计算机和数值模拟技术在焊接中的应用

1、专题综述收稿日期:2001-09-25作者简介:汪建华(1939-,男,安徽歙县人,教授,博士导师,长期从事计算机和数值模拟技术在焊接中的应用研究工作,在国内外发表学术论文120余篇。计算机和数值模拟技术在焊接中的应用汪建华,马 继(上海交通大学材料科学与工程学院,上海200030摘要:介绍国内外计算机在焊接工程中应用的发展,以及近年来在焊接数值模拟领域的研究成果及其在工程中的应用实例。关键词:焊接;计算机应用;数值模拟中图分类号:TP39 文献标识码:C 文章编号:1001-2303(200112-0003-07Application of computer and numerical si

2、mulation for weldingW ANG Jian Hua,MA Ji(School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,ChinaAbstract:The developments and application of computer and numerical simulation for welding are introduced.Some research results of welding numerical simulation and

3、their applications in the engineeri ng are introduced also in thi s paper.Key w ords:welding ;computer application;numerical si mulation前言计算机、信息、网络等技术的飞跃发展,给人类的生活环境、文化氛围带来了深刻的变化。这种深刻的变化必然反映到原来的制造业乃至焊接工程中来。计算机心脏 中央处理器(CPU,其性能18个月就翻一翻,而价格却成倍下降,已具备进入家庭的条件。计算机操作系统和语言处理系统以及各种工具类、应用类软件功能越来越强。90年代初美国提出了 国家

4、信息基础设施 工程计划,通常也被称为 信息高速公路计划 ,随之而来在世界范围掀起了Internet 建设的狂风巨浪。计算机和网络引发的信息技术的发展,大大促进了制造业的变革。近年来提出的先进制造技术,包括诸如计算机集成制造系统(CIMS、并行工程、灵捷制造等。CI MS 就是将制造过程CAD 、C AE 、CAPP 、C AM 、CAT 等计算机辅助技术中的相关信息,通过网络集成在一起。虚拟工程则进一步使整个制造过程在计算机上得到预演和实现。据估计美国已有90%以上企业采用Internet 技术建立了一种新型的企业内部网,从而带来巨大的效益。1 自动控制和焊接机器人焊接自动化的关键是对焊接过程

5、和质量的控制。采用微机对焊接过程的控制主要有:a.自动顺序控制和实时稳定焊接过程的参数,如全自动CO 2焊机、大功率激光焊机等。b.控制焊接工件的自动定位和焊缝轨迹。c.控制焊接过程的质量,微机与传感器连接,进行焊缝宽度及熔透适应控制等。3 电焊机,Vol 31,2001(12:38,11d.可编程序自动化控制生产线。目前生产中采用的焊接机器人大体分点焊机器人和弧焊机器人两类,在汽车工业中应用比较广泛。现在研制的第二代焊接机器人带有视觉、听觉和触觉功能,完全由微机控制,是一种具有人工智能的机器人。日本三菱造船厂曾发展了一种智能船用焊接机器人,用于双层船体的全自动焊接。2 焊接过程的测示和自动检

6、测a.测量和综合分析焊接过程的多参数,如焊接电流、电压、速度、压力以及气体流量等。同时可计算出焊接热输入、功率、电流有效值和最大与最小值、短路过渡中的瞬时燃弧功率和短路功率等。可综合分析大量数据,确定焊接过程是否正常并报警。如各种弧焊参数测量仪、电弧分析仪等。b.智能检测焊接过程,将微机和摄像系统或红外摄像系统连接,采用计算机图像处理和模式识别技术,可测示焊接温度场及其动态过程,自动识别各种焊接图像和输出判别结果。例如自动识别各种焊接缺陷,分析焊接接头的金相组织等。3 计算机辅助焊接应用软件和专家系统根据IIW C AW 工作组的报道,商业化的焊接应用软件已超过百种。各企业内部自行开发或由高等

