CN111421216A - 一种用于优化焊管感应焊接加热的方法 - Google Patents

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CN111421216A CN202010162476.0A CN202010162476A CN111421216A CN 111421216 A CN111421216 A CN 111421216A CN 202010162476 A CN202010162476 A CN 202010162476A CN 111421216 A CN111421216 A CN 111421216A
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Abstract

本发明公开了一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，属于感应加热技术领域，包括以下步骤：步骤1、确定管坯壁厚及直径；步骤2、模拟带有开口角的管坯感应焊接加热过程，并获取焊接V形角处的焊接热源；步骤3、根据加热温度云图确定管坯边缘的修整参数；步骤4、优化管坯边缘的修整参数；步骤5、对管坯边缘进行分段修整，根据修整后的管坯边缘修整参数获得壁厚方向分布均匀的加热热源。本发明采用数值仿真的方法模拟管坯感应焊接加热过程，控制管坯边缘形状，实现高频焊管感应焊接均匀加热，提高加热效率，减小毛刺体积。

Description

一种用于优化焊管感应焊接加热的方法
技术领域
本发明涉及一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，属于感应加热技术领域。
背景技术
石油是工业的血液，而石油管是石油工业的基础，随着油气项目的大力发展，高可靠性深海用石油管的生产具有重要的战略意义。高频焊管由于其高效节能、绿色环保和低成本的生产特点，在我国焊管领域中占据重要地位。高频焊管质量的好坏取决于焊缝的处理，由于临近效应和圆环效应，高频焊管焊缝焊管高频焊接加热后容易形成沙漏型热源，焊管径向上较大的温度梯度往往导致高频焊接过程中产生冷焊和过烧。
为了获得焊管焊接过程中分布均匀的焊接热源，中国专利CN201910238220.0ERW管坯侧向负载施加装置及其侧向负载施加方法，能够同时调整电极块在竖直方向位置，保证正负电极竖直方向位置一致，能够解决焊缝两侧加热不一致带来的温度不均匀分布而造成的焊缝质量缺陷，而中国专利CN201610257206.1一种ERW管焊缝开口角柔性化闭环控制的实验装置，能通过改变每两对小型轧辊之间的轴向距离和每一对小型轧辊之间的径向距离而改变每对小型轧辊的压下量，从而得到不同大小形状的开口角，同时利用CCD摄像机、计算机、压力传感器组成的闭环系统，能够保证开口角大小形状的精确性，从而调整焊接热源形貌，提高焊管质量，但其只能通过按压不断改变开口角的形状进行调整，不能直接给出管坯边缘具体形状，导致焊管焊接过程加热不均匀，焊管上存在毛刺体积。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，采用数值仿真的方法模拟管坯感应焊接加热过程，控制管坯边缘形状，实现高频焊管感应焊接均匀加热，提高加热效率，减小毛刺体积。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，包括以下步骤：
步骤1、确定管坯壁厚及直径；
步骤2、模拟带有开口角的管坯感应焊接加热过程，并获取焊接V形角处的焊接热源；
步骤3、根据加热温度云图确定管坯边缘的修整参数；
步骤4、优化管坯边缘的修整参数；
步骤5、对管坯边缘进行分段修整，根据修整后的管坯边缘修整参数获得壁厚方向分布均匀的加热热源。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤3根据加热温度云图确定管坯边缘的修整参数，具体包括：
步骤31，提取管坯边缘V形角处径向截面加热温度云图；
步骤32，根据提取的管坯V形角处径向截面加热温度云图确定管坯边缘的修整参数；
将管坯焊缝壁厚方向对应温度最低点记为O点；
设置管坯边缘外表面与O点的周向间距为b0，径向间距为h0；
设置管坯边缘内表面与O点的周向间距为bi，径向间距为hi；
管坯壁厚方向O点向外表面部分为管坯外部，向内表面部分为管坯内部。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤4优化管坯边缘的修整参数，依据修整参数b0,h0,bi,hi修整管坯边缘为“X”形，具体包括：
提取感应加热后管坯径向截面等温线云图；设定管坯外表面边缘与1070℃等温线间距为l0，管坯边缘O点与1070℃等温线间距为l1,其中，1070℃是焊管焊接温度；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0的差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值超过Δl，则将管坯边缘外表面与O点的周向间距b0减小0.2mm，并提取此时的管坯边缘修整参数修整管坯边缘，再次模拟管坯感应焊接加热过程并进行管坯边缘修整参数的数据提取，直到管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值不超过Δl；
当管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值不超过Δl时，则设定此时管坯内表面边缘与1070℃等温线间距为li；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1与管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值超过Δl，则将管坯边缘内表面与O点的周向间距bi减小0.2mm，并提取此时的管坯边缘修整参数修整管坯边缘，再次模拟管坯感应焊接加热过程并进行管坯边缘修整参数的数据提取，直到管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值不超过Δl。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤5中对管坯边缘进行分段修整，具体包括：
管坯焊缝边缘周向分n段进行修整，第j段修整时，j为从n到1的整数，管坯外部边缘依据参数b0、h0，从管坯边缘外表面与O点的周向间距为
Figure BDA0002406281140000031
处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000041
切削深度为
Figure BDA0002406281140000042
而管坯内部边缘依据参数bi、hi，从管坯边缘内表面与O点的周向间距为
Figure BDA0002406281140000043
处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000044
切削深度为
Figure BDA0002406281140000045
模拟管坯感应焊接加热过程，提取感应加热后V形角处的焊接热源；提取感应加热后管坯径向截面等温线云图，管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon，管坯内部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值是否超过Δl：
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值超过Δl，则将n增加1，重复上述步骤直至管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值不超过Δl；
管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值不超过Δl后，则继续判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值超过Δl，则将n增加1，重复上述步骤直至管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值不超过Δl；
