一种用于焊管隐性缺陷分析及消除的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于分析及消除焊管隐性缺陷产生的数值计算方法。包括：设置焊管高频焊接及中频热处理整体模型中的几何参数为变量，对所设置变量赋值；利用Hypermesh建立焊接及热处理整体模型，进行网格优化；生成模型导入ANSYS，设置高频焊接，中频热处理边界条件、初始条件、热物理环境和电磁物理环境文件；中频热处理后电磁场及温度场；几何模型及网格导入SYSWELD，并根据管坯材料特性设置边界条件及物理环境，将ANSYS中提取到的温度场数据导入SYSWELD作为初始条件；计算焊管空冷至室温后的残余应力分布；根据残余应力计算结果调整热处理内部线圈一与内部线圈二的间距；重复上述步骤计算间距改变后的焊管残余应力分布。该方法有利于消除焊管隐性缺陷。

A method for analysis and elimination of hidden defects in welded pipe

【技术实现步骤摘要】
一种用于焊管隐性缺陷分析及消除的方法
本专利技术涉及焊接热处理领域，特别涉及一种用于焊管隐性缺陷分析及消除的方法。
技术介绍
焊管高频直缝焊接时，感应线圈加载高频电流，利用集肤效应和临近效应将高频电流能量集中在焊缝边缘V形角区域，快速将板边从室温瞬间加热到焊接温度。高频电阻焊接，电磁加热能量集中，受热面虽小，热梯度却大；焊缝的局部中频热处理在高频焊接基础上进行，利用了在线生产中的焊接余热。而焊管焊缝区域的高、中频两次加热的叠加效应和温度数值匹配度与焊接质量缺陷的产生密切相关。其中，中频热处理的靶向性是导致加热盲区及加热过度区成为焊接质量缺陷高发区域的直接原因。这种焊接质量缺陷不同于常规探伤检测出来的焊接裂纹、夹渣、气孔和焊缝外观等缺陷，它包括隐藏在焊缝及热影响区内部、离散分布在不同位置的材料特性缺陷，如某些区域表现出来的韧性过低、硬度偏高，残余应力较大，以及综合机械性能稳定性差等问题，给焊管在恶劣条件下服役埋下了较大安全隐患，故称为隐性缺陷。为了准确获取焊管影响隐性缺陷产生位置，并消除隐性缺陷，成为技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于焊管隐性缺陷分析及消除的方法，用以准确获取焊管影响隐性缺陷产生位置，消除隐性缺陷，从而提高高频焊管焊接质量。为实现上述目的，本专利技术所述方法采用以下技术方案：一种用于焊管隐性缺陷分析及消除的方法，其特征在于，包括如下步骤：设置焊管高频焊接及中频热处理整体模型，包括带有开口角的管坯、高频焊接阶段采用的电极和阵列式磁棒，中频热处理外部设置的主线圈、副线圈，内部设置的内部线圈一、内部线圈二；其中内部线圈一与内部线圈二间距为d，对所设置变量赋值；利用Hypermesh建立焊接及热处理整体模型，并对模型进行网格划分，其中焊缝中心及热影响区域进行网格优化；将Hypermesh生成的几何模型及网格导入ANSYS，并设置高频焊接及中频热处理边界条件及初始条件；设置高频电阻焊接热物理环境文件和电磁物理环境文件，并求解高频电阻焊接电磁场及温度场；设置中频热处理热物理环境文件和电磁物理环境文件，通过节点载荷移动法等效管坯移动过程，实现高频焊接及热处理的连续加热，并求解中频热处理后电磁场及温度场；提取ANSYS中热处理后焊管上各节点温度，并保存数据文件；将Hypermesh生成几何模型及网格导入SYSWELD，并根据管坯材料特性设置边界条件、初始条件及物理环境，将ANSYS中提取到的温度场数据导入SYSWELD作为初始条件；调用物理环境文件，获取焊管空冷至室温后的残余应力分布；提取焊管截面焊缝区域的等效残余应力云图；拟合焊管焊缝区残余应力集中分布区域并提取应力最大值；根据残余应力模拟计算结果计算热处理内部线圈一与内部线圈二的间距，并将其作为新的内部线圈间距d，重复上述步骤计算间距改变后的焊管残余应力分布，以此消除焊管焊接区域热处理后过大的残余应力，消除隐性缺陷。