一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺。该工艺针对当前电热水器内胆在脉冲压力试验和使用过程中由于焊缝区域焊接残余应力和变形过高所诱导的渗漏失效，以及焊接工艺优化成本高、效率低和可靠性差等问题。基于有限元法对内胆焊接过程进行了数值模拟与验证，并对不同环缝焊接优化工艺方案下的内胆焊接应力场和变形进行了定量计算与对比分析，最终得到控制内胆焊接残余应力与变形最优的内胆环向焊缝起弧位置焊接优化工艺，即内胆两侧环向焊缝在其焊接路径上距纵向焊缝顺时针270

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺


[0001]本专利技术涉及电热水器内胆制造领域，尤其涉及一种基于有限元法设计的适用于降低电热水器内胆焊接残余应力与变形的环缝焊接优化工艺。

技术介绍

[0002]生活水平提升和生活节奏加速促使人们对于电热水器的需求迅速增长。近年来，我国电热水器销售额和占有率不断上升，其中储水式电热水器占据了主要市场。内胆是储水式电热水器的核心部件，焊接是内胆的关键制造工艺。在内胆的生产制造过程中，其焊接质量直接决定了使用寿命，从而极大程度影响企业的经济效益和市场竞争力。
[0003]目前，储水式电热水器内胆在制造与服役过程中仍存在一定问题。一方面，内胆的焊接制造过程中，筒身纵向焊缝和两侧环向焊缝仍会一定概率出现焊穿、驼峰焊道和焊缝不连续等焊接缺欠。通常情况下，这是由于焊接参数设置不合理导致，可以通过反复地参数调试进行改善上述现象，最终得到焊缝成形较好的焊接参数组合。另一方面，内胆焊接完成后，在其脉冲压力测试过程中，内胆的纵向焊缝和环向焊缝处易出现渗漏并最终破坏，脉冲压力试验结果未能满足企业焊接质量要求。在内胆的实际使用过程中，其纵向焊缝和环向焊缝处同样常出现渗漏失效，未达到寿命年限。焊接残余应力与变形造成渗漏或破坏的主要原因之一。
[0004]由于内胆的纵向焊缝和环向焊缝较长，整个焊接过程中的热输入较高，焊缝区域的焊接残余应力较高，焊接变形量较大。工作应力与焊接残余应力叠加在焊缝区产生较高的拉应力，容易诱导微裂纹等损伤累积，加速疲劳，或应力腐蚀开裂等现象，导致内胆提前渗漏失效。与此同时，变形量过大会带来几何结构的不连续，更易造成应力集中，降低结构的承载能力。因此，降低内胆的焊接残余应力和变形对于提高内胆的焊接质量，降低焊缝区发生渗漏的概率从而提升内胆的使用寿命具有重要意义。
[0005]实际上，限于技术难度较高和试验成本较大，焊接残余应力和变形通常难以测量，导致内胆的焊接残余应力与变形优化工作难以开展。因此，现有内胆生产制造需要一种可以快速准确地实现焊接工艺设计的技术手段，来实现内胆焊接残余应力与变形的定量计算与可视化分析。基于该技术手段，能够快速且可靠地完成焊接工艺优化，降低内胆焊接残余应力与变形从而减小内胆在服役过程中发生渗漏和破坏的概率。最终，提高内胆质量和使用寿命，提升企业的焊接制造数字化水平以及经济效益和市场竞争力。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提出了一种适用于降低电热水器内胆焊接残余应力与变形的焊接优化工艺，该工艺基于有限元法进行设计，其目的在降低电热水器内胆的焊接残余应力与变形，提高其焊接质量与使用寿命，降低其在服役过程中焊缝区域发生渗漏或破坏的概率。为相关从业人员设计与优化结构焊接工艺提供技术参考，为相关企业电热水器内胆焊接制造升级和发展提供新的思路。
[0007]本专利技术具体技术方案如下：
[0008]一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺。其特征在于步骤为：
[0009]S1：电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接工艺参数优化试验设计与试验数据获取。
[0010]S2：电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接过程热源模型建立与校核。
[0011]S3：电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接过程有限元建模。
[0012]S4：电热水器内胆焊接过程数值模拟与环向焊缝焊接优化工艺获取。
[0013]S5：电热水器内胆环向焊缝焊接工艺优化方案实际产线验证。
[0014]优先地，电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接工艺参数优化试验设计与试验数据获取。具体为：采用合理的焊接工艺参数是焊件获得良好焊缝成形和焊接接头性能的前提。对于电热水器内胆结构，其筒身上纵向焊缝和筒身两端与端盖组成的环向焊缝是连接内胆成完整结构的关键焊缝。针对等离子弧焊接(PAW)的纵向焊缝和熔化极活性气体保护焊(MAG)焊接的环向焊缝，影响其焊接过程的主要参数较多，包括焊接电流、焊接电压和焊接速度等。本专利技术首先采用正交试验法，设计不同焊接参数因素和不同参数值水平，分别对内胆纵向焊缝和环向焊缝的焊接工艺参数进行优化，获取焊缝成形和接头性能较优的焊接工艺参数组合，用于后续热源模型校核、内胆焊接过程数值模拟和实际产线验证。
