（材料加工工程专业论文）全熔透gtaw熔池形态数值模拟精度的改进.pdf

山尔人中博十学竹论文 全熔透g t a w 熔池形态数值模拟精度的改进 摘要 建立全熔透g t a w 熔池形态的数值分析模型，不断改进和提高数值模拟的 精度，是当前焊接学科国际l i f 沿的重要研究领域。国内外研究者在g t a w 焊接 熔池形态的数值模拟研究方面开展了多年的研究工作，并取得了很大的进展。但 是，仍然存在许多重要问题有待于进一步解决。其中，现有模型存在三个问题： ( 1 ) 计算出的熔池尾部的后拖小于实测结果；( 2 ) 采用的熔池表面变形方程不够完 备，熔池表面变形的预测值有较大误差；( 3 ) 模型不具备对熔透熔池产生塌陷和 焊穿缺陷的预测判断功能。因此，围绕上述三个方面继续深入研究，进一步改 进和提高熔池形态数值模拟的精度，对于焊接工艺优化设计和焊接过程智能控 制，都具有重要的理论意义和工程实用价值。 建立了全熔透g t a w 熔池形态的数值分析模型，涉及到了g t a w 焊接的各 种影响因素( 电弧运动、全熔透、三维、瞬态、热场、流场、上下表面变形、相 变潜热，曲面边界) 。模型中充分注意了以下几个方面的问题：( 1 ) 考虑了电弧运 动对电弧热流和电弧压力分稚的影响，给出了电弧热流和电弧压力双椭圆分却模 式的数学表达式；( 2 ) 给出了工件部分熔透和工件全熔透情况下熔池自由表面变 形方程的推导过程，论证了本文给出的熔透熔池表面变形方程的完备性；( 3 ) 采 用液体分数法处理相变潜热：( 4 ) 采用贴体曲线坐标系处理变形的曲面边界条件， 并推导出了贴体曲线坐标系中的控制方程组及其定解条件。在此基础上，给出了 控制方程组和表面变形方程组的有限差分离散化形式，采用了附加源项法处理能 量和动量边界条件；设计算法以及编写和调试数值计算程序，程序中采用了过程 和模块化的结构设计，增强了程序的可读性和可维护性，提高了程序的灵活性和 适用性。 利用本文建立的模型和设计的数值计算程序。对g t a w 焊接不锈钢板时的 焊接温度场、熔池流场和熔池几何形状的动态变化过程进行了数值模拟。研究结 果表明：采用双椭圆分布模式并正确选取热源在工件上的计算区域，同时考虑相 变潜热的影响，使计算得到的熔池上表面形状与试验测得的熔池上表面形状吻合 山尔人学博十学 奇论文 良好，提高了g r l 熔池形状的数值计算精度，解决了数值计算结果中熔池尾 部后拖不足的问题。 采用了完备的熔透熔池上、下表面变形方程，模拟了从熔池形成到焊接过程 达到准稳态时熔池自由表面变形的动态演变，考察了上表面最大下塌量、下表面 最大下塌量、上表面最大隆起量，表面下塌体积和拉格朗r 常数在数值模拟过程 中的动态变化曲线。发现：除了熔池表面变形特征参数( 如上表面最大下塌量、上 表面最大隆起量，表面下塌体积) 之外，拉格朗同常数的动态变化与工件熔透程度 之间也有比较明显的相关性。通过与已有文献的对比。认为本文所采用的熔透熔 池表面变形计算公式更加完善，并通过试验验证了计算结果的可靠性，解决了原 有模型得出的熔透熔池自由表面变形量计算值偏小的问题。 在熔池形状与表面变形计算精度提高的基础上，通过对g t a w 熔透熔池整 体进行受力分析，建立了全熔透熔池的力学模型，从理论上给出了熔池塌陷的力 学判据。分析了可稳定存在熔透熔池中各作用力的动念变化，讨论了作用在熔池 区域的下塌力和支撑力各分量所占的百分比；分析了塌陷熔池中力和表面变形的 动态演变，讨论了正面熔池形态与焊穿产生倾向之问的相关性；预测了g t a w 焊接不同材质和板厚工件时的熔透情况。根掘所建立的熔池塌陷的力学判掘，模 型本身就能自动地对选取的焊接工艺参数是否适用、是否产生熔透过大和焊穿缺 陷做出判断，从而避免了数值模拟过程的“失真”，保证了数值计算结果的有效 性和可靠性。 进行了不锈钢板和低碳钢板的g t a w 工艺试验，测量了各种熔池形状参数 ( 如熔池上表面形状、焊缝横断面轮廓和熔池自由表面下塌变形量等) ，对数值模 拟结果进行了实验验证。基于数值模拟和工艺试验结果，证明了本文所建立模型 对全熔透g d 熔池形念的数值模拟精度有了较大的改进。 关键词：熔池形态，数值模拟，精度改进，熔池尾部后拖，熔池表面变形，熔池 塌陷判据 山尔人半博十学 市论文 i m p r o v e m e n t o nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e c i s i o no f c o m p l e t e l yp e n e t r a t e dg t a wm o l t e np o o lb e h a v i o r s a b s t r a c t t od e v e l o pn u m e r i c a lm o d e l so fc o m p l e t e l yp e n e t r a t e dg t a wm o l t e np o o l b e h a v i o r sa n dt oi m p r o v et h e i rp r e c i s i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o n t i n u o u s