一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法及方法，方法包括：以预置逻辑处理内焊及外焊参数获取广义双椭球热源模型；根据三维单元网络通过预置逻辑处理得到新双椭球热源模型；确定内焊第1根至第n根焊丝的内焊焊接工艺参数；确定外焊第1根至第n根焊丝的外焊焊接工艺参数；根据每个焊丝形成的移动热源的坐标瞬时位置及焊接时间，确立内焊每根焊丝在新双椭球热源模型中的能量分布参数及形状分布函数，据以完成内焊加载；根据前述步骤及能量分布参数及形状分布函数，加载外焊的每根焊丝的独立热源。本发明专利技术解决了效率低下、使用成本高以及子程序加载的有效性正确性较低的技术问题。的技术问题。的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法及系统


[0001]本专利技术涉及管线钢管双面直缝埋弧焊接模拟，具体涉及一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法及系统。

技术介绍

[0002]我国工业生产和生活领域对油气资源非常依赖，作为承载油气资源运输载体的长距离输送钢质管道主要以管线钢管为主要构成部分，对应的管线钢管主要有双面直缝埋弧焊钢管和双面螺旋缝埋弧焊钢管，双面直缝埋弧焊钢管和双面螺旋缝埋弧焊钢管相比存在焊缝短、安全性能高等优点。目前我国油气主干管网建设以高等级、大壁厚、高压力为主，基本都采用双面直缝埋弧焊钢管，尤其是在用于穿跨越地段、高风险区、途径人口稠密地区管段无一例外都采用双面直缝埋弧焊管线钢管。
[0003]双面直缝埋弧焊钢管需要经过焊接成型，主要焊接工序包括内焊和外焊，内焊可经过单丝多道成型也可以多丝分别间隔一定距离一次成型，同理外焊也是。目前双面直缝埋弧焊钢管生产厂家为兼顾生产质量和效率要求，一般多采用内、外焊多丝直线排列一次成型，成型顺序为先内焊、后外焊。
[0004]在内、外焊多丝焊接过程中，每丝均有独立的焊接电源，所以每丝焊接过程中均形成独立熔池，每丝形成的独立熔池是否能够形成无边界的共熔池状态对埋弧焊形成的焊缝质量有一定的影响，多丝共熔池焊接过程形成的熔池温度较高，再加上埋弧焊焊剂覆盖等保护作用，使得焊接冷却过程中有着较小的冷却梯度，所以焊态下应力及变形较小，焊缝产生裂纹等缺陷的概率较小，另外多丝焊接相对单丝焊接生产效率明显增大，所以生产实际中推荐采用多丝共熔池焊接状态以提高焊缝质量并兼顾生产效率。然而要想实现是否能够形成多丝共熔池状态，因埋弧焊存在焊剂时刻覆盖电弧熔池而导致无法实现明弧焊接，因此焊接过程中肉眼不能直接观察到熔池，目前有限的做法是反复修改每丝焊接工艺参数进行反复实际实验并采取一定措施进行剖开并采用硝酸酒精等腐蚀后才能观察到是否形成共熔池焊接现象，存在效率低下、实验成本高等一系列问题。
[0005]公开号为CN106529047A的现有专利文献《一种串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型的建模方法》包括以下步骤：步骤一，在双椭球热源模型上加入沿深度方向的衰减函数，以两个此双椭球热源模型建立双丝模型；衰减函数包括一次函数、指数函数和二次函数；步骤二，分别对采用不同衰减函数的双椭球热源模型参数进行有限元反演，得到相对应模拟的熔池形状；步骤三，以模拟的熔池形状与实际熔池形状吻合度作为选择衰减函数的标准，得到最优的串列双丝埋弧焊数值模拟热源模型。该现有文献披露的技术方案通过反演获取最优的热源模型，并在ABAQUS平台中建立三维焊接有限元模型进行模拟温度场；定义温度场控制方程和边界条件方程中涉及到的焊件材料属性参数，但并未披露针对埋弧焊过程中，每丝的形状分布参数处理逻辑，该现有方案偏重于获取最优的模拟热源模型，而其具体的加载方式仍需反复试验，故实际适用成本较高。
[0006]公开号为CN110866359A的现有专利申请文献《一种基于修正双椭球热源模型的焊
接模拟方法》：获取目标工件模型；获取双椭球热源模型参数；基于修正双椭球热源模型参数对焊接件模型进行双椭球热源模型的加载；对进行双椭球热源模型加载后的目标工件模型进行焊接模拟，得到模拟数据。该现有申请文献中披露的现有技术对现有的双椭球模型进行修正，该现有方案将坐标参数前的3个常数变成了变量α、β、χ，用以提高控制热流沿不同方向变化的梯度以及熔池尺寸及其能量分布的模拟精度，但该现有技术仅修改坐标参数，没有披露在实际的控制数据加载过程中加载形状分布参数的具体逻辑，限制了该技术的加载正确率。
