（材料加工工程专业论文）镁合金复合热源焊接工艺与数值模拟研究.pdfVIP

大连理工大学硕士学位论文 摘要 镁合金是目前被国内外重新认识并积极开发的一种轻量化材料，具有低密度、高比 强度、阻尼减震性好、易机械加工以及良好的可回收性等优点。高效合理的镁合金焊接 方法将大大推动镁合金的发展与应用。 激光电弧复合热源焊接具有高速、高效、接头质量优异等特点，目前正在被国内 外的研究者日益关注。对这一过程的焊接数值模拟研究有助于更深层次地理解过程的物 理机制，从而实现指导焊接工艺、控制焊接质量的目的。 本文以变形镁合金a z 3 1 b 为研究对象，对其y a g 激光t i g 电弧复合热源搭接焊 工艺进行了试验研究，系统地分析了各工艺参数对焊接熔深、熔宽、表面成型的影响规 律，微观组织特点并最终获得了具有优良剪切强度的焊接接头。研究发现：复合热源搭 接的能量特点导致接头宏观呈“图钉”形状，复合热源搭接焊的热循环特点导致了接头 微观组织的特殊性：接头上部呈现激光焊与t i g 焊共同作用下的组织特征；接头下部呈 现明显的激光焊组织特征。 在复合热源焊接工艺研究的基础上，结合镁合金材料特点，建立了基于旋转高斯体 热源与高斯面热源相结合的复合热源模型：高能束激光热源由旋转高斯体热源描述；t i g 电弧则由高斯面热源描述。热源模型的建立充分考虑了过程的物理特点与热源问的能量 增强效应。 数值模拟中由于受到热源模型计算参数、高温区物理性能参数难以精确的制约，使 模拟结果的准确性难以保证。本文提出了采用红外热像仪测温，用所得的弧光干扰区外 的温度场校正模拟参数、材料热物性参数，既而得到全场温度的方法解决这一问题。通 过热电偶测温、熔池形状对比证明了这种方法的可行性与准确性。 在本文的最后，结合前期试验与数值模拟结果，建立了基于神经网络算法与有限元 技术的复合热源焊接预测系统，该系统可根据用户给定的焊接材料与板厚提供工艺规范 合理化建议与焊接熔深、熔宽、准稳态三维焊接温度场、残余应力等的预测、计算功能， 从而使镁合金复合热源焊接这一过程更加系统化、清晰化。 关键词：镁合金；复合热源搭接；热源模型；数值模拟：红外测温 迟鸣声：镁合金复合热源焊接工艺与数值模拟研究 s t u d yo fl a s e r t i gh y b r i dw e l d i n gp r o c e s sf o rm a g n e s i u ma l l o y a n di t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t a st h el i g h t e s ts t r u c t u r em a t e r i a l ，m a g n e s i u ma l l o y sh a v em a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w d e n s i t y ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h , d a m p i n gc a p a c i t y ，b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e 岛r e c y c l a b l ea n d s oo n ，w h i c ha r ea t t r a c t i n gm o r ea t c e n f i o nf r o mt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n i ti sw e l lk n o w nt h a t t h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ss u c ha sa na p p r o p r i a t eb o n d i n go rj o i n i n gt e c h n i q u e p l a ya l li m p o r t a n tr o l ei ne x p l o i t i n gt h en e wf i e l d so f m a g n e s i u ma l l o y s 印p l i c a t i o n s t h el a s e r - t i gh y b r i dw e l d i n gt e c h n i q u e ，w i mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲w e l d i n gs p e e d ， 1 1 i g he f f i c i e n c ya n dq u a l i t y i sb e i n g p a i dm o r ea t t e n t i o nb yt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c h e r s i ti sh e i p f u lt ou n d e r s t a n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo