（材料加工工程专业论文）方矩形管焊接温度场模拟.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：叠叠 日期： 劲| o6s 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 三 轻烙期 糊箜糟黼槲歙嫩 谢擀聊 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 以规格为f 2 0 0 x 6 3 m m 的q 3 4 5 d 方矩形管焊接温度场为研究对象，采用红外测温仪测 量了焊接冷却过程中某些特征点的温度值，通过二维平面模型手推得到焊件在空冷、接触 传热和喷水冷却的情况下的换热系数和内热源现有公式的修正系数，以此为初值采用 a n s y s 有限元三维模型，通过正交分析得到换热系数和内热源的精确的修正系数。据此， 得到了焊缝及附近区域特征点的热循环曲线及横截面等温线分布，并进一步分析了焊接过 程对焊缝及附近区域组织的定性影响。 计算结果表明，a n s y s 模型温度场中特征点的温度计算值与实测值基本吻合，说明 了模型能够较真实地反映实际生产情况；特征点的热循环曲线和横截面上的等温线显示， 焊缝中心线上的点温度变化最剧烈，越靠近焊缝中心线，焊接升温速度和冷却降温速度越 快；加热区等温线呈u 形，焊管上表面比下表面的温度略高，在横截面上呈倾斜的等温线， 且母材区等温线近似为线性，温度分布均匀；根据冷却速度推断焊缝和过热区中形成了魏 氏组织，并在金像照片中得到验证，要改善焊管机械性能，还有待进一步热处理。 关键词：方矩管；感应焊接；等温线；换热系数 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss t u d yu s e st h eq 3 4 5 ds q u a r er e c t a n g u l a rt u b ea st h eo b j e c t , w h i c ht h es p e c i f i c a t i o n s a r ef 2 0 0 x 6 3 m m t h et e m p e r a t u r e so fc h a r a c t e r i s t i cp o i n t si nt h ec o o l i n gp r o c e s sa r em e a s u r e d b yt h ei n f r a r e dt h e r m o s c o p e h e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t i sc o n s i d e r e df r o mt h r e e p a r t s - - a i r - c o o l i n g , c o n t a c th e a tt r a n s m i t t i n ga n dw a t e rs p r a yc o o l i n g m o d i f i c a t o r yc o e f f i c i e n t s a b o u th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h ei n n e rh e a ta s c e n di sc o n c l u d e db yh a n dw i mp l a n tm o d e l t h ed a t ai su s e da si n i t i a lv a l u ei nc a l c u l a t i n gm o d i f i c a t o r yc o e f f i c i e n t sw i m3 - d m o d e lb ym e a n s o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s b yo r t h o g o n a la n a l y s i s ，t h ep r e c i s em o d i f i c a t o r y c a 3 e 伍c i e n t si so b t a i n e d ，s oh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n ta n di n n e rh e a ta s c e n dc a nb ec a l c u l a t e d t h e h i g hf r e q u e n c yw i l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l di ss i m u l a t e db ya n s y s ，a n dt h e nt h ep a p e ra n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gp