一种确定直缝焊管焊接温度的方法

摘要

本发明属于一种确定直缝焊管焊接温度的方法。其技术方案是：在焊接挤压辊和矫直辊之间的焊管表面上选取4~16个测温点进行实测；运用有限元法计算不同的传热边界及焊接热源密度条件下测温的温度值；建立温度计算值和实测值之差平方和与传热边界条件及焊接热源密度间的函数关系模型；以温度计算值和实测值之差平方和最小为目标，优化确定焊接时空气传热、接触传热、冷却水传热的传热边界条件以及焊接热源密度的实际热交换系数，据此确定直缝焊管焊接温度、焊缝附近温度及冷却速度场。本发明所确定的直缝焊管焊接温度、焊缝附近温度场和焊缝附近冷却速度场接近实际，能预测焊缝附近的微观组织和为生产过程的规范化管理提供基础数据。

主权项

1.一种确定直缝焊管焊接温度的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：第一步、温度实测在焊接挤压辊和矫直辊之间的焊管表面上选取4～16个测温点，实测所述测温点处直缝焊管表面的温度值；第二步、虚拟试验方案的设计直缝焊管对空气传热的待定热交换系数：$h_r=x_1\mathrm{\sigma ϵ}(T^2+T_f^2)(T+T_f)---\left(1\right)$式(1)中：x₁为直缝焊管对空气传热的待定修正系数；σ为波尔兹曼常量，W/(m²·K⁴)；ε为辐射率；T_f为环境绝对温度，K；T为焊管表面的绝对温度，K；直缝焊管与轧辊接触传热的待定热交换系数：h_c＝2x₂(kρct/π)^1/2   (2)式(2)中：x₂为直缝焊管与轧辊接触传热的待定修正系数；t为接触时间，s；ρ为材料密度，kg/m³；c为比热，J/(kg·℃)；直缝焊管与冷却水传热的待定热交换系数：h_w＝125x₃W^0.663×10^-0.00147T   (3)式(3)中:x₃为直缝焊管与冷却水传热的待定修正系数;W为冷却水流量，L/s；待定的焊接热源密度：$q=\frac{x_{4}P\times 86.5\%}{V}---\left(4\right)$式(4)中：x₄为焊接热源密度的待定修正系数；P为焊接功率，W；V为涡流透入层体积，m³；以式(1)～式(4)中对应的直缝焊管对空气传热的待定修正系数x₁、直缝焊管与轧辊接触传热的待定修正系数x₂、直缝焊管与冷却水传热的待定修正系数x₃和焊接热源密度的待定修正系数x₄作为4个试验因素；先选取正交表，再以0.55和1.35为边界值，在0.55～1.35间均匀确定各试验因素的水平值，然后按正交表进行虚拟试验方案的设计；第三步、传热有限元模拟计算直缝焊管温度场的控制方程是：$\mathrm{\rho c}\frac{\partial T}{\partial t}=\lambda (\frac{{\partial }^{2}T}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{{\partial y}^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{{\partial z}^2})+q---\left(5\right)$式（5）中：ρ为材料密度，kg/m³；c为材料比热，J/(kg·℃)；t为时间，s；λ为材料热导率，W/(m·℃)；q＝q(x,y,z,t)为材料内部热源密度，W/m³；确定直缝焊管焊接温度、焊缝附近温度场和焊缝附近冷却速度场所需的边界条件由式(1)～式(4)确定；则传热有限元模型由式(1)～式(5)组成；利用所述传热有限元模型，按正交表确定的虚拟试验方案进行传热有限元模拟计算，得到每个试验方案各测温点处的温度计算值。第四步、误差平方和模型的建立根据不同试验方案各测温点的温度计算值，结合各测温点的温度实测值，得到各测温点处的温度计算值与实测值之间的误差平方和，建立各测温点的温度计算值与实测值之间的误差平方和模型：$Q=a_k{x}_i^m{x}_j^n(i,j=\mathrm{1,2,3,4};m,n=\mathrm{0,1,2})---\left(6\right)$式（6）中：a_k（k＝1,2,…,41)为回归系数；x_i（i＝1,2，3,4)、x_j（j＝1,2，3,4)分别为直缝焊管对空气传热的修正系数x₁、直缝焊管与轧辊接触传热的修正系数x₂、直缝焊管与冷却水传热的修正系数x₃和焊接热源密度的修正系数x₄中的任一值；第五步、修正系数的优化以各测温点温度实测值与对应计算值之间误差平方和最小为追求目标，运用罚函数法，分别对直缝焊管对空气传热的待定修正系数x₁、直缝焊管与轧辊接触传热的待定修正系数x₂、直缝焊管与冷却水传热的待定修正系数x₃和焊接热源密度的待定修正系数x₄进行优化，得到直缝焊管对空气传热的实际修正系数直缝焊管与轧辊接触传热的实际修正系数直缝焊管与冷却水传热的实际修正系数和焊接热源密度的实际修正系数第六步、直缝焊管焊接温度的确定用直缝焊管对空气传热的实际修正系数代替式（1）中的直缝焊管对空气传热的待定修正系数x₁，得到直缝焊管对空气传热的实际热交换系数：$h_r^{\prime }=x_1^{\prime }\mathrm{\sigma ϵ}(T^2+T_f^2)(T+T_f)---\left(7\right)$式(7)中：为直缝焊管对空气传热的实际修正系数；σ为波尔兹曼常量，W/(m²·K⁴)；ε为辐射率；T_f为环境绝对温度，K；T为焊管表面的绝对温度，K；用直缝焊管与轧辊接触传热的实际修正系数代替式（2）中的直缝焊管与轧辊接触传热的待定修正系数x₂，得到直缝焊管与轧辊接触传热的实际热交换系数：$h_c^{\prime }=2x_2^{\prime }{(\mathrm{k\; \rho ct}/\pi )}^{1/2}---\left(8\right)$式(8)中：为直缝焊管与轧辊接触传热的实际修正系数;t为接触时间，s;ρ为材料密度，kg/m³；c为比热,J/(kg·℃)。用直缝焊管与冷却水传热的实际修正系数替代式（3）中的直缝焊管与冷却水传热的待定修正系数x₃，得到直缝焊管与冷却水传热的实际热交换系数：$h_w=125x_3^{\prime }{W}^{0.663}\times {10}^{-0.00147T}---\left(9\right)$式(9)中：为直缝焊管与冷却水传热的实际修正系数;W为冷却水流量，L/s；用焊接热源密度的实际修正系数代替式（4）中的待定的焊接热源密度的待定修正系数x₄，得到实际的焊接热源密度：$q=\frac{x_4^{\prime }P\times 86.5\%}{V}---\left(10\right)$式(10)中：为焊接热源密度的实际修正系数；P为焊接功率，W；V为涡流透入层体积，m³；以式（7）～式（10）的计算结果为边界条件，运用传热有限元法，确定直缝焊管的焊接温度、焊缝附近的温度和冷却速度场。