第20卷第6期2008年6月钢铁研究学报Jour nal of Ir on and Steel ResearchV ol.20,No.6 June 2008基金项目:国家自然科学基金专项资助项目(50227401)作者简介:冯莹莹(1982 ),女,博士生; E mail:fengyingyin g 1982@; 修订日期:2007 12 24MMS 200热力模拟实验机焊接热循环软件研制冯莹莹, 骆宗安, 张殿华, 魏 瑾, 王黎筠(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004)摘 要:成功研制出一种新的焊接热循环软件,以经验和实测数学模型为基础,应用L abv iew 7 1进行编程,方便、快捷绘制单道次、多道次焊接热循环曲线,进而定量地反映与描述了影响各热循环参数的主要因素及其相互关系。
该软件的开发对焊接工艺研究有重要价值,填补了国产热力模拟实验机在焊接热循环方面的空白,完善了国产热力模拟实验机的功能,进一步拓宽了其应用领域。
关键词:焊接热循环软件;单道次;多道次;焊接热循环曲线中图分类号:T G402 文献标识码:A 文章编号:1001 0963(2008)06 0049 04Development of Welding Heat Cycle Software forMMS 200Thermomechamical SimulatorFENG Ying ying, LUO Zong an, ZH ANG Dian hua, WEI Jin, WA NG Li jun(State K ey L abo rato ry of Ro lling and Automat ion,N o rtheast er n U niversit y,Shenyang 110004,Liaoning,China)Abstract:O ne new type softw are co ncerning w elding heat cycle has been developped successfully,which is based on the experimental and practical mathematic bview 7 1was applied fo r prog ramming,which can demonstrate t he w elding heat cycle curv e for sing le or multiple processes conveniently and quickly ,so that it reflects and descr ibes the main factor s and relationship among them w hich can affect the par ameters o f heat circle quantitativ ely.T he de velopment o f so ftwa re plays impo rtant ro le in the research of welding techno log y,w hich f ills up the blank of do mest ic thermomechanica l simulato r in the field o f w elding heat cir cle,perfects t he function o f domestic thermo me chanical simulator ,and br oadens the applicat ion field furt her.Key words:w elding heat cycle softw ar e;single pr ocess;multiple pr ocess;welding heat cy cle curve焊接结构经常发生提前破坏,事故分析证明:焊接热影响区的缺陷(裂纹)及脆化是造成事故的主要原因[1]。
因此,在金属材料焊接性能研究中,焊接热影响区性能研究占有特殊的地位。
焊接热循环软件的研制正是为深入研究热影响区组织性能的变化打下坚实的基础。
焊接热循环软件是依据设定参数绘制焊接热循环曲线的方便工具。
该软件以实测和经典的数学解析表达式为基础,应用Labview 7 1进行编程[2,3]。
拥有7种不同的数学模型,可根据实测试样的要求来选择合适的数学模型,定量反映与描述影响各热循环参数的主要因素及其相互关系,同时也是计算焊接应力、应变的基础,预测接头组织和性能的依据。
目前,国内生产的热力模拟实验机欠缺焊接热模拟方面的各项功能,焊接热循环软件的成功开发填补了这方面的空白、完善了国内热力模拟实验机的功能。
此软件已成功嵌入东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室自主研制的MM S 系列热力模拟实验机,拓宽了热力模拟实验机的应用领域。
1 焊接热循环软件的数学模型焊接热循环计算机软件以实测和经典的数学解析表达式为基础[4],该软件共包含7种数学模型,分别是H annerz 、Ry kalin 系列数学模型、Ex ponential Co oling Equation 及Rosental 数学模型,其中Ryka lin 系列数学模型包括:Rykalin2 D(由t 8/5求Q )、Rykalin2 D(由Q 求t 8/5)、Rykalin3 D(由t 8/5求Q )及Ry kalin3 D(由Q 求t 8/5)4种模型。
