CN113702420B - 一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法 - Google Patents

一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法，包括：1)根据实际焊接工艺过程及实际焊接过程的温度曲线，结合材料的各项参数确定焊接热循环模型；2)进行焊接热循环工艺模拟，采集试验材料的温度和膨胀量，并绘制膨胀量与时间的关系曲线；3)得到假定材料在冷却过程中未发生相变时，随着温度的降低体积逐渐减小的变化曲线；4)对比相变前膨胀曲线与膨胀量与时间关系曲线曲线，偏折点即为相变开始点；5)对比相变后膨胀曲线与膨胀量与时间关系曲线，偏折点即为相变结束点。本发明能够准确测定钢铁材料在焊接冷却过程中的相变温度，为掌握钢铁材料在焊接过程中的相变特征参数，优化焊接工艺以及研发新钢种提供基础。

Description

一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，尤其涉及一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法。
背景技术
相变研究是研发钢铁材料的基础，也是材料热加工工艺优化的关键，只有全面掌握、研究钢种在连续冷却过程中及等温过程中发生相变的特征参数,才能通过工艺改进获得性能优异的组织。最为普遍的测量钢中固态相变的方法之一是热膨胀法，其是通过测量相变发生时体积变化信号来确定相变点，主要用于测量连续冷却、加热及等温过程中的固态相变，该方法的实验条件范围广，升温速率和降温速率均较大，钢铁材料中的固态相变类型基本全部涵盖。
目前，研究钢铁材料的相变特征，普遍采用将钢铁材料以恒定的加热速度加热到一定温度，并在此温度下保温一段时间，然后以恒定的冷却速度进行冷却，同时获取不同冷速下的膨胀量以获取膨胀曲线，并利用切线法确定不同冷速下的相变点温度。
申请号为CN201710464662.8的中国专利申请公开了“一种测量抗大变形管线钢SH-CCT曲线的方法”，其采用的就是上述方法。然而，不是所有的加热和连续冷却过程的加热或冷却速度都是恒定的；例如焊接热循环工艺曲线中的冷却段，温度随着时间呈指数衰减的变化趋势，也就是说，在冷却过程中，冷却速度是随着时间的变化而变化的，研究人员基于实际焊接工艺过程的特点，建立了相应的焊接热循环模型。由于焊接时的冷却曲线呈指数衰减的变化趋势，促使膨胀曲线也呈现相似的变化趋势；此时难以用切线法分析所得的膨胀曲线来测定相变温度。
综上，需要研究一种适合于测定焊接热循环冷却过程中相变温度的方法。
发明内容
本发明提供了一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法，能够准确测定钢铁材料在焊接冷却过程中的相变温度，为掌握钢铁材料在焊接过程中的相变特征参数，优化焊接工艺以及研发新钢种提供基础。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法，包括如下步骤：
1)根据实际焊接工艺过程及实际焊接过程的温度曲线，结合材料的各项参数，包括密度、比热容、热导率、焊接能量输入以及预热温度，确定焊接热循环模型，用公式(1)表示：
T(y,t)＝f(A,B,C,…,t) (1)
式中，t为时间，T(y,t)为经过时间t之后的温度，A，B，C…为与工艺参数和材料相关的常数；
2)采用步骤1)所述焊接热循环模型进行焊接热循环工艺模拟，采集试验材料的温度和膨胀量，并根据采集的数据绘制膨胀量与时间关系曲线，两者关系用公式(2)表示：
E(D,t)＝g(t) (2)
式中，E(D,t)为膨胀量；
3)在步骤2)所述膨胀量与时间关系曲线中选择N个点(t1,g(t1))，(t2,g(t2))，…，这些点在发生相变前的那段曲线中选取；N根据公式(1)中的常数参数个数确定；将这N个点的坐标分别代入公式(3)和公式(4)，得到如下方程组：
g(t1)＝f(A',B',C',…,t1) (3)
g(t2)＝f(A',B',C',…,t2) (4)
……
解上述方程组，确定参数A'，B'，C'…；得到公式(5)
E'(D,t)＝f(A',B',C',…,t) (5)
公式(5)对应的曲线表示：假定材料在冷却过程中未发生相变时，随着温度的降低体积逐渐减小的变化曲线；即相变前膨胀曲线的计算值；
