一种基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法，包括：确定钢管焊接各项条件；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；根据实际焊接参数对热源进行校核；通过数值模拟软件Sysweld进行仿真；焊接仿真后分析焊缝的残余应力场与温度场的分布；根据均匀试验的实验原理，使试验点在试验范围内充分地均匀分散，确定最简化试验方案；在Sysweld仿真中模拟不同参数下的焊接过程，利用MATLAB进行数据分析，得到最优的工艺条件。利用数值模拟和数据分析的技术，避免了大量试验工件的浪费，减少了参数优化的工作量，提高了优化效率，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。
【专利说明】
一种基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法。
【背景技术】
[0002] 焊接参数对钢管焊接尤为重要，直接决定焊接质量，因此在焊接前需要对焊接参 数进行优选。目前，优化钢管焊接参数方法是通过进行大量的工件试验，对单一参数在以往 经验的基础上进行不断的调整，直到筛选出较为合适的参数为止，试验过程需要消耗大量 的工件，试验成本较高，工作量也较大，同时也无法确定各参数之间的交互影响，影响整体 焊接质量。
[0003] 有鉴于此，需要发明一种成本低廉、操作简单、高效全面的基于数值模拟与数据分 析的优化钢管焊接参数方法，代替以往以物理试件测试为主的优化方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种操作简单、成本低廉、高效全面 的基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
[0006] -种基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法，其关键技术在于，其包 括如下步骤：
[0007] 步骤一、确定钢管焊接条件，包括:环境温度，焊接工艺，钢管壁厚，坡口形式，钢管 直径和钢管材质等；
[0008] 步骤二、根据实际焊件的结构尺寸在Visual-Environment中建立有限元模型，并 采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格；
[0009] 步骤三、根据实际中的焊接工艺与焊接对象对热源进行校核；
[0010] 步骤四、通过软件Sysweld进行焊接仿真；
[0011]步骤五、焊接模拟后先与实际的试件进行比对确保模拟的准确性，再分析焊缝的 残余应力场与温度场的分布；
[0012] 步骤六、根据均匀试验的实验原理，选择影响焊接结果的若干主要因素，并确定它 们的变化范围，选择均匀设计表及表头设计，最后确定最简化试验方案；
[0013] 步骤七、在Sysweld仿真中模拟不同试验参数下的焊接过程，记录不同实验条件下 焊缝中Mises残余应力的最大值与冷却后热影响区的显微组织组成；
[0014] 步骤八、利用MATLAB对得到的数据进行数据分析，最终得到最优的工艺条件。
[0015] 进一步的，还包括步骤九、应用于实物焊接试件，验证结果的准确性。
[0016] 与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
[0017] 本发明提出的焊接工艺参数优化方法通过利用数值模拟和数据分析相结合的技 术，避免了大量试验工件的浪费，减少了焊接参数优化的工作量，降低了试验成本，通过本 方法筛选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】
[0018] 附图1为实施例1焊接接头的示意图；
[0019] 附图2为实施例1建立的有限元模型；
[0020] 附图3为实施例1 60S、70s、140s以及焊后去掉装夹时刻的等效应力场计算结果 (Von Mises应力结果）；
[0021 ]附图4为实施例1焊完之后的残余应力分析计算结果图；
【具体实施方式】
[0022]以下结合【具体实施方式】对本发明进行进一步详细的叙述。
[0023] 实施例1