[0007]综上，现有技术存在效率低下、使用成本高以及子程序加载的有效性正确性较低的技术问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题在于如何解决现有技术中效率低下、使用成本高以及子程序加载的有效性正确性较低的技术问题。
[0009]本专利技术是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法包括：
[0010]S1、建立三维钢管模型，分割出相应的焊缝部分和母材部分，分别赋予母材和焊缝部分随温度变化的材料物理属性；
[0011]S2、设置与母材和焊缝部分相应的时间步、增量步，设置焊件的始温、环境温度、对流及辐射系数并输入玻尔兹曼常数；
[0012]S3、加载子程序，并加载焊缝部分的热源，其中步骤S3包括：
[0013]S31以预置逻辑处理埋弧焊热过程、模拟管线钢大壁厚、内焊及外焊使用的独立焊丝数目，以确定内、外焊每丝热源模型；
[0014]S32、根据三维单元网络获取焊丝坐标原点、定义XOZ平面为纵缝中心纵向所在截面，内外焊丝数量，每根焊丝均形成独立焊接热源，使得内、外焊的每根焊丝均在XOZ平面内移动，并根据焊丝角度数据改写广义双椭球模型，以得到新双椭球热源模型；
[0015]S33、确定内焊的第n根焊丝的内焊焊接工艺参数；
[0016]S34、确定外焊第n根焊丝的外焊焊接工艺参数；
[0017]S35、根据内焊中，每根焊丝形成的移动热源的坐标瞬时位置及焊接时间，确立内焊每根焊丝在新双椭球热源模型中施加的能量分布参数及形状分布参数，利用DFLUX子程序的时间数组TIME(2)进行内焊每丝焊接热源的加载判断，根据能量分布参数及形状分布参数，以预置内焊加载逻辑完成内焊加载；
[0018]S36、利用步骤S35中的加载逻辑处理外焊的能量分别参数及形状分布参数，并利用DFLUX子程序的时间数组TIME(2)进行外焊每丝焊接热源的加载判断，以预置外焊加载逻辑完成外焊加载。
[0019]本专利技术通过模拟的方法对内、外焊每丝的埋弧焊接热源进行加载，本专利技术针对内焊焊丝以及外焊焊丝，根据DFLUX子程序的时间数组进行加载判断，利用该判断结果以特定逻辑进行分布参数处理，以进行每丝焊接热源以及双椭球模型的加载操作，避免了现有技术中因观察不到熔池而反复进行实验导致的效率低下、实验成本高的问题，实现在计算机上实时观察是否形成共熔池态，降低了实验成本、提高了实验效率。
[0020]在本具体技术方案中，步骤S2中，赋予的参数包括：密度、热导率以及比热容，划分与母材和焊缝部分相应的三维单元网格，设置与母材和焊缝部分相应的时间步、增量步；根据焊道的长度、焊接速度、内外焊之间时间间隔、内外焊的焊丝数目等设置相应的时间步、增量步。
[0021]在本具体技术方案中，步骤S31中，热源模型为广义双椭球模型。
[0022]在本具体技术方案中，步骤S32中，根据广义双椭球模型：
[0023][0024][0025]Q＝ηUI
[0026]利用下述逻辑，根据焊丝角度数据改写广义双椭球模型，以得到新双椭球热源模型：
[0027][0028][0029]式中，电弧轴线与x轴夹角为β，与y轴夹角为γ，与z轴夹角为φ，Q为热源功率，η为热源效率，U为焊接电压，I为焊接电流，a1、a2、b、c为形状参数，f1、f2为热量分布函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法，其特征在于，所述方法包括：S1、建立三维钢管模型，分割出相应的焊缝部分和母材部分，分别赋予所述母材和所述焊缝部分随温度变化的材料物理属性；S2、设置与所述母材和所述焊缝部分相应的时间步、增量步，设置焊件的始温、环境温度、对流及辐射系数并输入玻尔兹曼常数；S3、加载子程序，并加载所述焊缝部分的热源，其中所述步骤S3包括：S31以预置逻辑处理埋弧焊热过程、模拟管线钢大壁厚、内焊及外焊使用的独立焊丝数目，以确定内、外焊每丝热源模型；S32、根据所述三维单元网络获取焊丝坐标原点、定义XOZ平面为纵缝中心纵向所在截面，内外焊丝数量，每根焊丝均形成独立焊接热源，使得内、外焊的每根所述焊丝均在所述XOZ平面内移动，并根据焊丝角度数据改写所述广义双椭球模型，以得到新双椭球热源模型；S33、确定所述内焊的第n根所述焊丝的内焊焊接工艺参数；S34、确定所述外焊的第n根所述焊丝的外焊焊接工艺参数；S35、根据所述内焊中，每根所述焊丝形成的移动热源的坐标瞬时位置及焊接时间，确立内焊每根所述焊丝在所述新双椭球热源模型中施加的能量分布参数及形状分布参数，利用DFLUX子程序的时间数组TIME(2)进行内焊每丝焊接热源的加载判断，根据所述能量分布参数及所述形状分布参数，以预置内焊加载逻辑完成内焊加载；S36、利用所述步骤S35中的加载逻辑处理外焊的所述能量分别参数及所述形状分布参数，并利用DFLUX子程序的时间数组TIME(2)进行外焊每丝焊接热源的加载判断，以预置外焊加载逻辑完成外焊加载。