（材料加工工程专业论文）中厚板焊接温度场及应力场数值计算.pdf

摘要 本文运用大型通用有限元分析软件a n s y s 作为分析手段，以中 厚板焊接的焊接温度场和焊接应力应变场为研究对象。首先建立了 平板对焊的几何模型，因为在中厚板的焊接过程中通常采用多层焊， 本文根据多层焊的实际焊接过程，建立了三层焊几何模型。并根据 焊接的实际情况，划分了尺寸不一的网格。使用高斯热源作为移动 焊接热源建立了焊接温度场模型，其中考虑了材料高温性能对温度 场的影响，得出了温度场的分布规律。编制了适用于不同尺寸形状 不同焊接工艺的对焊温度场分析的通用a p d l 命令流，简化了求解过 程。 在理论研究的基础上，利用红外成像仪实测了接头的焊接热循 环情况，与模拟计算结果进行对比，实验结果与模拟结果吻合较好。 说明了数值模拟技术可以经济有效地对焊接生产工艺进行理论指 导。 在热弹塑性力学的基础上，通过热一力场耦合，建立了焊接应 力应变场模型。探讨了中厚钢板对焊的应力应变分布计算的方法， 针对焊接应力分析过程的严重非线性特性，将“单元生死法”应用 于有限元求解过程，考虑了高温下的材料力学性能。同时也编制了 循环命令流，简化了仿真计算操作的复杂性。 关键词：多层焊；有限元分析；a n s y s ；温度场；应力场 a b s t r a c t a n s y sw a su s e di nt h i sp a p e rt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n d s t r e s sf i e l do ft h et h i c k n e s ss t e e l g e o m e t r ym o d e lo ft h eb u t tj o i n tw a s f o u n d e da tt h eb e g i n n i n go ft h er e s e a r c h s i n c em u l t i l a y e rw e l d i n gw a s u s u a l l yu s e d ，t h eg e o m e t r ym o d e lf o rt h r e e l a y e rw e l d i n gw a ss e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fw e l d i n g d i f f e r e n tm e s h i n gp r i n c i p l e sw e r e p r o p o s e dt oe n s u r eh i g h e re f f i c i e n c yw i t hv a r i o u sa s p e c t sc o n c e r n e d u s i n gg u a s sh e a ts o u r c ea st h em o v i n gh e a ts o u r c eo fw e l d i n g ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，w h i c hc o n s i d e r e dt h et e m p e r a t u r e si n f l u e n c eo n t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，i sf o u n d e d ，a n dt h ed i s t r i b u t i n gp r i n c i p l eo f t e m p e r a t u r ef i e l dw a sa t t a i n e d w i t ht h ea p d lp a r a m e t r i cl a n g u a g e ， t h ep r o c e s so fs o l u t i o nw a sp r e d i g e s t e d f a l s ot h et e m p e r a t u r ef i e l dw a sm e a s u r e dw i t ht h e t h e r m a l c