CN115041789A - 基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，包括如下步骤：S1、结合现场实际焊接工艺参数，明确焊接工艺；S2、进行焊接工艺评定，确定焊接实验的工艺参数范围；S3、根据焊接工艺参数的因素水平组合得到正交试验方案；S4、建立有限元模型，模拟双金属复合管焊接的残余应力，并以数值模拟方法执行正交试验；S5、模拟出等效应力数值，并以每项最大残余应力为指标，计算各因素水平指标均值，并根据各因素水平指标的平均值算出极差R；S6、根据各因素极差计算结果，确定焊接工艺参数对残余应力的敏感性排序；S7、取各因素水平指标最小平均值对应的参数水平作为焊接试验最佳工艺参数。

Description

基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是一种基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法。
背景技术
石油与天然气行业的管道建设中存在着大量的双金属复合管，在对其进行焊接制造和安装的过程中，不可避免地会产生焊接残余应力。构件的焊接残余应力是造成焊接接头或结构脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀开裂等失效形式的重要因素。而焊接工艺参数对焊接残余应力有着决定性的作用，所以，优化焊接工艺参数对提高焊接技术水平、降低生产中设备的故障率、延长设备的运转周期都具有重要的意义。但由于焊接工艺参数之多，导致找到最优参数需要花费大量的时间和人力物力，所以目前双金属复合管的焊接工艺参数的优化还没有一套行之有效的方案。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，优化双金属复合管焊接的工艺参数，减小焊接过程产生的残余应力对复合管的强度的影响。
本发明采用的技术方案是：
一种基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，包括如下步骤：
S1、结合现场实际焊接工艺参数，明确所采用的焊接工艺，焊接参数包括焊接热输入、层间冷却时间和焊接速度；
S2、进行焊接工艺评定，确定焊接实验的工艺参数范围；
S3、根据焊接工艺参数的因素水平组合得到正交试验方案；
S4、建立有限元模型，模拟双金属复合管焊接的残余应力，并以数值模拟方法执行正交试验；
S5、模拟出等效应力数值，并以每项最大残余应力为指标，计算各因素水平指标均值，并根据各因素水平指标的平均值算出极差R；
S6、根据各因素极差计算结果，确定焊接工艺参数对残余应力的敏感性排序；
S7、取各因素水平指标最小平均值对应的参数水平作为焊接试验最佳工艺参数。
优选的，在步骤S2中，依据SY/T 0452-2021《石油天然气金属管道焊接工艺评定》进行焊接工艺评定。
优选的，步骤S2还包括如下步骤：根据焊接工艺参数范围绘制正交试验因素水平表，且焊接工艺参数的试验水平不小于3。
优选的，在步骤S3中，根据正交试验因素水平表进行因素水平组合得到正交试验方案。
优选的，在步骤S4中，基于SYSWELD有限元软件建立有限元模型。
本发明的有益效果是：
1、依据正交试验和数值模拟，得到最佳工艺参数，有效减小焊接残余应力的大小和分布，有利于提高焊接构件的结构强度和使用性能。
2、经过焊接工艺参数的优化后，可以提高焊接生产效率和焊接质量。
附图说明
图1为本发明实施例中焊接接头示意图；
图2为本发明实施例中Incoloy 825/L360QS复合管焊接接头有限元模型示意图；
图3为本发明实施例中不同热输入的等效应力分布云图示意图；
图4为本发明实施例中不同层间冷却时间下等效应力分布云图示意图；
图5为本发明实施例中不同焊接速度下的等效应力分布示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
本发明基于有限元并考虑正交试验法的分析多因素试验次数少,效果好,使用方便等优点，开发出一种针对双金属复合管焊接工艺参数优化方法。该方法包括以下步骤：
步骤一：结合现场实际焊接工艺参数，明确所采用的焊接工艺，主要焊接参数包括焊接热输入、层间冷却时间、焊接速度；
步骤二：依据SY/T 0452-2021《石油天然气金属管道焊接工艺评定》进行焊接工艺评定，确定焊接实验的工艺参数范围，如表1所示；
表1焊接工艺参数范围表
试验因素 焊接热输入Q/(J/mm) 层间冷却时间t/s 焊接速度v/mm·s<sup>-l</sup>
试验水平 A1～An B1～Bn C1～Cn
根据焊接工艺参数范围绘制正交试验因素水平表，且焊接工艺参数的试验水平不小于3，如表2所示。
表2正交试验因素水平表
Figure BDA0003725514430000041
Figure BDA0003725514430000051
步骤三：根据焊接工艺参数的因素水平组合得到正交试验方案，如表3所示。
表3正交试验表
Figure BDA0003725514430000052
步骤四：采用基于SYSWELD有限元软件建立有限元模型，模拟双金属复合管焊接的残余应力，并以数值模拟方法执行正交实验；
步骤五：模拟出等效应力数值，并以每项最大残余应力为指标，如表4所示，计算各因素水平指标均值，选用极差法进行分析；
表4正交试验因素水平组合表
Figure BDA0003725514430000061