l ya r e i m p o r t a n t r e s e a r c ha r e ao ft h ef r o n t i e r si n w e l d i n gs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g w b d d - w i d er e s e a r c h e r sh a v eb e e nc o n d u c t i n gi n v e s t i g a t i o n si n t ot h i sa r e af o rm a n y y e a r s ，a n dg r e a tp r o g r e s s e sh a v eb e e nm a d e h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls o m ei m p o r t a n t u n s o l v e dp r o b l e m s f o re x a m p l e ，t h ep r e v i o u sm o d e l sh a v et h r e ed r a w b a c k s ：( 1 ) t h e c a l c u l a t e dr e a rp a r to fw e l dp o o lg e o m e t r yi sn o ta se l o n g a t e d 猫t h ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t ( 2 ) t h ee m p l o y e de q u a t i o n st oc a l c u l a t et h ew e l dp o o ls u r f a c e s d e f o r m a t i o na r en o t p e r f e c t ，a n dt h ep r e d i c t e d s u r f a c e sd e f o r m a t i o nh a sa c o m p a r a t i v e l yl a r g ee w r o r ( 3 ) t h em o d e l sh a v en of u n c t i o n sf o rp r e d i c t i n go rj u d g i n g t h eo c c u r r e n c eo fc o l l a p s i n ga n db u m t h r o u g hd e f e c t sf o rc o m p l e t e l yp e n e t r a t e dw e l d p 0 0 1 t h u s ，d e e ps t u d yp a y i n gm o r ea t t e n t i o nt ot h et h r e ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ， a n df u r t h e ri m p r o v e m e n to nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e c i s i o no fw e l dp o o l b e h a v i o r sa r eo fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e sf o rw e l d i n gp r o c e s s o p t i m u md e s i g na n di n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 am a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt os i m u l a t ec o m p l e t e l yp e n e t r a t e d g t a wm o l t e np o o lb e h a v i o r s ，w h i c hc o n e e m sw i t hv a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r si n g t a w ( s u c ha s ，m o v i n ga r c ，c o m p l e t ep e n e t r a t i o n ，t h r e e d i m e n s i o n a l ，t r a n s i e n ts t a t e ， b e a tt r a n s f e r , f l u i df l o w , t o pa n db o t t o ms u r f a c e sd e f o r m a t i o n ，p h a s e - c h a n g el a t e n t ， a n dc u r v e db o u n d a r i e s ) t h em o d e lh a sa c c o u