基于數值模擬的復合板界面結合強度的工藝參數控制方法
【技術領域】
[0001]
本發明涉及復合板的乳制工藝，尤其是涉及一種基于數值模擬的復合板面結合強度的工藝參數控制方法。
【背景技術】
[0002]復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。
[0003]不銹鋼復合板是將基材碳鋼Q345與復層不銹鋼316L或31S在高溫高壓下冶金結合一起，使其成為具有特殊復合特性的整體新材料，屬于雙金屬復合板。不銹鋼復合板兼具覆層不銹鋼的耐腐蝕性和基體碳鋼的結構強度與剛度，在使用性能上能夠相互取長補短。
[0004]乳制法是最早用于生產復合板的方法之一，也是目前生產復合鋼板和其它復合金屬板的普遍和常用的方法。根據乳制溫度的差異，可以分為熱乳復合和冷乳復合。
[0005]熱乳復合是將復材和基材組合焊接并通過高溫乳制過程實現復材與基材的牢固冶金結合的生產工藝。
[0006]為了保證復合板有足夠的界面結合強度，通常需要有較大的下壓量，導致乳制力的增加，從而增加了乳機設備的負擔。然而通過調整工藝參數可以在保證界面結合強度的前提下有效減小乳制力，有利于減小設備的負擔。
【發明內容】
[0007]本發明的目的通過優化乳制過程中的工藝參數，使乳制設備在最小的負擔下保證界面的結合強度，實現對復合板的乳制。減少通過試制確定工藝參數所造成的能源消耗，提高工作效率。
[0008]本發明的目的可以通過以下技術方案實現:
一種基于數值模擬的復合板界面結合強度的工藝參數控制方法，所述工藝參數控制方法方法對復合板乳制過程建模并進行有限元分析，綜合分析乳制過程中的各個工藝參數得到優選結果，減少了通過試制確定工藝參數所造成的能源消耗。
[0009]進一步的，所述方法具體步驟如下:
步驟I)獲取復合板板層的物性參數；
步驟2)建立復合板和乳輥的幾何模型；
步驟3)將步驟I)中復合板板層的物性參數導入步驟2)的幾何模型中；
步驟4)設定分析步中的場輸出變量，用以確定復合板板層結合的條件；
步驟5)把影響結合的工藝參數設定為邊界條件和載荷，計算分析后得到優選結果。
[0010]進一步的，所述步驟I)具體為:獲取900?1300°C溫度范圍內低碳鋼Q345與不銹鋼L316的塑性參數;獲取100?1150°C溫度范圍內低碳鋼Q345與不銹鋼L316的塑性參數膨脹系數;獲取25?1500°C溫度范圍內低碳鋼Q345與不銹鋼L316的傳導率和比熱。
[0011 ]進一步的，所述步驟2)具體為:建模復合板為可變形體，乳輥為解析剛體，根據模型的對稱性采用1/8模型進行計算，施加的相互作用為:表面熱交換條件、表面輻射、乳輥與復合板表面接觸;對復合板組枉模型進行分區，分區采用C3D8RT單元進行網格劃分進，界面處網格密度較大。
[0012]進一步的，所述步驟4)具體為:當板層接觸界面上法向正應力與復層不銹鋼材料變形抗力之比大于I時界面發生粘合。
[0013]進一步的，所述步驟5)具體為:向步驟3)的模型中帶入乳制過程初始的工藝參數，求出法向正應力與復層不銹鋼材料變形抗力之比，滿足步驟4)條件則得出優選結果，否則對工藝參數進行調整重新帶入。
[0014]進一步的，所述工藝參數包括:乳制力參數、乳制溫度參數、壓下量參數、乳制道數參數、乳制速度參數和乳棍直徑參數中的一項或多項。
[0015]本發明方法通過計算機數值模擬，充分發揮了計算機數值模擬在仿真預測方面的優勢，以實現復合板乳制過程中界面結合強度工藝參數的優化，減少了通過試制確定工藝參數所造成的能源消耗，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0016]
圖1a復合板乳制前的組枉模型；
圖1b復合板乳制后的模型；
圖2a不同乳制溫度下界面法向正應力與材料流變應力；
圖2b不同乳制溫度下界面復合的臨界單道次壓下量；
圖3a不同單道次壓下量下界面法向正應力與材料流變應力比值；
圖3b單道次壓下量與完成復合所需道次數量關系曲線；
圖4不同乳制速度下界面法向正應力與材料流變應力及其比值；
圖5不同乳輥直徑下界面法向正應力與材料流變應力；
圖6不同壓下率下乳制復合板表面隨時間變化曲線；
圖7不同乳制速度下復合板表面溫度隨時間變化曲線。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0018]相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。下面結合附圖與【具體實施方式】，對本發明進一步說明。
