(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112685848 A(43)申请公布日 2021.04.20
(21)申请号 202011494061.X(22)申请日 2020.12.16
(71)申请人 中建三局第一建设工程有限责任公
司
地址 430040 湖北省武汉市东西湖区东吴
大道特1号(72)发明人 韩阳 张义 张舟 周龙早
朱梓坤 (74)专利代理机构 武汉世跃专利代理事务所
(普通合伙) 42273
代理人 邬丽明(51)Int.Cl.
G06F 30/17(2020.01)G06F 30/23(2020.01)G06F 111/10(2020.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图4页
G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01)
CN 112685848 A(54)发明名称
一种Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法(57)摘要
本发明提供一种Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法，包括以下步骤：对Q690D钢进行焊接性分析；根据Q690D钢的焊接性的分析结果，确定所研究的焊接条件及其主要焊接参数；建立实际焊件的有限元模型，并进行网格划分；定义焊件材料属性，建立相应的材料数据库；根据实际的焊接参数对热源进行校核；以建立的有限元模型、材料参数和焊接热源为条件，使用SYSWELD焊接模拟软件对焊接过程进行模拟求解，得到焊接过程的温度场及应力场；根据不同焊接参数下的模拟结果，进行数据分析比较，从而得到较优的焊接参数及焊接工艺。本发明将有限元数值模拟与数据分析相结合，极大提高了工作效率，降低了试验成本，同时具有操作简便的特点，并保证了准确性的要求。
CN 112685848 A
权 利 要 求 书
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1.一种Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
对Q690D钢进行焊接性分析；
根据Q690D钢的焊接性的分析结果，确定所研究的焊接条件及其主要焊接参数；建立实际焊件的有限元模型，并进行网格划分；定义焊件材料属性，建立相应的材料数据库；根据实际的焊接参数对热源进行校核；以建立的有限元模型、材料参数和焊接热源为条件，使用SYSWELD焊接模拟软件对焊接过程进行模拟求解，得到焊接过程的温度场及应力场；
根据不同焊接参数下的模拟结果，进行数据分析比较，从而得到较优的焊接参数及焊接工艺。
2.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述焊接条件包括焊接方式、焊接热输入、焊接速度及预热温度。
3.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述焊接性分析包括碳当量、冷裂纹敏感性及热裂纹敏感性的焊接性分析；根据碳当量的焊接性分析，确定Q690D钢焊接时进行预热；根据冷裂纹敏感性的焊接性分析，确定焊接时扩散氢的含量；根据热裂纹敏感性的焊接性分析，确定Q690D钢焊接时忽略热裂纹的影响。
4.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述Q690D钢主要焊接参数包括焊接热和坡口角度，所述多道焊的焊接热为22～26kJ/cm，坡口角度为15°～25°。
5.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，在有限元模型中，采用焊缝、热影响区及其邻近区域的网格为密集网格划分方式，远离焊缝的区域网格较为稀疏网格划分方式。
6.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，焊件材料属性包括焊接材料在不同温度下的导热系数、密度、比热容、热膨胀系数、泊松比及弹性模量。
7.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述热源采用双椭球热源模型。8.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，数据分析的评定依据为残余应力和焊接变形。
9.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，还包括最后将将数值模拟结果与实际焊接结果进行对比，以验证数值模拟结果准确性的步骤。
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说 明 书
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一种Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法
技术领域
[0001]本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法。
背景技术
[0002]低合金高强钢是在含碳量ω≤0.20％的碳素结构钢的基础上，通过加入少量的cMn、V、Ti等合金元素，而发展起来的一类工程结构钢，其强度高于碳素结构钢。由于具有较高的强度，可以代替并减少碳素结构钢的使用，达到节约成本，提高可靠性的目的。Q690D钢具有较好的塑性和韧性，冷脆转变温度低，且具有良好的焊接性能和耐腐蚀性能，在海工、车架等方面应用广泛，但用作钢桥桥梁面板钢的应用实例几乎没有，对于其工艺参数的确定还缺乏研究，故需要进行焊接工艺参数优化，以得到适合的焊接工艺参数，保证焊接质量。
