CN110147645A - 薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型验证、建立方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型验证、建立方法及应用，属于薄壁铜管生产领域。本发明利用DEFORM计算薄壁铜管生产过程中的温度分布，通过实验测量计算结果试件的显微硬度值，将测量结果和工厂实际生产薄壁铜管试样的显微硬度值进行比较，对温度分布进行间接验证，确保计算结果正确无误。与现有仿真技术相比，本发明通过改变影响加热温度的参数，计算出不同影响因素下的温度场，以实现优化生产参数，提高生产质量，减少设备生产调试周期，降低成本。
Description
技术领域
本发明属于薄壁铜管生产领域，涉及一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型验证方法、建立方法及应用。
背景技术
薄壁铜管是指外径和壁厚之比大于20的铜管，具备很多特点：它能耐热、耐寒、耐压、耐腐蚀和耐火，适用范围广，具有很高的可靠性；相同公称直径的铜管计算内径比其他管材大，管内相同流量下，铜管的流速较低，因而铜管能节能降噪；铜管具有很长的使用寿命，达到100年以上；铜管能抑制细菌生长，具有很好的抗菌性及不可渗透性；铜管绿色环保，因为铜可以100％回收并不断地循环再生使用，而且再生过程不会产生有害物质，或者其他废物。基于以上特点，薄壁铜管在绿色住宅给水管材、制冷空调设备用铜管等方面应用广泛。特别是在制冷空调设备用铜管方面，薄壁化是铜管一个重要的发展趋势，它能使铜管轻量化，即单位长度的重量减轻，在尽量提高传热性能的同时能够实现减少铜材用量，既能够提高使用性能，又能够减少生产成本。
薄壁铜管增加了生产的难度，对技术要求有所增加，主要体现在随着铜管的薄壁化，对焊缝质量的控制难度增加，而焊缝质量是对薄壁铜管的生产起着决定作用。焊缝质量主要受加热温度、挤压量和管坯材质等因素的影响，其中加热温度的影响最不容易控制。而且焊接过程中喷有冷却液，无法得到薄壁铜管焊缝处温度场变化情况。
发明内容
本发明提供了一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型验证、建立方法及应用，旨在利用技术手段获得正确的仿真模型，并利用仿真模型获取焊缝处的热循环曲线，以此来指导薄壁铜管焊接生产过程；降低了薄壁铜管的生产难度。
为了获得正确的仿真模型，以便薄壁铜管焊接生产过程的正确进行，本发明提供的技术方案为：一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，参数获取
获得生产薄壁铜管的母材，用母材焊接生产的薄壁铜管试样，以及焊接生产过程中的工艺参数；并测量薄壁铜管试样的显微硬度P1；
步骤2，仿真模型建立
根据步骤1获取的工艺参数，使用DEFORM建立薄壁铜管焊接生产过程的仿真模型；并确定模拟参数；
步骤3，模拟过程
利用步骤1中的母材，按照步骤2中的仿真模型进行焊接生产温度变化模拟，制得薄壁铜管试品；然后测量薄壁铜管试品的显微硬度P2；
步骤4，验证过程
设定显微硬度容差率，比较步骤1中的显微硬度P1与步骤3中的显微硬度P2的误差，并将误差与显微硬度容差率比较，若误差小于显微硬度容差率，则证明步骤3中仿真模型和模拟参数准确；若误差大于显微硬度容差率，则证明步骤3中仿真模型和/或模拟参数不准确。
进一步的技术方案在于，所述步骤1中测量薄壁铜管试样的显微硬度P1的具体过程为：
在薄壁铜管试样上的测量点利用显微硬度计，载荷为200g，荷重保持时间为5s，测量并记录此位置的显微硬度值。
进一步的技术方案在于，所述步骤2中仿真模型的建立过程具体为：
使用DEFORM对薄壁铜管焊接生产过程进行数值模拟，根据步骤1中的工艺参数，建立分析模型，然后建立物理环境，对材料性质进行设置，设置空间步长和时间步长，设定边界条件，施加载荷，对模型进行网格划分，进行求解，得到温度场并保存结果文件，在模型上确定测量点的位置，并提取该测量点的热循环曲线。
进一步的技术方案在于，所述步骤3的模拟过程具体为：
利用步骤1中的母材，按照步骤2中仿真模型获得的热循环曲线，使用Gleeble热模拟机进行焊接生产过程中的温度变化模拟，制得薄壁铜管试品；然后测量薄壁铜管试品的显微硬度P2。
为了利用仿真模型正确指导薄壁铜管焊接生产过程，本发明提供的技术方案为：一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，其特征在于，利用上述所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，利用验证过程中误差与显微硬度容差率比较，确定仿真模型以及仿真模型内的模拟参数；
