一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法技術

本發明專利技術涉及一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法，包括如下步驟：（1）在Pro/Engineer中建立電熔管件與管子配合的三維結構模型；（2）將三維結構模型導入ANSYS?WORKBENCH中，建立電?熱?力多物理場耦合模型；（3）設定相關材料的熱性能參數、力學參數和電學參數（4）初步確定PE電熔管件焊接電壓；（5）根據步驟（4）中確定的焊接電壓及實際情況設定模型電場、溫度場、力場載荷；（6）設定模型網格的劃分類型及網格尺寸，然后劃分網格；（7）設定載荷加載時間及步長，求解；（8）提取求解結果并確定焊接工藝參數。本發明專利技術提高了判斷焊接程度的準確性，保證PE電熔管件與管子接頭處的焊接質量，提高制定電熔管件焊接工藝參數的準確性，降低焊接過程的能源浪費。

Method for preparing welding parameters of PE electric melting pipe fittings

The present invention relates to a PE electric melting pipe welding parameter setting method, which comprises the following steps: (1) establish the three-dimensional structure model of electric melting pipe and pipe with Pro/Engineer; (2) the three-dimensional model into ANSYS WORKBENCH, set up electric thermal stress physical field coupling model (; 3) set the thermal performance parameters, mechanical parameters and electrical parameters (4) preliminary determination of PE electric melting pipe welding voltage; (5) according to the step (4) to determine the actual situation of welding voltage and electric field, setting temperature field, stress field model of load; (6) types of grid size and setting model the grid, then divide the grid; (7) setting load and time step solution; (8) the extraction results and determine the welding process parameters. The invention improves the accuracy of judging the degree of welding, ensure the welding quality of PE electric melting pipe and pipe joints, improve the accuracy of the electric welding process parameters for pipe welding process, reduce the waste of energy.

