CN113702421B - 一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，包括：1)采用膨胀法测得材料的临界点；2)选定焊接热循环模型，绘制一系列冷却曲线图；3)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；4)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；5)将步骤3)与步骤4)中的2条曲线进行对比，偏折点即为相变点；6)将相变点标定在步骤2)的冷却速度曲线图中，将相同相变类型的相变起始点和结束点连接成线，即得到焊接连续冷却转变曲线。本发明能够准确地得到不同焊接工艺参数下的相变情况，测定出焊接连续冷却转变曲线，从而优化焊接工艺过程。

Description

一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法

技术领域

本发明涉及物理模拟试验技术领域，尤其涉及一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法。

背景技术

焊接热影响区是焊接接头性能最薄弱的环节，通过对焊接热影响区连续冷却曲线(SH-CCT)图的测定，可准确地反映出热影响区组织在连续冷却条件下的变化规律，从而为正确制定焊接工艺，以及避免热影响区缺陷的产生,提供有参考价值的理论依据。

目前，普遍采用的测定焊接热影响区连续冷却曲线图的方法是：将样品加热到热影响区温度，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”，通过模拟焊接工艺条件加热试样，采用CCT膨胀仪测定临界点Ac1和Ac3，并测定不同冷速下的膨胀曲线，利用切线法确定不同冷速下的相变点温度，采用金相法并辅以硬度法分析确定室温组织，最后绘制成完整的SH-CCT曲线。然而，实际焊接热循环曲线中的冷却段，温度随着时间的变化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。研究人员基于实际的焊接工艺过程，建立了相应的焊接热循环模型。由于冷却速度对材料的相变温度和最终的室温组织有着直接的关系，若仍采用恒定的冷却速度测定焊接热影响区连续冷却曲线的相变点，势必导致较大偏差，影响正确焊接工艺制定。

若要通过SH-CCT图来制定焊接工艺，还需结合焊接工艺参数如温度从800℃冷却至500℃的冷却时间t_8/5，或焊接输入线能量来确定冷却工艺过程，而不能采用恒定的冷却速度。因此，本发明提出一种建立相应SH-CCT图的方法以达到合理制定焊接工艺的目的。

发明内容

本发明提供了一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，根据焊接工艺的特征参数，确定连续冷却过程，直接获取焊接工艺特征参数与相变参数间的关系，准确地得到不同焊接工艺参数下的相变情况，测定出焊接连续冷却转变曲线，从而优化焊接工艺过程。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，包括如下步骤：

1)采用膨胀法测得材料的临界点，包括相变开始温度Ar3，相变结束温度Ar1；

2)选定焊接热循环模型，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…为与焊接工艺参数和材料相关的常数；

确定开始冷却温度T₀，且T₀＞Ar3，即确定出连续冷却过程的起始点；T₀确定方法如下：

按公式(1)计算时，作为与焊接工艺参数相关常数之一的焊接输入线能量选取最小值；然后将Ar3代入公式(1)后得到对应的时间t₁；求得的时间t₁有两个值，较大的一个t₁值为冷却过程中温度达到Ar3时所用时间，将该t₁值向前推移一个时间间隔t₂得到t₀，最后将t₀代回到公式(1)中，计算出的温度即为T₀；

由于在连续冷却转变图中只需示出起始点之后的部分，因此，将公式(1)转化为公式(2)：

T_(y,t)＝f(A,B,C,…,t+t₀) (2)

将与焊接工艺参数和材料相关的常数代入公式(2)，得到对应焊接工艺特征参数的一系列冷却曲线，将这些冷却曲线绘制在同一图中；

3)用步骤2)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，用公式(3)表示：

E_(D,t)＝g(t) (3)

式中，E_(D,t)为膨胀量；

4)在步骤3)绘制的膨胀量与温度关系曲线中，分别在发生相变前及发生相变后的曲线段上选取N个点，然后将这N个点的坐标分别代入到公式(1)中，求出与常数A，B，C…对应的A'，B'，C'，…，得到公式(4)；

E'_(D,t)＝f(A',B',C',…,t) (4)

式中，N根据公式(1)中常数参数的数量确定；公式(4)对应的曲线为：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；

5)将公式(4)绘制成曲线，同时绘制步骤3)中确定的膨胀量与时间关系曲线，对比2条曲线，则2条曲线开始发生偏折时的偏折点即为相变点；然后根据步骤3)中采集的温度、时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；2条曲线由分离开始又重新重合的点即为相变结束点；然后根据步骤3)中采集的温度、时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；

6)重复步骤3)～步骤5)，对在不同焊接工艺参数下获得的膨胀曲线进行分析，得到一系列的相变点；将这些相变点标定在步骤2)中的各个冷却速度曲线图中，最后将相同相变类型的相变起始点和结束点连接成线，即得到焊接连续冷却转变曲线。

所述步骤1)中，采用膨胀法测得材料的临界点，具体是将材料在奥氏体化温度下进行奥氏体化，然后缓慢冷却，并获取其在冷却过程中的膨胀曲线；应用切线法对膨胀曲线进行分析，得到临界相变温度Ar1、Ar3，其中Ar3对应相变开始温度，Ar1对应相变结束温度。