进一步的技术方案在于，网格优化过程中，在距离焊缝中心10mm内的焊缝中心及热影响区域采用六面体网格划分，且焊缝及管坯待焊区域沿轴向网格尺寸相同。进一步的技术方案在于，所述高频焊接及中频热处理边界条件及初始条件包括，温度载荷移动步长等于网格划分单元长度的整数倍，以确保温度场的顺利移动，设置空气域边界处的磁力线法向分量为零；高频焊接初始条件为管坯从室温开始加热；高频焊接加热后空冷t秒后的温度分布作为中频热处理初始温度场。进一步的技术方案在于，在仅做焊管隐性缺陷产生分析时，所述内部线圈一与内部线圈二并不激活，不参与中频热处理加热；在做消除焊管隐性缺陷分析时，激活所述内部线圈一与内部线圈二，参与中频热处理加热。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、建立高频焊接及中频热处理的整体电磁-热-运动耦合模型，提高了数值计算精度，使结果更加精确可靠，便于精准地分析焊管中不易检测的隐性缺陷问题，并为进一步提升焊管质量奠定基础。2、在热处理时，除焊管外部感应线圈外，设置间距可调整的双内部线圈，可以根据残余应力的数值计算结果调整内部线圈间距，用以消除热处理后产生的过大残余应力，减小隐性缺陷发生。3、该仿真过程基于多种数值计算软件，模拟过程自动化，可针对不同工艺条件下的焊管焊接及热处理感应加热过程进行计算，便于操作且成本低。附图说明图1为本专利技术的数值计算方法流程图；图2为热处理时本专利技术所依托感应加热线圈示意图；图3为几何模型示意图；图4为优化网格划分示意图；图5为无内部线圈时热处理后温度场模拟结果云图；图6为无内部线圈时热处理后焊管截面焊缝区域等效残余应力云图；图7为有内部线圈时热处理后焊管截面焊缝区域等效残余应力云图。附图标号：1-副线圈，2-导磁体，3-主线圈，4-焊管，5-内部线圈一，6-内部线圈二，7-焊缝，8-高频焊接电极，9-阵列式磁棒。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术一种用于分析及消除焊管隐性缺陷产生的数值计算方法具体包括：步骤1，设置焊管高频焊接及中频热处理整体模型，包括带有开口角的管坯、高频焊接阶段采用的电极和阵列式磁棒，中频热处理外部设置的主线圈、副线圈，内部设置的内部线圈一、内部线圈二，其中内部线圈一与内部线圈二间距为d，对所设置变量赋值，高频焊接及中频热处理几何及工艺参数如表1；表1基本参数步骤2，利用Hypermesh建立焊接及热处理整体模型，如图3，并对模型进行网格划分，其中距离焊缝中心10mm内的焊缝中心及热影响区域进行网格优化，采用六面体网格划分，且焊缝及管坯待焊区域沿轴向网格尺寸相同，如图4；步骤3，将Hypermesh生成几何模型及网格导入ANSYS，并设置高频焊接及中频热处理边界条件及初始条件：温度载荷移动步长等于单元长度的整数倍，以确保温度场的顺利移动，设置空气域边界处的磁力线法向分量为零，高频焊接初始条件为管坯从室温开始加热，高频焊接加热后空冷t秒后的温度分布作为中频热处理初始温度场；步骤4，设置高频电阻焊接热物理环境文件和电磁物理环境文件，利用APDL语言*DO函数设置磁热耦合计算，并求解高频电阻焊接电磁场及温度场；步骤5，首先进行隐性缺陷分析，计算时只激活热处理外部的主线圈和副线圈，在主线圈和副线圈线圈截面施加电流密度，设置中频热处理热物理环境文件和电磁物理环境文件，通过节点载荷移动法等效管坯移动过程，读取数组文件，定义轴向(即焊管运动的方向)为Z轴，电磁加