CN113618245A - 基于数值模拟的x100管线钢激光-mig复合焊接参数优化方法 - Google Patents

基于数值模拟的x100管线钢激光-mig复合焊接参数优化方法 Download PDF

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侯佳兵
刘思沾
张迎龙
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Abstract

本发明公开了一种基于数值模拟的X100管线钢激光‑MIG复合焊接参数优化方法，包括以下步骤：确定X100管线钢激光‑MIG复合焊接条件；建立X100管线钢激光‑MIG复合焊三维有限元模型并划分网格；根据复合焊接条件确定合理热源模型及模型参数；通过数值模拟软件SYSWELD进行不同焊接参数下的焊接过程仿真；分析数值模拟温度场与残余应力场分布，得到最优的工艺条件。本发明利用数值软件进行模拟，提高了焊接过程的直观性及焊接温度场与残余应力场分析的精确性，避免了大量实际实验的耗材耗时，提高了X100管线钢激光‑MIG复合焊接参数优化的效率。

Description

基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法。
背景技术
激光-MIG电弧复合焊接具有焊接熔深大、焊接热影响区窄、接头强度高等优点，适用于不同级别管线钢焊接；而焊接参数对X100管线钢复合焊接尤为重要，直接决定焊接质量；目前，优化X100管线钢激光-MIG复合焊接参数的传统方法是通过进行大量的工件试验，对单一参数进行不断调试直至筛选出较为合适的参数，该过程试验成本较高，工作量较大。有鉴于此，需要发明一种成本低廉、操作便捷、高效准确的基于数值模拟的优化X100管线钢复合焊接参数方法，代替以往以物理试件测试为主的优化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，解决现有技术中优化X100管线钢激光-MIG复合焊接参数的传统方法是通过进行大量的工件试验，对单一参数进行不断调试直至筛选出较为合适的参数，该过程试验成本较高，工作量较大的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的方案实现：
一种基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，包括如下步骤：
步骤(1)：确定X100管线钢激光-MIG复合焊接条件，包括：X100管线钢板厚度、焊接填充材料、接头及坡口形式及其他焊接工艺参数等；
步骤(2)：根据实际焊接钢板的结构尺寸在Visual-Mesh中建立三维有限元模型，并划分网格；
步骤(3)：根据复合焊接条件确定合理热源模型；
步骤(4)：进行焊接试验及数值模拟，对照复合焊熔池模拟与实际形貌参数，计算误差以确保模拟的准确性。
步骤(5)：通过有限元软件SYSWELD进行不同焊接参数下的焊接过程仿真，分析不同焊接工艺条件下温度场及残余应力场，最终得到最佳的工艺参数。
进一步优化，所述步骤(1)中X100管线钢为厚度10～20mm中厚板。
进一步优化，所述步骤(1)中焊接填充材料为直径φ3.2的MLERit JM-80低合金钢焊丝。
进一步优化，所述步骤(1)中接头形式为平板对接，采用I型坡口，间隙0.5mm。
进一步优化，所述步骤(1)中焊接工艺参数，采用激光在前引导电弧的排列方式，进行激光-MIG复合单道焊。
进一步优化，所述步骤(1)中焊接工艺参数，设置激光能量配比为；激光功率3.0～4.0kW，光丝间距2.0mm，离焦量-2mm；设置MIG焊接电流140A～180A，电压24±2V，焊接速度0.9±0.1m/min。
进一步优化，所述步骤(2)中采用八节点六面体单元划分三维模型网格，网格尺寸0.3±0.1mm。
进一步优化，所述步骤(3)中根据复合焊接条件，优选双椭球热源模型+三维锥体热源模型进行组合。
进一步优化，所述步骤(4)中复合焊熔池模拟与实际形貌对照参数包括：激光区熔深HL、电弧区熔深HA、激光区熔宽BL、电弧区熔宽BA、激光区热影响区宽WL和电弧区热影响区宽WA
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的X100管线钢激光-MIG复合焊接工艺参数优化方法，构建X100管线钢激光-MIG复合焊有限元模型，选择双椭球热源模型+三维锥体热源模型进行组合并通过对比模拟与实际焊接熔池形貌尺寸验证其准确性，可进行X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化，高效率获得X100管线钢复合焊接参数对焊接质量、焊接残余应力的影响规律，获得最佳的焊接工艺参数。通过数值模拟，避免了试验工件的浪费，减少了焊接参数优化的工作量，降低了试验成本，通过本方法确定的参数结果准确度高，本方法具备较大的可行性，易于大规模推广。