当管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值不超过Δl，则记录此时n值。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明的一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，基于临近效应修整管坯焊接V形角边缘，并综合数值模拟方法进一步对管坯边缘进行优化调整，能够实现高频焊管感应焊接均匀加热，提高加热效率，减小毛刺体积以便于后续加工处理。
采用数值仿真的方法模拟管坯感应焊接加热过程，可以控制管坯边缘形状，快速模拟管坯焊接过程，节约实验成本。
附图说明
图1是本发明用于优化焊管感应焊接加热的方法流程图；
图2是本发明管坯边缘修整参数示意图；
图3是本发明管坯边缘修整进刀示意图；
图4是本发明管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距示意图；
图5是本发明管坯边缘未修整时的管坯V形角区域径向截面等温线图；
图6是本发明管坯边缘修整后的管坯V形角区域径向截面等温线图；
图7是本发明管坯焊缝径向温度曲线图；
其中，1、管坯，2、车刀，3、管坯边缘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步详细说明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1，一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，包括以下步骤：
步骤1、确定管坯壁厚及直径，根据实际生产需要确定管壁壁厚h和直径。
步骤2、模拟带有开口角的管坯感应焊接加热过程，并获取焊接V形角处的焊接热源，模拟带有开口角的管坯感应焊接加热过程使用基于有限元分析的ANSYS软件。
步骤3、根据加热温度云图确定管坯边缘的修整参数，具体包括：
步骤31，提取管坯边缘V形角处径向截面加热温度云图；
步骤32，根据提取的管坯V形角处径向截面加热温度云图确定管坯边缘的修整参数；
如图5，将管坯焊缝壁厚方向对应温度最低点记为O点；
如图2，设置管坯边缘外表面与O点的周向间距为b0，径向间距为h0，其中，h＝h0+hi；
设置管坯边缘内表面与O点的周向间距为bi，径向间距为hi；
管坯壁厚方向O点向外表面部分为管坯外部，向内表面部分为管坯内部。
步骤4、优化管坯边缘的修整参数b0,h0,bi,hi，并依据修整参数b0,h0,bi,hi修整管坯边缘为“X”形，具体包括：
提取感应加热后管坯径向截面等温线云图，如图6；设定管坯外表面边缘与1070℃等温线间距为l0，管坯边缘O点与1070℃等温线间距为l1,其中，1070℃是焊管焊接温度，只有达到这个温度才能进行焊接，保证焊管焊缝区加热透；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0的差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值超过Δl，则将管坯边缘外表面与O点的周向间距b0减小0.2mm，并提取此时的管坯边缘修整参数修整管坯边缘，再次模拟管坯感应焊接加热过程并进行管坯边缘修整参数的数据提取，直到管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值不超过Δl；
当管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值不超过Δl时，则设定此时管坯内表面边缘与1070℃等温线间距为li；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1与管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值超过Δl，则将管坯边缘内表面与O点的周向间距bi减小0.2mm，并提取此时的管坯边缘修整参数修整管坯边缘，再次模拟管坯感应焊接加热过程并进行管坯边缘修整参数的数据提取，直到管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值不超过Δl。
步骤5、对管坯边缘进行分段修整，根据修整后的管坯边缘修整参数获得壁厚方向分布均匀的加热热源对管坯边缘进行分段修整，具体包括：
管坯焊缝边缘周向分n段进行修整，第j段修整时，j为从n到1的整数，管坯外部边缘依据参数b0、h0，从管坯边缘外表面与O点的周向间距为
Figure BDA0002406281140000071
处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000072
切削深度为
Figure BDA0002406281140000073
而管坯内部边缘依据参数bi、hi，从管坯边缘内表面与O点的周向间距为
Figure BDA0002406281140000074
处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000075
切削深度为
Figure BDA0002406281140000076
n的初始值一般设定为2，如图2至4，管坯外部边缘依据参数b0、h0，若j取n，则第n段修整时，从管坯边缘外表面与O点的周向间距为b0处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000081
切削深度为
Figure BDA0002406281140000082
若j取n-1，则第n-1段修整时，从管坯边缘外表面与O点的周向间距为
Figure BDA0002406281140000083
处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000084
切削深度为
Figure BDA0002406281140000085
依次类推，直到若j取1时，则第1段修整时，从管坯边缘外表面与O点的周向间距为
Figure BDA0002406281140000086
处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000087
切削深度为h0；
管坯内部边缘依据参数bi、hi，若j取n，则第n段修整时，从管坯边缘内表面与O点的周向间距为bi处开始进刀，切削角度
Figure BDA0002406281140000088
切削深度为
Figure BDA0002406281140000089
若j取n-1，则第n-1段修整时，从管坯边缘内表面与O点的周向间距为
Figure BDA00024062811400000810
处开始进刀，切削角度
Figure BDA00024062811400000811
切削深度为
Figure BDA00024062811400000812
依次类推，直到若j取1时，则第1段修整时，从管坯边缘内表面与O点的周向间距为
Figure BDA00024062811400000813
处开始进刀，切削角度
Figure BDA00024062811400000814
切削深度为hi；
模拟管坯感应焊接加热过程，提取感应加热后V形角处的焊接热源；提取感应加热后管坯径向截面等温线云图，管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon，管坯内部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值是否超过Δl：
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值超过Δl，则将n增加1，重复上述步骤，即重复步骤5中的上述步骤，直至管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值不超过Δl；
管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值不超过Δl后，则继续判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值超过Δl，则将n增加1，重复上述步骤。即重复步骤5中的上述步骤，直至管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值不超过Δl；
当管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值不超过Δl，则记录此时n值。
通过提取记录的参数b0,h0,bi,hi，n，据此修整后的管坯边缘修整参数即可获得壁厚方向分布均匀的加热热源，优化后焊缝中心径向温度分布曲线图如图7所示。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (4)

