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摘要 摘要 焊接过程是一个牵涉到电弧物理、传热传质、金属的熔化与凝固的复杂过程， 焊接电弧的能量分布以及焊接熔池中的流体流动及其传热过程对焊接质量有着 极为重要的影响。采用科学的方法建立焊接熔池和焊接电弧的数学模型，定量地 分析焊接熔池中流场与热场，描述焊接熔池中的传热及流体流动，分析焊接电弧 的形态及能量分布，对实现焊接过程的智能化有着重要的实际和理论意义。 根据能量守恒的基本原理和流体力学以及传热学的理论知识，本文建立了运 动电弧作用下三维g m a w 、t i g 焊接熔池的非稳态数学模型，并采用有限元方 法对模型进行了离散化处理。在模型中综合考虑了使熔池金属产生运动的浮力、 电磁力、表面张力、熔滴冲击力等驱动力，并且考虑了熔滴带入熔池的热量和动 量对整个焊接热循环过程的影响，同时考虑了材料的热物理性能参数随温度的变 化、焊接过程中熔池与外界的能量的交换，以及熔化凝固相变对熔池流场及温 度场的影响。 根据磁流体动力学理论，应用流体动力学方程和麦克斯韦方程，本文建立了 直流氩氮气体保护t i g 焊电弧轴对称数学模型，模拟了焊接电弧的热过程和流 体流动。模型中采用了符合实际的尖端阴极形状，氩气和氮气的物理性能参数对 温度高度非线性，选取了合理的边界条件。计算电场时将阴极和弧柱结合起来， 避免了对阴极电流密度分布的假设。在a n s y s 软件分析中采用模块化计算，分 别建立温度场、电磁场和流场的几何模型，相互调用计算结果迭代运算。 根据g m a w 、t i g 焊接熔池温度场和流场的特点，本文利用通用有限元软 件a n s y s ，采用非均匀网格对单元进行了划分，使用热源叠加的方式对g m a w 、 t i g 焊接熔池热量的吸收进行了处理，对所建的数学模型进行求解。计算了焊接 电流和焊接速度对焊接温度场分布的影响。通过焊接工艺实验，测量的焊缝熔宽 和熔深结果与计算结果相比较，结果表明本文所建模型的计算值和实际测量值相 差不大，验证了所建模型和采用的软件方法是正确、可靠的。 根据g m a w 焊接过程的特点，结合智能诊断的基本理论，并利用误差反向 传播算法( b p 算法) 建立了人工神经网络质量预测模型，应用计算工具m a t l a b 江苏大学博士学位论文：焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟 对神经网络预测模型进行了计算。此外，还对质量智能诊断过程中的特征提取和 逆a n n 模型的计算方法进行了初步的研究，给出了基本的算法程序。并采用焊 接工艺实验对本文所建立的质量预测模型进行验证。实验结果表明，所建立的模 型和采用的计算方法是正确和可靠的。 采用温升法测量了氩氮保护t i g 焊电弧的热功率和静特性。对电弧热功率 的计算表明，随着氮气含量的增加，不仅总的电弧热功率增加，阳极热功率占整 个电弧热功率的比例明显提高。对直流氩氮保护t i g 焊电弧数值模拟的结果表 明：随着氮气含量的增加，电弧的温度、电流密度以及等离子体速度均增大，符 合实验所测定的氩氮电弧的高热特性。 关键词：g m a w ；t i g 焊电弧；温度场；质量控制；神经网络；数值模拟 i i a b s t e r a b s t e r w e l d i n gp r o c e s sw a sa ne x t r e m e l yc o m p l e xc o u r s e ，w h i c hi n c l u d e dt h ep h y s i c s o fw e l d i n ga r c ，h e a tt r a n s f e r , m a s st r a n s f e r , m e l ta n ds o l i d i f i c a t i o no fm e t a l ，e t c t h e e n e r g yd i s t r i b u t i o no fw e l d i n ga r c ，f l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ew e l d i n gp o o l h a dg r e a ti n f l u e n c eo nt h ew e l d i n gq u a l i t y a f t e rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fw e l d i n g p o o la n de l e c t r i ca r cw e r eb u i l ti ns c i e n t i f i cm e t h o d ，t h ef l o wf i e l da n dh e a tf i e l di n t h ew e l d i n gp o o lc o u l db eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d ，f l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e r i n w e l d i n gp o o lc o u l db