r o c e s so nm i c r o s t r u c t u r ei nw e l da n dn e a r b y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es i m u l a t e dt e m p e r a t u r e so fc h a r a c t e r i s t i cp o i n t sa g r e ew i t l l e x p e r i m e n td a t a , s ot h em o d e li sm u c hd o s e dt oa c t u a ls i t u a t i o n t h e r m a lc y c l i n gc u r v eo f c h a r a c t e r i s t i cp o i n t sa n di s o t h e r m a ll i n eo nt h ec r o s ss e c t i o nd i s p l a yt h a tc h a n g ei nt e m p e r a t u r e s o fw e l di st h em o s ta c u t e t e m p e r a t u r ei nt h et o ps u r f a c ei sl i t t l eh i g h e rt h a nt h el o w e rs u r f a c e a n di s o t h e r m a ll i n eo nt h ec r o s ss e c t i o ni sd i p p e d ，s ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f b a s em e t a li s u n i f o r m b yc o m p a n i o nw i t hm e t a l l o g r a p h i cp h o t o s ，a b n o r m a ls t r u c t u r ef o r m si nw e l da n d o v e r h e a t e dz o n e i th a si n f l u e n t so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l d e dt u b e , s oi tn e e d st o b ef u f t h e ri m p r o v e db yh e a tt r e a t m e n t k e y w o r d s ：s q u a r er e c t a n g u l a rt u b e ；i n d u c t i o nw e l d i n g ；i s o t h e r m ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t 】： 第一章绪论1 1 1 方矩形管简介1 1 2 方矩形管生产工艺l 1 2 1 成型技术2 1 2 2 焊管切割技术2 1 2 3 快速换辊技术2 1 2 4 高频焊接技术2 1 3 有限元法介绍3 1 3 1 有限元法的发展3 1 3 2 有限元法在温度场模拟中的运用4 1 4a n s y s 介绍5 1 4 1a n s y s 功能5 1 4 2a n s y s 的主要特点5 1 5 焊接温度场的理论分析6 1 5 1 焊接传热的基本形式6 1 5 2 控制方程及定解条件6 1 6 温度场测量7 1 6 1 热电偶测温法8 1 6 2 红外热象法8 1 6 3 红外测温技术8 1 7 课题研究意义及主要内容9 1 7 1 本课题研究背景9 1 7 2 课题研究内容及意义9 第二章焊管测温实验1 0 2 1 实验目的1 0 2 2 实验方案1 0 2 3 测量结果1 1 第三章焊后冷却温度场平面模型分析1 2 3 i 平面模型理论基础1 2 3 2 基本方程推导1 2 3 3 边界条件的确定1 3 3 4 内热源的处理1 4 3 5 确定修f 系数1 5 3 5 1 材料热物性1 5 3 5 2 模型单元离散1 6 3 5 3 总体合成2 1 3 5 4 线性方程2 3 3 5 5 正交实验设计2 4 第页武汉科技大学硕士学位论文 3 6 本章小结2 7 第四章焊接温度场三维a n s y s 分析2 9 4 1 建立三维有限元模型2 9 4 2 材料的热物性处理3 0 4 3 热源移动3 l 4 4 相变潜热3 l 4 5 时间步长设定3 1 4 6 冷却过程3 2 4 7 选取四个因素三个水平作正交表分析3 2 4 8a n s y s 运算结果3 2 4 9 实测温度值验证3 3 4 1 0 本章小结3 4 第五章焊接温度场对焊缝及附近组织的影响3 5 5 1 焊缝垂直方向冷却速度对微观组织的影响3 5 5 2 焊缝及附近横截面等温线分析3 7 5 2 1 建立t = t ( x ，y ，z ) 方程3 7 5 2 2 横截面上的温度等值线4 0 5 3 本章小结4 2 第六章结论4 3 附表：a n s y s 热分析中的符号与单位4 4 参考文献4 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 方矩形管简介 第一章绪论 方矩形管是在常温条件下，将普碳钢或低合金钢钢卷、钢带依次经辊弯成型、高频焊 接、定尺锯切等工序，制成的一种高效、经济断面型材，目前已广泛应用于建筑、汽车、 航空、轻工业及机械制造等行业。 