其中，验证过程：若误差小于显微硬度容差率，则证明仿真模型和/或模拟参数准确，完成仿真模型的建立；若误差大于显微硬度容差率，则证明仿真模型和/或模拟参数不准确，然后进入调整过程；
调整过程：调整仿真模型和/或模拟参数；然后进入依次进行模拟过程、验证过程。
进一步的技术方案在于，对模拟参数的调整包括调整划分网格大小、空间步长大小和时间步长大小。
进一步的技术方案在于，其具体包括如下步骤：
步骤1，获得生产薄壁铜管的母材，用母材焊接生产的薄壁铜管试样，以及焊接生产过程中的工艺参数；
步骤2，根据步骤1中的工艺参数，使用DEFORM对薄壁铜管焊接生产过程进行仿真，建立仿真模型，在仿真模型中对物理环境、材料性质进行设置，并设置空间步长和时间步长，设定边界条件，施加载荷，对模型进行网格划分；对仿真模型进行求解，得到温度场并保存结果文件，在模型上确定五个测量点的位置，分别记为点1、点2、点3、点4和点5，并分别提取该五个测量点的热循环曲线；
步骤3，根据步骤2仿真模型上确定的五个测量点的位置，在薄壁铜管试样上标出与五个测量点的位置相对应的五个点，分别标记为A、B、C、D、E五个位置，其中点1与A点对应，点2与B点对应，点3与C点对应，点4与D点对应，点5与E点对应，利用显微硬度计，载荷为200g，荷重保持时间为5s，测量并记录A、B、C、D、E五个位置的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的真实值；
步骤4，利用步骤1中的母材，使用Gleeble热模拟机进行焊接生产过程中的温度变化模拟，根据提取的五个测量点的热循环曲线，对五个母材试品进行加热和冷却到25℃完成五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e的制作；五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e加热的热循环曲线分别和点1、点2、点3、点4、点5相对应，完成加热过程后，使用与步骤3相同的方法，测量并记录该五个薄壁铜管试品各自的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的模拟值；
步骤5，设显微硬度容差率，将步骤3、步骤5测量的两组显微硬度数据进行对比，并计算两者的误差，如果误差小于设定的显微硬度容差率，则认为在误差允许范围内，该数值模拟过程正确，则证明仿真模型和/或模拟参数准确，完成仿真模型的建立；如果不能满足误差小于设定的显微硬度容差率，则修正步骤2过程中的仿真模型和/或模拟参数，然后重复步骤3-5，直至数值模拟过程正确，完成仿真模型的建立。
为了正确利用仿真模型指导薄壁铜管焊接生产过程，本发明提供的技术方案为：一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的应用，其特征在于，利用上述所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，建立仿真模型，选取理想的仿真结果，然后将相应的生产工艺参数应用于薄壁铜管焊接生产过程中。
本发明采用上述技术方案，具有的有益效果为：
1、本发明可以对薄壁铜管生产中温度场进行计算，以获取其温度分布，通过对影响加热温度的生产参数的改变，计算出不同影响因素下的温度分布，然后根据温度分布判断薄壁铜管生产质量较高的生产参数，以实现优化生产参数，提高生产质量，减少设备生产调试周期，降低成本。
2、本发明提供的验证方法，如果验证显示计算结果错误，可以通过调整方法中的模拟参数，对模型进行修正，以确保计算结果的正确性，使计算结果更加贴近真实值。
附图说明
图1是本发明一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法流程框图；
图2是本发明DEFORM仿真模型尺寸图；
图3是本发明仿真模型横截面温度分布云图；
图4是本发明中五个测量点的位置分布图；
图5是本发明中的对比曲线图。
图中标号：1-铜管，2-电极
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。
本发明实施例中，一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，其包括如下步骤：
步骤1，参数获取
获得生产薄壁铜管的母材，用母材焊接生产的薄壁铜管试样，以及焊接生产过程中的工艺参数；并测量薄壁铜管试样的显微硬度P1；
步骤2，仿真模型建立