ed e s c r i b e d ，t h es h a p ea n de n e r g yd i s t r i b u t i o no fw e l d i n ga r c c o u l da l s ob ea n a l y z e d s o ，i th a dt h ep r a c t i c a la n dt h e o r ys i g n i f i c a n c eo nt h e i m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n c ei nw e l d i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，h y d r o m e c h a n i c sa n dh e a t t r a n s f e rt h e o r y , a3d su n s t a b l es t a t em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rw e l d i n gp o o lo fg m a w a n dt i gw a se s t a b l i s h e du n d e rt h ek i n e m a t i c a lw e l d i n ga r ci n f l u e n c e a n df i n i t e e l e m e n tm e t h o dw a sa d o p t e dt ot r e a tt h em o d e li nd i s c r e t i z a t i o n t h ed r i v i n gf o r c eo f b u o y a n c y , e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，s u r f a c et e n s i o n ，d r o p l e ti m p a c tf o r c ee t c ，w e r et o o k i n t oa c c o u n ts y n t h e t i c a l l yf o rb u i l tm o d e l t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c eo fh e a tq u a n t i t y a n dm o m e n t u m ，w h i c hw e r ei n t r o d u c e di n t ow e l d i n gp o o lb yd r o p l e t ，w e r ea l s o c o n s i d e r e do nt h e r m a lc y c l ei nw e l d i n gp r o c e s s m e a n w h i l e ，t h e r ew e r es om a n yf a c t s c o n s i d e r e ds u c ha st h ev a r i a t i o no ft h e r m o p h y s i c a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rw i t h t e m p e r a t u r ec h a n g i n g ，t h ee n e r g ye x c h a n g e b e t w e e nt h e w e l d i n gp o o l a n d c i r c u m s t a n c e ，t h em e l to rs o l i d i f i c a t i o np h a s ec h a n g e si n f l u e n c eo nt h ef l u i df i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l di nw e l d i n gp 0 0 1 b a s e do nt h em a g n e t i ch y d r o d y n a m i c st h e o r y , a p p l i e df l u i dd y n a m i c sf u n c t i o n a n dm a x w e l lf u n c t i o n ，a na x i s y m m e t r i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa r + n 2p r o t e c t i n gd c t i gw a se s t a b l i s h e d t h et h e r m a lp r o c e s so fw e l d i n ga r ca n df l u i df l o ww e r e s i m u l a t e d t h et i pc a t h o d ew a si n t r o d u c e di nt h i ss t u d y