方矩形管能够克服因采用高强度钢而使构件截面减薄，承载时局部弯曲、刚度降低等 缺点，而具有一系列优点，具体表现在【心】：( 1 ) 屈服强度高，由于冷加工变形，可使冷弯 方矩形管的屈服强度比原材料提高l o 1 5 ，有的可提高2 0 ，在结构设计中可得到合 理利用；( 2 ) 剪心、形心重合，抗扭性能好；( 3 ) 抗弯强度较大，抗震性能好；( 4 ) 可与 深加工工序连接，如冲孔、焊接、涂漆等，为零件的工厂化生产创造条件；( 5 ) 简化装配 工序，施工速度快；( 6 ) 可生产有防护层的型材，如镀锌、镀铝锌、镀锡、涂塑等，以解 决防锈问题；( 7 ) 组成的钢结构外形美观；( 8 ) 既环保又可再次利用，易于产业化。 1 2 方矩形管生产工艺 以往，方矩形管的生产工艺主要有以下两种【3 】： 1 ) 角钢、槽钢拼接对焊； 2 ) 先冷弯成圆，再将圆管常温下或加热到正火温度，在定径工序变形成方矩形管。 也就是“由圆成方”工艺。 但是从实际生产情况来看，这两种生产工艺存在明显的不足。方式1 生产效率低，出 来的成品存在两道焊缝，外观较差且成本较高，故现在一般不采用该方式；方式2 可进行 大批量生产，但工序所需道次较多，成品规格受较大限制。目前，国内大部分的厂家采用 方式2 的生产工艺，在圆管成型设备中适当增加一些设备，生产方矩形管及异型管( 断面 较简单) 。 鉴于传统生产工艺中存在的众多缺陷，世界范围内许多钢铁企业发展出一种新型的方 矩形管生产工艺，即“直接成方”工艺。“直接成方”工艺最早是在欧州和日本发展起来的， 具体的生产流程为：将带钢直接弯曲成方矩形管坯，然后进行对缝焊接、整型。直接成方 工艺也可利用某些型钢成型机组适当增加一些设备，用以生产方矩管。如同本某冷弯型钢 厂在原卷边槽钢成型机组基础上，添置了挤压、焊接、冷却、矫直等设备，稍稍改变原生 产工艺流程，就能生产方矩形管。图1 1 为“直接成方”工艺流程图： 匝匝乎压亟 圈 图1 1 “直接成方”工艺流程 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 “直接成方 的关键技术包括：成型技术、焊管切割技术、快速换辊技术、高频焊接 技术 4 1 等。 1 2 1 成型技术 早期的成型技术基本采用圆变方工艺，虽然它具有成品钢管残余应力小、角部圆弧半 径小等优点，但成本高、表面质量差，现在只有英国等少数国家还在使用。 目前发展出的直接成方成型方式主要由两种：辊弯成型和排辊成型。传统的辊弯成型 是在预成型阶段，通过在轧辊上进行一系列的配套辊型设计进行冷弯成型；排辊成型( 简 称龙式成型) 是新建生产线中采用的主体成型技术，其最大特点就是产品规格改变不用更 换轧辊，通过灵活简单的调试即能实现，使生产批量不受限制，而且成本较低。 1 2 2 焊管切割技术 早期焊管是采用圆盘锯切割的方法，此方法技术成本较低且效率高，但端面毛刺多， 剪切变形大，难以满足高精度要求。因此，2 0 世纪8 0 年代以后，在新建的冷弯生产线中 采用了仿形铣( 同步仿形飞锯) 的切割技术。仿形铣焊管端面光洁平整无毛刺，噪声小且 尺寸精度高，但成本较高、磨损快。所以实际生产中厂家一般根据产品定位和用户要求选 择切割设备。 1 2 3 快速换辊技术 快速换辊技术是因用户要求和市场竞争的需求，相继由德国的s m s 公司和美国a b b e y 公司开发而来。采用该技术可以将生产准备时间由传统整条线的大换辊的8 1 2 h ，缩减至 采用换辊小车的9 0 m i n 5 1 。另外，加上计算机在换辊中的应用，可减少过程中的误差，提 高精度。 1 2 4 高频焊接技术 高频焊接( h i g hf r e q u e n c yr e s i s t a n c ew e l d ) 作为“直接成方”技术的重要步骤，是电阻焊 的一种。电阻焊( r e s i s t a n c e w e l d i n g ) 是指利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的 电阻热效应，将其加热到熔化或塑性状态，通过作为电极的接触滚轮实现焊接，使之形成 金属结合的一种方法，于1 8 8 6 年由美国人汤普森发明，最早是用于薄板的点焊和缝焊。目 前该技术已逐步完善，又相继发展出缝焊和对焊等方法。