n t e df o rt h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：( 1 ) t h e e f f e c t so fm o v i n ga r co nt h ed i s t r i b u t i o no fb o t ha r ch e a tf l u xa n da r cp r e s s u r ea r e t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o na n dt h em a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n so fd o u b l e - e l l i p t i c d i s t r i b u t i o nm o d e sf o rb o t ha r ch e a tf l u xa n da r cp r e s s u r ea r eg i v e no u t ( 2 ) t h e d e r i v a t i o nd e t a i l so fw e l dp o o ls u r f a c e sd e f o r m a t i o na r ei n t r o d u c e du n d e rc o n d i t i o n s o fp a r t i a l - a n dc o m p l e t e - p e n e t r a t i o n ，a n dt h ep e r f e c te x t e n to ft h ee q u a t i o n sf o r c o m p l e t e l y - p e n e t r a t e dw e l dp o o ls u r f a c e sd e f o r m a t i o ni se x p o u n d e da n dp r o v e d ( 3 ) t h el a t e n th e a to fp h a s e c h a n g ei st r e a t e db ym e a n so fm e t h o df o rt h ef r a c t i o no f l i q u i d ( 4 ) t h ec u r v e db o u n d a r i e sa r ep r o c e s s e db yu s i n gt h eb o d 蛐t t e dc o o r d i n a t e s y s t e m s ， a n dt h eg o v e r n i n ge q u a t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n si n b o d y f i t t e d 1 1 1 山东人学博十学竹论文 c o o r d i n a t e sa r ed e r i v e d t h e n ，t h ed i s c r e t ef o r m so ft h eg o v e r n i n ge q u a t t o n sa n dp o o l s u r f a c e sd c f o r m a t i o ne q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d a n da d d i t i o n a ls o u r c et e r mm e t h o di s u t i l i z e dt od i s c r e t i z eb o t he n e r g ya n dm o m e n p d l nb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h e c o m p u t a t i o n a la l g o r i t h m s a r e d e s i g n e da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m a r e c o m p l i e da n db u i l t ，w h i c hh a v em o d u l a rf o r m so ft h es o f t w a r es t r u c t u r et o 科l h a n c e t h er e a d a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t ya n dt or a i s et h ef l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y b yu s i n gt h em o d e la n dp r o g r a md e v e l o p e di nt h i ss t u d y , t h et r a n s i e n tv a r i a t i o n o ft e m p e r a t u r ep r o