CN113084389A - 一种评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接领域，一种评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法，包括如下步骤：利用ANSYS有限元软件根据实际焊接件尺寸建立1:1的三维实体模型，定义三维实体模型的热物性参数，确定三维实体模型单元类型并划分网格；采用体生热率热源模型结合生死单元技术，通过APDL编程语言，利用do‑enddo语句，实现热源模型移动和三维实体模型模拟焊缝填充的动态过程；设置模拟焊接初始温度和边界条件，设置求解器，完成焊接过程模拟；在焊接过程模拟结束后，在ANSYS有限元软件POST1中获得焊接温度场云图及某一时刻焊件上各点的温度值，在POST26中查看各点的温度值随温度变化的曲线。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，特别是一种评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法。
背景技术
随着船板钢朝着高强度、大型化方向发展，传统的焊接技术已经无法满足船板钢的建造需求，大线能量焊接技术应运而生。但由于大线能量焊接工艺的热输入较高，导致钢板焊缝附近的粗晶热影响区CGHAZ(Coarse-Grained Heat Affected Zone)裂纹敏感性增加，抗冲击能力和塑性显著降低，致使焊接后的钢板无法满足使用要求。因此，通常将CGHAZ的性能作为钢焊接后的性能。但在实际的焊接中，HAZ各段区域十分狭小仅为数毫米左右，无法实现对指定区域组织及性能的精细研究。通过热力学模拟试验机进行焊接热过程的模拟试验，可以获得CGHAZ的大体积试样，实现对组织性能的细致研究。
准确制定特定位置的焊接热循环曲线是通过热模拟试验获取与实际焊接相符的组织的前提。目前获取CGHAZ热循环曲线主要有三种方法：(1)公式法；(2)实际测量法；(3)有限元模拟分析法。理论经验公式考虑的情况较为简单，并未考虑到材料热物性参数对温度的变化以及较为复杂的焊接情况，计算的热循环参数较为的实际焊接情况相差较大。此外经验公式为试验条件等限制，使用范围小，针对气电立焊工艺的焊接热模拟试验还未见公开报道。实际测量法是在实际焊接过程利用热成像法或热电偶法测量热循环曲线。实际测量法虽然结果直观，但测量精度差，简单的改变焊接参数时却需要重复大量试验，消耗人力物力。
因此本发明通过对焊接温度场的有限元模拟来获取最接近实际焊接的CGHAZ的热循环曲线，并借助热模拟试验再现其焊接过程，通过研究热模拟试验所得试样的组织性能来预测钢的焊接性能。
发明内容
为解决上述问题，一种评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法，通过对焊接温度场的有限元模拟来获取最接近实际焊接的CGHAZ的热循环曲线，并借助热模拟试验再现其焊接过程，通过研究热模拟试验所得试样的组织性能来预测钢的焊接性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法，包括如下步骤：
步骤1、建立三维瞬态温度场有限元模型：利用ANSYS有限元软件根据实际焊接件尺寸建立1:1的三维实体模型，定义三维实体模型的热物性参数，确定三维实体模型单元类型并划分网格；
步骤2、热源加载：采用体生热率热源模型结合生死单元技术，通过APDL编程语言，利用do-enddo语句，实现热源模型移动和三维实体模型模拟焊缝填充的动态过程；
步骤3、温度场求解设置：设置模拟焊接初始温度和边界条件，设置求解器，完成焊接过程模拟；
步骤4、焊接温度场计算结果：在焊接过程模拟结束后，在ANSYS有限元软件POST1中获得焊接温度场云图及某一时刻焊件上各点的温度值，POST26中查看各点的温度值随温度变化的曲线。
作为优选的，在步骤4完成后，进行
步骤5、根据模拟结果选取特定点的热循环曲线作为热模拟试验方案，在热模拟试验机上根据热模拟试验方案进行试验，热模拟试验后的试样进行显微组织及力学性能的检测。
作为优选的，在步骤1中，根据实际气电立焊情况，建立两块20°V型坡口的对接钢板模型，尺寸均为500mm×240mm×40mm，钢板底部间隙8mm；建模时采用自底向上的方法建立三维实体模型，建立三维实体模型过程中，采用plane55二维平面单元和solid70三维实体单元。
作为优选的，在步骤1中，在模型建立完成后，利用JMatPro软件计算钢材的密度、比热容和热导率随温度变化的关系，采用映射划分网格的方式，对于焊缝以及附近加密网格。
作为优选的，在步骤2中，采用体生热率热源模型，计算公式如下：
式中，V为焊接速度，单位为cm/s；A为焊缝横截面积，单位为mm2；dt为焊接载荷分步时间，单位为s；η为热源效率，取值为0.85；U为焊接电压，单位为V；I为焊接电流，单位为A。
在Prep7中建立V型坡口焊缝，并“杀死”所有焊缝单元模拟焊件的起始状态，随着热源开始移动激活焊缝单元同时施加生热率模拟焊料填充焊缝的动态过程，随着热源进一步的移动，热源中心也进一步移动，删除上一步施加的单元生热率，利用do-enddo循环语句沿焊接方向再次执行上一步的计算过程，从而实现焊缝的不断填充和热源的移动过程。