a m t m p 6 5 i tw a ss h o w nt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei n g o o da c c o r d a n c ew i t ht h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t t h e r e f o r e ，s i m u l a t i o n t e c h n o l o g yc o u l db eu s e di nt h ep r o d u c t i o na sg u i d a n c e o nt h eb a s i so ft h et h e r m a le l a s t i cd y n a m i c s ，w e l d i n gs t r u c t u r e m o d e lw a sf o u n d e db yc o u p l i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r u c t u r e f i e l d m o r e o v e r ，t h ep a p e rd i dr e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o no ft h es t r e s s a n dd i s t o r t i o no ft h et h i c k n e s ss t e e l w i t ht h eb i r t h d e a t he l e m e n t m e t h o d ，t h ep a p e rc o n s i d e r e dt h en o n l i n e a rp h e n o m e n aa n dt h eh i g h t e m p e r a t u r ed y n a m i c sc a p a b i l i t y a n dt h ea p d lp a r a m e t r i cl a n g u a g e h e l p st op r e d i g e s tt h ep r o c e s so fs o l u t i o n k e yw o r d s ：m u l t i - l a y e rw e l d i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；a n s y s ： t e m p e r a t u r ef i e l d ； s t r e s sf i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文储躲板签字吼年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名喜乏 签字日期：为、年，月名日 新虢膨移 签字日期：矿一辟 ，月，6 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 中厚钢板是焊接结构生产中不可缺少的重要材料，被广泛应用于 国防、交通运输、能源和建筑等各种重要的国民经济部门，尤其是 在水利，火电，造船等行业的大型焊接结构中得到了广泛的应用。 但是厚板焊接技术在国内还不太成熟，存在较多需要解决的问题。 常用的厚板焊接方法有电渣焊、多层多道焊( 焊条电弧焊、埋弧焊、 窄间隙埋弧焊、t i g 焊、m i g 焊等) 以及电子束焊【1 】。在工业生产中， 厚板构件的电弧焊常以预制坡口，多层多道方式施行。 本课题是基于二滩水电站二期工程开展的。二滩水电站位于中国 四川省雅砻江干流下游河段上，是2 0 世纪建成的中国最大水电站， 总装机容量达到3 3 0 万千瓦，2 4 0 米高的溢流式双曲拱坝为中国第 一高坝，水库总库容5 8 亿m 3 ，由地下厂房、主变压器室、尾水调 压室组成的地下洞室群为亚洲之最。二滩水电站肩负着电力行业重 要的使命，作为全国调频调峰主力，通过保持高水位和降低发电耗 水量等措施，确保日正常发电量。