t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fa r a n dn 2w e r en o n - l i n e a rt ot e m p e r a t u r e b o u n d a r yc o n d i t i o nw a sc h o s e ni nr e a s o n t h e h y p o t h e s i so fc u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h ec a t h o d ec o u l db ea v o i d e dw h e n t h e c a t h o d ea n da r cc o l u m nw e r ec o m b i n e dt o g e t h e ri ne l e c t r i c a lf i e l dc a l c u l a t i n g i n s t u d yb ya n s y s ，t h em o d u l a rc a l c u l a t i o nw a sa d o p t e d ，t h eg e o m e t r i c a lm o d e l ss u c h a st e m p e r a t u r ef i e l d ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n df l o wf i e l dw e r ee s t a b l i s h e d ，t h ec a l l i n g i i i 江苏大学博士学位论文：焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟 r e s u l t sw o u l db ei t e r a t i v e l yo p e r a t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n d f l o wf i e l di ng n a w a n dt i gw e l d i n gp o o l ，a n s y s ，t h es o f t w a r ef o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，w a su s e di n t h i ss t u d y , t h ee l e m e n t sw e r ed i v i d e d 谢t hn o n u n i f o r mg r i d t h eh e a ta b s o r p t i o no f g m a wa n dt i gw e l d i n gp o o lw a st r e a t e db yh e a ts o u r c es u p e r p o s i t i o n t h e n ，a l l m a t h e m a t i cm o d e l sw e r es o l v e d w e l d i n gc u r r e n ta n ds p e e d s i n f l u e n c eo nt h e d i s t r i b u t i o no fw e l d i n gt h e r m a lf i e l dw a ss t u d i e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fw e l d i n g t e c h n o l o g y , c o m p a r i n gt h ew i d t ha n dd e p t h o fw e l d e ds e a mw i t hc a l c u l a t e dr e s u l t so f t h e m ，i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tt h e r ew a sl i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sf r o mt h em o d e l a c c o r d i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg m a wp r o c e s s ，c o m b i n e dt h eb a s i c t h e o r yo fi n t e l l i g e n td i a g n o s i s ，t h eq u a l i t yf o r e c a s t e dm o d e lo fm a n u a ln e u r a ln e t w o r k w a se s t a b l i s h e db yu s i n ge r r o rb a c kp r o p a g a t i o na r i t h m e t i c ( b pa r i t h m e t i c ) m a t l a b w a su t i l i z e dt os t u d yt h ef