所述步骤2)中，根据实际焊接工艺过程，结合包括材料的密度、比热容、热导率，以及焊接输入线能量、预热温度和板厚在内的各顶参数，采用现有的模型进行计算，通过计算结果选定对应的焊接热循环模型。

所述步骤6)中，不同焊接工艺参数为焊接输入线能量或由800℃冷却到500℃时所用的时间即t_8/5。

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，选择适合的模型，并以此得到材料在试验的冷却曲线和相应的膨胀曲线；通过建模的方法得到未发生相变情况的膨胀量随时间的变化曲线，并将其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特征点，以此得到焊接连续冷却转变曲线，从而更准确指导焊接工艺。

附图说明

图1是本发明实施例1中焊接工艺过程不同冷却速度曲线图。

图2是本发明实施例1中实验钢的焊接连续冷却转变曲线图。

具体实施方式

本发明所述一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，包括如下步骤：

1)采用膨胀法测得材料的临界点，包括相变开始温度Ar3，相变结束温度Ar1；

2)选定焊接热循环模型，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…为与焊接工艺参数和材料相关的常数；

确定开始冷却温度T₀，且T₀＞Ar3，即确定出连续冷却过程的起始点；T₀确定方法如下：

按公式(1)计算时，作为与焊接工艺参数相关常数之一的焊接输入线能量选取最小值；然后将Ar3代入公式(1)后得到对应的时间t₁；求得的时间t₁有两个值，较大的一个t₁值为冷却过程中温度达到Ar3时所用时间，将该t₁值向前推移一个时间间隔t₂得到t₀，最后将t₀代回到公式(1)中，计算出的温度即为T₀；

由于在连续冷却转变图中只需示出起始点之后的部分，因此，将公式(1)转化为公式(2)：

T_(y,t)＝f(A,B,C,…,t+t₀) (2)

将与焊接工艺参数和材料相关的常数代入公式(2)，得到对应焊接工艺特征参数的一系列冷却曲线，将这些冷却曲线绘制在同一图中；

3)用步骤2)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，用公式(3)表示：

E_(D,t)＝g(t) (3)

式中，E_(D,t)为膨胀量；

4)在步骤3)绘制的膨胀量与温度关系曲线中，分别在发生相变前及发生相变后的曲线段上选取N个点，然后将这N个点的坐标分别代入到公式(1)中，求出与常数A，B，C…对应的A'，B'，C'，…，得到公式(4)；

E'_(D,t)＝f(A',B',C',…,t) (4)

式中，N根据公式(1)中常数参数的数量确定；公式(4)对应的曲线为：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；

5)将公式(4)绘制成曲线，同时绘制步骤3)中确定的膨胀量与时间关系曲线，对比2条曲线，则2条曲线开始发生偏折时的偏折点即为相变点；然后根据步骤3)中采集的温度、时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；2条曲线由分离开始又重新重合的点即为相变结束点；然后根据步骤3)中采集的温度、时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；

6)重复步骤3)～步骤5)，对在不同焊接工艺参数下获得的膨胀曲线进行分析，得到一系列的相变点；将这些相变点标定在步骤2)中的各个冷却速度曲线图中，最后将相同相变类型的相变起始点和结束点连接成线，即得到焊接连续冷却转变曲线。

所述步骤1)中，采用膨胀法测得材料的临界点，具体是将材料在奥氏体化温度下进行奥氏体化，然后缓慢冷却，并获取其在冷却过程中的膨胀曲线；应用切线法对膨胀曲线进行分析，得到临界相变温度Ar1、Ar3，其中Ar3对应相变开始温度，Ar1对应相变结束温度。

所述步骤2)中，根据实际焊接工艺过程，结合包括材料的密度、比热容、热导率，以及焊接输入线能量、预热温度和板厚在内的各顶参数，采用现有的模型进行计算，通过计算结果选定对应的焊接热循环模型。

所述步骤6)中，不同焊接工艺参数为焊接输入线能量或由800℃冷却到500℃时所用的时间即t_8/5。

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】

本实施例中，焊接连续冷却转变曲线的测量过程如下：

1、选用实验材料为一种低碳微合金钢，采用膨胀法测定其临界点，具体过程为：应用热力模拟试验机将实验材料在真空状态下快速加热至400℃，然后以每小时200℃的速率加热至奥氏体化温度950℃，在该温度下保温10分钟，再缓慢冷却至室温，冷却速度为每小时200℃，在此过程中获取相应的膨胀曲线。应用切线法对膨胀曲线进行分析，得到临界相变温度，分别记为Ar1＝628℃，Ar3＝752℃；

2、根据实际焊接工艺过程为薄板焊接，热流为二维导热的情况，选定二维雷卡林模型焊接热循环模型，该模型用公式(5)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为比热容，单位J/(g﹒℃)；r为某点离电弧中心线距离，单位cm。