从2 0 0 4 年起开始在冬季枯水期前 提前将蓄水位提高到最高极限1 2 0 0 米，以备枯水期多发电。由于全 国电力资源紧张，二滩水电站迫切需要扩建一组科技含量高，发电 功率更大的发电机。蜗壳是水轮机的关键部件，其焊接质量是保证 水轮发电机组能否长期安全可靠运行的关键。在焊接结构的生产中， 焊接变形误差不仅影响结构的尺寸精度和外观，而且有可能降低结 构的承载能力。对于出现有害的焊接变形，往往需要耗费许多工时 去矫正，而比较复杂的变形误差，矫正的工作量可能比焊接的工作 量大。 蜗壳形状复杂、体积庞大，它的焊接属于中厚板焊接，多采用多 层多道焊接技术，存在着焊接变形问题。中厚板焊接温度场及其残 余应力的研究，目前国内外还没有很成熟的成果问世，所得的研究 结论还不能完全统一。就目前的焊接水平而言，由于蜗壳的焊接工 艺十分复杂，因此焊接质量控制较困难。又因为蜗壳的造价昂贵， 采用实验方法来制定合适的焊接工艺，控制焊接过程的应力应变， 第一章绪论 同样是很难实现的。因此，采用计算机模拟仿真的方法来确定焊接 工艺及控制焊接质量，这是一种简便、经济的方法。 1 2 国内外焊接温度场研究概况 熔化焊接时，由于被焊金属在热源作用下将发生局部加热和熔化 的过程，因此在被焊金属中必然存在着热量的传播和分布问题，通 常称之为焊接热过程。焊接热过程是影响焊接质量和生产率的主要 因素之一。焊接热过程的准确计算和测定，是焊接应力变形分析的 前提。 虽然焊接传热问题十分复杂，但是由于它对焊接接头质量以及焊 接应力应变具有重要影响，人们从未停止过对其本质的研究。 1 2 1 国外研究的历史及现状 国外早在2 0 世纪3 0 年代就开始了对于焊接热过程的研究，d 罗森塞尔分析了移动热源在固体中的热传导。1 9 4 1 年d r o s e n t h a l 和h h 雷卡林等【2j 使用移动热源对焊接热循环进行分析，做了大量 的工作，用解析法推导出了一整套计算公式。这些研究把焊接热源 简化为点、线、面三种形式的理想热源，并假设材料无论在任何温 度下都是固体，不发生相变，其物理性能不随温度而变化，且焊件 尺寸无限大。因为假设条件与实际焊接传热情况差异巨大，以及用 有限差分法来分析非线性问题受到当时计算条件的制约，所以计算 结果与实际情况相差较大。 从2 0 世纪5 0 年代开始，有许多研究者试图对雷卡林公式进行修 正和改进。但由于不能从根本上避免这些解析式作为前提的不合理 的假设条件，因此没有太大的进展。 2 0 世纪6 0 年代后，随着电子计算机应用技术的发展，为焊接热 过程的数值分析提供了有力的工具。1 9 6 6 年，w i l s o n 和n i e k e l l 将 有限元方法用于热传导的分析计算中 3 1 。1 9 7 5 年，p a l e y 利用有限差 分法分析焊接时的非线性热传输过程，编制了可以分析非矩形截面 以及常用的单层、双层u 、v 型坡口的焊接温度场计算程序1 4 。在热 源处理时采用半经验方法，将熔化线内的单元都作为被加热单元， 使热源是在一个有限体积内，这比较符合实际情况。研究中虽然考 第一章绪论 虑了材料热物理性能参数与温度的关系，但仍忽略了向周围的热损 失。美国的g w 格鲁斯在1 9 7 6 年的博士论文中建立了用有限元法计 算二维焊接温度场的分析模型。该模型将导热系数和比热作为温度 的函数，考虑了相变潜热的问题，采用的边界条件中涉及到了通过 辐射和对流向周围的散热。但是，研究中忽略了在电弧运动方向的 传熟，并且相交潜热问题处理的也不够精确，没有说明焊接热源的 处理方法。加拿大学者g o l d a k 提出一种新的焊接热源模型”，6 j ，该 模型认为空间能量密度服从高斯分布，将浅熔深的氩弧焊、深熔深 的激光焊和电子束焊热源用一个双椭球形来描述，不仅适用于焊条 电弧焊，而且还可用于埋弧焊。由于该模型考虑了熔池内液体的流 动和在电磁力作用下内部的磁流体动力学情况，比较清楚地描绘出 了熔化焊时能量密度分布的结果，并试图把焊接电流、电压、焊速 和焊丝直径等参数与模型中的有关参数联系起来，但是模型中的球 形对称假设忽略了辐射传热以及包括了多种焊接工艺方法等条件， 仍然存在一些不足。s 丘建立了模拟厚板钨极氩弧焊或等离子弧堆焊 的准稳态三维温度场有限差分计算模型。解决了热源分布、材料物 理性能的非线性和工件表面热损失等问题。 