[发明专利]一种预测大型管道焊接热循环参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种预测热循环参数的方法，尤其涉及一种利用数值模拟技术预测大型结构件焊接热循环参数的方法。

背景技术

焊接过程是一个特殊的局部加热和冷却过程，且热影响区的粗晶区处在过热状态，奥氏体晶粒因加热而严重长大，冷却后便产生复杂粗大的组织，韧性很低，过热粗晶区通常成为力学性能薄弱区，是催化和裂纹的发生地。因此，准确地测量焊接热影响区热循环曲线，是调整和控制焊接工艺参数以及研究金属焊接组织变化对性能影响的前提，也是进一步深入探讨相关理论的基础。

在生产领域，大型管道多由焊接方法成型。在焊接过程中，焊接加热和冷却对大型管道焊接热影响区组织和性能的影响很大，因此大型管道热影响区的热循环参数测量越来越受到重视。但是，由于生产实际的限制，准确测量其热影响区焊接热循环曲线需要耗费大量的人力物力。目前尚无针对大型管道焊接热影响区热循环测量简易成型的方法。

近年来随着计算机技术及有限元数值模拟技术的飞速发展，为采用工艺试验与理论数值模拟技术结合方式实现焊接工艺过程定量分析计算及预测提供强有力手段。

发明内容

针对上述现有技术，为了精确的获得大型管道焊接热影响区热循环曲线,解决大型管道热影响区焊接热循环参数测量成本太高的问题，本发明提出了一种预测大型管道焊接热循环参数的方法。采用建立在少量工艺试验基础上的计算机数值模拟技术，实现对大型管道过程中热影响区焊接热循环定量分析与模拟，不仅可以优化管道结构设计和工艺设计，而且能极大减少焊接工艺试验工作量和降低新产品开发成本，极大提高提生产效率，对生产高强度、高韧性、高可靠性及高适应性管道焊接具有极为重要的指导意义。

为了解决上述技术问题，本发明一种预测大型管道焊接热循环参数的方法包括以下步骤：

步骤一、确定大型管道的焊接条件，包括：环境温度，焊接工艺，管道壁厚，坡口形式，管道直径，管道材质，埋弧焊焊剂铺盖宽度；

步骤二、根据上述焊接条件选取平板状的测温板试样，并根据实验条件确定测温板试样的长度和宽度；

步骤三、对测温板试样进行焊接，并采用热电偶背面打孔方式对测温板试样焊接过程中热影响区进行测温，并记录测温位置和测温结果，整理后提取焊接热影响区不同位置焊接热循环参数；

步骤四、利用网格划分软件Visual mesh分别针对测温板试样和大型管道进行建模和网格划分，采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格，其中，对焊缝及距离焊缝边缘5mm内区域网格划分的单元长度设置为1mm，对距离焊缝边缘大于5mm外网格划分的单元长度的确定是：与焊缝边缘的距离每增大100mm，其网格划分的单元长度随之增大2mm；大型管道模型和测温板试样模型的大小分别与大型管道和测温板试样的几何参数相同；

步骤五、初步确定测温板试样模型热学边界条件、散热边界条件和装卡边界条件：

设定测温板试样模型的热学边界条件：大型管道的焊接过程有气保焊和埋弧焊两种焊接方式，首先施加气保焊，之后施加埋弧焊；利用焊接用有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核，在数值模拟中，采用双椭球形热源分布函数，并以双椭球形热源模型作为热学边界条件；

设定测温板模型的散热边界条件：焊件的热学边界与外界存在温度差因而与周围介质换热，包括对流换热和辐射换热，其中，埋弧焊作用区域的对流换热系数为2～3W/m²°C，未铺盖埋弧焊剂区域的对流换热系数为25W/m²°C；

设定测温板试样模型的装卡边界条件：在测温板试样模型的端面选取不在一条直线上三点，分别记为点1、点2、点3，其中，对点1施加X，Y，Z方向约束，对点2施加X，Z方向约束；对点3施加Y方向约束；

步骤六、计算测温板试样模型温度场，提取其热影响区不同位置处焊接热循环参数；

步骤七、将步骤六首次得到的测温板试样模型热影响区不同位置处模拟热循环参数和步骤三得到的测试板试样实际焊接过程中热影响区不同位置焊接热循环参数进行比对，若比对结果为测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%，则记录上述模拟过程中测温板试样模型的热学边界条件、散热边界条件、装卡边界条件，否则，对热源参数及埋弧焊焊剂与大气对流换热系数进行微调后，返回步骤五，直到测温板试样模型热影响区模拟热循环参数与实测测温板试样热循环参数误差小于10%为止；