附图说明
图1实施例1的管线钢有限元模型图；
图2为图1中矩形框部分的局部放大视图；
图3实施例1的模拟与试验熔池形貌对比图；
图4实施例2的复合焊模拟温度场示意图；其中，图4(a)为激光能量配比LER＝0.42时的复合焊模拟温度场示意图；图4(b)为激光能量配比LER＝0.46时的复合焊模拟温度场示意图；图4(c)为激光能量配比LER＝0.50时的复合焊模拟温度场示意图；图4(d)为激光能量配比LER＝0.54时的复合焊模拟温度场示意图；
图5实施例2的复合焊模拟纵向残余应力示意图；
图6实施例2的复合焊模拟横向残余应力示意图；
图7实施例2的复合焊模拟板厚残余应力示意图；
图8实施例2的复合焊模拟等效残余应力示意图。
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。
实施例1：
如图1-3所示，一种基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，针对X100管线钢，钢板尺寸200mm×80mm×12mm，采用数值模拟获得焊接熔池形貌与实际熔池进行参数对比，验证数值模拟热源准确性。
实施激光-MIG复合焊X100管线钢厚度12mm，填充焊丝φ3.2MLERit JM-80低合金钢焊丝，接头形式为平板对接，采用I型坡口，间隙0.5mm。
采用激光在前引导电弧的排列方式，进行激光-MIG复合单道焊。设置激光功率为3.7kW，光丝间距2.0mm，离焦量-2mm；设置MIG焊接电流154A，电压24V，焊接速度0.9m/min。根据X100管线钢实际焊接尺寸在Visual-Mesh中建立有限元模型，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型，网格尺寸0.3±0.1mm。模拟焊接热源优选双椭球热源模型+三维锥体热源模型进行组合。数值模拟后，对照焊接模拟熔池与实际熔池形貌参数，计算各项参数误差以确保模拟复合焊接过程及计算结果的准确性。
如图1为实施例1的X100管线钢有限元模型图；图2为图1中矩形框部分的局部放大视图；如图3为实施例1的模拟与试验熔池形貌对比图；图3中附图标记的含义为，1:试验电弧区熔深；2：试验激光区熔深；3：试验激光区半熔宽；4：试验激光区热影响区宽度；5：试验电弧区热影响区宽度；6：试验电弧区半熔宽；7：模拟电弧区熔深；8：模拟激光区熔深；9：模拟激光区半熔宽；10：模拟激光区热影响区宽度；11：模拟电弧区热影响区宽度；12：模拟电弧区半熔宽。
该实施例中，X100管线钢激光-MIG复合焊数值模拟与实际试验熔池截面形貌数据对比如表1所示。
表1模拟与试验熔池形貌参数
Figure BDA0003247831810000041
由表1数据可以看出熔池形貌模拟结果和实际熔池在电弧区及激光区焊缝熔深、熔宽、热影响区宽度等形貌参数上误差合理，热源选择准确，可应用于焊接过程参数优化。
实施例2：
本实施例提供一种基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，针对X100管线钢，钢板尺寸200mm×80mm×12mm，采用数值模拟优化X100管线钢激光-MIG复合焊接参数。
实施激光-MIG复合焊X100管线钢厚度12mm，填充焊丝φ3.2MLERit JM-80低合金钢焊丝，接头形式为平板对接，采用I型坡口，间隙0.5mm。
采用激光在前引导电弧的排列方式，进行激光-MIG复合单道焊模拟4组。各组焊接工艺参数如表2所示。
表2焊接工艺参数
Figure BDA0003247831810000042
根据X100管线钢实际焊接尺寸在Visual-Mesh中建立有限元模型，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型，网格尺寸0.3±0.1mm。模拟焊接热源优选双椭球热源模型+三维锥体热源模型进行组合。通过SYSWELD有限元软件，计算各组焊接模拟温度场及残余应力场结果，分析焊接参数对焊接残余应力的影响，以获得最低的残余应力水平。