ft h i sw e l d i n gp r o c e s sb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt oa c h i e v et h eg o a lo f c o n t r o l l i n gt h ew e l d i n gq u a l i t y 缸h e r t a k i n gw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sa z 3 1 ba st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e d t h e t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r - t i g h y b r i dl a pw e l d i n gp r o c e s s ， s y s t e m i c a l l ya n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sw e l d i n gp a r a m e t e r st ot h eb u t tw e l dd e p t ho f f u s i o n ，t h em e l tw i d t h , t h es u r f a c es h a p e ，t h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，a n df i n a l l y o b t a i n e dw e l d i n gj o i n tw i t hh i g hs h e a rs t r e n g t h t h er e s e a r c hr e s u l t sf o u n dt h a td u et ot h e e n e r g yc h a r a c t e r i s t i co ft h eh y b r i dw e l d i n g ，t h el a pw e l d i n gj o i n to fm a g n e s i u ma l l o y a p p e a r e d “p i ns h a p e s ”a n dt h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sc a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ： t h et o po fb e a dw a st h ez o n ea c t e db yl a s e ra n dt i gt o g e t h e r ，w h i l et h eb o a o mo fb e a dw a s a c t e db yl a s e ra l o n e b a s e do nt h es t u d yo f h y b r i dw e l d i n gt e c h n o l o g y ，an e wh e a t - s o u r c em o d e lo f l a s e r t i g h y b r i dw e l d i n gt h a tb a s e du p o nr o t a r y g a u s sb o d yh e a t s 0 1 1 l c e m o d e la n dg a u s sa l e a h e a t s o u r c ew a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt om a g n e s i u ma l l o y sc h a r a c t e r i s t i c i nt h em o d e l ，t h e h i 曲e n e r g yl a s e rh e a t s o u r c ew a sd e s c r i b e db yt h er o t a r y g a u s sb e d yh e a t - s o u r c e ，w h i l et h e t i gw a sd e s c r i b e db yt h eg a u s ss u r f a c eh e a t - s o u r c e 啊1 ce s t a b l i s h m e n to f h e a t - s o u r c em o d e l f o rl a s e r - t i gw e l d i n gp r o c e s sh a sf u l l yc o n s i d e r e do ft h ep h ) 7 s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d s y n e r g e t i ce f f e c t so f h y b r i dl a s e ra n da r cw e