其他学者又针对具体焊接方法提出了一些瞬态温度场分析模型。 如s o n t i 和a m a t e a u 提出铝合金激光深熔深焊接热流二线有限元模 型【7 】：t e k r i w a l l 使用二线有限元模型分析了气体保护焊的瞬态温度 场i s ；印度的s u b o d hk u r m a re ta l 在建立气体保护焊三维有限元模 型的基础上，运用熔滴过渡不稳定收缩理论和状态力平衡理论研究 了熔深特性【9 】。为了进一步分析焊接瞬态温度场，美国的b a t h e 在非 线性热传输分析中，不仅考虑了热传导对流以及熔池表面的辐射传 热边界条件，同时也考虑了固态熔化时产生的潜热影响，给出了比 较全面的热平衡方程【l o j 。 1 2 2 国内研究的历史及现状 1 9 8 1 年，唐慕尧用二维有限元模型计算了薄板焊接的稳态温度 场，计算中未计及材料热物理性的非线性和工件表面的热损失【l ”。 1 9 8 3 年，陈楚等对非线性热传导问题进行了有限元分析，建立了焊 接温度场的计算模型，考虑了材料热物理性能随温度的变化以及内 部的散热情况，可以进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳 态或非准稳态二维温度场的有限元分析d 2 。武传松对焊接热过程进 第一章绪论 行了较系统的数值研究，在分析焊接热过程时，针对以往模型中只 注重熔池过程，指出影响焊接熔池液体动力学状态及传热因素。他 首先建立了电弧固定时t i g 焊接熔池内部液体流动状态及传热过程 的二维数学模型；然后又给出运动电弧作用下t i g 焊接三维数值分 析模型 1 3 , 1 4 。2 0 世纪9 0 年代，上海交通大学的汪建华等进行了三维 瞬态温度场的有限元数值模拟研究工作 15 , 1 6 。清华大学的鹿安理、 蔡志鹏等在大型结构的焊接变形数值模拟方面做了不少的工作，提 出了分段移动热源说。对大型实际结构而言，因计算规模和计算量 大、收敛困难，导致在实际仿真分析中出现很多的问题。但是分段 移动热源的提出使得大型结构的仿真分析能够在保持精度的前提 下，极大地提高计算效率1 1 7 】。 综上所述，国内外学者们所进行的研究，都试图在建立焊接热场 分析模型时，能够全面的考虑影响焊接热过程及瞬态温度场分布的 各种因素，以便能真实的反映焊接热过程，从而希望得到比较准确 的焊接瞬态温度场。 1 3 焊接应力和变形的研究进展 由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却过程，加热时部分 金属产生压缩塑性变形，冷却时受刚性约束，焊件会出现大小不等 分布不均匀的残余应力和残余应变。焊接残余应力和焊接变形会严 重影响制造过程本身和焊接结构的使用性能，焊接接头的抗脆断能 力、疲劳强度和抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂能力。焊接变形在 制造过程中危及形状与公差尺寸、接头安装偏差和增加坡口间隙， 使制造过程更加困难。因此，焊接结构在制造完毕后，一旦出现了 人们所不希望的焊接残余应力和变形，就不得不采取一些费时耗资 的附加工序，例如消除应力处理和校正焊接变形。这种附加工序不 但增加了成本，还可能出现由此工序带来的其他不利因素，如焊后 热处理使材料性能下降或产生再热裂纹，甚至因其局部热应变脆化 等新的缺陷。由此可见，对焊接残余应力的产生机理及其焊接过程 中瞬态热应力应变场的研究，一直是焊接工作者密切关注的问题。 多年来各国学者和专家对残余应力和残余变形进行了太量研究。 有关焊接过程中瞬态热应力的研究始于上世纪3 0 年代。b o u l t o n 和 l a n c e m a r t i n l 9 3 6 年发表的文章中，讨论了焊接过程中沿板件边缘 第一章绪论 产生的瞬时热应力，粗略地研究了一维焊接残余应力产生机制【1 8 1 。 随后，前苏联的h o 奥凯尔布朗姆进行了进一步的发展完善工作1 1 9 1 。 他在平截面假设的基础上，采用内力平衡法，用图解的形式进行一 维焊接热应力的热弹塑性分析，比较详细地讨论了焊接条件、焊接 工艺参数、高温组织相变、原始应力等因素对焊接残余应力的影响， 初步阐述了焊接应力和变形的一般原理。