o r e c a s t e dm o d e lo fn e u r a ln e t w o r k i na d d i t i o n ，i tp r i m a r i l y s t u d i e do nt h ef e a t u r ee x t r a c t i o ni nt h eq u a l i t yi n t e l l i g e n td i a g n o s i sp r o c e s sa n dt h e c a l c u l a t i n gm e t h o do fb a c ka n nm o d e l ，i ta l s os h o w e dt h ea l g o r i t h mr o u t i n e t h e n ， t h eq u a l i t yf o r e c a s t e dm o d e lw a sc e r t i f i c a t e db yt h ee x p e r i m e n to fw e l d i n gt e c h n o l o g y f r o mt h et e s tr e s u l t s ，b o t ht h ee s t a b l i s h e dm o d e la n dt h ea d o p t e dm e t h o dw e r er i g h t a n dv a l i d i tw a sm e a s u r e db yr a i s i n gt e m p e r a t u r et ot h eh e a tp o w e ra n ds t a t i cp e r f o r m a n c e o fa t + n 2p r o t e c t i n gt i ga r c a st h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fw e l d i n ga r ch e a tp o w e r , n o t o n l yt h et o t a lw e l d i n ga r ch e a tp o w e r , b u ta l s ot h er a t i oo ft h ea n o d i ch e a tp o w e r a c c o u n tf o rt h ew h o l ew e l d i n ga r ch e a tp o w e rw a sr a i s e do b v i o u s l y , w h e nn 2 i n c r e a s e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fa r + n 2p r o t e c t i n gd ct i gw e l d i n ga r c w a ss h o w nt h a tt h et e m p e r a t u r eo fw e l d i n ga r c ，t h ec u r r e n td e n s i t ya n dt h ep l a s m a s p e e dw e r er a i s e dw h e nn 2w a si n c r e a s e d i tw a sa c c o r dw i t ht h eh i g h e rt h e r m a l c h a r a c t e r i s t i co fa r + n 2p r o t e c t i n gw e l d i n ga r c k e yw o r d s ：g m a w ；t i gw e l d i n ga r c ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；q u a l i t yc o n t r o l ； n e u r a ln e t w o r k ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密影 一虢赁蛾雠：和咏 棚年| l 窍孑夕日 沙己年l 乙只1f t 独创性声明 y i2 553 66 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锯曼哙 日期：歹硌月矽日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 先进制造技术是推动国家工业发展的高新技术之一，焊接技术作为制造业技 术的重要组成部分，正朝着高效率、高质量、高精度的方向不断发展。焊接技术 本身已经从一种技艺发展为- - z - j 以现代科学的许多分支为依托的新型应用学科。 现代科学技术的发展给焊接技术提供了有力的支持，尤其是分析手段和理论的完 善与提高，使我们对焊接过程有了更多地了解，从而能进一步完善和改进焊接技 术。 焊接过程是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。它包括焊 接时的传热传质、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等。