7、院校和科研院所开发不作商品出售的焊接应用软件更多。如欧共体开发的E UROWELD 包括下列几个典型的焊接应用软件:a.焊接方法选择;b.焊接材料选择;c.坡口设计及加工;d.弧焊工艺制订;e.焊工资格认定管理;f.质量保证及控制;g.焊接工程信息集成系统。国内也开发了不少焊接应用软件,包括焊接专家系统。所谓专家系统就是把某一领域的人类专家知识,存储在计算机的知识库中,通过系统进行推理,使计算机能够以和人类专家相近的水平解决该领域的问题。如清华大学开发的通用型弧焊工艺专家系统、哈工大和哈锅开发的焊接工程数据库及专家系统、太原重机厂研制的焊接工艺规程设计CAPP 系统等。此外,一些高等院校和企业

8、还开发了焊接裂纹预测系统、焊接变形预测系统、焊条配方优化设计系统、有缺陷焊接结构计算机辅助可靠性评定系统等。4 焊接数值模拟技术和理论预测 计算机具有非常强大的数学计算和逻辑推理能力,可以模拟各种复杂现象的再现。通过数值模拟,可以部分代替大量的试验工作,具有很大的优越性和高的效益。焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,要得到一个高质量的焊接结构必须要控制这些因素。近20年来,国内外都对焊接预测理论和数值模拟技术进行了许多研究,取得了不少成果。2000年日本大阪大学接合科学研究所提出了一个计划5年完成耗资20亿日元(2千万美元的国家课题1: 高效与安全焊接技术的开发 ,事实上它包

9、含着一个焊接虚拟工程的研究。其目的是开发一个用户界面友好的高效与安全的焊接计算机系统。它同时给出3个精密模拟程序,即焊接过程模拟程序、被焊区域组织预测程序和变形预测程序。其中各个模拟程序的目标为:a.焊接过程模拟程序包含一个电弧等离子模型,要求无须局部热动力学平衡的假定,焊接熔池尺寸的预测精度达到 10%。b.被焊区域组织预测程序包含一个针状铁素体的形成模型,要求铁素体、针状铁素体成分和室温强度的预测分别在 5%、 10%和 50MPa 以内。c.焊接变形程序包括面外变形预测精度在 15%以内。为了开发上述模拟程序,尚需进行一系列精密的实验验证,包括物理性能的测定,如等离子环境下熔池的表面张力

10、、固态和熔池的热导率等。下面简要介绍该领域的一些发展概况。4.1 焊接过程模拟焊接过程模拟包括焊接熔池模拟和焊接电弧传热传质过程模拟等。关于焊接熔池中的流体流动和传热过程,国内外已做了不少研究工作。认为影响熔池流动的主要因素有:电磁力、表面张力和自然对流等。德国Aachen 大学I SF 焊接研究所对薄板GMAW 焊接熔池进行了计算机模拟,分析了电磁、热力学和流体动力学对GMAW 过程的影响。该模拟程序可计算焊缝形状和各点的热循环,并可根据焊缝的形状来确定焊接参数。图1为薄板在GMAW 焊接时试验所得焊缝形状(左边与模拟计算所得焊缝形状(右边的比较。图1 模拟计算和试验所得焊缝形状的比较4 专

11、题综述 电焊机,Vol 31,2001(12焊接电弧是一个高速运动着的磁流体热源。焊接电弧中存在着传导、对流和辐射等传热过程,也伴随着层流和紊流这两种类型的流体运动。研究电弧的这种传热传质过程对理解和控制焊接电弧的物理特性有着很重要的意义。国内外对电弧的压力场,电弧和电极的温度进行了数值预测,也对GMAW焊接时的熔滴尺寸,包括球滴过渡和喷射过渡之间的转变电流,进行了预测。通过数值模拟可以理解钨夹杂的形成机制,保护气体的影响以及在GMAW中从球状到喷射过渡转变电流的机制。4.2 焊接冶金和焊接接头组织性能模拟有关焊接性数学模型的许多研究在由奥地利Graz工业大学组织的II W专门的 焊接性的数值