这一原理给出了关于焊接 构件热一弹塑性分析的宝贵启示，对了解焊接应力与变形产生的原 理和本质有重要的贡献，可以说至今它仍然是焊接应力与变形领域 的理论基础。但这种方法只能用于较简单焊缝的一维热应力分析， 如果应用于一般性的焊接应力问题难度较大。2 0 世纪6 0 年代初，美 国t a l l 博士又发展了这种方法，进行了用计算机代替图形分析的尝 试，编制了一套可以进行焊接热应力应变分析的计算机程序，进一 步研究了一维焊接残余应力的产生机理，为计算机在焊接应力变形 中的应用奠定了基础1 2 0 1 。m a s u b u e h i 等学者以t a l l 的工作为基础， 将程序发展为f o r t r a n 计算机程序。随后，美国麻省理工学院又迸 一步完善了该程序，使之不仅能够进行理想弹塑性材料的分析，还 能解决线性强化材料的焊接应力应变分析。尽管如此，由于方法本 身的局限性，仍只能处理一维的焊接应力问题。因此，要想较准确 地分析复杂的焊接应力应变，就必须用更完善的热一弹塑性理论。 自从2 0 世纪7 0 年代初以有限元算法为基础，提出了考虑材料力 学性能与温度有关的焊接热弹塑性理论，加上日益普及的高性能电 子计算机和相关软件的广泛应用，从而使复杂的动态焊接应力应变 过程的数值模拟和理论预测成为可能。有关焊接应力应变数值分析 的研究，包括焊接时动态的应力应变过程，焊接残余应力和残余变 形，应力消除处理，相变应力，三维残余应力的测定等内容。所采 用的数值模拟研究方法有热弹塑性有限元分析，固有应变法，热粘 塑性分析，考虑相交与热应力耦合效应等等。无论从研究内容的丰 富程度，还是研究方法和手段的先进性等方面都是前所未有的。1 9 7 3 年，日本的上田幸雄等利用有限元分析了焊接过程的热弹塑性性质， 提出了可以用于正交各向异性材料的热弹性应力一应变关系，推导 出平面应力状态下各向同性材料的有限元基本公式，编制了一套可 以进行二维平面应力状态下的焊接应力应变分析的有限元计算程 序。由于程序可以方便地处理边界条件、材料特性与温度关系，其 解能比较真实地反映焊接过程中的应力应变，为复杂焊接瞬态应力 第一章绪论 应变行为的分析提供了新的途径。在同一时期，美国的1 w a k i 也编制 出一套可以用于板上堆焊时焊接热应力的热塑性有限元分析程序。 由于当时进行复杂的二维热弹塑性有限元分析，计算费用较大，特 别是对实际焊接的平板进行焊接过程中的热弹塑性有限元分析，费 用的问题就显得更为突出。为此，m u r a k i 对程序进行了改进，用热 弹性的有限单元法对大板焊接时的金属运动以及焊接应力进行计算 分析，大大节省了计算时间。m u r a k i 和c a r l l s o n 都利用该方法研究 了平板对接时的终端裂缝的产生机制，并提出了合理的预防措 施 2 1 , 2 2 1 。 美国的f r i e d m a n 根据厚板对接焊时的特点，将平截面假设条件 称之为广义平面应变，即认为厚板焊接时，垂直于焊缝的横截面， 始终保持为平面，将此假设应用于三维有限元方程中，使方程得以 简化。相应地对计算焊接应力的费用和计算机硬件条件的要求也大 大降低。 国内在2 0 世纪8 0 年代初，西安交通大学和上海交通大学等就 开始了焊接热弹塑性理论及其在数值分析方面的研究工作。西安交 通大学与沪东造船厂合作对单面焊终端裂纹的产生机理和防止进行 了实验和数值研究，取得了显著成效 2 3 1 。上海交通大学出版社在1 9 8 5 年出版了数值分析在焊接中的应用专著 2 4 1 ，对当时国内外的研 究成果作了介绍。他们开发了二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑 性有限元分析程序【2 ”，并在薄板、厚板和管子焊接等的焊接应力分 析方面得到成功的应用，此后又引入了高温蠕变和相变的影响【26 1 。 近些年来，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 2 7 , 2 8 1 ，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。研究成果已在预测核电凝汽器焊 接变形 2 9 1 、压缩机焊接变形 3 0 l 、轿车液力变矩器焊接精度控制 3 j l 等方面得到实际应用。