：
式中Q为电弧有效功率，Q＝ηUI，U为焊接电压，I为焊接电流，η为电弧有效热效率系数，ff和fr分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且ff+fr＝2，af、ar、b、c为热源形状参数，af、ar为椭球的前后半轴长度，af、ar之和为焊缝的熔池的长度，b为椭球的宽度，c为椭球的深度。
4.根据权利要求3所述的单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征在于：电弧有效特效率系数η取值0.77～0.9。
5.根据权利要求1所述的单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征在于：步骤二中所述的材料的热物理性能参数包括：密度、导热系数、比热容、换热系数。
6.根据权利要求1所述的单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征在于：步骤三具体包括：
(1)利用SYSWELD软件，在模拟焊接过程中选取合适的模拟焊接时间，沿垂直于焊缝方向选择一条路径，做出温度-距焊缝中心距离的曲线图。
(2)根据温度-距焊缝中心距离的曲线图，结合材料的相变温度，确定各个子区间部分，从而得到HAZ及其各个子区间的宽度。
7.根据权利要求5所述的单丝埋弧焊焊接热影响区宽度的预测方法，其特征在于：在模拟焊接过程中选取合适的模拟焊接时间，使得焊接过程处在准稳态。
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