作为优选的，在步骤3中，根据气电立焊在实际焊接过程中在宽坡口处添加水冷滑块的工艺，设定焊接模拟过程中设定水冷换热系数为5000W/(m2·℃)，对焊接模拟过程中焊件的外表面施加对流和辐射换热的边界条件。
使用本发明的有益效果是：
本发明通过将气电立焊焊接温度场的数值模拟及热模拟试验相结合的手段来预测钢板经气电立焊后的焊接性能。结果与实际焊接结果吻合较好，可以实现对钢板在不同热输入下焊接性能的预测，减少了焊接工艺评定试验的资金投入，为中厚板钢的使用性能以及焊接工艺参数的选取提供了理论指导。
附图说明
图1为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中焊接有限元模型。
图2为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中利用JMatPro软件计算钢的密度参数随温度变化的关系图。
图3为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中利用JMatPro软件计算钢的比热参数随温度变化的关系图。
图4为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中利用JMatPro软件计算钢的热导率参数随温度变化的关系图。
图5为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中不同时刻焊接温度场云图。
图6为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中距焊缝不同位置取样点示意图。
图7为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中取样点的焊接热循环曲线。
图8为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中根据热循环曲线制定的热模拟工艺曲线。
图9为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中距焊缝不同位置的点的实际焊接与热模拟试验的显微组织对比图。(奥氏体与渗碳体共晶)
图10为评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法中距焊缝不同位置的点的实际焊接与热模拟试验的力学性能对比图。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
一种评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法，包括如下步骤：
步骤1、建立三维瞬态温度场有限元模型：利用ANSYS有限元软件根据实际焊接件尺寸建立1:1的三维实体模型，定义三维实体模型的热物性参数，确定三维实体模型单元类型并划分网格；
步骤2、采用体生热率热源模型结合生死单元技术，通过APDL编程语言，利用do-enddo语句，实现热源模型移动焊缝填充的动态过程；
步骤3、温度场求解设置：设置模拟焊接初始温度和边界条件，设置求解器，完成焊接过程模拟；
步骤4、焊接温度场计算结果：在焊接过程模拟结束后，在ANSYS有限元软件POST1中获得焊接温度场云图及某一时刻焊件上各点的温度值，在POST26中查看各点的温度值随温度变化的曲线；
步骤5、焊接温度场云图中粗晶热影响区特定点的热循环曲线作为热模拟试验方案，在热模拟试验机上根据热模拟试验方案进行模拟试验，热模拟试验后的试样进行显微组织及力学性能的检测。
实施例1
本实施例详细说明中厚板气电立焊焊接性能预测的过程。
如图1所示，根据实际中厚板气电立焊情况，建立两块20°V型坡口的对接钢板模型，尺寸均为500mm×240mm×40mm，钢板底部间隙8mm；建模时采用自底向上的方法建立三维实体模型，建立三维实体模型过程中，采用plane55二维平面单元和solid70三维实体单元，定义三维实体模型的热物性参数，确定三维实体模型单元类型并划分网格。如图2-如4所示，在模型建立完成后，利用JMatPro软件计算钢材的密度、比热容和热导率随温度变化的关系，采用映射划分网格的方式，对于焊缝以及热影响区加密网格。
其中，图2为利用JMatPro软件计算钢材的温度-密度图。图3为利用JMatPro软件计算钢材的温度-比热容图。图4为利用JMatPro软件计算钢材的温度-热导率图。
如图5所示，图5为不同时刻下焊接模拟过程的温度场云图，采用体生热率热源模型结合生死单元技术，通过APDL编程语言，利用do-enddo语句，实现热源模型移动和焊缝填充的动态过程，采用体生热率热源模型，计算公式如下：
式中，V为焊接速度，单位为cm/s；A为焊缝横截面积，单位为mm2；dt为焊接载荷分步时间，单位为s；η为热源效率，取值为0.85；U为焊接电压，单位为V；I为焊接电流，单位为A。在体生热率热源模型后，在ANSYS有限元软件中根据焊缝的位置用EKILL命令杀死焊缝。
在体生热率热源模型移动和三维实体模型模拟焊缝填充的动态过程中，根据气电立焊在实际焊接过程中在宽坡口处添加水冷滑块的工艺，设定焊接模拟过程中设定水冷换热系数为5000W/(m2·℃)，对焊接模拟过程中焊件的外表面施加对流和辐射换热的边界条件。
焊接温度场计算结果如下：
