本發(fā)明涉及一種pe電熔管件焊接工藝參數(shù)制定方法。

背景技術(shù)：

pe電熔管件的主體是聚乙烯材料套筒，在套筒內(nèi)壁嵌有螺旋纏繞的電阻絲，電阻絲兩端接有接線柱，伸出套筒兩接線端用于電熔焊機(jī)接入。電熔焊接是指將需焊接的兩管端插入電熔管件中并緊密配合，使用電熔焊機(jī)對(duì)電熔管件兩接線柱進(jìn)行通電，致使電阻絲產(chǎn)生焦耳效應(yīng)，調(diào)節(jié)通電時(shí)間積累熱量，使溫度達(dá)到聚乙烯管材熔點(diǎn)，管子外壁及管件內(nèi)壁熔化膨脹，由于管子和管件間的壓力致使熔化區(qū)相互融合，停止通電逐漸冷卻后，管子就通過管件連接在一起了。電熔焊接是pe管道連接的主要方式。

現(xiàn)有電熔管件焊接工藝參數(shù)的制定主要有兩種方式：第一種是通過焊接試驗(yàn)確定，即通過嘗試不同的焊接工藝參數(shù)搭配進(jìn)行試驗(yàn)，然后對(duì)每種搭配方式焊接結(jié)果進(jìn)行接頭處剝離實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)焊接質(zhì)量，從而選取效果最好的焊接參數(shù)。這種方法的缺點(diǎn)在于耗費(fèi)試驗(yàn)材料、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)人力。第二種方式是根據(jù)材料的熱性能參數(shù)，利用數(shù)值分析或有限元模型仿真出焊接過程中的電熔焊接組件內(nèi)部溫度場(chǎng)情況，根據(jù)判斷內(nèi)部溫度是否達(dá)到經(jīng)驗(yàn)焊接要求來確定焊接工藝參數(shù)，如專利cn201310749560.2。這種方法節(jié)省了人力財(cái)力時(shí)間，但僅通過溫度場(chǎng)來判斷焊接進(jìn)程，無法判斷由于局部并絲造成溫度快速升高而提前達(dá)到焊接溫度情況或過焊等情況，且實(shí)際焊接施工時(shí)，經(jīng)常有用同種型號(hào)管件配合不同型號(hào)管子進(jìn)行焊接的情況，僅憑判斷溫度場(chǎng)是否達(dá)到熔化標(biāo)準(zhǔn)在不同間隙配合的焊接情況下不能判定管件與管子的熔漿是否融合，判斷因素單一，導(dǎo)致判斷結(jié)果準(zhǔn)確性大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種pe電熔管件焊接工藝參數(shù)制定方法，該方法通過建立電熔管件、管子配合3d模型，使用ansys軟件對(duì)配合模型進(jìn)行電-熱-力多物理場(chǎng)耦合仿真，綜合分析電熔管件焊接過程中電熱轉(zhuǎn)化輸出、接頭處溫度場(chǎng)、焊接區(qū)域徑向形變量來制定pe電熔管件焊接工藝參數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種pe電熔管件焊接工藝參數(shù)制定方法，包括順序相接的以下步驟：

（1）在pro/engineer中建立電熔管件與管子配合的三維結(jié)構(gòu)模型；

（2）將三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ansysworkbench中，建立電-熱-力多物理場(chǎng)耦合模型；

（3）設(shè)定相關(guān)材料的熱性能參數(shù)、力學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)，其中熱性能參數(shù)包括導(dǎo)熱率、密度、比熱容、熱膨脹系數(shù)，力學(xué)參數(shù)包括泊松比、楊氏模量，電學(xué)參數(shù)包括電阻率；

（4）初步確定pe電熔管件的焊接電壓；

（5）根據(jù)步驟（4）中確定的焊接電壓設(shè)定電熔管件中電阻絲的通電載荷，設(shè)定管件外表面與管子內(nèi)表面的對(duì)流系數(shù)，設(shè)定pe材料的相變焓，設(shè)定管件與管子的對(duì)稱受力約束；