要得 到一个高质量的焊接接头必须要控制这些因素。由于焊接过程中大部分复杂的物 理、化学反应都在很短时间内集中在焊接熔池这一局部高温区域内，这部分区域 存在着很大程度上的成分不均匀性，同时，对焊接熔池的物理测试十分困难。另 外，焊接接头存在着组织和性能的不均匀性。一旦各种焊接过程能够实现计算机 模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳工艺方法 和焊接参数。这不仅是实现t i g m i g 焊接生产自动化、过程控制智能化的基础， 也是制订焊接工艺方案的重要依据【2 3 ，4 】。 焊接熔池中的流体流动及其传热过程对焊接质量有着重要的影响，定量地分 析焊接熔池中流场与热场对于焊接工艺方案制定和焊接质量控制具有重要的理 论学术价值和实际意义。主要从以下几点来看哺1 ： ( 1 ) 焊接熔池中的液体金属是激烈运动着的。这种运动使得熔池中的热量 和质量的传输过程得以进行，而热量和质量的传输过程又对熔池的形状、结晶、 气体和夹杂物的吸收、聚集和逸出，化学成分的均匀性，以及化学反应动力学等 都有很大的影响。因此，熔池中的流体流动情况能够影响焊缝的组织结构及性能。 此外，焊道的咬边及表面光滑度等都与熔池中的流体流动密切相关。 ( 2 ) 焊缝和热影响区金属组织的变化，除了金属本身的冶金因素之外，还 决定于焊接热循环。某点所经历的加热速度、加热的最高温度、高温停留时间和 江苏大学博士学位论文：焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟 随后的冷却速度都决定着该点的组织和性能。 ( 3 ) 在弧焊机器人和焊接质量计算机控制系统中，一般采用焊件的熔深作 为被控量。因为焊接熔池尺寸较小、温度极高，且由于电弧光的干扰，用实验方 法来测量熔池中的对流是非常困难的，即使观察熔池表面流体流动的情况也是相 当困难的。因此在焊接过程中直接检测出熔深难度很大，所以将焊件的温度场这 一间接变量作为被控制量，这就必须事先确定出不同情况下焊件温度场与熔深的 对应关系、通过控制焊件的温度场来控制熔深。 ( 4 ) 焊接参数自动规划是一种新的焊接质量控制方法。其中，关键问题是 建立焊接参数自动规划系统的数学模型。即确定不同板厚、母材、坡口等条件下 焊接工艺参数与焊缝几何尺寸之间的关系。可以通过一系列的规划实验来确定这 种关系，但这需要进行大量的工艺实验。用数值模拟方法来建立这种定量关系， 是一种经济、可行的有效方法。 焊接电弧的热能特性和力学特性直接影响着熔池和母材表面的热流分布、熔 池的热传递和熔池内液态金属的流动，而熔池中液态金属的流动强烈影响着熔池 的几何形状，从而影响焊缝成形和质量，影响焊接接头的力学性能。因此焊接电 弧的传热过程及熔池中液体流动己成为重要的研究课题。由于实际焊接条件的限 制，通过试验观测焊接电弧行为及熔池中流体流动状态是相当困难的。随着计算 机的发展，数值分析对于理解整个非常复杂的焊接过程起着十分重要的作用。 采用科学的方法建立焊接熔池及焊接电弧的数学模型，描述焊接熔池中的传 热及流体流动情况，研究氩氮混合保护气体下的t i g 焊接电弧的形态及能量分 布，不仅可以通过计算机系统来实现对复杂焊接现象的模拟和确定焊接时的最佳 工艺参数，而且为实现焊接过程控制智能化奠定了基础。因此，采用数值方法求 解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，成为一种强有力的手 段。 本课题所做的工作是江苏省高技术研究项目“弧焊机器人智能化系统”和国 家“8 6 3 项目的子项“氮氩气体保护t i g 焊电弧及焊缝成形机理研究”中的部 分工作内容。 2 第一章绪论 1 2 焊接热过程数值计算概述 近二十几年来，国内外都对数值模拟技术在焊接中应用进行了许多研究，取 得了不少成果。国际上比较著名的学者，如日本大阪大学的上田幸雄教授，长期 以来从事焊接热弹塑性理论的研究，创建了“计算焊接力学”的新兴学科。瑞典 的l k a r l s s o n 教授，加拿大的a g o l d a k 教授等在焊接热传导和热应力分析以及 焊接接头组织接头性能预测方面作了许多研究并取得了不少成果。奥地利的 h c e r j a c 教授在计算机辅助焊接性方面进行了研究。日本的a m a t s u n a w a 教授和 m u s h i o 教授分别在焊接熔池和电弧物理方面进行了深入的分析等。国际上有关 焊接数值模拟技术的交流也十分活跃。有关国际会议有“m o d e l l i n go f c a s t i n g ， w e l d i n ga n da d v a n c e ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e s ”以及“n u m e r i c a la n a l y s i s o f w e l d a b i l k y ”等，已经举办了多届。后者由国际焊接学会( i i w ) 第1 x b 分委会 焊接性数值分析工作组与奥地利的g r a z 工业大学共同组织。1 9 9 6 年1 1 月日本 大阪大学接合科学研究所( j w 对) 组织了一个“焊接力h - r _ 预测理论 的国际讨 论会，对当前焊接数值模拟技术的各个领域进行了交流。 