1、焊接數(shù)值模擬技術(shù) 0. 前言前言 焊接過程是復(fù)雜的物理化學(xué)冶金過程，焊接過程是復(fù)雜的物理化學(xué)冶金過程，焊接數(shù)值模擬技術(shù)也涉及到多方面知識。焊接數(shù)值模擬技術(shù)也涉及到多方面知識。 包括：電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)等。包括：電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)等。 焊接數(shù)值模擬技術(shù)涉及到焊接傳熱、傳焊接數(shù)值模擬技術(shù)涉及到焊接傳熱、傳質(zhì)、焊接接頭組織及性能預(yù)測、焊接力學(xué)等質(zhì)、焊接接頭組織及性能預(yù)測、焊接力學(xué)等方面。方面。 1焊接熱過程數(shù)值分析焊接熱過程數(shù)值分析1.1 焊接熱過程基本特點焊接熱過程基本特點 焊接熱過程，既在進(jìn)行焊接時，被焊金屬在焊接熱焊接熱過程，既在進(jìn)行焊接時，被焊金屬在焊接熱源作用下將發(fā)生被加熱

2、和局部熔化的過程。源作用下將發(fā)生被加熱和局部熔化的過程。 焊接熱過程的主要特點：焊接熱過程的主要特點： （1）不均勻的局部加熱）不均勻的局部加熱 （2）加熱的瞬時性）加熱的瞬時性 （3）非穩(wěn)定加熱）非穩(wěn)定加熱 （4）多種傳熱方式共存）多種傳熱方式共存1.2 焊接熔池溫度場數(shù)值模擬焊接熔池溫度場數(shù)值模擬 熔池溫度場數(shù)值模擬意義熔池溫度場數(shù)值模擬意義 焊接溫度場的模擬數(shù)學(xué)模型就是傅立葉焊接溫度場的模擬數(shù)學(xué)模型就是傅立葉 熱傳導(dǎo)方程。熱傳導(dǎo)方程。 平面（平面（x , y）導(dǎo)熱問題）導(dǎo)熱問題 密度；密度；Cp比熱容；比熱容；k導(dǎo)熱系數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)；Q外部熱源外部熱源()PTCk TQt 2222()PT

3、TTCkQtxy 凝固潛熱的表達(dá)式凝固潛熱的表達(dá)式 Q相變潛熱；相變潛熱；L單位質(zhì)量液體凝固潛熱（單位質(zhì)量液體凝固潛熱（J/kg）；）；fs固相分?jǐn)?shù)固相分?jǐn)?shù) 第一類邊界條件，已知邊界上各點的溫度值第一類邊界條件，已知邊界上各點的溫度值 Ts= Ts (x, y, z, t ) 第二類邊界條件，已知邊界上的熱流密度分布第二類邊界條件，已知邊界上的熱流密度分布 第三類邊界條件，已知邊界上物質(zhì)與周圍介質(zhì)的熱交換第三類邊界條件，已知邊界上物質(zhì)與周圍介質(zhì)的熱交換 n邊界表面外法線方向；邊界表面外法線方向；表面換熱系數(shù)；表面換熱系數(shù)；Ta為周圍環(huán)境溫度為周圍環(huán)境溫度sfQLT( , )sTqx y z t

4、n()aTTTn1.2 焊接熔池流體動力學(xué)模擬焊接熔池流體動力學(xué)模擬 建模的基本假設(shè)條件：建模的基本假設(shè)條件： （1）焊接熱源的能量分布符合高斯分布，）焊接熱源的能量分布符合高斯分布，熱源的傳熱系數(shù)恒定熱源的傳熱系數(shù)恒定 （2）焊接材料的熱物理參數(shù)為常數(shù)，但）焊接材料的熱物理參數(shù)為常數(shù)，但在液相和固相時熱物理參數(shù)不同在液相和固相時熱物理參數(shù)不同 （3）流體為層流不可壓縮流體，材料密）流體為層流不可壓縮流體，材料密度為常量度為常量對流換熱問題數(shù)學(xué)描述對流換熱問題數(shù)學(xué)描述 （1）換熱微分方程）換熱微分方程 對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù) （2）連續(xù)性方程）連續(xù)性方程 單位時間流入、流出微元體質(zhì)量相等。單