根据步骤1获取的工艺参数，使用DEFORM建立薄壁铜管焊接生产过程的仿真模型；并确定模拟参数；
步骤3，模拟过程
利用步骤1中的母材，按照步骤2中的仿真模型进行焊接生产温度变化模拟，制得薄壁铜管试品；然后测量薄壁铜管试品的显微硬度P2；
步骤4，验证过程
设定显微硬度容差率，比较步骤1中的显微硬度P1与步骤3中的显微硬度P2的误差，并将误差与显微硬度容差率比较，若误差小于显微硬度容差率，则证明步骤3中仿真模型和模拟参数准确；若误差大于显微硬度容差率，则证明步骤3中仿真模型和/或模拟参数不准确。
本发明实施例中，所述步骤1中测量薄壁铜管试样的显微硬度P1的具体过程为：
在薄壁铜管试样上的测量点利用显微硬度计，载荷为200g，荷重保持时间为5s，测量并记录此位置的显微硬度值。
本发明实施例中，所述步骤2中仿真模型的建立过程具体为：
使用DEFORM对薄壁铜管焊接生产过程进行数值模拟，根据步骤1中的工艺参数，建立分析模型，然后建立物理环境，对材料性质进行设置，设置空间步长和时间步长，设定边界条件，施加载荷，对模型进行网格划分，进行求解，得到温度场并保存结果文件，在模型上确定测量点的位置，并提取该测量点的热循环曲线。
本发明实施例中，所述步骤3的模拟过程具体为：
利用步骤1中的母材，按照步骤2中仿真模型获得的热循环曲线，使用Gleeble热模拟机进行焊接生产过程中的温度变化模拟，制得薄壁铜管试品；然后测量薄壁铜管试品的显微硬度P2。
本发明实施例中，如图1所示，是一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，其利用上述所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，利用验证过程中误差与显微硬度容差率比较，确定仿真模型以及仿真模型内的模拟参数；
其中，验证过程：若误差小于显微硬度容差率，则证明仿真模型和/或模拟参数准确，完成仿真模型的建立；若误差大于显微硬度容差率，则证明仿真模型和/或模拟参数不准确，然后进入调整过程；
调整过程：调整仿真模型和/或模拟参数；然后进入依次进行模拟过程、验证过程。
本发明实施例中，对模拟参数的调整包括调整划分网格大小、空间步长大小和时间步长大小。
本发明实施例中，其具体包括如下步骤：
步骤1，获得生产薄壁铜管的母材，用母材焊接生产的薄壁铜管试样，以及焊接生产过程中的工艺参数；
步骤2，根据步骤1中的工艺参数，使用DEFORM对薄壁铜管焊接生产过程进行仿真，建立仿真模型，在仿真模型中对物理环境、材料性质进行设置，并设置空间步长和时间步长，设定边界条件，施加载荷，对模型进行网格划分；对仿真模型进行求解，得到温度场并保存结果文件，在模型上确定五个测量点的位置，分别记为点1、点2、点3、点4和点5，并分别提取该五个测量点的热循环曲线；
步骤3，根据步骤2仿真模型上确定的五个测量点的位置，在薄壁铜管试样上标出与五个测量点的位置相对应的五个点，分别标记为A、B、C、D、E五个位置，其中点1与A点对应，点2与B点对应，点3与C点对应，点4与D点对应，点5与E点对应，利用显微硬度计，载荷为200g，荷重保持时间为5s，测量并记录A、B、C、D、E五个位置的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的真实值；
步骤4，利用步骤1中的母材，利用步骤1中的母材，使用Gleeble热模拟机进行焊接生产过程中的温度变化模拟，根据提取的五个测量点的热循环曲线，对五个母材试品进行加热和冷却到25℃完成五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e的制作；五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e加热的热循环曲线分别和点1、点2、点3、点4、点5相对应，完成加热过程后，使用与步骤3相同的方法，测量并记录该五个薄壁铜管试品各自的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的模拟值；
步骤5，设显微硬度容差率，将步骤3、步骤5测量的两组显微硬度数据进行对比，并计算两者的误差，如果误差小于设定的显微硬度容差率，则认为在误差允许范围内，该数值模拟过程正确，则证明仿真模型和/或模拟参数准确，完成仿真模型的建立；如果不能满足误差小于设定的显微硬度容差率，则修正步骤2过程中的仿真模型和/或模拟参数，然后重复步骤3-5，直至数值模拟过程正确，完成仿真模型的建立。