国内在8 0 年代初开始了焊接数值模拟方面的研究工作，近年来也取得了不 少的研究成果。西安交通大学和上海交通大学较早在焊接传热和热弹塑性应力分 析方面作了许多工作。最近上海交通大学在三维焊接问题分析中取得了很大的进 展，并在实际工程中得到了成功的应用。清华大学进行了辅助热源影响焊缝应变 规律的数值分析。哈尔滨工业大学和甘肃工业大学在焊接熔池和电弧物理方面进 行了数值研究。大连铁道学院在焊接传热、组织性能预测和氢扩散方面进行了研 究。上述的研究不少是和国外进行国际共同合作研究的成果。 目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要内容有： ( 1 ) 焊接热传导分析： ( 2 ) 焊接熔池流体动力学； ( 3 )电弧物理； ( 4 ) 焊接冶金和焊接接头组织性能的预测； ( 5 ) 焊接应力与变形； ( 6 ) 焊接过程中的氢扩散； ( 7 ) 特殊焊接过程的数值模拟，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、 江苏大学博士学位论文：焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟 摩擦焊接和瞬态相焊接等； ( 8 ) 焊接接头的力学行为。 表1 1 为焊接数值模拟中常遇到的问题、物理现象和数值分析方法。 表1 1 焊接数值模拟的问题和数值方法 t a b l e1 1p r o b l e ma n dn u m e r i c a lm e t h o d so fw e l d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 问题物理现象数值方法 热源电 磁差分法 熔池传热与传质有限元法 凝固相变数值分析法 金相组织化学反应蒙特卡洛法 残余应力扩散 焊接变形弹塑性，蠕变 裂缝失效 焊接结构强度 断裂 1 2 1焊接热过程计算研究领域的国内外现状 对于焊接热过程的研究早在3 0 年代就已开始。d 罗森塞尔分析了移动热 源在固体中的热传导。之后，前苏联的雷卡林又进行了大量工作，用解析法推导 出了一整套计算公式 6 ，但是，这些研究是在如下一些假设条件的基础上进行的： ( 1 ) 热源集中于一点、一线或一面。 ( 2 ) 材料无论在什么温度下都是固体，不发生相变。 ( 3 ) 材料的热物理| 生能参数不随温度变化。 ( 4 ) 焊接构件的几何尺寸是无限的( 对应于点热源和线热源，焊接试件分别 为半无限大体和无限大薄板) 。 这些假设条件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 的温度计算发生了极大的偏差。但这里恰恰是我们最关心的部位。因为从工艺上， 确定熔化区域的尺寸及形状是十分有意义的，从冶金上，相变点以上的加热范围 是研究的重点。 由于焊接热过程的经典理论公式给不出令人满意的结果，所以从5 0 年代开 始，有许多研究者试图在雷卡林公式的基础上，针对其不合理的假设条件，对其 4 第一章绪论 从某一方面进行修正和改进。但由于不能从根本上避免这些解析式赖以存在的不 合理假设条件，因而进展不大【7 】。 s 丘 8 , 9 , 1 0 1 建立了模拟厚板钨极氩弧焊和等离子弧堆焊的准稳态三维热场有 限差分计算模型。解决了热源分布，材料热物理性能的非线性和工件表面热损失 等问题。他还在1 9 8 2 年应用无因次参数对薄铝板的二维准稳态温度场问题用有 限差分法进行计算。所建立的计算模型考虑了如下问题： ( 1 ) 被焊试件材料热物理性能随温度变化 ( 2 ) 热源的大小和分布。 ( 3 ) 材料熔化潜热。通过工艺试验测出了熔化区宽度，与计算结果作了比 较，认为两者吻合程度良好。 存在的问题是： ( 1 ) 虽然模型本身考虑了材料热物理性能与温度的关系，但是在计算时又 认为铝合金的热物性能参数随温度变化不大，取为常数进行计算。 ( 2 ) 未考虑工件表面的热损失。 ( 3 ) 在固液两相区域同时求解固态热传导方程，认为固液两相的比热值差 别不大而取同一值。上海交通大学陈列1 1 1 对二维非线性稳态及瞬态温度场进行了 有限元分析。并在脉冲t i g 焊接温度场，局部干法水下焊接温度场等问题进行 了成功的实例分析。 麻省理工学院的g m o r e p e r 1 2 1 研究了电弧固定时t i g 焊接熔池中的流体 对流状态。之所以选择电弧固定时的情况为研究对象，只是为了使问题简化。 g m o r e p e r 考察了电弧固定时的情况，但却将熔池形状作为数值分析的前提 条件，预先确定下来。他利用实验数据整理出t i g 点焊时的熔宽w 和熔深d ， 并认为熔池形状方程式为： z = d ( 1 _ r 厉) ( 1 1 ) 式中，r 是径向坐标，z 是轴向坐标。对于给定的一组焊接规范参数，他认为熔 池形状是确定的，因而在该模型中只涉及到熔池内部的流场和热场的求解过程。 由于电弧是固定的，考虑到轴对称的特点，熔池内的传热问题就是二维的。他将 t i g 电弧固定时的情况作为瞬态问题，随着电弧加热时间的延长，熔池体积逐步 扩大，同时求解熔池内外的温度分布，考虑了电磁力、表面张力梯度和自然对流 江苏大学博士学位论文：焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟 的影响，并考虑了电弧作用在熔池表面上的热流密度和电流密度大小对流体流动 和传热过程的影响。