[0003]焊接过程中，由于不均匀的温度场变化以及局部产生的塑性变形，不可避免地产生焊接残余应力。焊接残余应力对于焊件的疲劳强度、结构刚度具有重要影响。焊接参数对于焊接质量具有巨大的影响，通过选择合适的焊接参数来达到减小焊接残余应力，达到提高焊接质量的目的，在实际的工程项目中十分重要，对低合金高强钢的多层多道焊来说犹是如此，因此在实际的工程应用之前需要对焊接参数进行优化。随着计算机有限元模拟技术的发展，数值模拟的方式在焊接方面的应用也日趋成熟，数值模拟的方式具有很多传统实物试验无法比拟的优势，例如极大地减小了人力物力地消耗，具有较高的工作效率与准确度。所以，采取数值模拟与数据分析相结合的方式来对低合金高强钢厚板多层多道焊来进行参数优化，具有很好的现实意义与可行性。发明内容
[0004]本发明为解决上述技术问题提供一种简单高效，成本较低，准确度较高的Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法。[0005]为了实现上述目的，本发明是通过如下方法实现的：
[0006]一种Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法，包括以下步骤：[0007]对Q690D钢进行焊接性分析；
[0008]根据Q690D钢的焊接性的分析结果，确定所研究的焊接条件及其主要焊接参数；[0009]建立实际焊件的有限元模型，并进行网格划分；[0010]定义焊件材料属性，建立相应的材料数据库；[0011]根据实际的焊接参数对热源进行校核；[0012]以建立的有限元模型、材料参数和焊接热源为条件，使用SYSWELD焊接模拟软件对焊接过程进行模拟求解，得到焊接过程的温度场及应力场；[0013]根据不同焊接参数下的模拟结果，进行数据分析比较，从而得到较优的焊接参数及焊接工艺。
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优选地，所述焊接条件包括焊接方式、焊接热输入、焊接速度及预热温度。
[0015]优选地，所述焊接性分析包括碳当量、冷裂纹敏感性及热裂纹敏感性的焊接性分析；根据碳当量的焊接性分析，确定Q690D钢焊接时进行预热；根据冷裂纹敏感性的焊接性分析，确定焊接时扩散氢的含量；根据热裂纹敏感性的焊接性分析，确定Q690D钢焊接时忽略热裂纹的影响。[0016]优选地，所述Q690D钢主要焊接参数包括焊接热和坡口角度，所述多道焊的焊接热为22～26kJ/cm，坡口角度为15°～25°。[0017]优选地，在有限元模型中，采用焊缝、热影响区及其邻近区域的网格为密集网格划分方式，远离焊缝的区域网格较为稀疏网格划分方式。[0018]优选地，焊件材料属性包括焊接材料在不同温度下的导热系数、密度、比热容、热膨胀系数、泊松比及弹性模量。[0019]优选地，所述热源采用双椭球热源模型。[0020]优选地，数据分析的评定依据为残余应力和焊接变形。[0021]优选地，还包括最后将将数值模拟结果与实际焊接结果进行对比，以验证数值模拟结果准确性的步骤。
[0022]本发明的有益效果为：Q690D钢用作桥梁面板钢的焊接实例较少，焊接参数不易确定，易出现焊接缺陷，影响焊接质量，故需要对焊接参数进行优化。本发明提出的焊接工艺参数优化方法将有限元数值模拟与数据分析相结合，极大地提高了工作效率，降低了试验成本，同时具有操作简便的特点，并保证了准确性的要求，具有较好的可行性。附图说明
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行论述，显然，在结合附图进行描述的方法仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其他的实施例及其附图。
[0024]图1为本发明实施例的有限元模型及网格划分图；[0025]图2为本发明实施例的温度场云图；
[0026]图3为本发明实施例优化焊接热输入的残余应力云图；[0027]图4为本发明实施例优化坡口角度的残余应力图；[0028]图5为本发明实施例优化焊接热输入的焊后变形图；[0029]图6为本发明实施例优化坡口角度的焊后变形图；
[0030]图7为本发明实施例不同焊接热输入下实际焊接残余应力与模拟残余应力对比图；
[0031]图8为本发明实施例不同坡口角度下实际焊接残余应力与模拟残余应力对比图。具体实施方式
[0032]以下将结合附图对本发明的各实施例的方法进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中所述的实施例，本领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都在本
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发明所保护的范围内。
[0033]本实施例提供一种Q690D高强钢厚板多层多道焊焊接参数的优化方法，包括以下步骤：
[0034]步骤一：对Q690D钢进行焊接性分析；[0035]Q690D钢属于低合金高强钢，其屈服强度不低于690MPa。Q690D钢的化学成分和力学性能如表1和表2所示。[0036]表1 Q690D钢的化学成分表
[0037]
[0038]
表2 Q690D钢的力学性能
[0039]
根据Q690D钢的各个元素的化学成分对Q690D钢进行焊接性分析，包括碳当量、冷裂纹敏感性、热裂纹敏感性三个方面：
[0041]通过碳当量CE来估计母材成分对HAZ淬硬的影响程度。日本工业标准(JIS)和日本焊接协会(WES)推荐采用的碳当量公式为：
[0040][0042]
根据此式可以大致得到Q690D钢材的碳当量为0.54％，碳当量处于0.4％～0.6％