2.根据权利要求1所述的一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法，其特征在于，所述步骤S2中，赋予的参数包括：密度、热导率以及比热容，划分与所述母材和所述焊缝部分相应的三维单元网格，设置与所述母材和所述焊缝部分相应的时间步、增量步；根据焊道的长度、焊接速度、内外焊之间时间间隔、内外焊的焊丝数目等设置相应的时间步、增量步。3.根据权利要求1所述的一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法，其特征在于，所述步骤S31中，所述热源模型为广义双椭球模型。4.根据权利要求1所述的一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法，其特征在于，所述步骤S32中，根据所述广义双椭球模型：所述步骤S32中，根据所述广义双椭球模型：Q＝ηUI利用下述逻辑，根据焊丝角度数据改写所述广义双椭球模型，以得到所述新双椭球热
源模型：源模型：式中，电弧轴线与x轴夹角为β，与y轴夹角为γ，与z轴夹角为φ，Q为热源功率，η为热源效率，U为焊接电压，I为焊接电流，a1、a2、b、c为形状参数，f1、f2为热量分布函数，f1+f2＝2。5.根据权利要求1所述的一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法，其特征在于，所述步骤S33包括：S331、确定所述内焊的所述焊接工艺参数，其包括：焊接电压U
内n
，电流I
内n
，焊接速度V1(内焊每根焊丝速度均一致)，焊接效率设为η，则内焊时每根焊丝的热源功率：Q
内n
＝η*U
内n
*I
内n
；设内焊第n根焊丝与x轴夹角为β
内n
、与z轴夹角为ψ
内n
，(n＝1,2,...)；S332、确定内焊第n根焊丝的热源起点坐标(x
内n
,y
内n
,z
内n
)；S333；确定内焊第n根焊丝的热源形状参数a
1内n
,b
内n
,c
内n
,a
2内n
；S334、确定内焊每相邻前后两丝之间的距离；S335、设内焊焊接距离为S0，则内焊总的焊接时间：t1＝(S0+S
1n
)/V1(n＝2,3...)，并确定内焊与外焊之间的时间间隔t
12
。6.根据权利要求1所述的一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法，其特征在于，所述步骤S34包括：S341、确定所述外焊的所述焊接工艺参数，其包括：焊接电压U
外n
，电流I
外n
，焊接速度V2，焊接效率设为η，则外焊时每根焊丝的热源功率Q
外n
＝η*U
外n
*I
外n
；设外焊第n根焊丝与x轴夹角为β
外n
、与z轴夹角为ψ
外n
，(n＝1,2,...)；S342、确定外焊第n根焊丝的热源起点坐标(x
外n
,y
外n
,z
外n
)；S343、确定外焊第n根焊丝的热源形状参数a
1外n
,b
外n
,c
外n
,a
2外n
；S344、确定外焊每相邻前后两丝之间的距离，根据所述外焊每相邻前后两丝之间的距离，确定外焊总的焊接时间，并确定内焊开始至外焊完成时间t
内外
以及热过程模拟总时间t
总
。7.根据权利要求6所述的一种管线钢直缝埋弧焊接模拟热源的加载方法，其特征在于，所述步骤S344包括：S3441、以外焊速度乘以时间，以确定所述外焊每相邻前后两丝之间的距离；S3442、根据所述内焊总焊接时间t1及所述内焊与外焊时间间隔t
12
，利用下述逻辑确定外焊第1根焊丝开始焊接时间t
外1
：t
外1
＝t1+t
12
处理所述焊接距离除以外焊焊接速度，加上第1根以第n根所述焊丝的焊丝距离，除以外焊焊接速度V2，据以得到外焊总焊接时间，其中，外焊焊接距离为S0，以下述逻辑处理得到
所述外焊总时间t2：t2＝(S0+S
1n
)/V2(n＝2,3...)；S3443、确定内外焊总焊接时间：求和处理所述内焊总焊接时间t1、所述内焊与外焊时间间隔t
12
、所述外焊总焊接时间t2，据以利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：于磊，李志宏，曹东，程浩，姜璐，
申请(专利权)人：安徽省特种设备检测院，
类型：发明
国别省市：