他还分析了t i g 电弧固定时加热和冷却两个过程中熔池内 部的流体流动状态和传热过程。分析表明，流体对流在确定熔池中的传热过程和 温度分布起着重要的作用，对熔池形状和随后的焊缝结晶过程也有着明显的影 响。r t c c h o o 1 3 】在研究电弧与熔池的相互作用时，指出了焊接熔池表面 变形可能产生的几种重要影响： ( 1 ) 在变形水平较大时，焊接电弧本身可能受熔池形状的影响，并且由此 热流和电流可能非常明显地受到焊接熔池行为的限制。 ( 2 ) 电弧的等离子气流同熔池相互作用可能引起表面皱波、表面谐振或不 稳定。 ( 3 ) 非常大的焊接熔池表面变形在凝固时可能产生大量的焊接缺陷，包括 锁孔、气泡陷阱等。 r t c c h o o 利用其建立的二维电弧稳态模型，研究了t i g 焊电弧与熔 池的相互作用，计算了当焊接电流为3 0 0 a 时，熔池流场和温度场的分布( 如图 】一】) 。 ( a ) 流场( b ) 温度场 图1 一lt i g 焊接熔池流场和温度场示意图 f i g1 1 s c h e m a t i cs k e t c ho f f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l df o rt i gw e l d i n g 美国o a k r i d g e 5 国家实验室的t z a c h a r i a 等对熔池表面变形情况下的流体 流动与传热过程进行了一系列的研究，建立了运动电弧非自动化t i g 焊接熔池 的流体流动及传热过程的三维瞬态模型。模型中把熔池自由表面视为可变形表 面，熔池表面的升高量作为主要解变量，并以表面张力梯度、电磁力和浮力作为 流体流动的主要驱动力，模拟了焊道凸起、焊缝表面波纹和重力波等现象。算法 中使用单元标子技术( m a r k e d e l e m e n tt e c h n i q u e ) 来模拟液固界面的瞬态发展， 6 第一章绪论 模型采用有限差分法来求解，给出了t i g 焊三维瞬态熔池流场与热场的分布图。 a m a t s u n a w a 1 4 】研究了固定电弧焊接熔池的对流及其对熔深形状的影响。认 为影响熔池流动的主要因素有：电磁力，浮力，表面张力和气动阻力。研究表明： 当电弧长度短的时候，熔池中由外表面剪应力引起的速度场由两个相反方向的流 圈组成，并且在正的表面张力温度系数的场合，表面张力是主要的，结果造成深 的形状；当电弧长度长的时候，气动阻力是主要的，结果导致了一个两边“深” 而中间“浅”的熔透形状。p s 魏【15 】建立了一个二维模型，用以描述电子束焊接 过程中围绕着e bc a v i t y ( 电子束焊时在被焊材料上形成，由蒸汽压力作用所致) 的液体薄层内液态金属的流动状态。利用该模型可以得出液体薄层内的逸动速度 和温度值。他认为电子束焊时，焊缝的深宽比在5 1 0 之间，因此工件厚度方向 上的传热可以忽略，从而简化为二维情况。该模型将表面张力梯度作为主要的驱 动力。m 戴维斯【1 5 】给出了描述激光焊过程中小孔外部液体区内流体对流传热的 二维模型。该模型将材料热物理性能参数取为常数，并且不考虑试件厚度方向的 流体运动情况以及传热过程。熔池表面温度在热源与金属相互作用下远高于内部 液态金属温度，尤其对于激光焊和电子束焊，熔池表面温度甚至超过沸点，引起 合金元素蒸发加剧。d e b r o y 1 5 】等人建立了焊缝金属元素蒸发和成分改变的一个综 合模型。他们考虑熔池流动和热传输过程与熔池表面上方不同位置蒸汽的速度分 布函数，就可以计算出各种合金元素的蒸发速率。 德国a a c h e n 大学i s f 焊接研究所的u d i l t h e y 0 6 】等人对薄板g m a w 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g m a w 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给出三维的图形显示。在数 值模拟的基础上提出了所谓“逆运算”，即根据焊缝的形状来确定焊接参数。计算 过程中考虑到实际的焊接边界条件，共采用2 5 个参数。该模型可以对焊接参数 偏差时的焊接质量进行统计预测，并有自动寻找出最佳焊接参数的功能。计算结 果则由欧洲标准e n 2 5 8 1 7 进行评价。 在国内哈尔滨工业大学的武传松等，在该领域内也做了不少工作【1 7 也】。他 首先是建立了一个描述电弧固定时t i g 焊接熔池内部流体流动状态及传热过程 的数学模型。该二维模型采用“流函数涡度法”，能够给出任一时刻固定t i g 熔 池内外的温度分布和熔池中的流线图。随后建立了运动电弧作用下三维t i g 焊 7 江苏大学博士学位论文：焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟 接熔池中的流体流动及传热过程的数值分析模型。该三维模型同时考虑了熔池内 部液态金属的对流一传导和熔池外部热影响区、母材中的固体导热，综合考虑了 使熔池中液态金属发生运动的主要原因：即由于熔池温度分布不均而产生的自然 对流，由于焊接电流通过斑点进入熔池后在熔池中造成电流场的发散从而产生的 电磁力，由于熔池表面温度分布不均匀所引起的表面张力梯度。