时，钢材具有较大淬硬倾向，焊接时需要进行预热。[0044]对于低合金高强钢的焊接，根据公式计算材料的冷裂纹敏感性。
[0043][0045][0046]
式中，PW为冷裂纹敏感指数；Pcm为冷裂纹敏感组分；HD为扩散氢含量；R为拘束度。[0048]计算可知，Q690D钢母材的Pcm约为0.233，焊接时有较大倾向产生冷裂纹。其中，氢在冷裂纹的形成中起主要作用，为防止冷裂纹的产生，必须严格扩散氢的含量：采用低氢的焊接材料，并防止再吸潮，保持焊材干燥；在焊接时采用预热措施，有利于减少扩散氢的含量，同时有利于控制组织脆化。
[0049]综合各合金元素对于对低合金钢焊缝凝固裂纹的影响，提出热裂纹敏感系数HCS的计算公式为：
[0047][0050][0051]
Q690D钢的计算结果约为0.51，当HCS＜4时，可有效防止热裂纹的产生，故Q690D钢
一般不产生热裂纹。
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步骤二、根据Q690D钢的焊接性的分析结果，确定所研究的焊接条件及其主要焊接
参数；
根据步骤一的分析可知，Q690D钢在焊接时存在的主要问题是易产生淬硬组织，冷
裂纹敏感性较大。故厚板多层多道焊采取气体保护焊打底，埋弧焊填充盖面的形式，设置预热温度为200℃以上，控制层间温度为150‑200℃。[0054]在焊接次序确定的条件下，针对多道焊考虑22kJ/cm、24kJ/cm、26kJ/cm三种不同的焊接热输入的情况，单边15°、20°、25°三种不同的坡口角度，对残余应力及焊接变形进行模拟计算，获得不同热输入下的数据，为焊接工艺参数的制定提供参考依据。[0055]步骤三、建立实际焊件的有限元模型，并进行网格划分；[0056]有限元模型的建立遵循由点、线生成面，面再通过拉伸生成实体的方式。在网格划分过程中，为了提高计算速度与效率，应当采用焊缝、热影响区及其邻近区域的网格较为密集，而远离焊缝的区域网格较为稀疏的网格划分方式。焊件为多层多道对接焊，基板有限元
共10层14道焊缝，模型建立及网格划分如图1所示。模型尺寸为150×250×40mm，
[0057]步骤四、定义焊件材料属性，建立相应的材料数据库；[0058]焊件材料为Q690D低合金高强钢，其热物理参数如表3所示。[0059]表3 Q690D钢的热物理参数表
[0053]
[0060]
[0061][0062][0063][00][0065][0066][0067][0068][0069][0070]
步骤五、根据实际的焊接参数对热源进行校核；
针对埋弧焊和气体保护焊的热源特点，采用双椭球热源模型较为合适。前四分之一椭球的热流分布函数计算公式：后四分之一椭球的热流分布函数计算公式：
其中，Q0＝ηUI，η为电弧热效率，U为电弧电压，I为电弧电流；x、y、z为相对于热源中心的坐标；ff、fr为热流密度分布系数，用来表示前后椭球热输入的比例关系，且ff+fr＝2；af、ar为熔池的几何尺寸；b、c为熔池的熔宽和熔深；通过调整熔池的形状参数，将所得到的计算结果与实际的熔池形貌进行比较，直
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到校正后模拟得到的熔池形貌与实际的熔池形貌相似，则可使用该热源得到较为准确的温度场结果。
[0071]步骤六、以建立的有限元模型、材料参数和焊接热源为条件，使用SYSWELD焊接模拟软件对焊接过程进行模拟求解，得到焊接过程的温度场及应力场；[0072]针对Q690D钢的性能，以及多层多道焊的焊接要求，设置预热温度为200℃，道间温度为150℃‑200℃，三种不同的坡口角度对应的焊接工艺参数如表4所示。[0073]表4焊接工艺参数
[0074]
[0075]
在生成焊接过程求解文件后，以步骤三到步骤五为条件，通过SYSWELD求解器进行
求解计算，可以得到温度场以及应力场的结果文件。将计算结果导入后处理软件中，得到的温度场云图如图2所示，残余应力云图如图3所示。[0077]步骤七、对不同焊接参数下的模拟结果进行数据分析比较，从而得到较优的焊接参数及焊接工艺；
[0078]数据分析的评定依据主要为残余应力和焊接变形。主要对焊件垂直于焊缝方向的中心截面和平行于焊缝方向的中心截面进行分析，可以分别得到纵向和横向残余应力云图。随着焊接热输入的增大，残余应力相应的增大，焊接热输入的增加使基板的最大变形量也有所增加，故选择较小的焊接热输入，其焊接残余应力和变形如图3和图5所示。而坡口角度对焊接残余应力和焊接变形的影响则是非线性的，在三个坡口角度中，坡口角度为20°时
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的焊接残余应力和焊接变形最小，如图4和图6所示。因此，综合考虑焊接残余应力和焊接变性量来看，在进行实际的焊接工程应用时，在确保焊接接头质量的前提下，针对Q690D钢厚板多层多道焊，多道焊第7至14层采用焊接热输入为22kJ/cm，单边坡口角度为20°的工艺参数较优，可以达到控制接头的焊接残余应力和变形的目的。[0079]步骤八、将数值模拟结果与实际焊接结果进行对比，以验证数值模拟结果的准确性。
[0080]通过盲孔法对实际焊接的钢板进行残余应力测定，将钢板焊缝上表面相应位置所测得的焊接残余应力与模拟曲线进行比较，如图7和图8所示，可以看出模拟结果与实际测得的焊接残余应力拟合较好，说明模拟结果准确可靠。[0081]综上，本发明通过数值模拟的方法对Q690D钢厚板多层多道焊的焊接工艺参数进行优化，对于提高焊接质量具有重要意义，同时具有很高的计算效率和准确性，在实际的生产活动中具有很大的实用价值，可以得到推广和应用。
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