f i l e ，f l u i df l o wa n dw e l dp o o lg e o m e t r ya r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d f o rs t a i n l e s ss t e e lw o r k p i e c e si ng 朗孵t h er e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g he m p l o y i n gt h e d o u b l e e l l i p t i c d i s t r i b u t i o nm o d eo fa r ch e a tf l u x ，a p p r o p r i a t e l y s e l e c t i n gt h e c a l c u l a t i o nd o m a i nr a d i u so fw e l d i n ga r co nt h ew o r k p i e c e ，a n dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t o fp h a s e c h a n g el a t e n t ，t h ec a l c u l a t e da n dm e a s u r e dw e l dp o o lg e o m e t r ym a t c hw e l l t h et r a i l i n gp r o b l e mo fw e l dp o o lr e a ri np r e v i o u sm o d e l sh a sb e e ns u c c e s s f u l l y s o l v e d ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e c i s i o no fw e l dp o o lg e o m e t r yh a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e d t h r o u l g ha p p l y i n gt h ee q u a t i o n so ft h et o pa n db o t t o ms u r f a c e sd e f o r m a t i o no f c o m p l e t e l y p e n e t r a t e dw e l dp o o l ，t h ed y n a m i cd e v e l o p m e n to fw e l dp o o ls u r f a c e s d e f o r m a t i o na r es i m u l a t e df o rb o t hp a r t i a l a n dc o m p l e t e p e n e t r a t i o n t h et r a n s i e n t v a r i a t i o no ft h em a x i m u mh u m p ，t h em a x i m u md e p r e s s i o n ，t h ed e p r e s s i o nv o l u m e a n dl a g r a n g em u l t i p l i e rd u r i n gs i m u l a t i o np r o c e s si se x a m i n e d i ti sf o u n dt h a t b e s i d e st h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fw e l dp o o ls u r f a c e sd e f o r m a t i o n ( s u c ha st h e m a x i m u mh u m p ，t h em a x i m u md e p r e s s i o n ，a n dt h ed e p r e s s i o nv o l u m e ) ，t h e r ei s m a r k e dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ed y n a m i cv a r i a t i o no fl a g r a n g em u l t i p l i e ra n dt h e p e n e t r a t i o ne x t e n to fw o r k p i e c e c o m p a r i n gt ot h ea v a i l a b l el i t e r a t u r e s ，t h ee m p l o y e d d e f o r m a t i o ne q u a t i o n so fw e l dp o o ls u r f a c e sa r em o r ep e r f e c t t h er e l i a b i l i t yo