12、分析 国际会议上发表,并编成了册子 焊接现象的数学模型 (1,2,3。H.Cerjak等发展了一个综合性的计算机程序 HAZ-C ALC ULATOR ,提供大约50个冶金计算法,可用于非合金钢、正火与微合金结构钢、淬火与回火钢、低合金钢、耐热钢与奥氏体不锈钢。对铁素体钢来说,可评价相变行为、淬硬性、强度、韧性、脆化、裂缝敏感性等。对奥氏体不锈钢来说,可评价显微组织、热裂缝倾向、稀释率、敏化、点状腐蚀和机械性能等。美国Oak Ridge国家实验室对焊缝金属中显微组织的建模进行了较全面和深入的研究,拟发展一个通用的和集成的模型来预测焊缝组织的发展,并适合于任何合金系统。关于焊接热影响区的相变和组

13、织性能的预测,较早是根据SH-CC T图结合热计算来预测热影响区的组织与硬度,此后引入了相变动力学的理论模型。随着研究的进一步深入,在焊接、热处理和连续铸造等过程中,温度、相变和热应力之间的耦合效应越来越受到人们的重视。因此必须跟踪整个焊接热循环过程来预测焊接接头组织性能的变化。D. F.Watt和C.Henwood等提出了一个预测模型,对焊接热影响区传热和组织变化的耦合进行了研究。该研究针对低合金钢,利用状态图和相变动力学的计算公式,连接焊接热传导分析,设计出了瞬态组织预示程序,该程序可以计算接头中瞬态任一点处各组织的体积百分数。4.3 焊接变形和应力的数值模拟关于焊接变形和应力数值分析的研

14、究,内容十分丰富,目前已发展为一门新的专门学科 计算焊接力学 。国内在80年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究工作。90年代上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究,提出了改善计算精度和收敛性的若干途径,发展了有关的三维焊接分析程序并有不少成功的应用实例。近年来清华大学、天津大学也进行了焊接力学过程的数值模拟。此外在焊接接头力学行为分析方面,数值模拟也是一个重要的工具。多年来,我们从事焊接力学数值模拟领域的研究,进行了较广泛的国际合作,取得以下主要成果:a.研制了适合于各种焊接热输入条件下的焊接传热有限元分析方法和相应的计

15、算机程序,解决了 震荡 等问题,提高了计算精度2。b.研究了提高三维焊接热弹塑性有限元计算精度和稳定性的有效方法并研制了相应的计算机程序3,且在若干三维复杂焊接结构的分析以及失稳变形分析中得到成功的应用。c.成功地进行了考虑相变的动态和残余应力的分析研究。d.引入考虑高温蠕变的粘弹塑性有限元方法,对局部焊后热处理的评定准则进行了全面的研究,提出了新的评定方法4,受到国际上广泛重视。e.提出和发展了基于弹性计算的预测焊接变形的残余塑变有限元方法5,包括采用三维、板壳单元和考虑大变形,为大型复杂焊接结构的分析提供了强有力的工具。该项技术为实际工程应用带来了突破性的进展。f.成功建立了若干特种焊接和

16、连接方法的数学模型,如陶瓷金属扩散连接的残余应力和过渡层的优化选择,镀锌钢板的电阻点焊,胀管连接模型6,水火弯板,搅拌摩擦焊接的传热和力学模型等,均取得很好的效果。5 焊接数值模拟应用实例5.1 空调压缩机的焊接变形与应力分析7在压缩机圆筒上部筒壁沿圆周均匀开了3个直径为8m m的孔,然后用钨极氩弧焊同时进行塞焊,把圆筒和轴承连接起来。主要分析圆筒与上部轴承焊接引起的偏心和圆筒端部形状的变化。图2为焊后压缩机计算模型的残余变形图,圆筒端部径向变形犹如 花状 。采用该计算模型曾研究了焊接热输入、装配间隙、3条焊缝焊接的时间差异、塞焊孔位置高低偏差以及夹具等对焊后偏心和 花状 变形的5专题综述 电