1.一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、确定管坯壁厚及直径；
步骤2、模拟带有开口角的管坯感应焊接加热过程，并获取焊接V形角处的焊接热源；
步骤3、根据加热温度云图确定管坯边缘的修整参数；
步骤4、优化管坯边缘的修整参数；
步骤5、对管坯边缘进行分段修整，根据修整后的管坯边缘修整参数获得壁厚方向分布均匀的加热热源。
2.根据权利要求1所述的一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，其特征在于：所述步骤3根据加热温度云图确定管坯边缘的修整参数，具体包括：
步骤31，提取管坯边缘V形角处径向截面加热温度云图；
步骤32，根据提取的管坯V形角处径向截面加热温度云图确定管坯边缘的修整参数；
将管坯焊缝壁厚方向对应温度最低点记为O点；
设置管坯边缘外表面与O点的周向间距为b0，径向间距为h0；
设置管坯边缘内表面与O点的周向间距为bi，径向间距为hi；
管坯壁厚方向O点向外表面部分为管坯外部，向内表面部分为管坯内部。
3.根据权利要求2所述的一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，其特征在于：所述步骤4优化管坯边缘的修整参数，依据修整参数b0,h0,bi,hi修整管坯边缘为“X”形，具体包括：
提取感应加热后管坯径向截面等温线云图；设定管坯外表面边缘与1070℃等温线间距为l0，管坯边缘O点与1070℃等温线间距为l1,其中，1070℃是焊管焊接温度；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0的差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值超过Δl，则将管坯边缘外表面与O点的周向间距b0减小0.2mm，并提取此时的管坯边缘修整参数修整管坯边缘，再次模拟管坯感应焊接加热过程并进行管坯边缘修整参数的数据提取，直到管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值不超过Δl；
当管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外表面边缘与1070℃等温线间距l0差值不超过Δl时，则设定此时管坯内表面边缘与1070℃等温线间距为li；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1与管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值超过Δl，则将管坯边缘内表面与O点的周向间距bi减小0.2mm，并提取此时的管坯边缘修整参数修整管坯边缘，再次模拟管坯感应焊接加热过程并进行管坯边缘修整参数的数据提取，直到管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯内表面边缘与1070℃等温线间距li差值不超过Δl。
4.根据权利要求3所述的一种用于优化焊管感应焊接加热的方法，其特征在于：步骤5中对管坯边缘进行分段修整，具体包括：
管坯焊缝边缘周向分n段进行修整，第j段修整时，j为从n到1的整数，管坯外部边缘依据参数b0、h0，从管坯边缘外表面与O点的周向间距为
Figure FDA0002406281130000021
处开始进刀，切削角度
Figure FDA0002406281130000031
切削深度为
Figure FDA0002406281130000032
而管坯内部边缘依据参数bi、hi，从管坯边缘内表面与O点的周向间距为
Figure FDA0002406281130000033
处开始进刀，切削角度
Figure FDA0002406281130000034
切削深度为
Figure FDA0002406281130000035
模拟管坯感应焊接加热过程，提取感应加热后V形角处的焊接热源；提取感应加热后管坯径向截面等温线云图，管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon，管坯内部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin；
判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值是否超过Δl：
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值超过Δl，则将n增加1，重复上述步骤直至管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值不超过Δl；
管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lon差值不超过Δl后，则继续判断管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值是否超过Δl；
若管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值超过Δl，则将n增加1，重复上述步骤直至管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值不超过Δl；
当管坯边缘O点与1070℃等温线间距l1和管坯外部边缘每两段分段拐点与1070℃等温线间距记为lin差值不超过Δl，则记录此时n值。
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