4)将公式(5)绘制成曲线，同时绘制公式(2)对应的膨胀量与时间关系曲线；由于2条曲线上有N个点是相同的，因此2条曲线在相变前的部分是重合的；当发生相变时，由公式(2)确定的膨胀量不再随着时间按照相变前的规律变化，膨胀曲线发生突变而与另一条曲线发生偏离；通过对比2条曲线，开始发生偏折的点即确定为相变开始点；然后根据步骤2)中采集的温度以及时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；
5)相变结束后，随着时间变化，膨胀量又与温度呈现出相同的变化趋势；同样在由公式(2)确定的曲线上，在相变结束后选取N个点，重复步骤3)将这N个点的坐标值进行处理，得到公式(6)：
E”(D,t)＝f(A”,B”,C”,…,t) (6)
式中，A”，B”，C”…为常数；
公式(6)对应的曲线为相变后膨胀曲线的计算值；通过对比公式(2)确定的曲线和公式(6)确定的曲线，找到两者的偏折点，该点即为相变的结束点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
根据焊接热循环过程的冷却特点，基于焊接热循环模型构造出未发生相变情况的膨胀量随时间的变化模型，绘制出相应的曲线，并通过将此曲线与实际得到的膨胀量随时间的变化曲线进行比较，可以准确地确定出发生相变的时刻，将此时刻与温度相对应，以准确找出相变温度，更利于掌握钢铁材料在焊接过程中的相变特征参数。
附图说明
图1是本发明实施例1中材料冷却过程中膨胀量与时间关系曲线。
图2是本发明实施例1中材料相变点的确定示意图。
图2中，1为计算得到的相变前膨胀曲线；2为计算得到的相变后膨胀曲线；3为相变结束点；4为相变开始点；5为实际的膨胀曲线。
图3是本发明实施例1中材料在冷却过程中的温度曲线。
图3中，6为相变开始对应的温度点；7为相变结束对应的温度点。
具体实施方式
本发明所述一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法，包括如下步骤：
1)根据实际焊接工艺过程及实际焊接过程的温度曲线，结合材料的各项参数，包括密度、比热容、热导率、焊接能量输入以及预热温度，确定焊接热循环模型，用公式(1)表示：
T(y,t)＝f(A,B,C,…,t) (1)
式中，t为时间，T(y,t)为经过时间t之后的温度，A，B，C…为与工艺参数和材料相关的常数；
2)采用步骤1)所述焊接热循环模型进行焊接热循环工艺模拟，采集试验材料的温度和膨胀量，并根据采集的数据绘制膨胀量与时间关系曲线，两者关系用公式(2)表示：
E(D,t)＝g(t) (2)
式中，E(D,t)为膨胀量；
3)在步骤2)所述膨胀量与时间关系曲线中选择N个点(t1,g(t1))，(t2,g(t2))，…，这些点在发生相变前的那段曲线中选取；N根据公式(1)中的常数参数个数确定；将这N个点的坐标分别代入公式(3)和公式(4)，得到如下方程组：
g(t1)＝f(A',B',C',…,t1) (3)
g(t2)＝f(A',B',C',…,t2) (4)
……
解上述方程组，确定参数A'，B'，C'…；得到公式(5)
E'(D,t)＝f(A',B',C',…,t) (5)
公式(5)对应的曲线表示：假定材料在冷却过程中未发生相变时，随着温度的降低体积逐渐减小的变化曲线；即相变前膨胀曲线的计算值；
4)将公式(5)绘制成曲线，同时绘制公式(2)对应的膨胀量与时间关系曲线；由于2条曲线上有N个点是相同的，因此2条曲线在相变前的部分是重合的；当发生相变时，由公式(2)确定的膨胀量不再随着时间按照相变前的规律变化，膨胀曲线发生突变而与另一条曲线发生偏离；通过对比2条曲线，开始发生偏折的点即确定为相变开始点；然后根据步骤2)中采集的温度以及时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；
5)相变结束后，随着时间变化，膨胀量又与温度呈现出相同的变化趋势；同样在由公式(2)确定的曲线上，在相变结束后选取N个点，重复步骤3)将这N个点的坐标值进行处理，得到公式(6)：
E”(D,t)＝f(A”,B”,C”,…,t) (6)
式中，A”，B”，C”…为常数；
公式(6)对应的曲线为相变后膨胀曲线的计算值；通过对比公式(2)确定的曲线和公式(6)确定的曲线，找到两者的偏折点，该点即为相变的结束点。