如图4为实施例2的复合焊模拟温度场示意图，计算结果表明，当LER＝0.42时，接头温度场的最高温度为2187.95℃，当LER从0.42升高至0.54时，典接头的峰值温度均有所升高；如图5为实施例2的复合焊模拟纵向残余应力示意图；如图6为实施例2的复合焊模拟横向残余应力示意图；如图7为实施例2的复合焊模拟板厚残余应力示意图；如图8为实施例2的复合焊模拟等效残余应力示意图；计算结果表明，当LER＝0.42时，复合焊管线钢中的整体应力水平最高。当LER从0.42增加到0.50，σx的峰值拉应力和σVon均呈现下降趋势，σx的峰值拉应力下降了23.8MPa。当LER从0.50增加到0.54，σx、σy、σz和σVon的峰值应力均表现出一定的上升趋势。
不同LER下复合焊件的残余应力峰值变化如表3所示。激光能量配比LER在0.42～0.54之间内，随着激光功率增加，σx、σz和σVon各应力的峰值水平均呈现出小幅度的下降；当LER从0.50增加到0.54时，焊件中各应力分量的最大值有所上升。当采用LER＝0.50时，焊接接头的等效残余应力峰值为518.3MPa，纵向残余应力峰值、横向残余应力峰值分别为550.8MPa和288.2MPa，此时X100管线钢复合焊接头的残余应力水平最低。
表3复合焊模拟残余应力峰值
Figure BDA0003247831810000051
根据实施例1、实施例2可知，根据数值模拟的方法对X100管线钢激光-MIG复合焊接参数进行优化的方法具有较好的准确性及效率，本发明提供的一种基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法是可行的。
综上所述，本发明方法存在以下的优点：构建X100管线钢激光-MIG复合焊有限元模型，选择双椭球热源模型+三维锥体热源模型进行组合并通过对比模拟与实际焊接熔池形貌尺寸验证其准确性，可进行X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化，高效率获得X100管线钢复合焊接参数对焊接质量、焊接残余应力的影响规律，获得最佳的焊接工艺参数。
以上所述仅是本发明的非限定实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：确定X100管线钢激光-MIG复合焊接条件；
焊接条件包括：X100管线钢板厚度、焊接填充材料、接头及坡口形式及其他焊接工艺参数；
步骤(2)：根据实际焊接钢板的结构尺寸在Visual-Mesh中建立三维有限元模型，并划分网格；
步骤(3)：根据复合焊接条件确定合理的热源模型；
步骤(4)：进行焊接试验及数值模拟，对照复合焊熔池模拟与实际形貌参数，计算误差以确保模拟的准确性；
步骤(5)：通过有限元软件SYSWELD进行不同焊接参数下的焊接过程仿真，分析不同焊接工艺条件下温度场及残余应力场，最终得到最佳的工艺参数。
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中X100管线钢为厚度10～20mm中厚板。
3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中焊接填充材料为直径φ3.2的MLERit JM-80低合金钢焊丝。
4.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中接头形式为平板对接，采用I型坡口，间隙0.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中焊接工艺参数，采用激光在前引导电弧的排列方式，进行激光-MIG复合单道焊。
6.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中焊接工艺参数，设置激光能量配比为；激光功率3.0～4.0kW，光丝间距2.0mm，离焦量-2mm；设置MIG焊接电流140A～180A，电压24±2V，焊接速度0.9±0.1m/min。
7.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用八节点六面体单元划分三维模型网格，网格尺寸0.3±0.1mm。
8.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据复合焊接条件，优选双椭球热源模型+三维锥体热源模型进行组合。
9.根据权利要求1所述的基于数值模拟的X100管线钢激光-MIG复合焊接参数优化方法，其特征在于：所述步骤(4)中复合焊熔池模拟与实际形貌对照参数包括：激光区熔深HL、电弧区熔深HA、激光区熔宽BL、电弧区熔宽BA、激光区热影响区宽WL和电弧区热影响区宽WA。
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