l d i n g f o rt h el i m i t a t i o no ft h ep r e c i s i o no ft h eh e a t s o u r c em o d e lp a r a m e t e r sa n dt h ep h y s i c a l p r o p e r t i e si nh i 曲t e m p e r a t u r ez o n e , t h ea c c u r a c yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sd i f f i c u l t y t og u a r a n t e e n = 【i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dan e wi d e a l 也a tu s e st h et e m p e r a t u r ef i e l dd a t e s c a p t u r e db yt h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e mi no u t s i d eo f t h ea r ci n t e r f e r e n c er e g i o nt o a d j u s t e ds i m u l a t i o np a r a m e t e r sa n dt h em a t e r i a lp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，f i n a l l yt oo b t a i nt h e 大连理工大学硕士学位论文 e n t i r et e m p e r a t u r ef i e l d b e s i d e s ，t h ef e a s i b l ea n dp r e c i s i o no ft h i sm e t h o dh a v e b e e n c o n f i r m e db yt h et h e r m o c o u p l em e a s u r i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ec o n t r a s to f m o l t e np o o ls h a p e i nt h ef i n a lo ft h i sd i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ef o r m e re x p e r i m e n tr e s u l t sa n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef o r e c a s ts y s t e mo f l a s e r - t i gh y b r i dw e l d i n gw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h en e r v en e t w o r kw o r ka n dt h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i s t h i ss y s t e mm a y a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n to f m a t e r i a l ss p e c i e sa n dt h i c k n e s sp r o v i d e db yt h eu s e r ，p r e s e n ta p p r o p r i a t e w e l d i n gp a r a m e t e r sa n df o r e c a s tt h ef u s i o nd e p t h , t h em e l tw i d t h , t h eq u a s i s t e a d yt h r e e d i m e n s i o n a lw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d s ，t h er e m a i n i n gs t r e s sa n ds oo n ，w h i c hw i l lm a k et h e l a s e r - t i gh y b r i dw e l d i n gp r o c e s so f m n g n e s i u ma l l o y sm o r es y s t e m i ca n dc l e a r k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma h o y ；h y b r i dl a pw e l d i n g ；h e a t - s o u r c em o d e l ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；i n f r a r e dm e a s u r e m e n t i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：立番啦日期：至监址 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 2 垂璺盔 导师签名： 斗 里! 