（6）設(shè)定模型網(wǎng)格的劃分類型及網(wǎng)格尺寸，然后劃分網(wǎng)格；

（7）設(shè)定載荷加載時(shí)間及步長(zhǎng)，求解；

（8）提取求解結(jié)果并確定焊接工藝參數(shù)。

作為優(yōu)選，步驟（4）中，確定pe電熔管件的焊接電壓的方法為：根據(jù)管件型號(hào)使用行業(yè)內(nèi)慣用恒壓焊接電壓，通常為39.5v。

作為優(yōu)選，pe電熔管件的相變溫度為132℃，步驟（5）添加相變焓值載荷的方法為apdl編程，確定焓值的方法為：

提出在pe固態(tài)溫度130℃~液態(tài)溫度135℃間定義5℃的相變區(qū)間，焓值計(jì)算公式為：

其中h為熱焓，單位為j，t為溫度，單位為℃，ρ為密度，單位為kg/m³，tr為參考溫度，單位為℃，c為比熱容，單位為j/（kg·℃）。

作為優(yōu)選，步驟（2）中多物理場(chǎng)耦合順序?yàn)椋菏紫壤胊nsysworkbench中電學(xué)模塊求取電阻絲發(fā)熱體積功率，然后將電學(xué)結(jié)果導(dǎo)入熱學(xué)模塊作為載荷條件求解溫度場(chǎng)模型，最后將溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊作為載荷條件求解力學(xué)模型。

作為優(yōu)選，pe管件焊接溫度為160℃~250℃，熔接深度為1.5mm~2mm，對(duì)步驟（8）提取的求解結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)電熔管件熔接區(qū)域溫度落在160℃~250℃范圍內(nèi)，且管件徑向形變達(dá)到1.5mm~2mm，確定模型仿真時(shí)間即為焊接所需時(shí)間，否則重新調(diào)整焊接工藝參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行仿真求解。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的效果是：本發(fā)明首先建立電熔管件與管子接頭處的三維簡(jiǎn)化模型，然后使用ansys軟件進(jìn)行電-熱-力多物理場(chǎng)耦合模型，設(shè)定焊接電壓后仿真分析電熔管件焊接過程中電熱轉(zhuǎn)化輸出、接頭處溫度場(chǎng)、焊接區(qū)域徑向形變量來制定pe電熔管件焊接工藝參數(shù)，不僅提高了判斷焊接程度的準(zhǔn)確性，保證pe電熔管件與管子接頭處的焊接質(zhì)量，還提高制定電熔管件焊接工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性，降低焊接過程的能源浪費(fèi)，有效減少冷焊和過焊的發(fā)生。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和仿真實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是pe材料的比熱容隨溫度變化圖。

圖2是pe材料的導(dǎo)熱率隨溫度變化圖。

圖3是pe材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化圖。

圖4是pe材料的楊氏模量隨溫度變化圖。

圖5是pe材料的泊松比隨溫度變化圖。

圖6是對(duì)電熔管件、管子簡(jiǎn)化后的造型圖：

1：管件，2：電阻絲，3：管子。

圖7是圖6的網(wǎng)格劃分。

圖8是電熔管件、管子焊接過程溫度仿真梯度圖：

圖中標(biāo)記為等溫線溫度值，單位℃。

圖9是電熔管件、管子焊接過程徑向形變圖。

圖中標(biāo)記：4-徑向形變等值線。

圖10是電熔管件、管子焊接過程溫度與徑向形變復(fù)合數(shù)值曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體仿真實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

（1）本實(shí)例以dn400（sdr17）直通型電熔管件為例，在pro/engineer中建立電熔管件1、電阻絲2、管子3配合的三維結(jié)構(gòu)模型，為簡(jiǎn)化模型，根據(jù)對(duì)稱性只建立一側(cè)接頭處的1/6圓周結(jié)構(gòu)，造型如圖6。