f c a l c u l a t e dr e s u l t si sp r o v e de x p e r i m e n t a l l y 1 1 l ee r r o ro ft h ec a l c u l a t e dw e l dp o o l s u r f a c e sd e f o r m a t i o ni np r e v i o u sm o d e l sh a sb e e ns o l v e dw i t hs a t i s f a c t i o n o nt h eb a s i so fi m p r o v i n gt h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o nf o rm o l t e np o o lg e o m e t r ya n d s u r f a c e sd e f o r m a t i o n ，am o d e lo fs t a t i cf o r c ee q u i l i b r i u mf o rc o m p l e t e l y - p e n e t r a t e d w e l dp o o li sd e v e l o p e db ya n a l y z i n gt h ef o r c e sa c t i n go nt h ew e l dp 0 0 1 t h ec r i t e r i o n i ss e tu pt oj u d g ea n de v a l u a t et h eo c c u r r e n c et e n d e n c yo fw e l dp o o lc o l l a p s i n g m p e r c e n t a g e so ft h e i ri n f l u e n c i n gr o l e sa r eo b t a i n e df u rt h es u p p o r t i n ga n dc o l l a p s i n g f o r c e s t h ea p p r o p r i a t er a n g e so fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ep r e d i c t e df o r s p e c i f i cm a t e r i a l sa n dw o r k p i e c et h i c k n e s s b a s e do nt h ec r i t e r i o n ，t h em o d e li t s e l f c a na u t o m a t i c a l l yj u d g ew h e t h e rt h ep r e - s e l e c t e dw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r e i v 山尔大学博十学付论文 s u i t a b l eo rn o t t h e r e f o r e t h es o - c a l l e d “f a l 辩”p r o b l e mi nh u m e r i c a ls i m n l a t i o n p r o c e s si sa v o i d e d ，a n dt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo f c a l c u l a t e dr e s u l t sa r ee n s u r e d g t a we x p e r i m e n t so ns t a i n l e s ss t e e la n dm i l ds l e e lp l a t e sa l ec a r r i e do u t ，a n d t h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fm o l t e np o o la r cm e a s u r e d ，s u c ha st h ec o n f i g u r a t i o no f w e l dp o o la tu p p e rs u r f a c e ，s h a p eo fw e l db e a da tc r o s s - s e c t i o n s ，a n dt h ed e f o r m a t i o n a tu p p e ra n dl o w e rp o o ls u r f a c e s n l cn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa l ev a l i d a t e d o n t h eb a s i so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s ，i th a sb e e nv e r i f i e dt h a tt h em o d