年坐月丑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着世界各国能源需求的迫切发展，节约与合理利用能源被日益重视，轻量化材料 成为研究热点之一。镁合金是目前国内外重新认识并积极开发的一种轻量化材料，具有 低密度、高比强度、阻尼减震性好、易机械加工以及良好的可回收性等优点，其在汽车、 摩托车等交通工具上有着巨大的应用潜力，这也为降低能源消耗提供了更好的选择 1 , 2 1 。 目前许多发达国家如美国、德国、日本、澳大利亚等国相继出台了各自的镁研究计划， 把镁及其合金作为2 1 世纪的重要战略物质。我国是镁资源大国，镁合金的应用具有广 阔前景，连接技术的探索与发展是制约镁合金利用的重要因素，也是开发高质量镁合金 结构件迫切需要解决的问题。 近年来，世界各国对镁合金焊接技术的研究正逐渐展开，高效合理的焊接方法成为 镁合金连接技术研究的热点，并且随着研究的深入，镁合金高效焊接过程机理与镁合金 焊接过程数值模拟也成为亟待解决的问题。 1 1 镁合金的物性特点及其焊接性 镶的密度约为1 7 1 9 c m s ，体积相同时，重量约为钢的i 4 ，为铝的2 3 。实际应用 中由于纯镁强度不高、室温塑性较低、易氧化等缺点在结构材料领域应用较少，纯镁中 加入a l 、z n 、z r 及稀土等元素，制成镁合金。镁合金在继承纯镁低密度的优势下 拥有较高的比刚度、比强度。一般来讲，镁合金的强度低于铝合金，但比强度高于铝合 金。镁及其合金的熔、沸点较低。纯镁在6 4 9 熔化，镁合金的熔点随铝含量的增高逐 渐降低( a z 3 16 0 5 6 3 0 ；a z 6 15 2 5 6 2 0 ： a z 9 14 7 0 5 9 5 ) 。镁的沸点为11 0 7 。镁的导热能力很强，仅次于铜、铝等高导热性金属。镁在室温下的热导率为 5 4 w ( k ) ，镁台金约为7 0 - 1 1 0 w ( m k ) 。由于镁的熔点低，熔解热以及每单位体积的 比热都比较低，故熔化镁所需的热量比较少，体积相同时，熔化镁所需总热量近似等于 铝的2 3 ，钢的1 5 。镁的平均热膨胀系数约与铝相同，约为钢的2 倍。镁合金的弹性 模量较小( 一般室温下为4 5 g p a ) ，因此其结构件能承受更大的冲击载荷和具有较好的减 震性能口一。未经处理的镁合金耐腐蚀性能较差，另外其抗蠕变性能较差，这些问题制约 着镁合金的发展 5 】，也是目前材料界研究的热点。 由于镁合金的热导率很高，传热快，普通熔焊容易导致热影响区过热、晶粒粗大等 现象，严重影响接头性能：另外由于镁及其合金线胀系数较高，因此普通熔焊情况下 其焊接变形问题较为严重。镁合金的焊接技术目前主要有t i g 焊 6 ，”、激光焊【8 j 、电阻焊 【9 】、电子束焊【10 1 、搅拌摩擦焊【l i 】、激光电弧复合热源焊接技术等，在不同的镁合金焊 迟鸣声：镁合金复合热源焊接工艺与数值模拟研究 接领域这些方法发挥着其各自的优势。镁合金搭接接头在汽车减重方面有着明显的优 势，英国t o r o n t o 大学的g c r l i c ha 等人开展了汽车领域的搅拌摩擦点焊镁合金、铝合金 的研列1 2 1 ，哈尔滨工业大学的张忠典等人开展了关于镁合金电阻点焊方面的研究【”】。目 前大连理工大学正在开展高能束胶接和复合热源搭接镁合金的研究工作。 1 2 激光一电弧复合热源焊接概况 激光t i g 电弧复合热源焊接的特点是y a g 激光、t i g 电弧这两种不同物理性质与 能量传输机制的热源同时作用于焊接区。这种方法克服了单独采用激光和单独采用t i g 电弧焊接的缺点，并且两种热源相互耦合获得了更大能量形式，其原理如图1 1 。虽然 对这种焊接技术机理的研究目前还不是很深入，但其在实践中的优点却是非常明显的： 速度快，桥接能力强，焊接变形小，焊接过程稳定，焊接质量和效率高等【1 4 16 j 。 图1 1 复合热源焊接原理图 f i g 1 1t h e p r i n c i p l eo f l a s e r - t i g h y b r i d w e l d i n g 激光一电弧复合热源焊接方法由英国学者s t e e n 提出于上世纪7 0 年代末，他们首次采 用相对低功率的c 0 2 激光和t i g 电弧进行了复合焊接。试验结果表明激光- - t i g 复合热源 在一定程度上解决了激光能量利用率低，焊接厚度增大导致生产成本剧增的问题 l ”。而后， 美国、日本等国家的研究人员对激光一电弧复合热源焊接展开了较为深入的研究，发现在附 加低成本电弧可以增加常规激光焊的焊接速度，或是改善一些特殊材料( 如铝合金) 焊接时 的焊接性：激光束与电弧的夹角、电弧电流大小和输出形式、激光功率、排布方向、作用 间距和电弧高度、保护气体流量等都是影响复合效果的主要因素l l 列。 