虽然每种数学模型由于自身约束在应用上有一定的局限性,但基本上已能反映出影响各热循环参数的相互关系。
下面仅以H annerz 和Rykalin2 D(由t 8/5求Q )这2种数学模型为例进行分析。
1 1 Hannerz 模型根据瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院N.E.H an nerz 教授的研究成果,针对不同厚度钢板焊接时对800~500 冷却时间的要求,建立焊接热循环软件,其公式为: T =T 0+t(500-T 0)2(800-T 0)2300(1300-2T 0)tet(500-T 0)2(800-T 0)2/2e300(1300-2T 0)(T max-T 0)2t(1)式中,T 0为预热温度或道次间温度, ;T max 为峰值温度, ; t 为800~500 的冷却时间(简称t 8/5),s;t 为时间,s 。
该数学模型公式虽冗长、复杂,但操作简单易行,操作者只需输入T max 、T 0和 t 三项数值,即可绘制出曲线。
但由于公式本身的局限性,T 0不能等于500 、800 、650 和T max ,而且不能将升温段和降温段分开控制,所以加热速率和高温停留时间不能在曲线中体现出来。
1 2 Rykalin2 D 模型Rykalin2 D(由t 8/5求Q )即雷卡林!!!二维导热,设定曲线表达式为:T =Q d 14 l ct e-r 24[l/( c)]t (2)其中: Q =4 l c t1(T 2-T 0)2-1(T 1-T 0)2∀d (3)等价板厚为: d e =Q 2 c 1T 2-T 0+1T 1-T 0(4)当d #d e 时,用雷卡林!!!二维导热计算式,若d >d e 则改用雷卡林!!!三维导热计算式,即: r =QT max dc 式(2)~(4)中,Q 为输入线能量,kJ;T 1、T 2为用于决定冷却时间的温度, ;d 为实际板厚,cm;d e 为等价板厚(临界板厚),cm; 为材料密度,g/cm 3;c 为比热容,J/(g ∀ ); t 为从T 1到T 2的冷却时间,s;l 为热导率,W/(cm ∀ )。
由于公式(2)在升温段和保温段仍存在局限性,为准确控制加热速率和保温时间,采用线性公式(6)来控制升温段曲线,在后台程序中编译用公式(2)控制冷却段曲线,并使升温段、保温段和冷却段完整的连接在一起。
值得注意的是,由于公式自身的限制,T 0∃T 1、T 2。
T max -T 0v=t (6)式中,v 为加热速率, /s 。
Rykalin 系列的其它几种数学模型在程序设计上采用了同样的手段,这样Ry kalin 系列模型便可以通过预热温度、峰值温度、加热速率、保温时间、800~500 的冷却时间等详细的参数来设定热循环曲线。
由于Rykalin 系列数学模型的多用性,碳钢、不锈钢、钛合金等不同金属材料的焊接热循环曲线,均可用此系列方法完成,具有较大的实用性。
根据美国学者D.Rosenthal 建立的厚板焊件三维导热的Rosental 数学模型建立的软件因受公式限制也不能将升温段和冷却段分开控制,而且峰值温度也不易控制,其它必要参数的输入值也有很大限制,所以一般适用于控制要求不高的简易实验。
Exponential Cooling Equation 模型本身只是控制曲线冷却段的参考模型,所以在编制程序时同样需要加入升温段和保温段的控制曲线,从而使整条焊接热循环曲线能够完整地绘制出来。
2 焊接热循环曲线的绘制和应用2 1 焊接热循环软件的操作界面和曲线绘制 软件在Labview 7 1环境中运行,先选择焊接热循环道次数,界面左上角会增加相应数量的Tab页。
再选择每一道次的焊接方法,点击左上角的阿拉伯数字,依次填入每个页面即每种方法所需的参数及每一道次的最大运行时间和结束温度,按下绘图键便可绘制出所需曲线。
最大运行时间和结束温度只是曲线的结束限定,避免曲线无限绘制,与曲线的其它参数不存在公式关系。
此软件最多支持10道次焊接热循环模拟。
具体操作界面如图1所示。
∀50∀ 钢 铁 研 究 学 报 第20卷图1 焊接热循环计算机软件界面Fig 1 Interface of welding heat cycle computer sof tw are(1)例1首先选择焊接热循环的道次数为1,该道次的焊接方法为Rykalin2 D(由Q 求t 8/5),具体参数如下:T max =1200 ,T 0=20 ,Q =20kJ/cm,T 1=800 ,T 2=500 ,d =2cm,编制程序设置高温停留时间为0 1s,v =500 /s,k =0 5W/(cm ∀ ),c =1J/(g ∀ ), =6 7g/cm 3。
设定最大运行时间和结束温度后按下绘图键,便可绘制出所需曲线(图2),并可同时算出t 8/5=6 415s。
图2 由Rykalin2 D 公式得到的热循环曲线Fig 2 Welding heat cycle curve m ade by formula Rykalin2 D(2)例2选择焊接热循环道次为2,第一道次的焊接方法为Rykalin2 D(由t 8/5求Q ),第二道次的焊接方法为Ry kalin3 D(由Q 求t 8/5)。