一種基于ansys的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊接變形預(yù)測方法，尤其涉及一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異 種鋼焊接變形預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)制造過程中常見的問題之一。焊接變形的存在不僅影響著焊 接結(jié)構(gòu)的制造過程，而且給產(chǎn)品的質(zhì)量造成隱患，因此，在實(shí)際工藝中要對焊接變形作出 合理的預(yù)測，然后加以有效控制，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量。
[0003] SAF2507雙相不銹鋼由25%的鉻，4%的鉬以及7%的鎳組成，因其耐點(diǎn)蝕指數(shù)通 常大于40,因此稱為超級雙相不銹鋼，該鋼種具有較高的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，同時(shí)具有較高 的導(dǎo)熱性和較低的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)該鋼種與Q235低碳鋼進(jìn)行焊接時(shí)，由于兩種材料的熱物 理性能參數(shù)差別很大，且隨著溫度升高時(shí)，各物理參數(shù)的變化規(guī)律并不一致，因此在對組焊 件進(jìn)行焊接變形預(yù)測時(shí)具有一定的難度，對前道的下料放樣及后道的整形以及精加工都帶 來了難以估算的浪費(fèi)和難度?，F(xiàn)有技術(shù)的不足處有以下幾點(diǎn)：1、目前對SAF2507超級雙相 不銹鋼的高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)還沒有文獻(xiàn)進(jìn)行研宄定義；2、SAF2507超級雙相不銹鋼與低 碳鋼焊接時(shí)焊接變形難以估算，給放樣下料帶來難度和不必要的浪費(fèi)；3、進(jìn)行實(shí)際焊接工 藝試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)料費(fèi)人力，一整套焊接工藝試驗(yàn)從下料到機(jī)加工坡口，再到焊接工藝試驗(yàn)，線 切割加工試樣等至少需要兩星期時(shí)間，轉(zhuǎn)序過程繁瑣。
[0004] 中國專利201310624243. 8本發(fā)明公開了一種基于ANSYS的管線鋼焊接溫度場預(yù) 測方法，及中國專利201310620539. 2公開了一種基于ANSYS的管線鋼焊接殘余應(yīng)力預(yù)測方 法，上述現(xiàn)有技術(shù)都是針對管線鋼的焊接工藝進(jìn)行預(yù)測的，但未解決雙相不銹鋼與異種鋼 焊接變形的預(yù)測問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變 形預(yù)測方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方 法，包括以下步驟：
[0007] (1)確定焊接工藝參數(shù)：通過焊接工藝試驗(yàn)確定焊接的層數(shù)、道數(shù)、電壓、電流、焊 接線能量、層溫等工藝參數(shù)；
[0008] (2)建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分：將焊接工藝參數(shù)代入進(jìn)數(shù)值模擬模型中進(jìn) 行建模和網(wǎng)格劃分；
[0009] (3)確定焊接材料的熱物理參數(shù)：確定雙相不銹鋼與異種鋼的熱物理參數(shù)：溫 度T(°C )、熱導(dǎo)率MW/m* °C )、線膨脹系數(shù)（X1(T6/°C )、密度P (kg/m3)、比熱容c(J/ kg ? °C )、換熱系數(shù) 0 (W/m2 ? °C );
[0010] (4)確定熱源模型：根據(jù)焊接工藝條件，選用適當(dāng)?shù)臒嵩茨Ｐ停?br>[0011] (5)計(jì)算溫度場：通過"生死循環(huán)"方法對每一層每一道焊縫的溫度場逐層進(jìn)行數(shù) 值模擬計(jì)算；
[0012] (6)計(jì)算應(yīng)力場：采用前述溫度場的模型，設(shè)置材料的屬性，將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 的結(jié)構(gòu)單元，計(jì)算出雙相不銹鋼與異種鋼的焊接變形。
[0013] 所述步驟（1)中所述焊接試驗(yàn)焊接線能量控制在10 - 15KJ/cm之間，焊接試驗(yàn)過 程焊縫共5層9道，所述焊縫每層的控制溫度小于150°C。
[0014] 所述步驟（2)中建立的模型焊縫處的網(wǎng)格單元尺寸為4_，焊接熱影響區(qū)網(wǎng)格單 元尺寸為6_，母材區(qū)域的網(wǎng)格單元尺寸為12_。
[0015] 所述步驟（3)所述焊接材料的雙相不銹鋼為SAF2507超級雙相不銹鋼，所述異種 鋼為Q235異種鋼；確定所述焊接材料的熱物理參數(shù)所用的方法為相似相近法、插值法及外 推法。