[0015]优先地，电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接过程热源模型建立与校核。具体为：首先，基于内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接工艺参数优化试验所得纵向焊缝和环向焊缝的较优焊接工艺参数组合下的焊接接头横截面熔池形貌，选择相应特征匹配的焊接热源模型。进一步地，依据焊接工艺参数优化试验工况条件，分别建立纵向焊缝和环向焊缝的试片件级焊接过程有限元模型并施加热源模型进行焊接过程数值模拟。通过对比数值模拟和试验得到的接头截面熔池形貌，对热源模型参数进行修正。最后，通过对比数值模拟和试验得到的相应位置焊接热循环温度曲线，对热源模型参数的准确性和有限元建模过程的可靠性进行验证。
[0016]优先地，电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接过程有限元建模。具体为：首先，根据内胆焊后实际结构，建立1∶1完整内胆几何模型，并对几何模型进行相应的简化和清理。在此基础之上，对简化后的几何模型进行网格划分，建立高质量内胆网格模型。进一步地，建立内胆用搪瓷钢材料模型，主要包括密度、比热容、热导率、热膨胀系数、杨氏模量、屈服强度和泊松比等参数在一定温度区间内的非线性参数变化。最后，根据内胆实际焊接过程焊接与约束工况条件，完成内胆焊接过程有限元模型的初始条件和边界条件设置。
[0017]优先地，电热水器内胆焊接过程数值模拟与环向焊缝焊接优化工艺获取。具体为：基于内胆的结构特征和实际生产的可操作性，设计不同内胆的环向焊缝焊接工艺方案。采用S1 中焊接工艺参数优化试验所得较优地纵向焊缝和环向焊缝焊接工艺参数组合并施加校核后的热源模型，对不同方案下的内胆焊接温度场、应力场和变形进行定量计算与分析。通过比较不同方案下的内胆焊接残余应力与变形，获得控制内胆焊接残余应力与变形最优的内胆环向焊缝焊接工艺，具体为：两侧环向焊缝在其焊接路径上距纵向焊缝顺时针270
°
(左端)位置起弧，顺时针同步焊接。
[0018]优先地，电热水器内胆环向焊缝焊接工艺优化方案实际产线验证。具体为：在实际内胆生产线，首先，采用S1中焊接工艺试验所得较优地纵向焊缝焊接工艺参数完成筒身纵
向焊缝焊接。进一步地，采用S4中所得内胆环向焊缝焊接优化工艺进行两侧环向焊缝焊接，即两侧环向焊缝在其焊接路径上距纵向焊缝顺时针270
°
(左端)位置起弧，顺时针同步焊接。焊接参数选择S1中焊接工艺试验所得较优地环向焊缝焊接工艺参数。在此基础之上，完成内胆剩余制造工序。最后，对内胆进行气密性测试和脉冲压力测试，验证本专利技术所提出的电热水器内胆环向焊缝焊接优化工艺方案的可靠性。
[0019]相对于现有技术，本专利技术具有以下积极效果：本专利技术所申请的一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺，可以有效的降低电热水器内胆的焊接残余应力与变形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺，其特征在于步骤为：S1：电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接工艺参数优化试验设计与试验数据获取。S2：电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接过程热源模型建立与校核。S3：电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接过程有限元建模。S4：电热水器内胆焊接过程数值模拟与环向焊缝焊接优化工艺获取。S5：电热水器内胆环向焊缝焊接工艺优化方案实际产线验证。2.如权利要求1所述的一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺，其特征在于：步骤S1电热水器内胆纵向焊缝和环向焊缝焊接工艺参数优化试验设计与试验数据获取中，所得PAW纵向焊缝较优的焊接工艺参数组合为：等离子流量1.5L/min、焊接电流205A和焊接速度10mm/s；所得MAG环向焊缝较优的焊接工艺参数组合为：焊接电流190A、焊接电压31V和焊接速度23mm/s。3.如权利要求1所述的一种基于有限元法设计的电热水器内胆环缝焊接优化工艺，其特征在于：步骤S2电热...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳红，王猛，郭凯，蔡佳思，陈致远，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：