热耦合计算完成时需要将焊缝区所有单元E1到En的温度载荷以及对应的坐标提取出保存到一个数组文件中，清除管坯上的所有载荷数据，将E2到En对应温度载荷沿着焊管运动的方向向前移动一个单元格的距离，其余单元赋予周围环境初始温度25℃，将移动后得到的温度场作为下一次电磁耦合计算的初始温度场，依次类推，通过节点温度载荷的平移来等效管坯的运动，从而实现高频焊接及热处理的连续加热，并求解中频热处理后电磁场及温度场；步骤6，如图5，提取ANSYS中热处理后焊管上各节点温度，并保存数据文件；步骤7，将Hype本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于焊管隐性缺陷分析及消除的方法，其特征在于，包括如下步骤：设置焊管高频焊接及中频热处理整体模型，包括带有开口角的管坯、高频焊接阶段采用的电极和阵列式磁棒，中频热处理外部设置的主线圈、副线圈，内部设置的内部线圈一、内部线圈二；其中内部线圈一与内部线圈二间距为d，对所设置变量赋值；利用Hypermesh建立焊接及热处理整体模型，并对模型进行网格划分，其中焊缝中心及热影响区域进行网格优化；将Hypermesh生成的几何模型及网格导入ANSYS，并设置高频焊接及中频热处理边界条件及初始条件；设置高频电阻焊接热物理环境文件和电磁物理环境文件，并求解高频电阻焊接电磁场及温度场；设置中频热处理热物理环境文件和电磁物理环境文件，通过节点载荷移动法等效管坯移动过程，实现高频焊接及热处理的连续加热，并求解中频热处理后电磁场及温度场；提取ANSYS中热处理后焊管上各节点温度，并保存数据文件；将Hypermesh生成几何模型及网格导入SYSWELD，并根据管坯材料特性设置边界条件、初始条件及物理环境，将ANSYS中提取到的温度场数据导入SYSWELD作为初始条件；调用物理环境文件，获取焊管空冷至室温后的残余应力分布；提取焊管截面焊缝区域的等效残余应力云图；拟合焊管焊缝区残余应力集中分布区域并提取应力最大值；根据残余应力模拟计算结果计算热处理内部线圈一与内部线圈二的间距，并将其作为新的内部线圈间距d，重复上述步骤计算间距改变后的焊管残余应力分布，以此消除焊管焊接区域热处理后过大的残余应力，消除隐性缺陷。...

【技术特征摘要】
1.一种用于焊管隐性缺陷分析及消除的方法，其特征在于，包括如下步骤：设置焊管高频焊接及中频热处理整体模型，包括带有开口角的管坯、高频焊接阶段采用的电极和阵列式磁棒，中频热处理外部设置的主线圈、副线圈，内部设置的内部线圈一、内部线圈二；其中内部线圈一与内部线圈二间距为d，对所设置变量赋值；利用Hypermesh建立焊接及热处理整体模型，并对模型进行网格划分，其中焊缝中心及热影响区域进行网格优化；将Hypermesh生成的几何模型及网格导入ANSYS，并设置高频焊接及中频热处理边界条件及初始条件；设置高频电阻焊接热物理环境文件和电磁物理环境文件，并求解高频电阻焊接电磁场及温度场；设置中频热处理热物理环境文件和电磁物理环境文件，通过节点载荷移动法等效管坯移动过程，实现高频焊接及热处理的连续加热，并求解中频热处理后电磁场及温度场；提取ANSYS中热处理后焊管上各节点温度，并保存数据文件；将Hypermesh生成几何模型及网格导入SYSWELD，并根据管坯材料特性设置边界条件、初始条件及物理环境，将ANSYS中提取到的温度场数据导入SYSWELD作为初始条件；调用物理环境文件，获取焊管空冷至室温后的残余应力分布；提取焊管截面焊缝区...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩毅，肖瑶，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13