电阻焊与其他焊接技术逐渐取代 原始的铆接而成为现代工业生产中的基本加工方法之一【6 - 。7 1 。 高频电阻焊是利用交流电荷在工件中的集肤效应、邻近效应、涡流热效应及电磁感应 原理，使焊缝边缘局部加热到熔融状态，再经滚轮的挤压，使焊缝结合，从而实现对焊焊 缝焊接的目的。高频电阻焊需根据产品装配专用设备，是一种专业化较强的焊接方法，最 高焊接速度达3 0 m m i n 【引，生产效率很高，主要用于制造管材时纵缝或螺旋缝的焊接。高 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 频电阻焊利用高频电流加热，常用的频率在7 叫7 0 k h z 范围内【5 1 。高频发生器输出的电流 直接经接触电极导入工件。由于集肤效应和邻近效应的作用，焊接电流仅限于焊件表面附 近流动。焊接热量在少量金属体积内沿被焊边缘形成理想的狭窄焊缝区，且熔融金属在顶 锻力的作用下从接头中被挤出来。研究表明，它比其它焊接方法产生的焊缝具有更高的强 度【9 】。 根据高频电能导入方式，高频焊接分为接触高频焊和感应高频焊，而感应高频焊又可 分为直缝焊和螺旋焊 1 0 j l 】。目前，现场大规模方矩形管生产工艺中的高频焊接采用感应焊 的方法，它具有焊接热影响区窄、焊缝成型美观、焊接机械性能良好等优点，原因在于无 需焊缝填充料，无焊接飞溅等情况出现，因此在有缝钢管的生产中受到广泛的应用。 高频焊接是方矩形管生产过程中一个重要的环节，它使焊缝及其附近组织发生了变 化，这些变化与焊管的性能有重要的联系。 高频焊接过程与普通的热处理相比具有以下几个特点【1 2 以5 】：1 ) 加热温度高，低碳钢 焊接温度一般在1 3 5 0 左右，明显比热处理温度高；2 ) 加热速度快，加热速度超过热处 理的几十倍甚至更多；3 ) 局部加热；4 ) 高温停留时间短，在a e 3 以上保温时间很短；5 ) 自然条件下连续冷却。这一系列的特点使得钢焊接中的组织转变过程不同与普通的热处 理。 1 3 有限元法介绍 方矩形管实际生产过程焊接的过程极短，温度变化很快，不能直接采用仪器设备来测 量焊接过程焊缝及附近温度的变化情况，因此发展出用有限元法模拟焊接温度场变化的方 法。 1 3 1 有限元法的发展 目前，在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散元法和无限 元法等，其中发展最成熟、应用最广泛的是有限元法。 “有限元法”这个名词，第一次出现在1 9 6 0 年。当时克劳夫在一篇平面弹性问题的 论文中提出“有限元法”。但是，有限元法分析的概念要最早追溯到二十世纪四十年代， 1 9 4 3 年，c o u r a n t 在论文中，取定义在三角形域上的分片连续函数，利用最小势能原理研 究了扭转问题。1 9 5 6 年，t u m e r ，c l o u 曲，m a t i n 和t o p p 等人，在其经典论文中第一次给 出了用三角形单元求得的平面应力问题的真证解答，并第一次介绍了今天人们熟知的确定 单元特性的直接刚度法。他们的研究工作随同当时的数字计算机一同进入复杂平面弹性问 题的新局面。 六十年代以后，贝塞林等人确认有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。此 时，工程师们开始认识了有限元法的巨大功效。此后有限元法在工程界活的了广泛的应用。 七八十年代，许多高等学校、研究机构和软件公司得到各工业部门( 如航空、建筑、造船、 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 汽车等) 的大力资助，陆续研究出各种通用性有限元程序，进一步推动有限单元法的理论 研究和实际运用，发表的论文犹如雨后春笋，学术交流频繁，期刊、专著不断出现。可以 说有限元的发展进入了鼎盛时期。 有限元法是2 0 世纪中期之后在计算数学、计算力学和计算工程科学领域诞生的最有 效的数值计算方法。它随着计算机硬件的迅速发展而逐步成熟，先后经历了2 0 世纪6 0 年 代的探索发展时期，2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代的独立发展应用时期，直到2 0 世纪9 0 年代 c a e 和c a d 相辅相成的共同发展。 到目前为止，有限元的运用已经由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由 静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题：分析的对象从弹性材料扩展到塑性 和复合材料等；从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学。有限元在工程分析 中的作用已由分析和校核扩展到优化设计，并和其他的计算机辅助设计技术更紧密地结合 起来。 