[0024]步骤一：记录P91高温主蒸汽管道的焊接条件：规格为333mm X 30mm，管道直径为 333mm，管壁厚为SOmnuPgi钢是中合金耐热钢，具有良好的抗氧化性，较好的耐高温强度和 耐硫化氢腐蚀性以及具有较好的冷变形性能。由于其良好的综合性能，在火电站建设中得 到了广泛的应用，其使用温度在500 °C~600 °C左右。该钢种已列入ASEM和JIS标准中。
[0025] P91钢焊接分析：钢的焊接与钢材的化学成分、钢的常温力学性能及物理特性有 关。通过表1和表2可以更加清楚P91的特性。
[0026] 表1 P91钢的化学成分(Wt%)
[0027]
[0028] 表2 P91钢的常温力学性能
[0029]
[0030] 步骤二:根据实际焊件的结构尺寸在Visual-Environment中建立有限元模型，并 采用八节点六面体单元划分三维有限元模型网格；
[0031] 步骤三:根据实际中的焊接工艺与焊接对象对热源进行校核
[0032] 焊接工艺如下：焊丝为ER90S-B9，焊丝直径2.5mm，焊条为E9015-B9，焊条直径 3.2mm，其化学成分见表3。
[0033] 表3焊丝ER90S-B9、焊条E9015-B9的化学成分(质量分数）
[0034]
[0035]整个焊接过程分14道完成。焊接过程中层间温度控制在200~300°C，焊接接头如 图1所示，焊接工艺参数如表4:
[0036] 表4焊接工艺参数
[0037]
[0038] 本实验中热源模型选取的是双椭球热源模型，并将之用以实现对数值的模拟计 算。
[0039] 步骤四、通过软件Sysweld进行焊接仿真；
[0040]焊接仿真是基于专用焊接数值模拟软件Sysweld完成，对所给管焊接模型在给定 焊接参数下进行焊接过程仿真，对计算结果进行焊接温度场、变形和应力场分析，计算网格 模型如图2所示，根据热影响区和远离热影响区的温度梯度不同，在近焊缝区网格数量画的 密一些，在远离焊缝区网格数量画的稀疏一些。
[0041]步骤五、焊接模拟后先与实际的试件进行比对确保模拟的准确性，再分析焊缝的 残余应力场与温度场的分布；
[0042]首先在仿真模拟焊接后和试件实际焊接过程和结果进行比对分析，确保模拟的准 确性，本实验中热源模型选取的是双椭球热源模型，并将之用以实现对数值的模拟计算，其 数学表达式如下：
[0043]前半椭球热流分布：
[0044]
[0045] 后半椭球热流分布：
[0046]
[0047] 式中：q-热通量，J/m2s;
[0048] X，y，z-相对于热源中心的坐标；；
[0049] Q1，Q2-热源前半球和后半球的能量密度，J/m3;
[0050] al，a2，b，c一与熔池相关的参数。
[00511 rl、r2为模型前后部分能量系数且rl+r2 = 2。
[0052]通过对双椭球热源模型系统分析可知，最关键的工作在于明确两大类参数，第一 类被称之为形状参数，包括al，a2，b，c等，这类参数在熔池凝固后通过测量焊缝的宽度(b)、 深度(c)、熔池末端弧坑的形状参数(al，a2)来确定。第二类被称之为无法测量的参数，主要 是Q1与Q2这两个用来表征能量密度的参数。在既知形状参数的条件下，将Q1视作变量X，同 时将Q1、Q2之比视作常量y，接下来利用上述公式对热源加热区一系列关键点的热通量q值 予以准确计算，对这些值做累加处理，并与试验操作期间所选择的线能量予以对比，计算出 变量X的大小，接下来进入到再次计算环节，经由数值计算得到的熔池形状和通过试验得到 的具体结果放在一起进行比较。若属于不吻合情形，则要基于常量y的大小予以必要调整， 然后再进行相关计算，直至满足两者相符的条件为止，当各项参数进入到一种基本合适的 状态后，接下来应对焊接热循环展开反复多次的核对，同时对一系列参数做必要调整。
[0053] 将校正后热源模型所形成的熔池与实际焊接过程中熔池形状对比，若校得的每一 层的热源熔池形状与实际焊接所形成的熔池基本吻合，则用该组热源模型可以很好的对管 道焊接过程进行数值模拟，从而得到准确的温度场和应力-应变结果。
