一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法技术

本发明专利技术涉及一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法，包括如下步骤：（1）在Pro/Engineer中建立电熔管件与管子配合的三维结构模型；（2）将三维结构模型导入ANSYS WORKBENCH中，建立电‑热‑力多物理场耦合模型；（3）设定相关材料的热性能参数、力学参数和电学参数（4）初步确定PE电熔管件焊接电压；（5）根据步骤（4）中确定的焊接电压及实际情况设定模型电场、温度场、力场载荷；（6）设定模型网格的划分类型及网格尺寸，然后划分网格；（7）设定载荷加载时间及步长，求解；（8）提取求解结果并确定焊接工艺参数。本发明专利技术提高了判断焊接程度的准确性，保证PE电熔管件与管子接头处的焊接质量，提高制定电熔管件焊接工艺参数的准确性，降低焊接过程的能源浪费。

Method for preparing welding parameters of PE electric melting pipe fittings

The present invention relates to a PE electric melting pipe welding parameter setting method, which comprises the following steps: (1) establish the three-dimensional structure model of electric melting pipe and pipe with Pro/Engineer; (2) the three-dimensional model into ANSYS WORKBENCH, set up electric thermal stress physical field coupling model (; 3) set the thermal performance parameters, mechanical parameters and electrical parameters (4) preliminary determination of PE electric melting pipe welding voltage; (5) according to the step (4) to determine the actual situation of welding voltage and electric field, setting temperature field, stress field model of load; (6) types of grid size and setting model the grid, then divide the grid; (7) setting load and time step solution; (8) the extraction results and determine the welding process parameters. The invention improves the accuracy of judging the degree of welding, ensure the welding quality of PE electric melting pipe and pipe joints, improve the accuracy of the electric welding process parameters for pipe welding process, reduce the waste of energy.