5、位時間流入、流出微元體質(zhì)量相等。 （3）動量微分方程）動量微分方程 作用于微元體表面和內(nèi)部所有外力的總和，作用于微元體表面和內(nèi)部所有外力的總和，等于微元體中流體動量的變化率。等于微元體中流體動量的變化率。0yTTy （4）能量微分方程）能量微分方程 由導(dǎo)熱進(jìn)入微元體的熱量與由對流進(jìn)入微元由導(dǎo)熱進(jìn)入微元體的熱量與由對流進(jìn)入微元體的熱量之和等于微元體中流體的熱焓增量。體的熱量之和等于微元體中流體的熱焓增量。 Q1 + Q2 = H焊接熔池流體動力學(xué)分析邊界條件焊接熔池流體動力學(xué)分析邊界條件 （1）上表面）上表面 pv蒸汽壓力；蒸汽壓力；表面張力；表面張力；kr自由表面曲率自由表面曲率vrppk （

6、2）下表面）下表面 qconv=hc（TT） k熱導(dǎo)率；熱導(dǎo)率；u徑向速度；徑向速度；v軸向速度；軸向速度； qconv熱流密度；熱流密度；hc 界面界面換熱系數(shù)換熱系數(shù) （3）對稱軸）對稱軸 r 表示徑向表示徑向 c o n vTkqz0fz0;0uv0fr0Tr0;0vur （4）側(cè)面）側(cè)面 （5）液相分?jǐn)?shù)）液相分?jǐn)?shù) Tl熔化點；熔化點；Ts凝固點凝固點c o n vTkqr0;0uv0frssllsTTTTTTT0lTT1sTT焊接熔池傳質(zhì)、傳熱數(shù)值模擬研究主要成果焊接熔池傳質(zhì)、傳熱數(shù)值模擬研究主要成果 （1）熔池內(nèi)液體金屬流動影響焊接熔深）熔池內(nèi)液體金屬流動影響焊接熔深 熔池的表面張力

7、影響液體金屬流動熔池的表面張力影響液體金屬流動 1）如隨溫度升高，表面張力增加，則焊接熔深大）如隨溫度升高，表面張力增加，則焊接熔深大 2）如隨溫度升高，表面張力減小，則焊接熔深淺）如隨溫度升高，表面張力減小，則焊接熔深淺 （2）焊接電流線發(fā)散，增加熔深）焊接電流線發(fā)散，增加熔深 （3）浮力對熔池內(nèi)流體流動的作用較小）浮力對熔池內(nèi)流體流動的作用較小 （4）熔滴對熔池的沖擊力對熔深影響較小）熔滴對熔池的沖擊力對熔深影響較小（5）焊接熱源導(dǎo)致熔池表面金屬蒸發(fā)對熔池表）焊接熱源導(dǎo)致熔池表面金屬蒸發(fā)對熔池表 面溫度的影響面溫度的影響 1）激光焊接熔池表面金屬蒸發(fā)是影響熔池）激光焊接熔池表面金屬蒸發(fā)是影

8、響熔池 表面溫度分布的主要原因表面溫度分布的主要原因 2）一般電弧焊表面張力引起的對流是影響）一般電弧焊表面張力引起的對流是影響 溫度的主要原因溫度的主要原因 2焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測（1）建立預(yù)測焊縫組織發(fā)展的模型）建立預(yù)測焊縫組織發(fā)展的模型 模擬過程涉及的問題包括：模擬過程涉及的問題包括： 1）焊接熔池中的熱化學(xué)反應(yīng)）焊接熔池中的熱化學(xué)反應(yīng) 2）焊縫的凝固過程）焊縫的凝固過程 3）焊縫中的固態(tài)相變）焊縫中的固態(tài)相變 （2）焊接接頭（力學(xué)）性能預(yù)測）焊接接頭（力學(xué)）性能預(yù)測 1）鐵素體鋼：評價相變行為、淬硬性、強(qiáng)度、）鐵素體鋼：評價相變行為、淬硬性、

9、強(qiáng)度、 韌性、脆化、裂紋敏感性韌性、脆化、裂紋敏感性 2）奧氏體不銹鋼：評價顯微組織、熱裂紋傾）奧氏體不銹鋼：評價顯微組織、熱裂紋傾 向、點狀腐蝕、力學(xué)性能向、點狀腐蝕、力學(xué)性能（3）焊接熱影響區(qū)相變、組織性能預(yù)測）焊接熱影響區(qū)相變、組織性能預(yù)測 1）基于）基于CCT圖預(yù)測焊接熱影響區(qū)組織及硬度圖預(yù)測焊接熱影響區(qū)組織及硬度 2）利用相變動力學(xué)模型，預(yù)測焊接熱影響區(qū)組）利用相變動力學(xué)模型，預(yù)測焊接熱影響區(qū)組 織及硬度織及硬度 3）溫度、相變及熱應(yīng)力耦合模擬）溫度、相變及熱應(yīng)力耦合模擬I3焊接應(yīng)力與變形數(shù)值模擬焊接應(yīng)力與變形數(shù)值模擬 基于有限元技術(shù)和焊接熱彈塑性理論基于有限元技術(shù)和焊接熱彈塑性理論