在我国，有限元法也得到了广泛的推广和应用，从国外引进了各种大中型通用有限元 软件，另外还发展处f e p g 等优秀国产软件，在解决实际问题中发挥了重要作用。这样不 仅提高了解题的速度，更极大地方便了使用者。我国的有限元法理论和软件正处在蓬勃发 展的新阶段。 1 3 2 有限元法在温度场模拟中的运用 有限元作为一种数值分析方法，经过5 0 多年的发展，在材料工程领域的冶炼、热处 理、压力加工和焊接等方面成功解决众多大型工程计算难题，利用有限元模拟分析焊接温 度场在理论及实践上都具有一定的价值【1 6 ，1 7 】。 正如1 2 4 中所述，焊接传热问题非常复杂，但它对焊接焊缝及附近区域组织性能具 有极大的影响【1 8 】，所以人们一直在研究焊接温度场本质。 焊接热过程的研究起源于上世纪3 0 年代，到1 9 4 1 年d r o s e n t h a l 1 9 】等人利用解析法推 导出了整套计算公式。在推导中，简单地把焊接热源模型处理成点、线、面的理想状态， 而且还假设研究材料不发生相变，热物性是不随温度变化的常值，导致模型完全失真，得 到的结果与实际相差甚大。到5 0 年代，人们又开始对d r o s e n t h a l 计算公式进行了修正与 改进。t k a s u y a 2 0 】等人解析了分布于工件内部热源、表面线状热源及局部预热等情况，使 得精度大大提高。6 0 年代后，计算机的推广应用加速了焊接热过程数值分析的发展。焊接 过程的数值模拟出现于2 0 世纪7 0 年代，相对此l j 的热过程分析有了巨大的进步。p l a e y t 2 】 在模拟分析中，选取半经验方法将熔合线内单元直接处理成加热单元，并加载单元生热率， 使热源控制在一定体积内；同时，将材料热物性处理成随温度变化，不再是常值，使模型 与实际情况更接近。g w g r e s s 在他的博士论文中建立了平面焊接温度场的有限元分析模 型，考虑了导热系数和比热随温度的变化及相变潜热，边界条件中涉及到辐射和与空气l 日j 的对流造成的热散失，但未讨论焊接热源的处理。a g o l d a k 2 2 - 2 3 】提出了双椭球形的高斯热 源分布模型，熔化焊中能量分布得到比较清楚地表达，并综合考虑进焊接电流、电压、焊 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 丝尺寸和焊接速度等参数，但模型中假设不存在辐射，仍有一些不足和欠缺。很多研究学 者也纷纷提出了焊接温度场分析的一些模型，如铝合金激光焊热流平面模型、气体保护焊 平面模型等等，有些学者还分析了电池、热力学和流体力学在焊接温度场中的耦合。 在国内，唐慕饶 2 4 】对薄板焊接采用平面模型计算了温度场，但未考虑材料热物性的非 线性和向周围环境的热散失。陈楚【2 5 】等人将材料热物性处理成随时间变化的函数，把散热 情况也涉及进来，无论热源移动与否、板的尺寸厚薄、温度场的准稳态与否，该模型都能 较好吻合实际。上海交大的汪建华【2 6 2 7 】等人在上世纪9 0 年代开始研究三维瞬态温度场。而 分段移动热源是由清华大学的鹿安理、蔡志鹏【2 s 】在大型结构焊接模型中提出来的。 迄今，国内外研究人员都试图建立能够全面考虑影响焊接热过程温度场各种因素的分 析模型，更真实地还原焊接热过程，得到更准确的温度场，但在实际模拟中，关于考虑全 面和计算量大收敛困难的协调，目前还是存在不少的问题：1 ) 焊接热源模型的参数缺乏 系统的资料；2 ) 严重的材料非线性导致求解过程的收敛困难：3 ) 焊接热过程高温区的存 在降低了数值模拟的精度和稳定性；4 ) 材料的高温热物理参数资料缺乏。 1 4 a n s y s 介绍 a n s y s 软件是目前应用最广的有限元软件之一，连续多年被评为世界上最优秀的分 析软件。a n s y s 作为大型c a e 仿真分析软件，是融结构、热、流体、电磁、声学于一体 的大型通用有限元分析软件，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、铁道、石油化工、 能源等一般工业及科学研究中。 1 4 1a n s y s 功能 a n s y s 可以完成如下的功能：1 ) 构建有限元计算模型或者导入结构、产品或系统的 c a d 实体模型；2 ) 应用加载约束和荷载；3 ) 反映模型的物理响应，比如温度分布、应力 水平、电磁场等；4 ) 产品的优化设计，降低成本费用：5 ) 数值模拟实验。 a n s y s 可提供对各种物理量的分析，已被应用到如下学科：结构分析、热分析、流 体分析、电磁场分析、瞬态高度非线性动力分析及多耦合分析。a n s y s 的优化设计功能 对任何方面的设计变量、约束变量的优化都被允许，比如形状、频率、温度、应力、速度、 离散量、重量及费用等【2 9 3 2 j 。 