t m a t s u d a 【帕1 进行了一系列的激光与t i g 电弧复合焊接的试验，对激光与电弧相对位置、 光束聚焦位置等参数进行了讨论，认为单独t i g 焊接时的咬边等缺陷得到了改善，并且复 合焊缝熔深比单独激光焊接大1 3 2 倍。n a i t o 2 0 1 分析t y a g 激光- - t i g 电弧复合焊接3 0 4 不 锈钢板的焊接特性。在焊接过程中监测了电弧电压的变化，同时还通过c c d 摄像机和实时x 大连理工大学硕士学位论文 射线监测观察到了电弧等离子体，激光致等离子体以及锁孔的特征和熔池的流动等特征。 国内天津大学的赵家瑞教授e 2 l 】在这方面起步较早，1 9 9 0 年他们就利用c 0 2 激光一 t i g 复合进行了2 3 m m 厚的1 c r l 8 b i 9 t i 不锈钢复合焊接试验，并研究了激光与t i g 电弧复 合相互作用的机理。哈尔滨工业大学的陈彦宾教授等人先后开展 c 0 2 激光一t i g 旁轴、 同轴复合焊接试验吲。大连理工大学对镁合金复合热源焊接性进行了深入的研究，探索 出镁合金激光一氩弧复合热源新技术网，并且就复合热源最佳能量配比关系等机理问题 进行了更加深入的研究工作。 1 3 焊接数值模拟技术概况 1 3 1 焊接数值模拟的产生与发展 2 0 世纪3 0 年代早期，雷卡林等采用解析法对焊接热过程做了许多研究工作，并形 成系统理论【2 4 2 6 1 。这些研究一般假定热源瞬时集中于一点、一线或一面；材料无论在何 温度下都认为是固体不发生相交；材料的熟物理性能不随温度而变化；以及焊件尺寸无 限大等这些假设条件，这些与焊接传热的实际情况有较大的差异，致使距离热源较近部 位的温度发生较大偏差。2 0 世纪6 0 、7 0 年代有限差分法( f d m ) 和有限元法( f e m ) 相继 被引入分析焊接问题。随着计算机的发展才真正广泛使用1 2 7 , 2 8 1 。 2 0 世纪7 0 年代初日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础，提出了考虑材料性能 温度相关性的焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为 可能。1 9 7 3 年，美 i 拘h i b b i t t 2 7 j 和m a r c a l 第一次将有限元用于焊接领域的残余应力的预 测。他们将一个平板上气体保护焊环元抽象化为一个轴对称的模型，采用无耦合模型进 行模拟，由于未考虑塑性加载历史影响及材料的性能随温度的变化，残余应力的预测结 果精度较低。1 9 8 0 年，u e d a 2 9 等人在模型中考虑了材料性能随温度的变化及变形过程中 的材料硬化作用。1 9 8 2 年，a r g y r i s h l 3 0 等人建立了带耦合的粘弹塑性模型并计算了残余 应力，结果证明了热力耦合对模拟的结果影响甚小。_ 蝴e r s o n 和 幻玎s s o n 口”等人对平面 应力条件下的平板对接应力场进行了数值模拟，其中考虑了材料性能随温度的变化及动 态应变强化效应，并提出了对焊接变形进行三维模拟。在处理材料热物理性能随温度变 化时，g n g 认为材料热物理参数随温度变化的问题一定程度上可以通过在特定温度范 围内选择一个较合理的平均值来加以克服，而结晶潜热的影响可以通过调整电弧的热效 率来加以考虑。美 m i t 的k m a s u b u c h i 等【3 3 1 在焊接残余应力和变形的预测和控制方面 进行了许多研究工作。其著作涉及很广，包含了瞬时温度场热应力、焊接残余应力和焊 接变形，还包括在上述现象基础上的焊接结构的强度，也论述了焊接缺陷和疲劳断裂力 迟鸣声：镁合金复合热源焊接工艺与数值模拟研究 学。 在国内1 9 8 1 年西安交通大学唐慕尧等首先用有限元法计算了薄板准稳态焊接温度 场，之后上海交通大学在焊接热传导数值分析方面作了许多工作，提出了求解非线性热 传导方程的交步长外推法，建立了焊接温度场的有限元计算模型和相应的计算机程序， 并在脉冲t i g 焊接温度场等问题进行了成功的实例分析 3 3 】。文献【3 4 】探讨了三维瞬态焊 接温度场的有限元模拟和提高求解精度的若干途径，比如热源模型的选取网格划分和时 间步长的优化考虑，熔化潜热采用集中质量热容矩阵克服阶越现象等。蔡志鹏口5 】等人根 据输入热功率相当的原则提出了段热源模型和串热源模型并应用于实际焊接结构的模 拟，对于焊接变形问题可以利用粗网格与段热源计算，应力问题则通过细网格与段热源 计算。上述焊接热传导分析基于固体导热微分方程式，没有考虑焊接熔池内部液态金属 的对流传热特点。把固体的导热微分方程式一起应用于液态熔池和熔池外部的固体区 域，忽视了高温过热液态金属熔池对传热过程的影响。这对焊缝及其附近热影响区的温 度场计算产生一定的误差，通常这种方法对于焊接冶金分析以及焊接力学行为的分析已 有足够的精度，但如要糟确的研究熔池的形状和尺寸以及熔池内部的传热过程，那么必 须进行焊接熔池中的流体动力学状态的分析。国内外也有不少学者做了这方面的研究工 作 3 6 j 。