e lh a s g r e a t l y i m p r o v e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e c i s i o no fc o m p l e t e l yp e n e t r a t e dg t a wm o l t e n p o o lb e h a v i o r s k e y w o r d s ：w e l dp o o lb e h a v i o r s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , p r e c i s i o ni m p r o v e m e n t ，r e a l t r a i l i n go fw e l dp o o l ，s u r f a c e sd e f o r m a t i o no fw e l dp o o l ，c r i t e r i o nf o r w e l dp o o lc o l l a p s i n g - v 山尔大学博十学伊论文 主要符号表 固液界面在水平面上的 投影面积 熔池下表面在水平面上 的投影面积 熔池上表面在水平面上 的投影面积 表面张力常数 热源分稚参数 电弧压力修正系数 比热容 工件上的点距热源中心 的距离 扩散传导性 对流强度，力 电弧力 熔池下表面所受到的大 气压力 液体分数 熔池上表面所受到的大 气压力 x 、y 、三方向的体积力分 量 固液界面对熔池的支撑 力 上表面张力垂直分量 下表面张力垂直分量 重力加速度 熔池所受重力 熔池最大深度 熔池上表面形状函数 固液界面形状函数 f )熔池上表面形状函数 换热系数 焊接电流 热导率 偏析熵因子 偏析平衡常数 工件厚度 上表面熔池周长 下表面熔池周长 液气相变潜热 蒸发率 厚度方向等分数 表面法向矢量 固液界面对压力体的支 撑力 内部压力 贝克列数 大气压强 电弧压力 电弧热流密度 对流热损失 蒸发热损失 内热源项 口” gm撕慨，七h三如厶帆 帆腿 p 尸 伽肌甄吼吼仍 如 如 如 如 4喊c唧d d f r r 兀只 眦 尼 氏如g 山东大学博十学何论文 辐射热损失 径向坐标 热流作用区域计算半径 气体常数 加热斑点半径 熔池上表面形状函数 温度 时问 环境温度 熔点 电弧电压 x 、y 、z 方向的速度分量 焊接速度 熔池体积 压力体体积 贴体坐标系的三个坐标 轴 直角坐标系的三个坐标 轴 上表面张力与水平面夹 角 硫的活度 下表面张力与水平面夹 角：热膨胀系数 表面张力 纯会属在熔点时的表面 张力 相变潜热 a l t o 所 缸，咖，出 q 几 面 a y l a t 偏析焓 时间步长 工、y 、= 方向的网格间距 x 、y ，z 方向的网格间距 表面辐射系数 焊接热效率 参考压力；拉格朗日常数 拉格朗日常数 动态粘度 磁导率 密度 s t e f a n b o l t z m a n n 常数 上表面张力 下表面张力 表面法向应力 电流密度分布参数 热流密度分布参数。 熔池上表面形状函数 熔池下表面形状函数 熔池上表面液相线围成 区域 熔池下表面液相线所围 成区域 表面过饱和参数 速度矢量 表面张力温度梯度 妙 劝 战缸 。 叩。扎 肋p 盯 巩 晚嘞巧吩孵吣轨 扩 w 孑 力 引 蹦 丫 吼，n如h删r，瓦孺u州蜥矿玮咖 孙 口 m 声 ， 埘 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 审f | 论文作者签名：登! 暨日期：趔。出f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 膏， 论文作者签名：塾堡：导师签名： 山东火学博十学竹论文 1 1 选题意义 第一章绪论 焊接是一个涉及许多学科的复杂的物理化学过程。由于焊接过程涉及的工 艺参数数目繁多，单凭积累试验数据来深入了解和控制焊接过程，既费时费力又 成本昂贵。随着计算机技术的发展和数值分析方法的提高，通过一系列描述焊接 基本物理过程的数学方程组及其定解条件来模拟焊接过程，采用数值分析方法求 解以获得对焊接过程的定量认识，即焊接过程的数值模拟，成为一种强有力的科 研方法和手段。同时，通过数值模拟方法获得的有关焊接过程的结果，也为人们 更好地认识和把握复杂的焊接物理过程和现象提供了可能，为焊接科学技术的发 展创造了有利条件。 焊接熔池形态，是熔池的几何形状、熔池中的流体动力学状念、熔池的受热 受力情况等熔池行为的统称。焊接熔池形念不仅直接关系到焊缝形状尺寸、工件 熔透程度、接头的组织与性能、应力分布状态与应变的产生，而且对热裂纹和冷 裂纹的形成和防止也有重要影响。因此，丌展焊接熔池形态的数值模拟研究，将 为焊接工艺优化设计和焊接过程智能控制提供关键的基础数据和理论依据。 g t a w ( g a st u n g s t e na r cw e l d i n g ，钨极氩弧焊) 是实际生产中最常用的熔焊 工艺之一，在自动化焊接和机器人焊接中应用非常广泛。国内外研究者在g t a w 熔池形态的数值模拟研究方面丌展了多年的研究工作，并取得了很大的进展1 1 ”1 。但是，仍然存在许多重要问题有待进一步解决或深入研究。