1 4 2a n s y s 的主要特点 a n s y s 之所以在有限元软件中具有领先地位，是因为如下特点【3 3 】：( 1 ) 能够实现多 场及多场耦合分析功能，如热结构耦合、磁结构耦合、磁流体热耦合等；( 2 ) 前后处理、 求解及多场或多场耦合分析的数据库一体化；( 3 ) 非线性分析的强大功能；( 4 ) 自动网格 划分技术的多样，与c a d 软件集成并有接口，能精确地将c a d 生成的几何数据导入 a n s y s 中，并能划分网格求解，避免重复建模的时问浪费；( 5 ) 良好的用户开发环境及 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 便捷的二次开发功能，主要体现在a n s y s 综合应用菜单、工具框、命令流输入、参数设 计语言、用户可编程性、外部命令等，开发出适合你的应用程序。 本次研究之所以选用a n s y s ，主要基于以下几点原因： 1 ) 使用有限元法求解问题的基本过程包括分析对象的离散化、有限元求解及后处理部 分。分析对象离散后的网格质量直接影响求解时间和正确性，a n s y s 凭借其对单元精确 地处理能力和网格划分自适应技术在实际工程应用有很大的优势，较好地避免了由于单元 畸变严重，需要网格重新划分的情况。 2 ) 便捷的用户可编程性。比如模拟中要考虑的移动热源的输入等，需要用到 * d o * e n d d o 和* i f - * e n d i f 语句进行编程。 1 5 焊接温度场的理论分析 1 5 1 焊接传热的基本形式 由于焊接过程中焊件是局部受热，焊件中存在很大的温差，焊件内部和焊件与周围环 境间都存在热量的流动。传热学中热传递主要由传导、对流和辐射三种基本的形式，根据 目前的文献描述，在感应焊接条件下，整个过程包含了传导、对流和辐射三种。 焊接热分析研究的主要内容为焊件上的温度分布及温度随时间的变化。因此，感应焊 接温度场在传热形式上需要综合考虑。 1 5 2 控制方程及定解条件 由傅里叶定律知：物体导热热流量与温度变化率有关，所以研究物体导热必涉及物体 的温度分布。一般情况下，物体的温度分布是坐标和时间的函数，t i p t = f ( x ，y , z ，t ) ( 1 1 ) 式中，x y , z 为空间坐标；t 为时问坐标。 根据能量守恒和傅里叶定律，建立导热物体中温度场的数学表达式，式( 1 1 ) 称为导 热微分方程，是笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般表达式【3 4 1 。 亟磐：i 0 【以i o t ) + 吴( 名，祟) + 昙( t 妻) + q ( 1 2 ) o to xo x a vo v o zo z 式中第一项为体元升温需要的热量；右侧第一、二和三项是由x ，y 和z 方向流入体元的热 量；最后一项为体元内热源产生的热量。能量方程式目前温度场数值模拟中普遍使用的描 述方程，适用于固体及流体。其中，p 为材料的密度( k g m 3 ) ；c 为材料的比热容( j k g k ) ； t 为时间( s ) ；k ，b ，k 分别为材料沿x ，y ，z 方向的热导率( w ( m k ) ) ；q = q ( x ，y ， z ，t ) 为材料内部的热源密度( w k g ) 。 通过导热微分方程可知，求解导热问题实际就是对导热微分方程求解，其定解条件包 括初始条件和边界条件： 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 1 ) 初始条件 初始条件是指求解问题的初始温度场，也就是在零时刻温度场的分布。它可以是均匀 的，此时有f 1 覃o - - t o ，也可以是不均匀的，各点的温度值已知或者遵从某一函数关系 f f 瑚= t o k y ，z ) 。 2 ) 边界条件 边界条件是指物体表面或者边界与周围环境的热交换情况，通常有三类重要的边界条 件，如图1 2 所示： 叫 ( 1 )( 2 )( 3 ) 图1 2 边界条件示意图 不同边界条件下的导热情况及表达式分为以下几种【3 5 】： ( 1 ) 第一类边界条件是指物体边界上的温度分布函数已知，表示为下式1 3 ： t l ，= f ，或t i ，= t w ( 工，y ，z ，t ) ( 1 3 ) ( 2 ) 第二类边界条件是指边界上的热流密度已知，表示为1 4 式： gl ，：以昙i s = q w 或gl ，：一五要i s = q w ( x , y , z , t ) ( 1 4 ) 式中，n 为物体边界的外法线方向，并规定热流密度的方向与边界的外法线方向相同。 ( 3 ) 第三类边界条件又称为对流边界条件，是指物体与其周围环境介质间的对流传 热系数k 和介质的温度t f 已知，表示为下式1 5 ： 一五要：k ( t t r ) ( 1 5 ) 一九i 一2一r j ll - ) o n 1 6 温度场测量 由于焊接过程十分复杂，至今所使用的数学分析方法几乎都建立在许多假设和简化的 基础上。由于这些假设并不完全符合焊接的实际情况，因此数学分析的各种焊接传热学计 算必须与温度场的实际检测相结合才能达到更好的效果3 6 】。 