高頻電阻焊管焊接擠壓過程分析

本文以高頻直縫電阻焊管為研究載體，提出焊接過程的加熱和擠壓分段模擬方法，充分考慮電場、磁場、運動場、溫度場以及應力場等多場耦合過程，對管坯擠壓過程以及殘余應力變化過程進行數值模擬，并結合工廠生產工件進行殘余應力測量，對數值模擬過程進行驗證。本文取得的階段性研究成果體現在以下方面：

(1)建立焊接過程的加熱和擠壓分段模擬方法。首先基于有限元軟件ANSYS對電磁感應加熱過程進行模擬；利用獲取的焊接點溫度場在有限元軟件DEFORM中建立擠壓模型，利用該擠壓模型實現對擠壓過程的模擬。

(2)提出毛刺形貌特征值概念，建立特征值判據。確定毛刺的高度和寬度并定義毛刺形貌特征值高寬比K，發現特征值K可直觀反映毛刺的擠壓程度。分析特征值與外毛刺殘余應力極大值數據，證明兩者呈現正相關關系。根據判斷管坯焊接質量的溫度條件，確定特征值范圍0.43~0.49為特征值判據。該判據可以作為生產過程中質量的在線判斷依據。

(3)采用X射線衍射法對工廠生產的管坯進行殘余應力值測量，與模擬結果進行對比以實現對模擬結果進行驗證。對比發現模擬結果和實際測量值一致，驗證了本文數值模擬結果的準確性。

本文雖然在研究過程中取得的階段成果，但是對于高頻直縫電阻焊管焊接擠壓過程的研究以及后續應用還存在進一步研究和完善的空間，主要體現在以下兩個方面：

(1)本文提出用于機器視覺在線判斷焊接質量的判據，但是由于實際生產過程存在高溫、水汽等復雜環境以及外毛刺頂部“傘帽”的存在，加大了后續機器視覺測量特征值的難度。因此如何采用視覺設備準確無偏差地在線提取焊管外毛刺的高度和寬度尺寸是急需研究的一個重點問題。

(2)由于DEFORM有限元軟件的限制，無法模擬焊接過程高溫區域熔融金屬的三維流動過程，該過程對于特征值計算的影響雖然較小，卻是提高特征值計算精準度不可逾越的鴻溝。以及殘余應力包括熱應力、變形應力以及組織應力，而本文僅考慮了作為主要部分的前兩者，對于組織應力耦合的進一步研究還需繼續探索。