（2）將三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ansysworkbench中，建立電-熱-力多物理場(chǎng)耦合模型，多物理場(chǎng)耦合順序?yàn)椋菏紫壤胊nsysworkbench中電學(xué)模塊求取電阻絲發(fā)熱體積功率，然后將電學(xué)結(jié)果導(dǎo)入熱學(xué)模塊作為載荷條件求解溫度場(chǎng)模型，最后將溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊作為載荷條件求解力學(xué)模型。

（3）設(shè)定相關(guān)材料的熱性能參數(shù)、力學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)，其中熱性能參數(shù)包括導(dǎo)熱率、密度、比熱容、熱膨脹系數(shù)，力學(xué)參數(shù)包括泊松比、楊氏模量，電學(xué)參數(shù)包括電阻率；材料物理性能參數(shù)通過材料相關(guān)實(shí)驗(yàn)獲得，本實(shí)例中材料主要有h65銅絲和pe100聚乙烯，其中h65密度為8470kg/m³，比熱容為385j/(kg·℃)，導(dǎo)熱率為116.7w/(m·℃)，電阻率為0.076μω·m，pe100密度為960kg/m³，pe100的其它性能參數(shù)隨時(shí)間變化，如附圖1-5所示。

（4）根據(jù)電熔管件具體型號(hào)設(shè)置初始焊接電壓，本實(shí)例dn400（sdr17）直通型電熔管件焊接電壓為39.5v，焊接時(shí)間為2040秒。

（5）根據(jù)步驟（4）中確定的焊接電壓設(shè)定電熔管件中電阻絲的通電載荷，設(shè)定管件外表面與管子內(nèi)表面的對(duì)流系數(shù)，設(shè)定pe材料的相變焓，設(shè)定管件與管子的對(duì)稱受力約束；其中管件1外表面對(duì)流系數(shù)為12w/m²·℃，管子3內(nèi)表面對(duì)流系數(shù)為8w/m²·℃，pe材料相變焓由apdl編程賦值，管件1、電阻絲2，管子3所有由于模型簡(jiǎn)化而產(chǎn)生的界面全部設(shè)定為對(duì)稱受力約束。

（6）設(shè)定模型網(wǎng)格的劃分類型及網(wǎng)格尺寸，然后劃分網(wǎng)格；首先對(duì)三維模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，然后對(duì)管件1內(nèi)表面、管子3外表面進(jìn)行網(wǎng)格尺寸進(jìn)行細(xì)化，這兩個(gè)面單元格尺寸至少細(xì)化為為螺距的1/3，網(wǎng)格劃分圖如圖7。

（7）設(shè)定載荷加載時(shí)間及步長(zhǎng)，求解；仿真分析時(shí)間設(shè)置為2040秒，步長(zhǎng)通過設(shè)定區(qū)間讓軟件根據(jù)計(jì)算自動(dòng)選擇，本實(shí)例中選擇步長(zhǎng)區(qū)間為10秒。

（8）提取求解結(jié)果并確定焊接工藝參數(shù)。通過溫度梯度見附圖8和徑向形變圖見附圖9，繪制溫度變化曲線和徑向形變曲線如圖10所示，分析仿真結(jié)果：

pe管件焊接優(yōu)選溫度為160℃~250℃，熔接優(yōu)選深度為1.5mm~2mm，當(dāng)電熔管件熔接區(qū)域溫度落在160℃~250℃范圍內(nèi)，且管件徑向形變達(dá)到1.5mm~2mm，確定最優(yōu)焊接時(shí)間的方法為：在優(yōu)選溫度區(qū)域和優(yōu)選管件徑向形變區(qū)域內(nèi)選擇溫度曲線和形變曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，確定模型仿真時(shí)間即為焊接所需時(shí)間，否則重新調(diào)整焊接工藝參數(shù)中的電壓或者焊接時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行仿真求解。本實(shí)例中可以確定在39.5v恒壓焊接的情況下，最優(yōu)焊接時(shí)間為1900秒。