【技術實現步驟摘要】
一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法
本專利技術涉及一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法。
技術介紹
PE電熔管件的主體是聚乙烯材料套筒，在套筒內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，使用電熔焊機對電熔管件兩接線柱進行通電，致使電阻絲產生焦耳效應，調節通電時間積累熱量，使溫度達到聚乙烯管材熔點，管子外壁及管件內壁熔化膨脹，由于管子和管件間的壓力致使熔化區相互融合，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。現有電熔管件焊接工藝參數的制定主要有兩種方式：第一種是通過焊接試驗確定，即通過嘗試不同的焊接工藝參數搭配進行試驗，然后對每種搭配方式焊接結果進行接頭處剝離實驗以檢驗焊接質量，從而選取效果最好的焊接參數。這種方法的缺點在于耗費試驗材料、試驗周期長、耗費人力。第二種方式是根據材料的熱性能參數，利用數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部溫度場情況，根據判斷內部溫度是否達到經驗焊接要求來確定焊接工藝參數，如專利CN201310749560.2。這種方法節省了人力財力時間，但僅通過溫度場來判斷焊接進程，無法判斷由于局部并絲造成溫度快速升高而提前達到焊接溫度情況或過焊等情況，且實際焊接施工時，經常有用同種型號管件配合不同型號管子進行焊接的情況，僅憑判斷溫度場是否達到熔化標準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，導致判斷結果準確性大大降低。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是：提供一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法，該方法通過建立電熔管件、管子配合3D模型，使用ANSYS軟件對配合模型進行電-熱-力多物理場耦合仿真，綜合分析電熔管件焊接過程中電熱轉化輸出、接頭處溫度場、焊接區域徑向形變量來制定PE電熔管件焊接工藝參數。為了實現上述本專利技術目的，本專利技術的技術方案是：一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法，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構模型；（2）將三維結構模型導入ANSYSWORKBENCH中，建立電-熱-力多物理場耦合模型；（3）設定相關材料的熱性能參數、力學參數和電學參數，其中熱性能參數包括導熱率、密度、比熱容、熱膨脹系數，力學參數包括泊松比、楊氏模量，電學參數包括電阻率；（4）初步確定PE電熔管件的焊接電壓；（5）根據步驟（4）中確定的焊接電壓設定電熔管件中電阻絲的通電載荷，設定管件外表面與管子內表面的對流系數，設定PE材料的相變焓，設定管件與管子的對稱受力約束；（6）設定模型網格的劃分類型及網格尺寸，然后劃分網格；（7）設定載荷加載時間及步長，求解；（8）提取求解結果并確定焊接工藝參數。作為優選，步驟（4）中，確定PE電熔管件的焊接電壓的方法為：根據管件型號使用行業內慣用恒壓焊接電壓，通常為39.5V。作為優選，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固態溫度130℃~液態溫度135℃間定義5℃的相變區間，焓值計算公式為：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·℃）。作為優選，步驟（2）中多物理場耦合順序為：首先利用ANSYSWORKBENCH中電學模塊求取電阻絲發熱體積功率，然后將電學結果導入熱學模塊作為載荷條件求解溫度場模型，最后將溫度場結果導入結構力學模塊作為載荷條件求解力學模型。作為優選，PE管件焊接溫度為160℃~250℃，熔接深度為1.5mm~2mm，對步驟（8）提取的求解結果進行分析，當電熔管件熔接區域溫度落在160℃~250℃范圍內，且管件徑向形變達到1.5mm~2mm，確定模型仿真時間即為焊接所需時間，否則重新調整焊接工藝參數繼續進行仿真求解。采用上述技術方案后，本專利技術的效果是：本專利技術首先建立電熔管件與管子接頭處的三維簡化模型，然后使用ANSYS軟件進行電-熱-力多物理場耦合模型，設定焊接電壓后仿真分析電熔管件焊接過程中電熱轉化輸出、接頭處溫度場、焊接區域徑向形變量來制定PE電熔管件焊接工藝參數，不僅提高了判斷焊接程度的準確性，保證PE電熔管件與管子接頭處的焊接質量，還提高制定電熔管件焊接工藝參數的準確性，降低焊接過程的能源浪費，有效減少冷焊和過焊的發生。附圖說明下面結合附圖和仿真實例對本專利技術進一步說明。圖1是PE材料的比熱容隨溫度變化圖。圖2是PE材料的導熱率隨溫度變化圖。圖3是PE材料的熱膨脹系數隨溫度變化圖。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是對電熔管件、管子簡化后的造型圖：1：管件，2：電阻絲，3：管子。圖7是圖6的網格劃分。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合數值曲線圖。具體實施方式下面通過具體仿真實例對本專利技術作進一步的詳細描述。（1）本實例以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配合的三維結構模型，為簡化模型，根據對稱性只建立一側接頭處的1/6圓周結構，造型如圖6。（2）將三維結構模型導入ANSYSWORKBENCH中，建立電-熱-力多物理場耦合模型，多物理場耦合順序為：首先利用ANSYSWORKBENCH中電學模塊求取電阻絲發熱體積功率，然后將電學結果導入熱學模塊作為載荷條件求解溫度場模型，最后將溫度場結果導入結構力學模塊作為載荷條件求解力學模型。（3）設定相關材料的熱性能參數、力學參數和電學參數，其中熱性能參數包括導熱率、密度、比熱容、熱膨脹系數，力學參數包括泊松比、楊氏模量，電學參數包括電阻率；材料物理性能參數通過材料相關實驗獲得，本實例中材料主要有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的其它性能參數隨時間變化，如附圖1-5所示。（4）根據電熔管件具體型號設置初始焊接電壓，本實例dn400（SDR17）直通型電熔管件焊接電壓為39.5V，焊接時間為2040秒。（5）根據步驟（4）中確定的焊接電壓設定電熔管件中電阻絲的通電載荷，設定管件外表面與管子內表面的對流系數，設定PE材料的相變焓，設定管件與管子的對稱受力約束；其中管件1外表面對流系數為12W/m2·℃，管子3內表面對流系數為8W/m2·℃，PE材料相變焓由APDL編程賦值，管件1、電阻絲2，管子3所有由于模型簡化而產生的界面全部設定為對稱受力約束。（6）設定模型網格的劃分類型及網格尺寸，然后劃分網格；首先對三維模型進行自動網格劃分，然后對管件1內表面、管子3外表面進行網格尺寸進行細化，這兩個面單元格尺寸至少細化為為螺距的1/3，網格劃分圖如圖7。（7）設定載荷加載時間及步長，求解；仿真本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法，其特征在于：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構模型；（2）將三維結構模型導入ANSYS?WORKBENCH中，建立電?熱?力多物理場耦合模型；（3）設定相關材料的熱性能參數、力學參數和電學參數，其中熱性能參數包括導熱率、密度、比熱容、熱膨脹系數，力學參數包括泊松比、楊氏模量，電學參數包括電阻率；（4）初步確定PE電熔管件的焊接電壓；（5）根據步驟（4）中確定的焊接電壓設定電熔管件中電阻絲的通電載荷，設定管件外表面與管子內表面的對流系數，設定PE材料的相變焓，設定管件與管子的對稱受力約束；（6）設定模型網格的劃分類型及網格尺寸，然后劃分網格；（7）設定載荷加載時間及步長，求解；（8）提取求解結果并確定焊接工藝參數。

【技術特征摘要】
1.一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法，其特征在于：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構模型；（2）將三維結構模型導入ANSYSWORKBENCH中，建立電-熱-力多物理場耦合模型；（3）設定相關材料的熱性能參數、力學參數和電學參數，其中熱性能參數包括導熱率、密度、比熱容、熱膨脹系數，力學參數包括泊松比、楊氏模量，電學參數包括電阻率；（4）初步確定PE電熔管件的焊接電壓；（5）根據步驟（4）中確定的焊接電壓設定電熔管件中電阻絲的通電載荷，設定管件外表面與管子內表面的對流系數，設定PE材料的相變焓，設定管件與管子的對稱受力約束；（6）設定模型網格的劃分類型及網格尺寸，然后劃分網格；（7）設定載荷加載時間及步長，求解；（8）提取求解結果并確定焊接工藝參數。2.如權利要求1所述的一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法，其特征在于：步驟（4）中，確定PE電熔管件的焊接電壓的方法為：根據管件型號使用行業內慣用恒壓焊接電壓，通常為39.5V。3.如權利要求2所述的一種PE電熔管件焊接工藝參數制定方法，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊其華，張若玙，謝佳敏，
申請(專利權)人：中國計量大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33