本发明实施例中，一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的应用，其特征在于，利用权利要求5-7任一项权利要求所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，建立仿真模型，选取理想的仿真结果，然后将相应的生产工艺参数应用于薄壁铜管焊接生产过程中。
本发明实施例中，对薄壁铜管焊接生产过程进行仿真模拟，铜管的材料为TP2，规格为Φ27×1.0。图1所示为该流程框图，主要包括以下步骤：
步骤1，获得生产薄壁铜管的母材，用母材焊接生产的薄壁铜管试样，以及焊接生产过程中的工艺参数；薄壁铜管的工艺参数如表1所示；
表1薄壁铜管焊接生产工艺参数
步骤2，根据步骤1中的工艺参数，使用DEFORM对薄壁铜管焊接生产过程进行仿真，建立仿真模型，模型尺寸如图2所示；在仿真模型中对物理环境、材料性质进行设置，并设置空间步长和时间步长，设定边界条件，施加载荷，对模型进行网格划分；对仿真模型进行求解，得到温度场并保存结果文件，薄壁铜管横截面上的温度分布计算结果云图如图3所示。在模型上确定五个测量点的位置，分别记为点1、点2、点3、点4和点5，该五个测量点的位置分布如图4所示，其中λ取0.3mm。根据温度结果文件，并分别提取该五个测量点的热循环曲线；热循环曲线显示：点1、点2、点3、点4和点5在1.5s内达到温度峰值分别为153℃、225℃、408℃、612℃和952℃，达到温度峰值之后，同一点温度下降速度减缓，同一时刻点5到点1温降速度依次降低，逐渐冷却至室温。
步骤3，根据步骤2仿真模型上确定的五个测量点的位置，在薄壁铜管试样上标出与五个测量点的位置相对应的五个点，分别标记为A、B、C、D、E五个位置，其中点1与A点对应，点2与B点对应，点3与C点对应，点4与D点对应，点5与E点对应，利用显微硬度计，载荷为200g，荷重保持时间为5s，测量并记录A、B、C、D、E五个位置的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的真实值；数据如表格2所示；
表2工厂生产薄壁铜管显微硬度的真实值
步骤4，利用步骤1中的母材，使用Gleeble热模拟机，根据提取的五个测量点的热循环曲线，模拟焊接生产过程，在保护气体中冷却到25℃完成五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e的制作；五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e加热的热循环曲线分别和点1、点2、点3、点4、点5相对应，完成加热过程后，使用与步骤3相同的方法，测量并记录该五个薄壁铜管试品各自的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的模拟值；数据如表格3所示；
表3计算结果的模拟值
步骤5，设显微硬度容差率δ定＝10％，将步骤3、步骤5测量的两组显微硬度数据进行对比，并计算两者的误差δ，计算结果如图4所示。如果误差δ小于设定的显微硬度容差率δ定，则认为在误差允许范围内，该数值模拟过程正确，则证明仿真模型和/或模拟参数准确，完成仿真模型的建立；如果不能满足误差δ小于设定的显微硬度容差率δ定，则修正步骤2过程中的仿真模型和/或模拟参数，然后重复步骤3-5，直至数值模拟过程正确，完成仿真模型的建立。
表4误差计算结果图
其中两组测量数据的误差计算公式如公式(1)所示：
由表4可以看出，最高误差δ＝5.00％，小于δ定＝10％，说明在误差允许范围内，该计算方法的模拟值和真实值相吻合，即仿真模型可以接受。
Claims (8)
1.一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，参数获取
获得生产薄壁铜管的母材，用母材焊接生产的薄壁铜管试样，以及焊接生产过程中的工艺参数；并测量薄壁铜管试样的显微硬度P1；
步骤2，仿真模型建立
根据步骤1获取的工艺参数，使用DEFORM建立薄壁铜管焊接生产过程的仿真模型；并确定模拟参数；
步骤3，模拟过程
利用步骤1中的母材，按照步骤2中的仿真模型进行焊接生产温度变化模拟，制得薄壁铜管试品；然后测量薄壁铜管试品的显微硬度P2；
步骤4，验证过程
设定显微硬度容差率δ定，比较步骤1中的显微硬度P1与步骤3中的显微硬度P2的误差δ，并将误差δ与显微硬度容差率δ定比较，若误差δ小于显微硬度容差率δ定，则证明步骤3中仿真模型和模拟参数准确；若误差δ大于显微硬度容差率δ定，则证明步骤3中仿真模型和/或模拟参数不准确。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，其特征在于，所述步骤1中测量薄壁铜管试样的显微硬度P1的具体过程为：