步骤1)中，所述焊接热循环模型根据实际焊接工艺过程采用现有的对应模型。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例1】
本实施例中，焊接热循环冷却过程中相变温度的测定过程如下：
1.实际焊接工艺过程为二维导热过程，选定二维雷卡林模型，该模型用如下公式表示：
式中，t为时间，单位s；E为输入的线能量，单位J/cm；δ为板厚，单位cm；ρ为密度，单位g/cm3；λ为热导率，单位W/(cm﹒℃)；c为热容，单位J/(g﹒℃)；r为某点离电弧中心线距离，单位cm。
公式(7)可以简化为：
公式(8)中，
本实施例所选材料常数：板厚δ为2cm，密度ρ为6.7g/cm3，热导率λ为0.29W/(cm﹒℃)，热容c为1J/(g﹒℃)。
当输入的线能量E为150KJ/cm时，经过计算得到A＝15980，B＝53。
2.采用公式(7)代表的模型进行焊接热循环工艺模拟过程，在此过程中采集温度和膨胀量，并根据采集的数据绘制膨胀量与时间关系曲线，如图1所示。
3.在步骤2所绘制时间与膨胀量的关系曲线中，选择两个点：(15，0.432)，(16，0.437)，将这两个点的坐标分别代入公式(8)得：
A'＝0.841，B'＝-10.336；
从而得到一个新的方程如公式(9)，该方程所对应的曲线为假定没有发生相变的膨胀曲线。
4.将步骤3中的公式(9)绘制成曲线，如图2所示曲线1；即假定材料在冷却过程中未发生相变时，随着温度的降低体积逐渐减小的变化曲线。同时将步骤2中膨胀量与时间关系曲线也绘制于其中，即图2所示曲线5。通过对比曲线1和曲线5，这2条曲线开始发生偏折时的偏折点即可确定为相变开始点4。然后，根据步骤2中采集的温度，时间与膨胀量的对应关系，可以找出发生相变时的温度，即图3曲线中6处的温度点。
5.采用与步骤3相同的方式，找出两点坐标后，得到对应曲线为假定没有发生相变的膨胀曲线方程，如图2中的曲线2；从图2可以看出曲线2与曲线5具有偏折点，即相变结束点3，该点对应图3中曲线7处的温度点，即为相变结束温度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种焊接热循环冷却过程中相变温度的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据实际焊接工艺过程及实际焊接过程的温度曲线，结合材料的各项参数，包括密度、比热容、热导率、焊接能量输入以及预热温度，确定焊接热循环模型；
实际焊接工艺过程为二维导热过程，选定二维雷卡林模型，该模型用如下公式表示：
式中，T(y,t)为经过时间t之后的温度；t为时间，单位s；E为输入的线能量，单位J/cm；δ为板厚，单位cm；ρ为密度，单位g/cm3；λ为热导率，单位W/(cm﹒℃)；c为热容，单位J/(g﹒℃)；r为某点离电弧中心线距离，单位cm；
公式(7)简化为：
公式(8)中，
2)采用步骤1)所述焊接热循环模型进行焊接热循环工艺模拟，采集试验材料的温度和膨胀量，并根据采集的数据绘制膨胀量与时间的关系曲线，两者关系用公式(2)表示：
E(D,t)＝g(t) (2)
式中，E(D,t)为膨胀量；
3)在步骤2)所述膨胀量与时间的关系曲线中选择N个点，这些点在发生相变前的那段曲线中选取；将这N个点的坐标分别代入公式(8)；
4)将代入公式(8)后的方程绘制成曲线，即假定材料在冷却过程中未发生相变时，随着温度的降低体积逐渐减小的变化曲线；同时绘制公式(2)对应的膨胀量与时间关系曲线；由于2条曲线上有N个点是相同的，因此2条曲线在相变前的部分是重合的；当发生相变时，由公式(2)确定的膨胀量不再随着时间按照相变前的规律变化，膨胀曲线发生突变而与另一条曲线发生偏离；通过对比2条曲线，开始发生偏折的点即确定为相变开始点；然后根据步骤2)中采集的温度以及时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；
5)相变结束后，随着时间变化，膨胀量又与温度呈现出相同的变化趋势；同样在由公式(2)确定的曲线上，在相变结束后选取N个点，重复步骤3)将这N个点的坐标值进行处理，得到对应曲线为假定没有发生相变的膨胀曲线方程；通过对比得到的对应曲线与曲线公式(2)确定的曲线，找到两者的偏折点，该点即为相变的结束点。
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