近年来，薄板焊接失稳变形的研究取得了进 展【32 1 ，同时提出了预测焊接变形的残余塑变法和固有应变法 3 3 , 3 4 1 。 通过焊接热输入和板厚可以确定残余塑变或固有应变的总和及其所 在位置，从而可以通过一次弹性有限元计算预测较复杂焊接构件的 焊接变形。 近二三十年来，有限元法的二维分析内容越来越丰富，包括从研 究材料、接头形式以及所用的焊接方法等，学者们的研究工作更加 广泛而深入，并取得了可喜成绩。2 0 世纪9 0 年代，有限元法研究焊 6 第一章绪论 接应力应变的数值模拟技术又有新的进展，开始出现了三维有限元 分析。表1 1 给出了焊接应力应变和残余应力的研究与发展历程概要 3 5 1 。 表1 1 焊接应力应变研究工作简况 年代模型分析方法主要研究内容与特点备注 2 0 世纪一维图形或解析法 简单焊缝形式，热物理结果粗略 3 0 4 0 性和力学性能与温度无 关，理想塑性体材料 2 0 世纪一维解析法有限差分 堆焊，对接焊缝等，熟假设过多，精 5 0 一6 0二维 物理性与温度无关，线 度受限 性应变硬化材料，屈服 强度随温度变化 2 0 世纪二维 有限差分有限元热弹塑性理论和有限元精度提高，结 7 0 8 0 法 法广泛应用，考虑材料果实用 非线性，相变，蠕变等， 复杂结构件焊缝 2 0 世纪二维有限元法 焊接应力应变数值模拟 9 0三维 和理论预测成为热点， 计算焊接应力得到长足 发展，考虑问题进一步 全面和完善 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要任务有以下三个：第一是在a n s y s 中建立中厚板三 层焊的温度场模型，编制a p d l 求解命令流，求解其温度场分布。 第二是采用热象仪测定焊接温度场来验证数值计算的准确性。第三 是在a n s y s 中建立厚板应力应变场模型，讨论其数值计算方法。 第二章焊接熟力学及有限元分析的基本原理 第二章焊接热力学及有限元分析的应用基础 2 1 热传导问题的基本方程 影响温度场的因素很多，如焊接电源、焊接速度、焊接材料尺寸、 边界条件，材料热物理性等，因此在计算温度场时应综合考虑以上 因素。解析法和有限元法都是从焊接热传导的微分方程推导而来。 对于任何一种固体材料，假定其求解域v r 3 ，则v 内任何一点的瞬 态温度t ( x ，y ，z ，t ) 应满足以下微分方程，也即温度热传导的总控制 方程 1 1 , 1 3 , 3 6 , 6 4 ： c a r ：苏o 。f a 罢 + 专( a 豺昙( a - 7 1 + _ ( t 硼 ” 式中： q ( x ，y , z ，t ) 为求解域v 中的内热源强度( w ) ； a 为导热系数( m 2 s ) ； c 为材料比热( j k g ) ； p 为材料密度( k g m 3 ) ； t 为温度( ) 。 式( 2 1 ) 为泛定方程，为了获得定解，需要给出定解条件，即微 分方程的边界条件和初值条件。 假定s r 3 为求解域v 的边界，并有s = s 1 u s 2 u s 3 ，其中s 1 为给 定温度边界，s 2 为热流边界，s 3 为热流辐射边界。则在s 上满足： 在s 1 边界上： 流。 t s = t s ( x ，y ，z ，t ) ( 2 - 2 ) 在s 2 边界上： 七娶：k g r a d t 怍g ，f )( 2 - 3 ) d 玎 式中n 为边界表面外法线方向；q ( s ，t ) 是单位面积上的外部输入热 在s 3 边界上： 第二章焊接热力学及有限元分析的基本原理 k g r a d t 一= b q ：艺一t ) 式中，b 是表面换热系统；t a 是周围介质温度。 同时需要给出初始条件，即时刻t = 0 时v 内t 的分布，即 t = t ( x ，y ，z ，t ) 一旦给出初始条件，该问题在理论上就是可解的。 2 2 热源选择 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 在计算焊接温度场过程中焊接热源模式的选择是计算结果是否 合理的重要因素，传热学中常用的热源模式有r o s o n t h a l 的解析模式、 高斯热源、半球状热源、椭球形热源、双椭球形热源 3 s l ，下面简单 介绍一下这些常用热源的数学模型。 