[0016] 所述步驟（4)采用的熱源模型為雙橢球熱源模型，所述雙橢球熱源模型的前半部 分是一 1/4橢球，后半部分是另一 1/4橢球，前后兩部分橢球的能量分配系數(shù)分別為仁和 f；，且ff+f；= 2,其內(nèi)熱源分布分別為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法，其特征在于：包括以下 步驟： (1) 確定焊接工藝參數(shù)：通過焊接工藝試驗(yàn)確定焊接的層數(shù)、道數(shù)、電壓、電流、焊接線 能量、層溫等工藝參數(shù)； (2) 建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分：將焊接工藝參數(shù)代入進(jìn)數(shù)值模擬模型中進(jìn)行建 模和網(wǎng)格劃分； (3) 確定焊接材料的熱物理參數(shù)：確定雙相不銹鋼與異種鋼的熱物理參數(shù)：溫度 T(°C)、熱導(dǎo)率MW/m，°C)、線膨脹系數(shù)（X1(T6/°C)、密度P(kg/m3)、比熱容c(J/ kg?°C)、換熱系數(shù) 0 (W/m2 ?°C); (4) 確定熱源模型：根據(jù)焊接工藝條件，選用適當(dāng)?shù)臒嵩茨Ｐ停? (5) 計(jì)算溫度場：通過"生死循環(huán)"方法對每一層每一道焊縫的溫度場逐層進(jìn)行數(shù)值模 擬計(jì)算； (6) 計(jì)算應(yīng)力場：采用前述溫度場的模型，設(shè)置材料的屬性，將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié) 構(gòu)單元，計(jì)算出雙相不銹鋼與異種鋼的焊接變形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述步驟（1)中所述焊接試驗(yàn)焊接線能量控制在10-15KJ/cm之間，焊接試驗(yàn) 過程焊縫共5層9道，所述焊縫每層的控制溫度小于150°C。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述步驟（2)中建立的模型焊縫處的網(wǎng)格單元尺寸為4_，焊接熱影響區(qū)網(wǎng)格 單元尺寸為6_，母材區(qū)域的網(wǎng)格單元尺寸為12_。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述步驟（3)中所述焊接材料的雙相不銹鋼為SAF2507超級雙相不銹鋼，所述 異種鋼為Q235異種鋼；確定所述焊接材料的熱物理參數(shù)所用的方法為相似相近法、插值法 及外推法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述步驟（4)采用的熱源模型為雙橢球熱源模型，所述雙橢球熱源模型的前 半部分是一 1/4橢球，后半部分是另一 1/4橢球，前后兩部分橢球的能量分配系數(shù)分別為ff 和f；，且ff+f；= 2,其內(nèi)熱源分布分別為：
特征參數(shù)aph以及Ci(i= 1，2;j= 1，2)為不同的值且相互之間是獨(dú)立的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述步驟（5)包括以下步驟： 1) 確定求解的時(shí)間步長； 2) 施加邊界條件； 3) 加載焊接移動熱源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述時(shí)間步長設(shè)置如下：加熱過程時(shí)間步長為焊縫單元尺寸/每層每道所對 應(yīng)的焊速，每個(gè)載荷步設(shè)5個(gè)子步。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述邊界條件的界定為：雙相不銹鋼側(cè)兩頂點(diǎn)對角線在x軸、y軸、z軸方向上 的位移全部約束為〇,溫度場邊界條件為熱對流和熱輻射，將對流與輻射做疊加處理。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述加載焊接移動熱源所采用的方法為：沿焊接方向?qū)⒑缚p長度L分為N段， 將各段的后點(diǎn)作為熱源中心，加載熱源進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為L/N，每段計(jì)算為下一個(gè)載荷 步，在進(jìn)行下一個(gè)載荷步時(shí)，消除上一段所加的熱流密度，且上一次加載計(jì)算的溫度作為下 一段加載計(jì)算的初始條件，如此循環(huán)計(jì)算模擬熱源的移動，實(shí)現(xiàn)焊接瞬態(tài)溫度場的計(jì)算。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法， 其特征在于：所述步驟（6)中應(yīng)力場的計(jì)算采用"生死循環(huán)"的方法：即在每一步熱應(yīng)力計(jì) 算時(shí)，將對應(yīng)的溫度場的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇，超過熔點(diǎn)的單元令其"死掉"，低于熔點(diǎn)的單元 將其"激活"。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于ANSYS的雙相不銹鋼與異種鋼焊接變形預(yù)測方法，包括以下步驟：(1)確定焊接工藝參數(shù)；(2)建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；(3)確定焊接材料的熱物理參數(shù)；(4)確定熱源模型；(5)計(jì)算溫度場；(6)計(jì)算應(yīng)力場，算出雙相不銹鋼與異種鋼的焊接變形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明成功地預(yù)測了SAF2507超級雙相不銹鋼及Q235低碳鋼異種鋼焊后變形，可根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定焊后熱處理方案，減少焊接工藝試驗(yàn)數(shù)量，節(jié)約人力物力，在產(chǎn)品制作過程中為前道放樣下料工序提供技術(shù)規(guī)范，減少后道機(jī)加工工序的工作量。
【IPC分類】B23K37-00, G06F17-50
【公開號】CN104809291
【申請?zhí)枴緾N201510205021
【發(fā)明人】張志權(quán), 崔恒兵
【申請人】江蘇金通靈流體機(jī)械科技股份有限公司
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月27日