该模型还考虑了 材料热物理性能随温度的变化以及焊件表面通过对流与辐射向周围的热损失。焊 接电弧作为热源向工件输入的热流按高斯函数分布热源处理。武传松建立了m i g 焊接熔池流体流动及传热模型，但该模型没有考虑电弧压力和熔滴冲击力对熔池 表面的作用，忽略了熔池的表面变形。曹振宁等建立了熔化极氩弧焊接熔池中的 流体流动和传热过程的数值分析模型。该模型不仅考虑了过热熔滴的热量，而且 考虑了熔滴的冲击力及熔池表面的变形。模型根据电弧压力、熔滴冲击力、熔池 自身重力与表面张力之间的动态平衡，确定m i g 焊接熔池的表面形状。采用非 正交贴体曲线坐标系与直角坐标系及非均匀网格相结合的办法，对熔池中的流场 与热场进行了分析，并且模拟了m i g 焊接的指状熔深。 e p a r d o 2 3 1 采用有限元法建立了m i g 焊接三维稳态热传导模型，计算了 m i g 焊接熔池的几何形状和焊缝余高。模型考虑了液固界面熔化潜热的释放， 但没有考虑熔池表面的变形，而是把熔池作为平面处理，电弧热流采用高斯分布 模式，并认为熔滴带入熔池的热量也符合高斯分布，同电弧的热流密度一起考虑， 建立了熔池表面接受的热能是： 咖川= 7 9 0 筝 e 坤 _ 麦 m 2 ， z ：一 iz 仃：j 式中厶是电弧带入熔滴的净能量分数，7 7 为电弧效率，i 、v 分别为焊接电流、 电弧电压，仃。为电弧热流密度分布参数，r 为径向半径。 p t e k r i w a l 2 4 等也采用有限元方法建立了m i g 焊接传热模型，热流密度采 用高斯分布模式，并考虑了以下几个问题：( 1 ) 焊丝的连续熔化消耗了一部分电 弧热；( 2 ) 一部分热量在到达熔池之前，己损失在环境中；( 3 ) 在热传导过程中， 热以对流和辐射方式从表面损失；( 4 ) 保护气体的流动使表面部分的热对流损失 增加。为了适应m i g 焊接熔滴过渡的需要，采用了连续运动的有限元网格。 p t e k r i w a l 发现，利用有限元分析可以用在每一个时间步距上增加网格来模拟 8 第一章绪论 m i g 焊接的熔滴过渡，即在步距上加入温度为2 3 0 0 k 的熔滴，模拟熔滴带入熔 池的热量，这些单元的形状、温度事先确定。但没有考虑焊缝的余高和熔池的表 面变形。鄂立国【2 5 】对焊接熔滴与熔池相互作用动态过程进行了数值模拟研究。该 模型将熔滴冲击熔池的数值模拟转化为具有自由表面且具有一定粘度的不可压 缩流体的流体力学问题。为了解决上述问题，采用了求解具有自由表面和一定粘 度的不可压缩流体的瞬态流动的数值计算方法：单元一标子方法( m a c 法) 。考 察了运动熔滴的各种参数对熔池行为的影响。 上述研究尚停留在固态和液态问题。近来，日本东京工业大学的t y a b e 2 6 】 首次成功地进行了从固体到蒸汽的动力学相变的模拟。该模型采用了c i p 法可以 同时处理固体、液体和气体，并可跟踪十分敏感的界面。对于如焊接、切割过程 须要同时处理结构的拓扑和相的转变问题。在上述过程凝固、凝结、熔化和蒸发 时，处在固态或液态表面一行的栅格显得没有意义，当采用差分、有限元、边界 元等方法求解时，有时会发生网格畸变甚至断开的现象，而采用c i p 法可以避免 该问题的发生，它可以同时处理可压缩和不可压缩流体来模拟气体和液体或气体 和固体的相互作用。采用该法对激光切割过程中的蒸发、火口形状与尺寸、碎片 分布等进行了模拟，与实验结果相当吻合。 1 2 2当前数值模拟存在的一些问题 ( 一) 热源分布参数的确定 电弧的有效加热半径及热量分布形式与焊接方法和参数有关，目前尚缺乏系 统而准确的资料。电弧热流通常采用高斯分布的形式，a g o l d a k 2 7 】贝0 提出了 一个双椭圆的模型。此外，对于角焊缝、坡口焊缝、多层焊缝等的热源分布形式 也须进一步研究。 ( 二) 焊接熔池中液态金属运动的处理 熔池中液态金属的运动形式是层流还是紊流，以及焊接方法、工艺规范、电 极直径及其相对于水平面的夹角，焊接材料的成分及被焊件的化学成分等对熔池 中流体运动方向和速度的影响规律，目前还未完全弄清楚。 ( 三) 电弧功率有效利用系数的选取 电弧功率有效利用系数的正确选取是提高焊接热过程计算精度的问题之一。 不同的文献资料给出的值差别很大，因此必须根据实际焊接情况慎重选择。 9 江苏大学博士学位论文：焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟 ( 四) 材料的热物理性能 材料的热物理性能数据不足。许多材料的热物理性能( 比热容、热导率、密 度等) 数据在高温特别在接近熔化态时还是空白，某些材料仅有室温数据，这就 给非线性计算带来困难。 1 3人工神经网络概述及其应用 人工神经网络是一种模拟生物神经系统的计算机系统，它由若干神经元和它 们之间的相互连接形成一个网络拓扑。为描述神经网络的工作已经提出了几十种 数学模型。b p 网络( e r r o rb a c k p r o p a g a t i o nn e t ) 是一种应用最为广泛的网络模型。 b p 网络的基本原理如图1 2 所示。 图1 - - 2b p 神经网络示意图 f i g1 - 2 t h ei l l u s t r a t i o