【技术实现步骤摘要】
一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法
本专利技术涉及一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法。
技术介绍
PE电熔管件的主体是聚乙烯材料套筒，在套筒内壁嵌有螺旋缠绕的电阻丝，电阻丝两端接有接线柱，伸出套筒两接线端用于电熔焊机接入。电熔焊接是指将需焊接的两管端插入电熔管件中并紧密配合，使用电熔焊机对电熔管件两接线柱进行通电，致使电阻丝产生焦耳效应，调节通电时间积累热量，使温度达到聚乙烯管材熔点，管子外壁及管件内壁熔化膨胀，由于管子和管件间的压力致使熔化区相互融合，停止通电逐渐冷却后，管子就通过管件连接在一起了。电熔焊接是PE管道连接的主要方式。现有电熔管件焊接工艺参数的制定主要有两种方式：第一种是通过焊接试验确定，即通过尝试不同的焊接工艺参数搭配进行试验，然后对每种搭配方式焊接结果进行接头处剥离实验以检验焊接质量，从而选取效果最好的焊接参数。这种方法的缺点在于耗费试验材料、试验周期长、耗费人力。第二种方式是根据材料的热性能参数，利用数值分析或有限元模型仿真出焊接过程中的电熔焊接组件内部温度场情况，根据判断内部温度是否达到经验焊接要求来确定焊接工艺参数，如专利CN201310749560.2。这种方法节省了人力财力时间，但仅通过温度场来判断焊接进程，无法判断由于局部并丝造成温度快速升高而提前达到焊接温度情况或过焊等情况，且实际焊接施工时，经常有用同种型号管件配合不同型号管子进行焊接的情况，仅凭判断温度场是否达到熔化标准在不同间隙配合的焊接情况下不能判定管件与管子的熔浆是否融合，判断因素单一，导致判断结果准确性大大降低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法，该方法通过建立电熔管件、管子配合3D模型，使用ANSYS软件对配合模型进行电-热-力多物理场耦合仿真，综合分析电熔管件焊接过程中电热转化输出、接头处温度场、焊接区域径向形变量来制定PE电熔管件焊接工艺参数。为了实现上述本专利技术目的，本专利技术的技术方案是：一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法，包括顺序相接的以下步骤：（1）在Pro/Engineer中建立电熔管件与管子配合的三维结构模型；（2）将三维结构模型导入ANSYSWORKBENCH中，建立电-热-力多物理场耦合模型；（3）设定相关材料的热性能参数、力学参数和电学参数，其中热性能参数包括导热率、密度、比热容、热膨胀系数，力学参数包括泊松比、杨氏模量，电学参数包括电阻率；（4）初步确定PE电熔管件的焊接电压；（5）根据步骤（4）中确定的焊接电压设定电熔管件中电阻丝的通电载荷，设定管件外表面与管子内表面的对流系数，设定PE材料的相变焓，设定管件与管子的对称受力约束；（6）设定模型网格的划分类型及网格尺寸，然后划分网格；（7）设定载荷加载时间及步长，求解；（8）提取求解结果并确定焊接工艺参数。作为优选，步骤（4）中，确定PE电熔管件的焊接电压的方法为：根据管件型号使用行业内惯用恒压焊接电压，通常为39.5V。作为优选，PE电熔管件的相变温度为132℃，步骤（5）添加相变焓值载荷的方法为APDL编程，确定焓值的方法为：提出在PE固态温度130℃~液态温度135℃间定义5℃的相变区间，焓值计算公式为：其中H为热焓，单位为J，T为温度，单位为℃，ρ为密度，单位为kg/m3，Tr为参考温度，单位为℃，C为比热容，单位为J/（kg·℃）。作为优选，步骤（2）中多物理场耦合顺序为：首先利用ANSYSWORKBENCH中电学模块求取电阻丝发热体积功率，然后将电学结果导入热学模块作为载荷条件求解温度场模型，最后将温度场结果导入结构力学模块作为载荷条件求解力学模型。作为优选，PE管件焊接温度为160℃~250℃，熔接深度为1.5mm~2mm，对步骤（8）提取的求解结果进行分析，当电熔管件熔接区域温度落在160℃~250℃范围内，且管件径向形变达到1.5mm~2mm，确定模型仿真时间即为焊接所需时间，否则重新调整焊接工艺参数继续进行仿真求解。采用上述技术方案后，本专利技术的效果是：本专利技术首先建立电熔管件与管子接头处的三维简化模型，然后使用ANSYS软件进行电-热-力多物理场耦合模型，设定焊接电压后仿真分析电熔管件焊接过程中电热转化输出、接头处温度场、焊接区域径向形变量来制定PE电熔管件焊接工艺参数，不仅提高了判断焊接程度的准确性，保证PE电熔管件与管子接头处的焊接质量，还提高制定电熔管件焊接工艺参数的准确性，降低焊接过程的能源浪费，有效减少冷焊和过焊的发生。附图说明下面结合附图和仿真实例对本专利技术进一步说明。图1是PE材料的比热容随温度变化图。图2是PE材料的导热率随温度变化图。图3是PE材料的热膨胀系数随温度变化图。图4是PE材料的杨氏模量随温度变化图。