本文将着重解决 现有模型中存在的以下三个问题：( 1 ) 计算出的熔池尾部后拖小于实测结果；( 2 ) 采用的熔池表面变形方程不够完备，熔池表面变形的预测值小于实测值；( 3 ) 熔 透熔池整体受力分析和焊穿缺陷预测判断方面尚未有实质性进展。 本文拟通过建立g ”f 运动电弧作用下三维瞬态焊接熔池数值分析模型， 采用电弧热流和电弧压力双椭圆分布模式，通过完善热源分御模式中有关参数的 取值，并在数值计算程序中合理地设计热源的计算区域，从而解决数值计算结果 中熔池尾部后拖不足的问题。通过采用完备的熔透熔池上、下表面变形方程，分 析从熔池形成到焊接过程达到准稳态时熔池自由表面变形的动态演变，解决计算 结果中熔池自由表面变形量小于试验结果的问题，讨论熔池的表面变形与工件熔 透程度之间的相关性。在此基础上，通过对o t a w 熔透熔池进行整体受力分析， 建立全熔透熔池力学模型，从理论上给出熔池塌陷的力学判掘，分析熔透熔池所 第一章绪论 受作用力的动态变化以及j 下面熔池形态与焊穿缺陷产生倾向之| 日j 的相关性。 通过作者的研究工作，如果能够成功地解决f i 面提到的三个问题的话，将有 助于进一步提高全熔透g t a w 熔池形态的数值模拟精度，掌握j 下面熔池形，奈的 动态变化与工件熔透程度以及焊穿缺陷产生倾向之l 日j 的相关性，从而为焊接工艺 优化设计、焊接过程智能控制提供理论依据和基础数掘。因此，本文的研究工作 具有重要的理论意义和工程实用价值。 1 2 研究现状 1 2 1 焊接热过程数值分析的研究现状 熔池形态对焊接质量具有重要的影响。通过大量理论计算并辅以少量实验验 证的方法来获得焊接热过程的动态信息，是焊接学科的前沿课题之一。 对焊接热过程的理论计算开始于上个世纪四十年代。r o s e n t h a l l 71 s l 建立 了移动热源在固体中的热传导模型，r y k a l i n l 9j 给出了焊接温度场的解析解。 他们的研究是建立在大量的简化假设基础上，在熔池区域的计算结果与实际结果 之间相差很大。后来的研究者1 i o 。13 j 试图在r o s e n t h a l r y k a l i n 的公式基础 上修正其不合理的假设条件，从而提高计算精度，但由于这些公式本身固有的不 足，因此都没有取得太大的进展。不过，他们的工作为焊接热过程的数值计算奠 定了基础。 从上个世纪六十年代中期开始，熔池中液态会属在表面张力梯度、电磁力等 的共同作用下发生剧烈运动的概念1 1 4 , 1 5 i 逐渐被人们接受。从八十年代初期丌始， 研究人员越来越清楚地认识到，为了准确地计算焊接热过程，单独考虑熔池内部 以导热为主的传热现象是不够的，还必须同时考虑熔池内部以熔化的液态会属对 流为主的传热过程，以及热影响区和母材金属中以导热为主的传热过程，爿符合 焊接热过程的实际情况。 电子计算机的出现，尤其是二十世纪七十年代微型计算机的诞生及其飞速发 展，为各种有效的数值分析方法在焊接热过程中的广泛应用提供了有利条件。数 值分析方法可以高效地求解大型非线性方程组、处理各种复杂的边界条件和热源 分布模型，具有解析法无可比拟的优势。 为了考虑熔池内部的流体流动，s o z o u 等”l 专门研究了固定容器内的液 体流动，但这与实际的焊接熔池存在较大差距。1 9 8 3 年，o r e p e r 对熔池中流 体在表面张力梯度、电磁力和浮力的共同作用下所产生的流动和传热现象建立了 数学模型，并取得了一系列研究成果1 1 92 2 1 但由于电弧焊接热过程是一个非线 性、多变量、强祸合的复杂物理化学变化过程，发生在一个很小的并且不断运动 变化的区域内，因此建立一个准确完备的数学模型并非易事。早先建立的数值分 山尔人。学博十学伊论文 析模型，为了易于求解，都做了大量的简化假设，例如预先给定熔池的形状、不 考虑熔池表面的变形、电弧固定不动、三维问题简化为二维问题，不讨论瞬念而 只考虑准稳态、工件未全熔透等等，因此与实际焊接过程仍有一定差距。直到 z a c h a r i a 等建立了三维瞬态焊接热过程的数学模型f 2 3 1 ，才松弛了上述的简化 假设。 在此后的近二十多年中，随着计算技术和各种实验检测手段的不断发展，对 焊接热过程的数值分析也取得了长足的进步。关于焊接热过程的数学模型，从对 固定电弧1 2 4 9 1 的讨论发展为对运动电弧1 3 ”l j 的研究，从二维模型 3 2 3 3j 发展为三维 模型1 3 4 3 5 1 ，从对准稳态1 3 6 3 7 1 的研究发展为对瞬态0 3 8 2 1 的研究，从工件未全熔透 4 3 , 4 4 1 发展为对工件全熔透1 4 5 - 4 7 1 的研究，从原来不考虑熔池自由表面的变形1 4 n 5 0 i 到考虑熔池自由表面的变形1 5 l 5 2j ，并引入贴体坐标系处理变形的曲面边界”5 引， 有的模型还考虑了表面变形对焊接电弧分布以及熔池内传热传质的影响p ”! i ， 总之，考虑的因素越来越多，也越来越接近实际的焊接过程。