但应注意到，在高频焊接过程中，机组中的挤压辊、感应圈及管内阻抗器都需要通水 冷却，而有时冷却水可能覆盖焊接加热区域，流入焊接加热区，又被加热气化成水蒸气。 采用空气吹扫装置，可以在一定程度上减少测温通道中的水蒸气 3 7 , 3 8 】。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 目前，常用的温度场测量方法【3 9 】有：热电偶测温法；红外热象法：红外测温仪测量。 1 6 1 热电偶测温法 使用热电偶是一种普遍采用的获知温度( 例如测量产品的温升、监控试验时的环境温度 等) 的方法。理想的热电偶测温方法，是将参比端置于0 c 的恒温槽中，通过测量2 个不同导 体a 、b 的热电动势历口，再查分度表反求出被测温度t 。由于让参比端保持0 c 有时比较困 难，实际应用中常常需要参比端恒温处理或温度补偿 4 0 l 。 热电偶测温法有几个优点：1 ) 精度比较高，因为热电偶直接与被测对象接触，不受中 问介质的影响；2 ) 测量范围大，通常可在5 0 c , - - 1 6 0 0 c 范围内连续测量【4 1 】；3 ) 结构简单、 使用方便。但是，该方法也有一定的缺点：每次测量的点数有限( 最多几个点) ，难以反映 整个焊接温度场的情况；此外，金属的电阻和熔池中液体的流动会阻碍热传导，从而给热 电偶的测量带来一定的误差。 1 6 2 红外热象法 随着红外技术和计算技术的发展，红外热象法【4 2 1 测定焊接温度场成为近代一种新技 术。红外热成像测温技术为非接触式测温，响应快、不破坏被测物体的温度场及可以检测 某些不能接触或禁止接触的目标，红外热像技术显示出其在测试物体温度场方面的优势。 许永华等针对高炉炉内温度场的分布及高炉布料的情况提出了一种基于红外图像处 理的高炉温度场检测方法，通过红外图像处理来建立温度场分布模型，结合十字测温进行 温度定标，实现了高炉温度场分布在线监视【4 3 】。 李维结等人m 】将图象处理方法应用于闪光焊温度场的检测中，取得了较好的效果。在 g m a 焊接中，红外热成象技术被用于接头熔深的自适应焊接控制，也取得了一定的成果【4 5 1 。 目前，该技术尚未成熟，所需设备价格较昂贵。 1 6 3 红j f 钡y 温技术 红外测温技术是利用红外辐射的测量来确定物体的温度，主要是利用红外测温仪来实 现的。这种技术已经在一些工业发达国家的高频焊管行业中应用，国内一些进口机组也带 有焊接温度自动控制功能。近年来，国内的工业红外测温技术已逐步发展成熟。 黄毅等人【删采用红外光导智能测温系统对直缝焊管焊接区的温度进行实测，初步解决 了焊区在恶劣条件下( 焊接区附近的水蒸汽、焊渣飞溅、烟雾等) 温度监测的难题。 非接触式的红外测温仪，使用附件少，安装方便，可快速对物体温度进行非接触，且 不破坏被测温度场的均衡性，为高频焊管的在线温度监控提供了一种有效的技术手段。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 1 7 课题研究意义及主要内容 1 7 1 本课题研究背景 高频焊管的基本原理是利用高频感应加热焊管，使工件达到高塑性状态，再外加压力 而形成焊缝。此时，焊接点的温度和压力是影响焊接质量的关键因素，其中压力一般由机 械装置保证，相对较稳定，故焊接点温度的控制则是焊管质量控制的核心【4 7 】。 目前，国内有几百条高频直缝焊管生产线，焊接温度的控制大多采取现场操作员根据 经验实施，很难做到及时、准确调节一步到位【4 引。当被加热的焊缝边缘达不到焊接温度， 即焊接温度过低，金属组织仍然保持固态，形成未熔合或未焊透；当被加热的焊缝边缘超 过焊接温度，即焊接温度过高，产生过烧或熔滴，使焊缝形成熔洞。因此，控制焊接温度、 保证焊接质量，对提高产品质量起着决定性的作用。 1 7 2 课题研究内容及意义 基于成熟可靠的通用性有限元仿真软件a n s y s ，利用传热学原理，对2 0 0 x 2 0 0 x 6 3 ( r a m ) 的q 3 4 5 d 方矩形焊管焊接过程中的温度场分布进行探讨。研究内容主要有以下几个方面： 1 ) 综合考虑换热系数，通过正交分析确定修正系数，得到适合模型的边界条件，采 用红外测温仪测量焊件冷却过程种特征点的温度来验证。 2 ) 在a n s y s 中，建立有限元模型、加载移动热源及换热系数，得到高频焊接温度场。 3 ) 分析焊缝及附近区域特征点的热循环曲线特点，及横截面上的等温线图，结合金 相照片探讨焊管温度场特点及其对焊管焊缝及附近区域质量的影响。 焊接温度场情况与焊缝及附近的组织息息相关，可为后续改善焊管质量提供一定的理 论基础，与焊管厂家的实际生产过程相联系，因此有一定的理论与经济价值。 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 1 实验目的 第二章焊管测温实验 实验主要是利用红外测温仪测量焊后冷却过程中特征点的温度，一部分数据用于确定 焊后冷却温度场的边界条件；另一部分数据与模拟得到的特征点温度计算值进行比较，验 证模型的准确性。 