公式(5)可以简化为公式(6)：

式中，

所选材料的常数：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·℃)。

选取冷却时间t_8/5，本实施例中，t_8/5为温度由800℃冷却至500℃时所需要的时间。选择所研究的最短冷却时间t_8/5＝6s对应的焊接线能量E＝20.75KJ/cm，预热温度为20℃。

将步骤1中确定的Ar3＝752℃代入到公式(6)中，得到t₁＝9.8s，由此时间向前推移t₂＝2.8s，得t₀＝7s，代回到公式(6)，得到T₀＝1285℃。

选择不同的焊接线能量E时，对应不同的冷却时间t_8/5，采用公式(6)可以绘制不同的冷却曲线，将这些曲线绘制在同一温度-时间半对数坐标系中，如图1所示。

3、将材料常数和相应的焊接线能量等工艺参数输入到热力模拟试验机的程序控制软件中，设定采集参量膨胀量、温度以及时间等信息，并选择合适的采集频率，实验结束后得到与焊接线能量对应的膨胀曲线。

4、在步骤3中的膨胀曲线上可以分辨出发生相变的区域和未发生相变区域，在未发生相变的区域选取两个点，然后通过公式(6)进行拟合，得到与步骤3中的膨胀曲线对应的曲线，该曲线即为假定焊接过程中没有发生相变时的膨胀曲线。

通过与实际发生相变的膨胀曲线对比，确定出不同参数条件下的相变温度，参数可以选择焊接输入线能量或冷却时间t_8/5，表1列出了实验材料在选定不同的冷却时间t_8/5时对应的各个相变温度。

表1实验材料的相变温度

5、将表1中的各个相变温度点，对应地标定在步骤2绘制的各个参数下的冷却曲线图中，然后将所发生的铁素体相变开始点和相变结束点连接起来形成铁素体相变区，再将所发生的贝氏体相变开始点和相变结束点连接起来形成贝氏体相变区，即得到了实验材料的焊接连续冷却曲线，如图2所示。

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 (4)

1.一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用膨胀法测得材料的临界点，包括相变开始温度Ar3，相变结束温度Ar1；

2)选定焊接热循环模型，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…为与焊接工艺参数和材料相关的常数；

确定开始冷却温度T₀，且T₀＞Ar3，即确定出连续冷却过程的起始点；T₀确定方法如下：

按公式(1)计算时，作为与焊接工艺参数相关常数之一的焊接输入线能量选取最小值；然后将Ar3代入公式(1)后得到对应的时间t₁；求得的时间t₁有两个值，较大的一个t₁值为冷却过程中温度达到Ar3时所用时间，将该t₁值向前推移一个时间间隔t₂得到t₀，最后将t₀代回到公式(1)中，计算出的温度即为T₀；

由于在连续冷却转变图中只需示出起始点之后的部分，因此，将公式(1)转化为公式(2)：

T_(y,t)＝f(A,B,C,…,t+t₀) (2)

将与焊接工艺参数和材料相关的常数代入公式(2)，得到对应焊接工艺特征参数的一系列冷却曲线，将这些冷却曲线绘制在同一图中；

3)用步骤2)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，用公式(3)表示：

E_(D,t)＝g(t) (3)

式中，E_(D,t)为膨胀量；

4)在步骤3)绘制的膨胀量与温度关系曲线中，分别在发生相变前及发生相变后的曲线段上选取N个点，然后将这N个点的坐标分别代入到公式(1)中，求出与常数A，B，C…对应的A'，B'，C'，…，得到公式(4)；

E'_(D,t)＝f(A',B',C',…,t) (4)

式中，N根据公式(1)中常数参数的数量确定；公式(4)对应的曲线为：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；

5)将公式(4)绘制成曲线，同时绘制步骤3)中确定的膨胀量与时间关系曲线，对比2条曲线，则2条曲线开始发生偏折时的偏折点即为相变点；然后根据步骤3)中采集的温度、时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；2条曲线由分离开始又重新重合的点即为相变结束点；然后根据步骤3)中采集的温度、时间与膨胀量的对应关系，确定发生相变时的温度；

6)重复步骤3)～步骤5)，对在不同焊接工艺参数下获得的膨胀曲线进行分析，得到一系列的相变点；将这些相变点标定在步骤2)中的各个冷却速度曲线图中，最后将相同相变类型的相变起始点和结束点连接成线，即得到焊接连续冷却转变曲线。

2.根据权利要求1所述的一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用膨胀法测得材料的临界点，具体是将材料在奥氏体化温度下进行奥氏体化，然后缓慢冷却，并获取其在冷却过程中的膨胀曲线；应用切线法对膨胀曲线进行分析，得到临界相变温度Ar1、Ar3，其中Ar3对应相变开始温度，Ar1对应相变结束温度。

3.根据权利要求1所述的一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据实际焊接工艺过程，结合包括材料的密度、比热容、热导率，以及焊接输入线能量、预热温度和板厚在内的各顶参数，采用现有的模型进行计算，通过计算结果选定对应的焊接热循环模型。

4.根据权利要求1所述的一种焊接连续冷却转变曲线的测量方法，其特征在于，所述步骤6)中，不同焊接工艺参数为焊接输入线能量或由800℃冷却到500℃时所用的时间即t_8/5。