如图6所示，选取距离熔合线1mm的A点、5mm的B点、20mm的C点，A点、B点和C点的温度随时间的曲线如图7所示。根据图7中A点、B点和C点的温度随时间的曲线制定热模拟试验方案，如图8所示，进行热模拟试验。
在热模拟试验结束后，将热模拟试验试样与实际焊接距熔合线1mm、5mm试样的显微组织进行对比。可以看到，实际焊接的显微组织与热模拟试验的显微组织类型相似度极高，晶粒尺寸也相似，如图9所示。
如图10所示，在后续的实验中，对实际焊接得到的试样和热模拟试验得到的试样进行力学性能的检测，实验温度在室温条件下，测试抗冲击力的能力，可以看出实际焊接结果与热模拟试验的结果差别很小，吻合度很高，尤其是在5mm的B点、20mm的C点处，误差率小于10％。实际焊接使用的工艺参数如下表1所示。
表1
以下是热模拟实验主要命令流：
生死单元以及杀死焊缝的主要命令流：
！******************杀死焊缝*********************
/SOLU
VSEL,S,,,1
NSLV,S,1
ESLN,S,1
EKILL,ALL
热源加载命令流：
！*****************热源加载*******************
*do,i,1,24,1
c0＝v*dt*(i-1)
c＝v*dt*i
vsel,s,volu,,1
nslv,s,1
nsel,r,loc,z,c0,c
esln,s,1
ealive,all
ALLSEL
t＝t+dt
time,t
nsubst,10,10,10,0
hg＝Q
vsel,s,volu,,1
nslv,s,1
nsel,r,loc,z,c0,c
bf,ALL,hgen,hg
allsel,all
solve
ALLSEL
bfdele,all,hgen
*enddo
求解器设置命令流如下：
！*****************求解器设置*******************
antype,trans
tunif,20
EQSLV,JCG
THOPT,QUASI
KBC,1
NROPT,FULL,,ON
LNSRCH,ON
AUTOTS,ON
上述主要命令流可以拓展，不再详细记载。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种评价大线能量焊接用中厚板焊接性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、建立三维瞬态温度场有限元模型：利用ANSYS有限元软件根据实际焊接件尺寸建立1:1的三维实体模型，定义三维实体模型的热物性参数，确定三维实体模型单元类型并划分网格；
步骤2、热源加载：采用体生热率热源模型结合生死单元技术，通过APDL编程语言，利用do-enddo语句，实现热源模型移动和焊缝填充的动态过程；
步骤3、温度场求解设置：设置模拟焊接初始温度和边界条件，设置求解器，完成焊接过程模拟；
步骤4、焊接温度场计算结果：在焊接过程模拟结束后，在ANSYS有限元软件POST1中获得焊接温度场云图及某一时刻焊件上各点的温度值，在POST26中查看各点的温度值随温度变化的曲线。
2.根据权利要求1所述的大线能量焊接用中厚板焊接性能方法，其特征在于：在步骤4完成后，进行步骤5、根据模拟结果选取特定点的热循环曲线作为热模拟试验方案，在热模拟试验机上根据热模拟试验方案进行试验，热模拟试验后的试样进行显微组织及力学性能的检测。
3.根据权利要求1所述的大线能量焊接用中厚板焊接性能方法，其特征在于：在步骤1中，根据实际气电立焊情况，建立两块20°V型坡口的对接钢板模型，尺寸均为500mm×240mm×40mm，钢板底部间隙8mm；建模时采用自底向上的方法建立三维实体模型，建立三维实体模型过程中，采用plane55二维平面单元和solid70三维实体单元。
4.根据权利要求3所述的大线能量焊接用中厚板焊接性能方法，其特征在于：在步骤1中，在模型建立完成后，利用JMatPro软件计算钢材的密度、比热容和热导率，并将其赋予给模型，采用映射划分网格的方式，对于焊缝及焊缝附近加密网格。
5.根据权利要求1所述的大线能量焊接用中厚板焊接性能方法，其特征在于：在步骤2中，采用体生热率热源模型，计算公式如下：
式中，V为焊接速度，单位为cm/s；A为焊缝横截面积，单位为mm2；dt为焊接载荷分步时间，单位为s；η为热源效率，取值为0.85；U为焊接电压，单位为V；I为焊接电流，单位为A。
6.根据权利要求5所述的大线能量焊接用中厚板焊接性能方法，其特征在于：在Prep7中建立V型坡口焊缝，并“杀死”所有焊缝单元模拟焊件的起始状态，随着热源开始移动激活焊缝单元同时施加生热率模拟焊料填充焊缝的动态过程，随着热源进一步的移动，热源中心也进一步移动，删除上一步施加的单元生热率，利用do-enddo循环语句沿焊接方向再次执行上一步的计算过程，从而实现焊缝的不断填充和热源的移动过程。
7.根据权利要求1所述的大线能量焊接用中厚板焊接性能方法，其特征在于：在步骤3中，根据气电立焊在实际焊接过程中在宽坡口处添加水冷滑块的工艺，设定焊接模拟过程中设定水冷换热系数为5000W/(m2·℃)，对焊接模拟过程中焊件的外表面施加对流和辐射换热的边界条件。
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