2 2 1r o s o n t h a l 的解析模式 在3 0 年代提出的经典r o s o n t h a l 的解析模式中，热源按作用的焊 件几何形状的不同而被简化为点状、线状或面状热源1 3 9 1 ，如图1 ，l 所示。 图1 - 1 理想点热源沿焊件表面移动时的焊接温度场 理想点热源沿工件表面移动时计算瞬态温度场t ( x ，y ，z ，t ) 的经典 解析模式见式( 2 6 ) 。 第二章焊接热力学及有限元分析的基本原理 胸地+ 篆e x 碍，陲 e x 碚， r f 后了万石丽 = x v f ( 2 - 6 ) 式中： t o 一环境温度( ) o q 一热输入率( w ) ； n 一有限系数； 九一热扩散系数( m 2 s ) 7 v 一焊接速度( m s ) ； k 为热传递率( w m ) o u 为电压( v ) ； i 为电流( i ) ； n 为整数； g 为板厚( m ) ； x , y ，z 组成坐标系，y , z 组成动坐标系。 由材料熔点温度，可以确定熔池等温线m p 、熔合区f z 与热影响 区h a z 的大小。而厚板为h 无限大薄板上线状热源的温度，由式( 2 7 ) 计算d 9 1 ，得到的温度场是以r 为半径的平面圆环。应用面热源时将 试件简化为无限长细棒，断面处作为热源，其温度场可用一维传热 微分方程计算，则断面f 处有热源，距热源x 处，经t 时刻t 的特解 由式( 2 8 ) 表示。 r = 点e x p ( 一乌4 a t ( 2 ，) 4 7 现所 7 【2 7 ) 式中： ( 2 - s ) 第二章焊接热力学及有限元分析的基本原理 c p 为比热和密度的积( j m 3 ) ； a 为热扩散率( m 2 s ) 。 这种以集中热源为基础的计算方法，假定热物性参数不变，不考 虑相变与结晶潜热，将焊件几何形状简单归为无限的( 无限大，无限 长，无限薄) ，计算结果对远离熔合线的较低温度区( m a c r o c r e a t e m a c r o 途径生产宏。通过该菜单项可以打开作为一个简单的多行编辑 器的对话框来产生宏，但是不能通过它来打开编辑已经存在的宏【4 3 1 。 ( 4 ) 循环命令 如同其他编程语言一样，在a p d l 语言中，循环命令是不可缺少 的框架语言。常用的循环语言有* i f ，* d o 等。 i f ，v a l l ，o p e r l ，v a l 2 ，b a s e l ，v a l 3 ，o p e r 2 ，v a l 4 ，b a s e 2 是 + i f 语句的一般格式，v a l l 、v a l 2 、v a l 3 、v a l 4 是指四个字符串 或者常数，o p e r l 、o p e r 2 表示v a l 之间的对比条件，有e q ( 等于) 、 l t ( 小于) 等对比条件，b a s e l 、b a s e 2 代表满足o p e r l 和o p e r 2 以 后要执行的操作，有s t o p ( 停止) 、e x i t ( 退出) 、t h e n ( 往下执 第二章焊接热力学及有限元分析的基本原理 行) 等可执行操作。 例如在旌加高斯热源过程中的一段程序： + i l d i s t a n c e ，l e ，r ，t h e n f l u x l l ( i , j ，k ) = g u a s s e l s e f l u x l l ( i , j ，k ) = o e n d i f g u a s s 为高斯热源表达式，当d i s t a n c e 小于r 时，则执行命令f l u x l l ( i , j ，k ) 等于高斯热源的分布，否则，执行命令f l u x l l ( i , j ，k ) = o ，以此类推循 环，当d i s t a n c e 大于等于r 时，中止循环。 + d o 语言也是比较常用的循环语言，* d o ，p a r ，i v a l ，f v a l ，i n c 为d o 语言的一般格式。其中p a r 为循环的索引字母，i v a l 为初始 数，f v a l 为最终数，i n c 为等差。