[0019]低碳鋼Q345與不銹鋼L316的硬度、強度、變形抗力等力學性能方面存在差異，乳制時板坯上下受力不對稱，板材易向變形抗力大的金屬一側彎曲。因此復合板乳制時一般采用對稱乳制(坯料組合呈對稱性)，即可保持良好的板型，又提高了生產效率。
[0020]不銹鋼復合板對稱乳制時的組坯方案主要有兩種:內包覆ABBA(復層不銹鋼在內層)和外包覆BAAB(復層不銹鋼在外層)。本發明采用的是內包覆ABBA組坯方案。復合板的組枉模型(圖la)，復合板乳制后的模型(圖lb)。
[0021]所述的復合板乳制過程包括:首先將組枉好的復合板放入加熱爐中加熱至一定的溫度，保持一定的時間；然后選擇多道次乳制，每道次選擇相應的壓下量;最后對乳制后的復合板進行水冷，選擇合適的冷卻速度，保持一定的時間后進行空冷。將乳制后的復合板進行機械切割分離。
[0022]本發明基于數值模擬的復合板界面結合強度的工藝參數控制方法，所述工藝參數控制方法方法對復合板乳制過程建模并進行有限元分析，綜合分析乳制過程中的各個工藝參數，通過各個工藝參數的結合以實現復合板乳制過程中界面結合強度工藝參數的優化得到優選結果，減少了通過試制確定工藝參數所造成的能源消耗，所述的工藝參數具體包括:乳制力、乳制溫度、壓下量、乳制道數、乳制速度、乳輥直徑；
所述方法具體步驟如下:
步驟I)獲取復合板板層的物性參數:通過實驗獲取900?1300 °C溫度范圍內低碳鋼Q345與不銹鋼L316的物性參數;獲取100?1150°C溫度范圍內低碳鋼Q345與不銹鋼L316的塑性參數膨脹系數;獲取25?1500°C溫度范圍內低碳鋼Q345與不銹鋼L316的傳導率和比熱。
[0023]準確的材料模型是正確進行有限元模擬分析的關鍵，不銹鋼熱乳復合過程總壓下量很大，導致材料在變形過程中產生升溫，同時由于接觸換熱和對流換熱作用，表面溫度降低，因此在進行有限元計算分析時，必須得到316L不銹鋼和Q345R碳鋼在高溫下的變形抗力曲線和熱膨脹系數曲線，其它熱物性參數還包括楊氏模量、泊松比、熱傳導系數、比熱等。運用Gleeble1500熱模擬試驗機對不銹鋼和碳鋼試件進行了壓縮實驗，根據實際乳制中不銹鋼復合板的溫度以及變形速率區間，每隔50°C設定一個實驗溫度測量點，共設定900°C、950°C、1000 °C、1050 °C、1100 °C、1150 °C、1200 °C等七個溫度點。在每個溫度點分別做0.I s_l、Is-1、和10 s-Ι三種應變速率的實驗工況。從而獲得不銹鋼和碳鋼在不同溫度和變形速率下流變應力曲線，從曲線上取點輸入到abaqus塑性參數中。
[0024]利用DIL801熱膨脹儀測試獲得不銹鋼316L和碳鋼Q345R的熱膨脹系數隨溫度變化曲線。根據在已知溫度下的熱物理參數和材料各元素成分比重，經軟件JmatPro計算得到材料密度、比熱、熱導率、彈性模量、泊松比等熱物理參數隨溫度變化關系曲線，將以上參數輸入到abaqus的材料屬性定義中。
[0025]步驟2)建立復合板和乳輥的幾何模型:建模復合板為可變形體，乳輥為解析剛體，根據模型的對稱性采用1/8模型進行計算，施加的相互作用為:表面熱交換條件、表面輻射、乳輥與復合板表面接觸;對復合板組枉模型進行分區，分區采用C3D8RT單元進行網格劃分進，界面處網格密度較大。
[0026]不銹鋼復合板模型進行了如下假設和簡化:
(1)忽略板坯上、下表面傳熱和受力的差別，假設其傳熱和力學狀態具有對稱性；
(2)乳輥在高溫熱乳過程中彈性變形很小，將其定義為剛性；
(3)復合板中各層材料均假定為各向同性彈塑性材料；
(4)乳制環境溫度為室溫，取30°C。
[0027]由于板坯厚度較大而長寬方向尺寸較小，其幾何建模過程中四周邊條及焊接結構對乳制變形的影響不可忽略，采用C3D8RT單元對板坯進行網格劃分，1/4簡化乳制模型及板坯幾何網格模型如圖1 a。
[0028]步驟3)將步驟I)中復合板板層的物性參數導入步驟2)的幾何模型中。
[0029]步驟4)設定分析步中的場輸出變量，用以確定復合板板層結合的條件:當板層接觸界面上法向正應力與復層不銹鋼材料變形抗力之比大于I時界面發生粘合。
[0030]目前關于界面結合的判定準則主要包括兩種:一種是應變結合準則，從乳制界面變形角度出發，要求組坯材料各自變形量達到或超過某一閾值，該值隨著復合組元材料、加熱溫度、初始厚度及壓下量等因素的變化而有所區別。一般通過試驗方法近似確定臨界壓下率，其影響因素間的定量及耦合關系不易獲得，同時對于大厚度不銹鋼/碳鋼復合板的多道次真空熱乳復合過程，試驗確定具體某個中間道次的界面結合情