17、焊机,Vol 31,2001(12影响。模拟计算结果与实测数据相当吻合。通过计算还可以获得整个结构的残余应力分布,最大主应力出现在塞焊点周围的热影响区,数值可达材料的 屈服应力。图2 压缩机焊接的残余变形5.2 600MW 核电凝汽器焊接变形分析8采用了三维焊接热弹塑性有限元等方法对600MW 凝汽器中的管板接头、管子连接、大拼板、加筋板等焊接变形进行了预测,为实际生产提供了依据。图3为半周管板模型在焊接过程中某一时刻的温度场。计算结果表明,3道管子焊后的轴向总收缩约为0.86mm 。隔板上8个管孔的位置和形状也发生了改变,呈径向直径增大周向直径缩小的 蛋形 变化。同时可预测隔板上径向收缩随离

18、开中心轴距离的增大而减小的情况,从而可对开孔位置设 计提供参考。图3 管板焊接过程中某一时刻的温度场5.3 汽车制造中的焊接精度控制5.3.1 高精度液力变矩器的焊接变形9轿车配备用液力变矩器制造精度要求很高,因此如何控制焊接变形,保证产品的尺寸精度,是焊接工艺是否成功的一个关键。采用了热弹塑性有限元和残余塑变两种方法,对液力变矩器的焊接变形进行了数值模拟和分析。图4为液力变矩器的焊接变形。计算分析表明,液力变矩器上下盖板总成焊接后的变形将影响上盖内表面与内压环的间隙以及连接块顶面的平行度和垂直度,因此在装配夹具的设计以及焊前装配中必须考虑这一因素,以保证焊后产品尺寸形状的技术要求。焊接变形随

19、着焊接线能量的增加而增加,双道焊接时的轴向收缩也将显著增加,因此应选择大功率高速度的电子束单道焊接,既能保证焊透,又降低了焊接线能量,从而大大减小焊接变形。图4 液力变矩器的焊接变形5.3.2 轿车副车架的焊接变形轿车副车架十分复杂,要求分析副车架总成时,连接前梁、后梁、左梁和右梁的21条焊缝焊接以后的变形规律。为此采用残余塑变有限元方法进行分析。由于副车架由前梁、后梁、左梁和右梁4个薄壁梁结构组成,故采用四节点板壳单元。图5为副车架总成焊接以后在x 方向的变形图。计算所得别图5 副车架总成焊接以后在x 方向的变形图6 专题综述 电焊机,Vol 31,2001(12克轿车副车架总成时,连接前梁

20、、后梁、左梁和右梁的21条焊缝焊接以后的变形规律数据可供焊接工艺设计时的预留变形量以及夹具设计等参考。本例的成功是一个重大的突破,它为大型复杂结构的变形分析提供了广阔的前景。5.4 大型船体结构的焊接变形预测102个直径为1700mm 的带有肋骨的艇体用多道焊进行对接。采用三维残余塑变有限元分析方法,对有肋骨和无肋骨两种艇体的焊接变形进行比较。图6所示为它们焊后的残余变形。计算与有关模拟试验数据相近。采用本方法,还对不同的焊接热输入,承载和支撑条件对焊接变形的影响进行了研究,为实际生产提供了参考和依据。图7为采用板壳单元固有应变有限元法对一个大尺寸船体结构焊接变 形的预测。图6 大型筒体 结构

21、的焊接变形图7 船体结构焊接变形5.5 铝合金 -截面板焊接失稳变形分析11采用板壳单元固有应变有限元法对车厢结构中的铝合金 -截面板进行了分析。图8和图9分别为预测所得焊接失稳变形的两种不同形式(扭转型和马鞍型。它们与 -截面形状尺寸有关。从能 量观点来看,扭转型比马鞍型要可取些。图8 扭转型变形图9 马鞍型变形5.6 水火弯板和感应加热成形12水火弯板一般采用火焰加热,通常有自然冷却(空冷、正面跟踪水冷和背面跟踪水冷几种方式。我们曾采用三维热弹塑性有限元方法对水火弯板进行了分析。火焰热源作为一个表面热流输入,热流密度假定呈高斯分布。水冷区和空冷区在有限元分析时作不同的换热边界条件处理。实例