在薄壁铜管试样上的测量点利用显微硬度计，载荷为200g，荷重保持时间为5s，测量并记录此位置的显微硬度值。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，其特征在于，所述步骤2中仿真模型的建立过程具体为：
使用DEFORM对薄壁铜管焊接生产过程进行数值模拟，根据步骤1中的工艺参数，建立分析模型，然后建立物理环境，对材料性质进行设置，设置空间步长和时间步长，设定边界条件，施加载荷，对模型进行网格划分，进行求解，得到温度场并保存结果文件，在模型上确定测量点的位置，并提取该测量点的热循环曲线。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，其特征在于，所述步骤3的模拟过程具体为：
利用步骤1中的母材，按照步骤2中仿真模型获得的热循环曲线，使用Gleeble热模拟机进行焊接生产过程中的温度变化模拟，制得薄壁铜管试品；然后测量薄壁铜管试品的显微硬度P2。
5.一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项权利要求所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的验证方法，利用验证过程中误差δ与显微硬度容差率δ定比较，确定仿真模型以及仿真模型内的模拟参数；
其中，验证过程：若误差δ小于显微硬度容差率δ定，则证明仿真模型和/或模拟参数准确，完成仿真模型的建立；若误差δ大于显微硬度容差率δ定，则证明仿真模型和/或模拟参数不准确，然后进入调整过程；
调整过程：调整仿真模型和/或模拟参数；然后进入依次进行模拟过程、验证过程。
6.根据权利要求5所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，其特征在于，对模拟参数的调整包括调整划分网格大小、空间步长大小和时间步长大小。
7.根据权利要求5或6所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
步骤1，获得生产薄壁铜管的母材，用母材焊接生产的薄壁铜管试样，以及焊接生产过程中的工艺参数；
步骤2，根据步骤1中的工艺参数，使用DEFORM对薄壁铜管焊接生产过程进行仿真，建立仿真模型，在仿真模型中对物理环境、材料性质进行设置，并设置空间步长和时间步长，设定边界条件，施加载荷，对模型进行网格划分；对仿真模型进行求解，得到温度场并保存结果文件，在模型上确定五个测量点的位置，分别记为点1、点2、点3、点4和点5，并分别提取该五个测量点的热循环曲线；
步骤3，根据步骤2仿真模型上确定的五个测量点的位置，在薄壁铜管试样上标出与五个测量点的位置相对应的五个点，分别标记为A、B、C、D、E五个位置，其中点1与A点对应，点2与B点对应，点3与C点对应，点4与D点对应，点5与E点对应，利用显微硬度计，载荷为200g，荷重保持时间为5s，测量并记录A、B、C、D、E五个位置的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的真实值；
步骤4，利用步骤1中的母材，使用Gleeble热模拟机进行焊接生产过程中的温度变化模拟，根据提取的五个测量点的热循环曲线，对五个母材试品进行加热和冷却到25℃完成五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e的制作；五个薄壁铜管试品a、b、c、d、e加热的热循环曲线分别和点1、点2、点3、点4、点5相对应，完成加热过程后，使用与步骤3相同的方法，测量并记录该五个薄壁铜管试品各自的显微硬度值，分别作为点1、点2、点3、点4和点5这五个测量点显微硬度的模拟值；
步骤5，设显微硬度容差率δ定，将步骤3、步骤5测量的两组显微硬度数据进行对比，并计算两者的误差δ，如果误差δ小于设定的显微硬度容差率δ定，则认为在误差允许范围内，该数值模拟过程正确，则证明仿真模型和/或模拟参数准确，完成仿真模型的建立；如果不能满足误差δ小于设定的显微硬度容差率δ定，则修正步骤2过程中的仿真模型和/或模拟参数，然后重复步骤3-5，直至数值模拟过程正确，完成仿真模型的建立。
8.一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的应用，其特征在于，利用权利要求5-7任一项权利要求所述的一种薄壁铜管焊接生产过程中仿真模型的建立方法，建立仿真模型，选取理想的仿真结果，然后将相应的生产工艺参数应用于薄壁铜管焊接生产过程中。
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