研究者常常采用增大有效热传导系数的方法，来间接考虑熔池内流体流动对整个 温度场的影响【3 7 1 。对于分析实际结构的焊接变形来说主要影响是弹性丧失温度以下的 温度分布，流体分析是没有必要的。因此本文分析仍然采取固体热传导模型 一些通用有限元分析软件，如m a r c 、a n s y s 、a b a q u s 、a d i n a 等被用于分析 焊接温度场、焊接力学场。但在研究流体动力学相变、蠕变以及粘弹塑性相结合的复杂 焊接过程建模时还有很大的局限性。s u d n i k 3 8 】等开发的焊接热分析软件m a g s i m 可以对 m a g 焊接过程进行详细分析，能够优化焊接参数、预测焊接质量以及诊断焊接缺陷等。 法国的j b - l e b l o n d 【3 9 l 对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究，在上述研究的基础 上发展了s y s w e l d 专用软件，该软件可用于淬火表面处理、焊接熟处理和铸造等过程 的分析研究，其中包括材料相变容积变化和潜热影响、表面硬度计算、残余应力和应变 计算、相互作用的前后处理等，他们还采用了移动网格技术来提高计算效率。目前有很 多研究者考虑组织温度力学场耦合下的焊接数值模拟，焊接热弹塑性分析是对材料非线 性问题的研究和分析，即材料变形时的应力应变关系。目前在有限元分析过程中还存在 一些主要问题p 川如下； 1 材料性能参数特别是高温时的性能的不足使模拟成为一个难点。 2 模拟中必须尽量采用与试验环境相近的热源模型和电弧有效系数才能更准确地反应 实际焊接过程。 大连理工大学硕士学位论文 3 分析低合金钢焊接过程时需要考虑相变的影响分析应力消除热处理时要引入高温蠕 变的处理。 4 计算时间长成本高、大型复杂结构焊接变形的分析困难较大。 1 3 2 常用焊接热源模型简介 ( 1 ) 高斯热源分布模型 高斯函数的热流分布是一种比点热源更切实际的热源分布函数( 如图1 2 ) ，因为 它将热源按高斯函数在一定的范围内分布，其函数为： q ( r ) = q ( o ) e ”n1 、 式中：q ( r ) 为半径r 处的表面热流；q ( o ) 为热源中心处的热流量最大值：c 为热源集中 系数，是与焊接方法相关的常数；，为距热源中心的距离。 高斯分甫的箍鞭( n e 曲幽皂骣亮靛箍围) 图i 2 高斯热源分布模型 f i g 1 2g a u s sd i s t r i b u t i o ns o u r c e 实践证明，相当部分热量是通过辐射和热传导直接输给焊件的。p a v e l i c v l 4 1 1 等人对 此做过修正，通过对材料性能参数修改或设定损失系数等方法进行处理。f r i e d m a n 和 k a u t z 等人认为另一种高斯分布的热源可写为： q ( x ，0 = ! 等p m 2 p _ 3 f 2 ( 1 2 ) 露 式中：q 为能量输入率：c 为热流分布特征半径。为方便起见，将固定坐标系( 而y ，z ) 引入，而且定义电源位置滞后的时间因素f 。动坐标系与静坐标系的关系可写成： = y + v ( a - t ) ( 1 3 ) 此时x 2 + 孝2 c 2 ，对工2 + 掌2 c 2 ，q ( x ，毒，t ) = 0 。这种热源分布函数在早期用f e m ( 有 限元分析方法) 计算焊接温度场时应用较多，人们用二维导热方程计算时常将纵向热流 忽略。因此，热源限制在石一y 平面上，通常设z = 0 。 ( 2 ) 双椭球热源分布模型 迟鸣声：镁合金复合热源焊接工艺与数值模拟研究 双椭球能量密度分布嗍的热源模式假设热源为椭球状分布( 如图1 3 ) ，前半部分 椭球能量分数为矗，后半部分椭球能量分数为工a 则在前半部分椭球内热源分布 对后半部分椭球分布： 孽( x ，y ，：，f ) ：! ! ! ；! ! 呈磐e 一，一e y 2 i b z e _ 3 【* “* r 2 ，一 ( 1 4 ) ；石a d c 、石 g ( x ，y ，z ，f ) ：鱼：! ；筚e - 3 z z l a = e - 3 y 2 ，b a e - 3 【= + v ( a r 2 ，7 ( 1 5 ) 1 r a d c 、l 万 图1 3 双椭球热源模型 f i g 1 3 d o u b l ee l l i p s o i dh e a ts o u r c em o d e l ( 3 ) 旋转高斯体热源模型 采用电子束和激光束流进行加热的高能束焊接属于深熔型焊接过程。由于存在小孔 效应，束流可以沿深度方向上对工件进行加热，因此在数值模拟中描述焊接热输入过程 时多采用体热源模型，如双椭球热源模型、g a u s s 圆柱热源模型和热流密度均匀分布的 柱状热源模型等。与面热源模型相比，体热源模型考虑了深度方向上的能量吸收，因而 能够获得较为准确的模拟结果。但是，在计算焊接温度场时，采用这些热源模型所计算 出的焊缝( 熔池) 形状都是窄而长的，与实际焊接中得到的具有较大深宽比的“钉头”状 焊缝有很大出入。当高能束流入射到工件表面时，近表面处的材料首先受到束流的急剧 加热，熔化形成熔池，造成该处的有效加热半径较大；由于束流具有穿透机制，在沿工件 深度方向上会形成窄长的匙孔，而匙孔内部的加热主要靠孔壁上的能量吸收，有效加热 半径较小。