2 2 实验方案 实验是在汉口轧钢厂的f 2 0 0 x 6 3 的方管生产线上进行的，所采用的高频焊接参数如表 2 1 ： 表2 1 高频焊接参数 由于高频焊接温度很高，约为1 4 0 0 ( 2 ，生产现场的冷却水变成水蒸气，无法直接测量 焊管高频焊接点的温度，加上生产现场比较复杂及条件限制，所以我们采用红外测温仪来 测量冷却后的温度值，实验采用的是f l u k e 6 2 非接触型红外测温仪( 见图2 1 ) 图2 1f l u k e 6 2 非接触型红外测温仪 实验一共测量了3 组温度，以立辊为基准，选取的横向距离分别为1 5 8 0 m m 、1 7 8 0 m m 、 1 9 8 0 m m 。在横截面上，选取了6 个点，如图2 2 所示： e f - 图2 2 实验选取点示意图 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 上图中，a 点是焊缝中心线，b 点距a 点2 5 r a m ，c 点距b 点2 0 m m ，d 点距c 点2 0 m m ； e 点距顶面2 0 m m ，f 点距e 点2 0 m m 。 2 3 测量结果 经过红外测温仪的测量，焊管焊后实测温度值如表2 2 、2 3 、2 4 所示： 表2 2 横向距离1 5 8 0 m m 实测温度值 总结以上数据表明，除了焊缝点温度随横向距离增大而降低，其它点的温度变化不大。 在后续的有限元分析中可以得到具体的温度变化规律。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章焊后冷却温度场平面模型分析 不同模型对应的边界条件不同，针对课题所探讨的模型，无法从现有的文献中找到边 界条件换热系数的参考取值或参考范围，因此，本章先采用平面模型来得到边界条件 的初步值，为三维建模计算提供依据。 3 1 平面模型理论基础 由1 5 2 节中式1 1 得n - 维平面温度场控制方程： c _ o i t ：i 0 【力0 一t ) + i 0 ( 兄_ = o - t ) + 垒 ( 3 1 )c = i l l + l l i + =l3 1 ) 研 缸、融7 砂、砂p 式中：p 是材料密度( k m 3 ) ；c 为材料的比热容( j ( k g k ) ) ，九为材料的热导率( 、驯( m - k ) ) ， t 为时间( s ) ；q 为材料内热源强度( w 他g ) 。 模型的边界条件采用1 5 2 节中的式1 5 。 3 2 基本方程推导 利用e u l e r - l a g r a n g e 方程将式3 1 等效地表达为以下泛函： 兀：j y 丢 七( 婴) ：+ 后( 罢) z ) 耖一f sh r ( t t ，) d s - j yr ( 垒一c 孥) d y ( 3 2 ) 己o r , 铆oo t 将研究区域划分为e 个单元，对上述泛函求单元节点温度t i 的一阶偏导数并置零，得 到： 罂：步业：o ( 3 3 ) 明智犯 。 将( 3 1 ) 式采用矩阵记法，可得 k 】 丁) ，+ 】 a r 钟) ，= 尸) ， ( 3 4 ) 式中，系数矩阵 k 】称为温度刚度矩阵，由于 k 】首先出现在弹性力学的有限单元法中，故 称之为刚度矩阵； n 称为非稳态变温矩阵；【t 是内部各节点的温度矩阵； p 】t 为总体节点 热载荷矩阵。 图3 1 为时间的有限差分。 根据图3 1 定义下式为向后有限差分的一阶差商： ( = 古( z ) + d ( f ) ( 3 5 ) 向后差分格式是无条件稳定的，而且在大的t 步长下也不会振荡，目前应用较广。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 # 站r 出fh r t 图3 1 时同的有限差分 这里采用向后差分法，将式( 3 5 ) 代入式( 3 4 ) ，得到： ( 吲+ 訾册，卅。+ 訾吼血 该式为有限单元法计算瞬态温度场的基本方程4 9 1 。 将3 6 式整理后得到式3 7 ： ( 】+ 古【k 3 懈) ，2 古【k s 似+ p ) 式中，【k t 】韫度刚度矩阵； k 3 】变温矩阵。 将 t ) 池作为求解初始条件，就得至l j a t 时间前的温度场 t ) 。 3 3 边界条件的确定 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 根据前述公式，边界条件中需要确定复合换热系数h 。研究模型中的复合换热系数h 主要由空冷l l r ，水冷h w ，接触传热1 l c 三部分构成。 ( 1 ) 空冷( 主要为辐射：l l f ) 在空冷过程中，方矩形管与外界空气的对流换热较辐射所引起的热量损失小，故我们 可以将之忽略。 通过电磁波辐射而换热的现象叫辐射换热。根据斯忒藩波尔兹曼s t e f a n - - - - b o l t z m a n n 定律，此处的辐射热交换系数h ，如下