图5是PE材料的泊松比随温度变化图。图6是对电熔管件、管子简化后的造型图：1：管件，2：电阻丝，3：管子。图7是图6的网格划分。图8是电熔管件、管子焊接过程温度仿真梯度图：图中标记为等温线温度值，单位℃。图9是电熔管件、管子焊接过程径向形变图。图中标记：4-径向形变等值线。图10是电熔管件、管子焊接过程温度与径向形变复合数值曲线图。具体实施方式下面通过具体仿真实例对本专利技术作进一步的详细描述。（1）本实例以dn400（SDR17）直通型电熔管件为例，在Pro/Engineer中建立电熔管件1、电阻丝2、管子3配合的三维结构模型，为简化模型，根据对称性只建立一侧接头处的1/6圆周结构，造型如图6。（2）将三维结构模型导入ANSYSWORKBENCH中，建立电-热-力多物理场耦合模型，多物理场耦合顺序为：首先利用ANSYSWORKBENCH中电学模块求取电阻丝发热体积功率，然后将电学结果导入热学模块作为载荷条件求解温度场模型，最后将温度场结果导入结构力学模块作为载荷条件求解力学模型。（3）设定相关材料的热性能参数、力学参数和电学参数，其中热性能参数包括导热率、密度、比热容、热膨胀系数，力学参数包括泊松比、杨氏模量，电学参数包括电阻率；材料物理性能参数通过材料相关实验获得，本实例中材料主要有H65铜丝和PE100聚乙烯，其中H65密度为8470kg/m3，比热容为385J/(kg·℃)，导热率为116.7W/(m·℃)，电阻率为0.076μΩ·m，PE100密度为960kg/m3，PE100的其它性能参数随时间变化，如附图1-5所示。（4）根据电熔管件具体型号设置初始焊接电压，本实例dn400（SDR17）直通型电熔管件焊接电压为39.5V，焊接时间为2040秒。（5）根据步骤（4）中确定的焊接电压设定电熔管件中电阻丝的通电载荷，设定管件外表面与管子内表面的对流系数，设定PE材料的相变焓，设定管件与管子的对称受力约束；其中管件1外表面对流系数为12W/m2·℃，管子3内表面对流系数为8W/m2·℃，PE材料相变焓由APDL编程赋值，管件1、电阻丝2，管子3所有由于模型简化而产生的界面全部设定为对称受力约束。（6）设定模型网格的划分类型及网格尺寸，然后划分网格；首先对三维模型进行自动网格划分，然后对管件1内表面、管子3外表面进行网格尺寸进行细化，这两个面单元格尺寸至少细化为为螺距的1/3，网格划分图如图7。（7）设定载荷加载时间及步长，求解；仿真本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法，其特征在于：包括顺序相接的以下步骤：（1）在Pro/Engineer中建立电熔管件与管子配合的三维结构模型；（2）将三维结构模型导入ANSYS WORKBENCH中，建立电‑热‑力多物理场耦合模型；（3）设定相关材料的热性能参数、力学参数和电学参数，其中热性能参数包括导热率、密度、比热容、热膨胀系数，力学参数包括泊松比、杨氏模量，电学参数包括电阻率；（4）初步确定PE电熔管件的焊接电压；（5）根据步骤（4）中确定的焊接电压设定电熔管件中电阻丝的通电载荷，设定管件外表面与管子内表面的对流系数，设定PE材料的相变焓，设定管件与管子的对称受力约束；（6）设定模型网格的划分类型及网格尺寸，然后划分网格；（7）设定载荷加载时间及步长，求解；（8）提取求解结果并确定焊接工艺参数。

【技术特征摘要】
1.一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法，其特征在于：包括顺序相接的以下步骤：（1）在Pro/Engineer中建立电熔管件与管子配合的三维结构模型；（2）将三维结构模型导入ANSYSWORKBENCH中，建立电-热-力多物理场耦合模型；（3）设定相关材料的热性能参数、力学参数和电学参数，其中热性能参数包括导热率、密度、比热容、热膨胀系数，力学参数包括泊松比、杨氏模量，电学参数包括电阻率；（4）初步确定PE电熔管件的焊接电压；（5）根据步骤（4）中确定的焊接电压设定电熔管件中电阻丝的通电载荷，设定管件外表面与管子内表面的对流系数，设定PE材料的相变焓，设定管件与管子的对称受力约束；（6）设定模型网格的划分类型及网格尺寸，然后划分网格；（7）设定载荷加载时间及步长，求解；（8）提取求解结果并确定焊接工艺参数。2.如权利要求1所述的一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法，其特征在于：步骤（4）中，确定PE电熔管件的焊接电压的方法为：根据管件型号使用行业内惯用恒压焊接电压，通常为39.5V。3.如权利要求2所述的一种PE电熔管件焊接工艺参数制定方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨其华，张若玙，谢佳敏，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33