[0054] 试验中的评定指标为Von Mises残余应力的最大值。Von Mises是一种屈服准则， 屈服准则的值我们通常叫等效应力，它遵循材料力学第四强度理论。Von Mises应力是从形 状改变比能的角度来衡量，即认为当材料的形状改变比能达到某一值时，材料屈服。应力求 解完毕以后，可以通过后处理模块读取每个时间载荷步的结果，可以得到每个载荷步的应 力分布情况，图3分别为60s、70s、140s以及焊后去掉装夹等时刻的等效应力场计算结果 (Von Mises应力结果）。这组图显示了焊接过程中不同加热时刻和冷却时刻的等效应力的 动态变化情况。可以发现随着时间的增加，焊接残余应力首先出现在近焊缝区，残余应力沿 着焊缝方向呈对称分布，同时可以发现在焊缝区金属熔化，因此开始时焊缝区的残余应力 为0,近焊缝区金属收到热膨胀，表现出较大的残余应力。离焊缝较远处温度较低，产生的残 余应力相对较小，在装夹的位置由于焊接热变形收到限制，装夹位置出现局部残余应力，焊 接完成后冷却到室温，焊接残余应力主要集中在焊缝区、近焊缝区和装置位置，最大残余应 力为700 · 2MPa，呈对称分布。
[0055] 步骤六、根据均匀试验的实验原理，选择影响焊接结果的若干主要因素，并确定它 们的变化范围，选择均匀设计表及表头设计，最后确定最简化试验方案。
[0056] 本实施例中，以SMAW焊接为研究对象。由于焊接电流、电弧电压、焊接速度和坡口 间隙对焊接过程的热输入有着重要的影响，因此对焊接残余应力也会有很大的影响，故选 用这四个因素作为研究对象。根据均匀试验设计，选用U 1Q(108)表设计试验方案，共需要10 次数值模拟试验。均匀试验设计因素水平如表5所示。
[0057]表5均匀试验设计因素水平
[0058]
[0059] 步骤七、在Sysweld仿真中模拟表5中10组不同试验参数下的焊接过程，记录不同 实验条件下焊缝中Mises残余应力的最大值与冷却后热影响区的显微组织组成。
[0060] 步骤八、利用MATLAB对得到的数据进行数据分析，最终得到最优的工艺条件。
[0061] 根据十组试验得到的Mises残余应力的最大值，并通过MATLAB的数据分析得出最 优参数为各因素的分别为焊接速度v = 148mm/min，电弧电压U = 20V，焊接电流I = 140A，坡 口间隙L = 4mm。
[0062]为了对优化结果进行验证，对最优焊接工艺进行了焊接残余应力分析。焊接工艺 条件为焊接速度v = 148mm/min,电弧电压U = 20V,焊接电流I = 140A,坡口间隙L = 4mm。计算 结果如图4所示。其中〇y代表高温管道轴向焊接残余应力，ox代表高温管道环向焊接残余应 力，单位为MPa。由最优组合焊接工艺残余应力分析结果看出，评定指标Mises残余应力的最 大值为515. IMPa，明显的小于分析表中十组试验所测得的应力值。
[0063]步骤九、应用于实物焊接试件，经过验证，实际试件Mises残余应力的最大值为 509.6MPa表明本试验设计方法所得到优化焊接工艺结果是正确和有效的。
[0064]以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对 于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而 易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法，其特征在于，其包括如下 步骤： 步骤一、确定钢管焊接条件，包括:环境温度，焊接工艺，钢管壁厚，坡口形式，钢管直径 和钢管材质等； 步骤二、根据实际焊件的结构尺寸在Visual-Environment中建立有限元模型，并采用 八节点六面体单元划分三维有限元模型网格； 步骤三、根据实际中的焊接工艺与焊接对象对热源进行校核； 步骤四、通过软件Sysweld进行焊接仿真； 步骤五、焊接模拟后先与实际的试件进行比对确保模拟的准确性，再分析焊缝的残余 应力场与温度场的分布； 步骤六、根据均匀试验的实验原理，选择影响焊接结果的若干主要因素，并确定它们的 变化范围，选择均匀设计表及表头设计，最后确定最简化试验方案； 步骤七、在Sysweld仿真中模拟不同试验参数下的焊接过程，记录不同实验条件下焊缝 中Mises残余应力的最大值与冷却后热影响区的显微组织组成； 步骤八、利用MATLAB对得到的数据进行数据分析，最终得到最优的工艺条件。2. 根据权利要求1所述的一种基于数值模拟与数据分析的优化钢管焊接参数方法，其 特征在于，还包括步骤九应用于实物焊接试件，验证结果的准确性。
【文档编号】G06F17/50GK105975708SQ201610321963
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】缪泽宇, 孔凡玉, 尹香琴
【申请人】中国计量大学