研究的焊接工艺也 从简单的电弧焊接工艺到复杂的电弧焊接工艺，比如g m a w ( g a sm e t a l a r c w e l d i n g ，熔化极气体保护焊) 5 7 6 6 1 、k p a w ( k e y h o l ep l a s m aa r ew e l d i n g ，等离子 弧焊) 6 7 6 8 i 、d s a w ( d o u b i es i d e a r cw e l d i n g ，双面电弧焊) 1 6 9 7 0 1 ，并逐渐扩展到其 他的焊接与连接方法和技术，比如l a w ( l a s e rw e l d i n g ，激光焊) 1 7 “”1 、 e b w ( e l e c t r o nb e a mw e l d i n g ，电子束焊) 1 7 7 7 9 1f s w ( f d c t i o ns t i rw e l d i n g ，搅拌 摩擦焊) s o , s q 。 1 2 2g t a w 焊接热过程的数值分析现状 g t a w 电弧在燃烧过程中，电极不熔化，易于维持恒定的电弧长度，因而焊 接过程稳定：适合于焊接板厚小于6m i l l 的工件，焊接时一般不需丌坡口和加填 充焊丝，焊接过程相对于g m a w ( g a sm e t a la r cw e l d i n g ) 等熔焊工艺而壶需要考 虑的因素相对少一些；采用惰性气体做保护气体，焊接过程中只是母材会属在电 弧的作用下发生物质形态的改变，而不存在新相的生成等复杂的化学冶会过程。 正是由于g t a w 具有以上几个鲜明的特点和优点，研究人员很早就丌始选择这 种工艺作为焊接热过程数值分析的切入点。对它的研究经历了一个由易到难，由 简到繁的漫长过程。 ( 1 ) 导热模型一热场+ 流场模型 开始建立的数学模型只考虑了能量在工件内部的传导，没有考虑熔池内的流 体流动1 1 1 , 1 3 1 。随着流体力学的发展，o r e p e r 等”9 - - 2 1 1 首先建立了关于焊接热过 程温度场和流场的数值分析模型。不过。目前部分科研人员发表的一些论文中， 仍采用导热模型，通过调整一些参数的取值或通过引入修正系数的方式问接考虑 第一章绪论 流体流动效应，并取得了很好的计算结果1 8 2 1 。 固定电弧一运动电弧 电弧固定时，g t a w 焊枪垂直放置在工件的一面，熔池关于焊枪中心线对称， 研究对象可以简化为二维轴对称问题鼢s 4 1 。而当电弧运动时，熔池也以焊接速度 沿焊接方向移动，但熔池的形状不再关于焊枪中心线对称| 8 5 1 。此外，由于钨极与 工件之间还存在一定的倾斜角，使得焊接电弧在工件上的能量分柿也不再关于焊 枪中心线对称1 8 6 8 7 1 。 ( 3 ) 二维一三维 对于固定电弧作用下的焊接热过程，熔池关于焊枪中心线对称，无论是准稳 态还是瞬态，都可将直角坐标系中的三维问题转变为柱坐标系中的二维问题来处 理【4 3 4 4 8 8 1 ；但对于运动电弧作用下的焊接热过程，无论是在直角坐标系中还是曲 面坐标系中，只能分别就三个坐标方向求解1 2 ”。 ( 4 ) 准稳态一瞬态 实际焊接过程中，电弧引燃后，工件在电弧热的作用下，熔池先从无到有， 然后逐渐长大，最后达到宏观准稳态。从熔池形成到达到宏观准稳态的过程中， 熔池形状、温度场和流场等都是随着时问不断动态变化的。而在熔池达到宏观准 稳态后，虽然熔池的整体形状、温度场和流场等基本不随时问发生明显改变，但 整个焊接熔池不同时刻在工件上的位置是不同的。如果研究的内容只是焊接过程 达到宏观准稳态时的情况，那么就与时间无关1 8 9 鲫1 ：丽如果要讨论熔池的动态发 展变化，那么就与时间有关1 9 1 9 2 。 ( 5 ) 不考虑相变潜热一考虑相变潜热 母材金属在焊接电弧作用下，局部会属发生熔化和凝固。由于被焊材料一般 都不是纯物质，而是合金材料，熔化和凝固一般都不是发生在某一个固定温度值， 而是发生在一定的温度区间( 称为相变温度i 叉f s j ) 。母材在熔化时，要吸收相交潜 热，而在凝固时，要放出相变潜热。因此在建立数学模型时，应该考虑相变潜热 的作用。 但是，由于一般情况下相的转变区日j 部较窄( 不锈钢的固液相变区l h j 是2 0 0 k ，低碳钢的固液相变区| 日j 是4 0k ) 。具体到焊接过程中，也就是固相线和液相 线之间所夹的区域，焊接中称之为糊状区或固液两相区。从焊缝的结构可知，糊 状区很窄。因此，到目前为止，仍有一部分模型忽略了相变潜热的影响b 驯。但 随着液体分数法f3 1 、显热容法1 9 2 i 的推广，单就g t a w 工艺而言，没有考虑相变 潜热的数学模型可能会越来越少以至逐渐消失。 ( 6 ) 高斯分布热源模型一复合体积热源模型 - 4 山尔人学博十学付论文 一个合适的热源模型是取得好的数值分析结果的前提和保障。对于不同的焊 接工艺而言，甚至对于同种焊接工艺但不同的焊接条件来说，热源模型并不是固 定不变的。一般来说，不同的焊接工艺条件就应采用不同的热源模型。而如何建 立一个适当的热源模型是焊接热过程数值分析的关键。 早先的数值计算多采用平面高斯分布热源模式1 2 4 - 2 7 9 2 , 9 3 】，对于固定电弧作用 下的薄板焊接是合适的，并已取得很好的计算结果。但如果工件比较厚，可以考 虑采用体积热源模式甚至复合体积热源模式：如果电弧是运动的并且焊炬与工件 之间存在一个倾斜角度，那么还可以考虑采用非中心轴对称的复合体积热源模 型，如双椭球体热源模式脚8 7 i 。 ( 7 ) 熔池自由表面是平