根据所测试验值，计算出各水平指标的平均值，并根据各水平指标平均值算出极差R。
步骤六：根据各因素极差计算结果，确定焊接工艺参数对残余应力的敏感性排序；
步骤七：选取各因素水平指标最小平均值对应的参数水平作为焊接试验最佳工艺参数。
下面以一具体实例对上述方法进行详细说明：
1、实验材料
(1)Incoloy 825/L360QS双金属复合管母材
研究对象为Incoloy 825/L360QS机械复合管，外基管材料为L360QS碳钢，在双金属复合管应用中主要用于基层承压；内衬管材料为Incoloy 825镍基合金，其Ni、Cr含量较高，具有较强的抗应力腐蚀能力，在工程应用中主要用于内衬层防腐，与腐蚀流体直接接触。
(2)Incoloy 825/L360QS双金属复合管焊材
采用ERNiCrMo-3焊丝对Incoloy 825/L360QS双金属复合管进行焊接，制备焊接接头，焊丝直径2mm。
(3)焊接接头的制备
选用Incoloy 825/L360QS复合管制备焊接接头，根据GB/T 985.4-2008《复合钢的推荐坡口》中对于厚度在6-40mm的板材，可采用V形坡口，板材的厚度在7～10mm及12～26mm的偶数时，坡口的角度为60°，故采用V形坡口，坡口角度为60°，坡口间隙2mm，焊接接头示意图如1。
2、参数范围确定
依据SY/T 0452-2021《石油天然气金属管道焊接工艺评定》进行焊接工艺评定，确定焊接实验的工艺参数范围如表5。
表5焊接工艺参数范围表
Figure BDA0003725514430000081
注：0.8Q为2534J/mm、1.0Q为3168J/mm、1.2Q为3802J/mm。
由参数范围确定正交试验因素水平如表6。
表6正交试验因素水平表
Figure BDA0003725514430000082
3、试验方案确定
根据焊接工艺参数的因素水平组合得到正交试验方案如表7。
表7正交试验表
Figure BDA0003725514430000091
4、建模
基于SYSWELD有限元软件建立有限元模型，Incoloy 825/L360QS复合管焊接有限元模型如图2所示。
模型尺寸为φ100×(7+3)mm，坡口角度60°，采用TIG焊，填充金属为Incoloy 625焊丝。由于复合管的几何结构关于X轴和Y轴对称，因此取其1/4部分建立模型，考虑到焊缝处温度梯度较大，焊缝熔合区及焊接热影响区附近的网格划分较细密，而距离焊缝及焊接热影响区较远区域的网格划分较稀疏，以兼顾计算速度和模拟准确性。
5、模拟等效应力数值
(1)焊接热输入
不同焊接热输入的焊接接头等效应力分布如图3所示。
(2)层间冷却时间
不同层间冷却时间下等效应力分布云图如图4。
(3)焊接速度
不同焊接速度下的等效应力分布如图5所示。
根据模拟出的应力数值绘制正交试验因素水平组合表如表8。
表8正交试验因素水平组合表
Figure BDA0003725514430000101
Figure BDA0003725514430000111
各因素水平指标均值和极差如表9所示。
表9水平指标
Figure BDA0003725514430000112
6、敏感性排序
根据各因素极差计算结果得出焊接工艺参数对残余应力的敏感性排序：
(1)焊接热输入：0.8Q<1.2Q<Q。
(2)层间冷却时间：200s<150s<100s。
(3)焊接速度：2.0mm/s<1.5mm/s<1.0mm/s。
7、最佳工艺参数确定
选取各因素水平指标最小平均值对应的参数水平作为焊接试验最佳工艺参数即焊接热输入为0.8Q，层间冷却时间为200s，焊接速度为2.0mm/s。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、结合现场实际焊接工艺参数，明确所采用的焊接工艺，焊接参数包括焊接热输入、层间冷却时间和焊接速度；
S2、进行焊接工艺评定，确定焊接实验的工艺参数范围；
S3、根据焊接工艺参数的因素水平组合得到正交试验方案；
S4、建立有限元模型，模拟双金属复合管焊接的残余应力，并以数值模拟方法执行正交试验；
S5、模拟出等效应力数值，并以每项最大残余应力为指标，计算各因素水平指标均值，并根据各因素水平指标的平均值算出极差R；
S6、根据各因素极差计算结果，确定焊接工艺参数对残余应力的敏感性排序；
S7、取各因素水平指标最小平均值对应的参数水平作为焊接试验最佳工艺参数。
2.根据权利要求1所述基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，其特征在于，在步骤S2中，依据SY/T 0452-2021《石油天然气金属管道焊接工艺评定》进行焊接工艺评定。
3.根据权利要求2所述基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，其特征在于，步骤S2还包括如下步骤：根据焊接工艺参数范围绘制正交试验因素水平表，且焊接工艺参数的试验水平不小于3。
4.根据权利要求3所述基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，其特征在于，在步骤S3中，根据正交试验因素水平表进行因素水平组合得到正交试验方案。
5.根据权利要求4所述基于有限元和正交试验的双金属复合管焊接工艺优化方法，其特征在于，在步骤S4中，基于SYSWELD有限元软件建立有限元模型。
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