以往的热源模型未能深入考虑这种能量分布方式，因此不能准确模拟高能束 焊接过程温度场。然而，进行焊接过程数值模拟时，正确的热应力分析是建立在对焊接 温度场准确分析的基础上的。以往研究结果认为，高能束焊接接头近缝区和热影响区的 组织行为以及应力分布与焊缝形状有密切关系，应采用能够正确模拟实际焊缝形状的热 源模型来进行数值模拟。 大连理工大学硕士学位论文 旋转高斯体热源阳 模型考虑了激光焊接小孔效应机制、匙孔壁的能量传递及其有效 加热半径很小的物理特点。模型满足如下条件：( 1 ) 模型在z 向上的截面均为圆，且截面 上的热流密度服从高斯分布，在圆心处的热流密度q c o ，互) 达到最大值：( 2 ) z 轴上各处 的热流密度值相同，即q ( o ，z 户c o n s t 。热源有效作用区域内任意一点的热流密度值是热 源高度，热源有效功率以及熟源开口半径的函数。 其热源模型的数学表达式为： g ( 五，z ) 5 二i ；i 9 ：五p = ：可。x p i 二i - j 5 9i 。1 + y 2 ) 】 ( 1 6 ) 式中h _ 热源高度 p 热源有效功率 一源开口半径 ( 4 ) 熟源分布函数的选用 热源分布函数的选用通常解析方法较简单，意义明确，易算，但由于它的假设太多， 难以提供在熔合线、焊接热影响区处的精确计算结果，而且考虑不到电弧力对熔池的冲 击作用。采用有限元或有限差分法，应用高斯分布的表面热流分布函数计算，可以引入 材料性能的非线性，可进一步提高高温区的准确性，但仍未考虑电弧挺度对熔池的影响。 从球状、椭球、双椭球、旋转高斯体热源分布，各种方案都针对于不同的焊接方法，但 也伴随着计算量的增加，使这些热源分布函数更利于应用有限元法或差分法在高速计算 机上进行计算。而且实践也证明能得出较满意的模拟结果。对于通常的焊接方法如手工 电弧焊、钨极氩弧焊，采用高斯分布的函数就可以得到较满意的结果；对于电弧冲力效 应较大的焊接方法，如熔化极氨弧焊，常采用双椭球形热源分布函数；而对于高能束流 焊接，则应用旋转高斯体热源较为准确。为求准确，还可将热源分成两部分，采用高斯 分布的热源函数作为表面热源，焊件熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。 本文所选用的复合焊接热源模型正是在深入分析上述所提到的模型基础上并结合物理 特点所得到的。 1 3 3 复合热源焊接数值模拟发展概况 在国内外，激光电弧复合热源焊接的研究并不特别广泛，所以关于其数值模拟方 面的研究也很有限。但早在复合热源焊接理论刚刚提出的时候，研究者们就概括提出了 模拟中应该一定程度地提高电弧焊接的热效率及提高电弧热效率对接头形状模拟结果 的影响。近年来，美国学者系统地对激光- m i g 电弧复合焊接钢进行了流场、温度场， 传质、传热的分析【4 5 1 ，并且考虑了激光的小孔效应及等离子体的影响。2 0 0 3 年哈工大 迟鸣声：镁台金复合热源焊接工艺与数值模拟研究 的陈彦宾对c 0 2 激光t i g 复合焊接钛合金做了数值模拟工作，其热源模型建立在激光 为点线组合热源，t i g 为面热源的基础上，而且其考虑了大电流情况下等离子体对激光 的屏蔽作用，得到了较为满意的结果阳。另外罗马尼亚学者也进行了激光t i g 复合热 源的数学计算模型的建立工作，并用其来解决钢中氢致裂纹的问题【4 。7 1 。 1 4 红外测温在焊接中的应用 焊接温度场是一个瞬息万变的温度场。以弧焊为例，电弧下的熔池和加热区很小， 但温度变化非常急剧，从室温到熔点温度以上，而加热区中各点的温度变化均不相同， 因此焊接温度场是个复杂的动态温度场。 常用的测量焊接过程温度场的方法是在被焊材料上焊上若干个热电偶，用记录仪记 录每个热电偶的温度变化曲线，然后人工整理( 或者计算机程序采集) 结果。用这种方法， 每次测量的点数非常有限，最多一次十几个点，各点的测量和记录的同步精度也不高， 因此不能反映焊接温度场的全面情况，更难以实现对它的分析和控制。正由于红外测量 焊接温度场具有快速、方便的优点，所以红外测温逐渐成为研究的焦点。 然而，目前国内外关于利用红外测量焊接过程温度场的研究仍然很有限。在国内， 吴林等人介绍了三种标定红外仪器的方法：定标器法、监视热电偶动态定标法和热循环 曲线辅助线法【4 钔，梅林等人报导了采用红外测量焊接温度场 4 9 1 ，但是对辐射干扰没有分 析。国外目前关于红外测量焊接温度场的研究主要集中在美国，考虑到电弧的辐射干扰 主要集中在o 3 4 。1 8 1 m a 5 0 l ，而红外热像仪的敏感区一般在8 - 1 4 p a n ，因此高通滤波和带通 滤波f 5 l 】被普遍用来减小这种辐射干扰，但这种办法没有从根本上解决和避免干扰的存 在，测量的温度依然有干扰影响。d f a s i o n 采用挡板和滤波的办法减小电弧和热钨极的 辐射干扰【5 2 l ，试验装置如下图1 4 。然而这种方法没有考虑电弧在工件上的倒影影响； 所加挡板由于在焊接过程中很快被电弧加热本身也会产生干扰，如果挡板位置离电弧较 远，又会损失很大温度场，对于高热传导率金属例如镁、铝等不适用，所以实际应用价 值有限。