高频电阻焊管焊接挤压过程分析

本文以高频直缝电阻焊管为研究载体，提出焊接过程的加热和挤压分段模拟方法，充分考虑电场、磁场、运动场、温度场以及应力场等多场耦合过程，对管坯挤压过程以及残余应力变化过程进行数值模拟，并结合工厂生产工件进行残余应力测量，对数值模拟过程进行验证。本文取得的阶段性研究成果体现在以下方面：

(1)建立焊接过程的加热和挤压分段模拟方法。首先基于有限元软件ANSYS对电磁感应加热过程进行模拟；利用获取的焊接点温度场在有限元软件DEFORM中建立挤压模型，利用该挤压模型实现对挤压过程的模拟。

(2)提出毛刺形貌特征值概念，建立特征值判据。确定毛刺的高度和宽度并定义毛刺形貌特征值高宽比K，发现特征值K可直观反映毛刺的挤压程度。分析特征值与外毛刺残余应力极大值数据，证明两者呈现正相关关系。根据判断管坯焊接质量的温度条件，确定特征值范围0.43~0.49为特征值判据。该判据可以作为生产过程中质量的在线判断依据。

(3)采用X射线衍射法对工厂生产的管坯进行残余应力值测量，与模拟结果进行对比以实现对模拟结果进行验证。对比发现模拟结果和实际测量值一致，验证了本文数值模拟结果的准确性。

本文虽然在研究过程中取得的阶段成果，但是对于高频直缝电阻焊管焊接挤压过程的研究以及后续应用还存在进一步研究和完善的空间，主要体现在以下两个方面：

(1)本文提出用于机器视觉在线判断焊接质量的判据，但是由于实际生产过程存在高温、水汽等复杂环境以及外毛刺顶部“伞帽”的存在，加大了后续机器视觉测量特征值的难度。因此如何采用视觉设备准确无偏差地在线提取焊管外毛刺的高度和宽度尺寸是急需研究的一个重点问题。

(2)由于DEFORM有限元软件的限制，无法模拟焊接过程高温区域熔融金属的三维流动过程，该过程对于特征值计算的影响虽然较小，却是提高特征值计算精准度不可逾越的鸿沟。以及残余应力包括热应力、变形应力以及组织应力，而本文仅考虑了作为主要部分的前两者，对于组织应力耦合的进一步研究还需继续探索。