在施加高斯热源的时候，x 坐标 方向的三维表填写使用了* d o 循环语句，程序如下： d o ，i ，l ，m a x x ，1 f l u x l l ( i ，0 ，k ) = ( i 一1 ) 4 l s i z e + e n d d o 当i 以1 的等差从l 增加到m a x x ，三维表f l u x l l 被表达式( i 1 ) * l s i z e 赋予值，直到i - m a x x 时，该循环结束。 2 4 热场测量方法 焊接温度场的实时测量技术是 焊接过程与质量控制技术中一个重 要的研究方向，也是验证理论求解 焊接温度场方法精确程度的根本手 段。目前测量温度场的方法主要有 接触法( 如热电偶测温法) 和非接 触法( 如红外热成像测温法) 。热电 偶测温法破坏了焊接工件的几何条 件，也不便于焊接温度场的实时检 测；而红外测温技术，具有测温速 度快、灵敏度高、对被测温度场无 干扰、热惰性误差小和能远距离测 图2 4 红外测温仪 第二章焊接热力学及有限元分析的基本原理 高、对被测温度场无干扰、热惰性误差小和能远距离测温等优点， 适合于实时检测，同时能克服接触测量焊缝中心处温度困难的不足。 目前一般工程和实验中采用的红外线测温技术使用的都是红外 测温仪，如图2 - 4 所示。红外测温仪体积小，价格比较便宜。但是红 外测温仪有局限性：第一，红外测温仪大多数是测量单点温度，要 测量焊接过程中温度场的大概分布，需要好几个测温仪同时工作； 第二，测温仪的测温范围相对较窄，一般分为中温段和高温段，表 2 1 列出了几种m e t i s 的红外测温仪的型号和测温范围。由于测温仪 的测温范围比较窄，而焊接温度场温度分度范围比较宽，因此仅仅 使用一台红外测温仪不能测量出一个点的完整的热循环曲线，最少 需要两台来测量高温区、中温区、低温区。综上所述，测量一次单 层板对接焊的温度场就需多台红外测温仪，一方面提高了实验成本， 另一方面，增加了实验的复杂度。 红外线成像仪也是一种红外测温设备，其体积也比较小，与红外 测温仪不同的是，只用一台成像仪即可以测出每一个点的温度，生 成每一点的热循环曲线，并且输出温度场分布云图，操作过程简单 易行，是比较常用的温度场测量方法。本文采用的是f l u r 公司的 p 6 5 红外热象仪，图2 ，5 为其外形图。该热象仪的测温范围是2 0 0 度 到2 7 3 2 度，测量精度为2 。该红外热象仪的技术规格表见表2 2 。 表2 1m e t i s 红外测温仪型号及温度范围 型号温度范围( ) m s 0 9 m b l 4 5 5 0 14 0 0 m s 0 9 一m b l 66 0 0 - 1 6 0 0 m s 0 9 - m b l 86 5 0 - 1 8 0 0 m s 0 9 一m b 2 57 5 0 2 5 0 0 m s 0 9 m b 3 3l0 0 0 3 3 0 0 m 1 1 6 一m b l o2 5 0 - 1 0 0 0 m 1 1 6 一m b l 33 0 0 1 3 0 0 m 1 1 6 m b l 83 5 0 - 1 s 0 0 m 1 1 6 m b 2 55 0 0 2 5 0 0 m 1 1 8 m b 0 51 2 0 5 5 0 m l1 8 - m b 0 81 6 0 8 0 0 第二章焊接热力学及有限元分析的基本原理 表2 - 2 热象仪技术规格表 廖续拦綮。+ “：、。+ ji 。iv 4 i t j i v * 。“一? 参 视场角最小焦距 2 4 。1 8 。0 3 m ( 3 5 m m 镜头) 热灵敏度0 0 8 在3 0 时 帧频5 0 6 0 h z 非插入法 聚焦自动或手动 数码变焦功能 2 倍，4 倍，多倍 探测器类型 焦平面( f p a ) ，非制冷微量( m i e r o b o l o m e t e r ) 3 2 0 2 4 0 像素探测器 波长范围7 5 1 3 t t m 数字图形增强标准和增强 可见光图像 内置可见光相机6 4 0 x 4 8 0 像素，全彩色 绥雳显示“”一。二一+ 。一，4 7 。一一lj 一。_ 。“j 一量 视频输出r s l 7 0 e i a n t s c 或c c i r p a l 复合视频， i e e e 一1 3 9 4 火线d v 输出 取景器 内置高分辩率彩色液晶