22、计算取得较好的结果。然而三维热弹塑性有限元方法对大型复杂构件需要大容量计算机和很长的技术时间,很不经济。因此采用固有应变方法来代替有很大的优点。此外有限元分析时广泛应用了板壳单元。为了便于精确控制成形过程,感应加热已被认为是一种十分合适的成形方法。在国外一些企业,如日本的石川岛播磨重工,在固有应变法预测和控制感应加热成形的基础上,已开发制成了计算机控制的自动感应加热弯板机,在实际生产中得到成功的应用。5.7 陶瓷/金属连接的残余应力及其缓和13采用热弹塑性有限元法分析了热压氮化硅(Si 3N 4和K-500合金扩散焊接引起的残余应力状态。比较了方棒试件三维残余应力和圆棒试件二维轴对称残余应力的

23、特征,探讨了不同过渡层的影响。结果表明,在靠近连接界面附近的陶瓷外表面存在轴向最大拉伸应力,其位置刚好与开裂处一致,可作为评定残余应力影响和选择最佳过渡层的一个指标。方棒试件残余应力水平比圆棒试件高,其最大拉伸应力前者约为后者的1.5倍(见图10。欲获得既降低残余应力又有高的界面结合能力的陶瓷金属7 专题综述 电焊机,Vol 31,2001(128 专题综述 电焊机, Vol 31, 2001( 12 扩散焊接头, 建议采用软金属、 低膨胀金属和活性金 属组成的复合过渡层。试验表明, 采用合适的最佳 复合过渡层组配时, Si3N4 / K- 500 扩散焊接头的室 温和高温( 800 抗弯强度

24、均达 216 MPa 以上。 图 12 内表面 的轴向应力分布 6 图 10 陶瓷/ 金属连接的残余应力 结束语 5. 8 宝钢 300 t 转炉局部焊后热处理可行性分析 14 宝钢 300 t 转 炉 炉 体 直 径 D= 8 500 mm, 壁 厚 = 80 mm。总装时由 2 条大的 环焊缝把上下 3 段 连接起来。由于炉体太大, 曾考虑采用局部焊后消 除应力处理, 并要求确定加热带的合适宽度。分析 时采用了粘弹塑性 轴对称有限元 计算模型。如图 11 和图 12 所示, 计算表明只有在加热宽度很大时 ( B = 2 400 mm 内表面的周向轴向应力才较低。由 于该转炉炉体直径与壁厚都

25、很大, 采用局部焊后热 处理所需的加热宽度很大。显然, 这在经济性和可 实现性方面都存在问题, 因而是不适宜的。根据炉 体的工作条件以及材料的特性, 如果焊接接头的性 能满足要求, 可以考虑不进行焊后热处理消应力处 理工艺。同时, 建议采用锤击焊缝, 焊后打磨焊缝等 有利于减小和缓和残余应力的工艺措施以及焊后消 氢处理以降低焊接裂纹的倾向。通过可行性分析, 避免了错误选用局部焊后热处理可能带来的不良后 果, 同时大大节约了人力、 物力与资金。 随着计算机技术日新月异的发展, 制造业在以 计算机为基础的先进制造技术带动下, 将有一个很 大的变化。焊接数值模拟技术也有了很大的发展, 提高到了一个新

26、的阶段。已有的数值研究成果已使 我们对复杂的焊接力学现象的本质和规律有了进一 步的深入了解, 从而为解决和控制这些问题带来了 新思路和新方法, 并在工程中有了不少成功的应用 实例。可以相信, 随着人们对焊接过程和现象认知 的进一步深入以及计算机技术的高度发展, 计算机 与数值模拟技术在焊接中应用也必将越来越发展并 具有广阔的前景。 参考文献 1 K iyoshi Nogi, National Project of Development of Highly Effeicient and Reliable Welding Technology A . New- Wave of Welding a