p w r a n a s c y 采用辐射计测量了不同角度和位置电弧的辐射干扰 5 3 1 ，同样也没 有考虑电弧倒影的影响，并且没考虑材质在各个角度发射率不同的影响。w e l u k e n s p 钏 报道了通过对温度场测量得到焊接的熔池形状，以及冷却曲线的焊接控制过程，但对所 采用的方法的精确性，以及对于干扰的影响程度没有加以分析。p h e n r i k s o n 【5 5 】采用了在 工件表面涂碳黑的方法，但是由于焊接过程会损害表面的涂层，因而这种方法没有去除 焊缝和熔池温度场的干扰，而这些区域也正是我们红外测量所关心的区域。因此，尽管 采用红外测量焊接温度场有着众多的优点，并且采用红外测量控制焊接过程有大量的研 大连理工大学硕士学位论文 究，但是目前测温过程所遇到的困难却一直没有解决，这些也一直抑制着红外在测量焊 接温度场上的应用，所以对干扰的分析去除还有待于进一步的研究和解决。 图1 4 红外测量焊接温度场装置 f i g 1 4t h ea s s e m b l yo f t e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t 由以上文献分析可得到如下提示；一般都采用热电偶事先对红外热象仪进行标定， 这是可以考虑的办法；对于用红外测温仪器对焊接过程进行控制时，有人采用了改变控 制参数的方法来“忽略”干扰，这样做的优点是能和实际的焊接过程复合得很好，一般 能达到控制精度，但是其缺点是适用性很小，对于不同的焊接参数例如：电流，表面状 态，甚至是焊机的品牌、型号都需要调整参数，而且这个过程是一个逐渐摸索的过程， 效率较低，而且对红外测温理论贡献不大，限制了其应用。最后，d f a s i o n 采用的材料 是a i s i1 0 2 5 钢板，p w r a m s e y 采用的材料是5 4 5 6 h 3 4 3 铝合金，由于所用的材料不 同所造成的干扰也不尽相同。例如对于钢板，由于黑色金属高光倒影不是主要的干扰， 而铝合金由于其表面非常光亮，倒影高光则是很主要的干扰，所以焊接材料也是一个要 考虑的因素，镁合金和铝合金一样也属于高反射率的材料，故正如p w r a r n s e y 一样要 考虑倒影引起的干扰。 1 5 神经网络在焊接中的应用与焊接预报系统的发展趋势 从近几年国内外发表的文献来看，人工神经网络在焊接中的应用 5 6 , 5 7 主要集中于以 下几个方面： 1 主要应用于控制系统。包括神经网络用于焊接过程建模、神经网络自校正用于焊接 过程控制、神经网络与专家系统结合用于焊接过程控制、神经网络和模糊推理结合用于 焊接过程控制等。 迟鸣声：镁合金复合热源焊接工艺与数值模拟研究 2 用于焊接过程成型预测。焊缝成型的物理过程非常复杂，受到各种因素的影响。神 经网络预测的基本原理是利用一组已知的焊缝成型数据与其相对应的焊接参数来训练网 络。训练好的网络能对处于训练样本空间内的任意数据以相当高的精度进行预测。 3 用于焊接缺陷检测。利用神经网络可实现四维( x ，y ，z 和幅值) 信息处理和定位， 来检测焊接缺陷。另外也可利用神经网络辨识焊缝轨迹特征，从而识别合格的焊缝和有 咬边、焊瘤等不合格的焊缝。 目前在焊接建模中应用最广的是b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 误差反向传播算法的前馈多 层网络。这种网络比较成熟、算法简单、结构明了，且己证明三层以上的网络具有对任 意函数的逼近能力。b p 网建模的主要步骤是用一组具有代表性的试验数据对网络进行 训练，改变其内部联结权重，最终使网络输出与期望输出的误差达到要求。 在弧焊中，焊接电流、电压、焊接速度、材料、板厚等都对焊接质量有很大的影响。 焊接前通常根据经验预制焊接参数，焊接后焊缝的质量如何则不可能用某一模型进行预 测。近年来，国内外不少学者将神经网络用于弧焊过程的建模和控制，并且获得较好效 果。美、日、德等国家已推出神经网络软件开发系统、神经网络芯片及p c 板卡。1 9 9 0 年、1 9 9 2 年k a n d e r s e n 等人用b p 神经网络来离线和在线建立g t a w 的模型，神经网 络的输入层有4 个节点，分别是焊接电流、焊接速度、弧长和板厚，而输出层有2 个节 点，分别是焊缝的熔宽和熔深。1 9 9 2 年j j o n e s 将b p 神经网络用于g t a w 和g m a w 焊接过程的建模中，输出量为焊缝的特征值，如熔深、熔宽；输入量为焊接电压、焊接 电流、送丝速度和焊接速度。该文献用神经网络所建的模型来预测焊接的特性；用网络 逆向搜索选择最优的焊接电压、焊接电流和焊接速度，以获得期望的焊缝特性垆叫。 x x i a o s h u 5 9 ( 1 9 9 4 年) 建立了t i g 焊和m i g 焊焊缝形状a n n 模型。结果显示， 模型有较高的准确性，其理论预测值与试验结果吻合：而且建模需要的样本少、时间短。 1 9 9 5 年g e c o o k 等人( 包括k a n d e r s e n ) 将b p 神经网络用于变极性等离子弧焊的过 程建模、控制和焊接控制的焊缝轮廓分析 5 8 】；1 9 9 7 年德国的u d i l t h e y 等人采用神经网 络来优化g m