27、nd Joining Research for the 21st Century, Proc. Of the First Osaka University and TWI Joint Seminar C . Osaka Japan: 2001. 21- 24. 2 汪建华, 戚新海, 钟小 敏. 三维瞬 态焊 接温度 场的 有 限元模拟 J . 上海 交 通 大学 学 报, 1996, 30( 3 : 120 125. Wang J, Ueda Y, Murakawa H, et al . Improvement in Nu merical Accuracy and Stability of

28、3 D FEM Analysis in Weld ing J . Welding Journal, 1996, 75( 4 : 129s- 134s. Wang J, Lu H, Murakawa H. Mechanical Behavior in Local Post Weld Heat Treatment ( Report I and II J . Trans. JWRI, 1998, 27( 1 : 83- 95. 5 6 7 汪建华, 陆 皓. 预 测焊接变 形的残 余塑变 有限元 方 法 J . 上海交通大学学报, 1997, 31( 4 : 53- 56. 汪建华, 袁敏刚. 胀

29、管接头的 弹塑性 有限元 分析及 其 应用 J . 压力容器, 1997, 14( 5 : 32- 36. 汪建华, 戚新海, 钟小 敏. 压缩机 焊接 变形的 三维 数 值模拟 J . 机械工程学报, 1996, 32( 1 : 85- 91. 3 4 图 11 内表面的周向应力分布 Page 11 专题综述 电极头与铝板接触面上的瞬时温度分布 9 , 通过在 试验中改变输入热量、 冷却水流及电极帽深度等方 法证明: 电极头上的最高温度与输入热量成正比关 系, 但与对流、 辐射造成的热损耗的关系不大。 d. 由于铝的导热性、 低熔点和低屈服强度, 由 电阻点焊引起的变形必定比钢严重得多。 美

30、国的 Mr. Sun X 等采用 ABAQUS 程序, 通过模 拟铝合金点焊过程的热 电 力学过程, 得出了熔 核尺寸及接触面积随焊接时间的变化规律、 电极表 面压力及温度的变化规律和焊接区的等效塑性应变 及残余应力分布 10 。此模拟计算可用于预 测点焊 熔核的生长、 电极磨损和裂纹形成情况。 此外, 研究人员也对铝合金点焊接头本身的性 能进行了研究, 并指出: 在铝合金点焊中还经常存在 微型空洞、 裂纹等不连续缺陷以及过深的压痕等现 象, 熔核尺寸对接头的静载强度影响很大, 但对其疲 劳强度影响很小。表面压痕 及尺寸小于 40% 熔核 面积的空洞对接头疲劳性能的影响不大 6 。 3 1 电

31、焊机, Vol 31, 2001( 12 致的研究。 参考文献 11 Natale. T. , Irving. B. . Automakers set the pace for spot welding the new galvanized steels J . Welding Journal, 1992, ( 3 : 47- 52. 2 Ferrasse S. Verrier P. Meesemaecker F. Resistance spot weldability of high strength steels for use in car industry J . Welding in

32、 the world, 1998, 41( 3 : 177- 195. Dupuy T . The degradation of electrodes by spot welding zinc coated steels J . Welding in the world, 1999, 42( 6 : 5868. 4 5 6 阎 王 启. 热镀 锌 钢 板点 焊 工艺 研 究 J . 宝 钢技 术, 敏. 唐逸民, 周 萍. 镀锌钢板点焊 工艺性能 J . 2000, ( 5 : 32- 35. 上海交通大学学报, 1992, ( 2 : 156- 158. Gean A. Westgage S

33、.A . Kucga J. C. , Ehrstron J. C. Static and fatigue behavior of spot welding 5182- 0 Aluminum al loy sheet J . Welding Journal, 1999, ( 3 : 80 s- 86 s. 7 Hao M. , Osman K. A. , Boomer D. R. , Newton C. J. De velopments in characterization of resistance spot welding of aluminum J . Welding Journal,

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