10、 主要研究如下問題：主要研究如下問題： （1）焊接應(yīng)力的發(fā)生機(jī)制和殘余應(yīng)力分布形態(tài)）焊接應(yīng)力的發(fā)生機(jī)制和殘余應(yīng)力分布形態(tài) （2）焊接裂紋及其力學(xué)性能指標(biāo)）焊接裂紋及其力學(xué)性能指標(biāo) （3）高精度焊接變形預(yù)測）高精度焊接變形預(yù)測 （4）焊接應(yīng)力、變形對焊接接頭強(qiáng)度影響）焊接應(yīng)力、變形對焊接接頭強(qiáng)度影響 4其它焊接應(yīng)方法數(shù)值模擬其它焊接應(yīng)方法數(shù)值模擬 （1）電阻點焊數(shù)值模擬）電阻點焊數(shù)值模擬 （2）陶瓷與金屬擴(kuò)散焊模擬）陶瓷與金屬擴(kuò)散焊模擬 （3）激光焊數(shù)值模擬）激光焊數(shù)值模擬 4應(yīng)用應(yīng)用電阻點焊數(shù)值模擬電阻點焊數(shù)值模擬 （1）有限元模型）有限元模型 1）物理模型）物理模型 電阻點焊的基本特點：電阻

11、點焊的基本特點： 具有軸對稱性具有軸對稱性 穩(wěn)定的導(dǎo)電通道穩(wěn)定的導(dǎo)電通道 電位分布和電阻分布交互影響產(chǎn)熱電位分布和電阻分布交互影響產(chǎn)熱 液態(tài)熔核的溫度趨向均勻液態(tài)熔核的溫度趨向均勻 點焊物理模型描述：點焊物理模型描述： 電位及溫度場軸對稱分布電位及溫度場軸對稱分布 表面輻射及對流散熱用傳熱系數(shù)表示表面輻射及對流散熱用傳熱系數(shù)表示 假設(shè)熔核溫度最高溫度假設(shè)熔核溫度最高溫度 2）基本電、熱方程）基本電、熱方程 電勢方程 U（r，z）電位函數(shù)；E電阻率 r圓柱坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)系的徑向徑向坐標(biāo) z軸向軸向坐標(biāo)()()0EErUrUrrzz 熱傳導(dǎo)方程熱傳導(dǎo)方程 T（r，z）溫度函數(shù)；溫度函數(shù)； qV單位

12、體積單位時間內(nèi)熱源生成熱量單位體積單位時間內(nèi)熱源生成熱量 熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率，CP比熱容，比熱容，密度密度 內(nèi)熱計算內(nèi)熱計算1()()PVTTTCrqtrrrzz2211()() VEEUUqUUrz3）有限元數(shù)學(xué)模型）有限元數(shù)學(xué)模型 整體組集方程式整體組集方程式 T(t)未知節(jié)點溫度列向量溫度列向量； F(t) 節(jié)點溫度載荷列向量節(jié)點溫度載荷列向量； KT 整體溫度剛度矩陣；整體溫度剛度矩陣； C 整體變溫矩陣整體變溫矩陣 ( )( )( )TT tCKT tF tt（2）邊界條件和初始條件E貼合面電: U = 0軸線上水冷通道電極、工件表面電極計算界面G FN HJ D CO A B)(/:0

13、/:TTwhnTnU熱電0/:0/:nTnU熱電0/:nT熱)(/:0/:TTahnTnU熱電oTTRIUU:),(:熱電（3）物性參數(shù)處理）物性參數(shù)處理 電極電極:CrZrCu，工件，工件:65Mn 1）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 水強(qiáng)制冷卻傳熱系數(shù)水強(qiáng)制冷卻傳熱系數(shù)hw 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ha Tw材料表面溫度（材料表面溫度（K）；）；材料熱輻射率材料熱輻射率0.258222.2()5.768 10()()awwwhTTTTTT 2）材料電阻率）材料電阻率 銅電極材料電阻率銅電極材料電阻率: E = 16.8 + 0.043 ( T20 ) 20 T 1000 工件材料電阻率工件材料

14、電阻率: 熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率關(guān)系熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率關(guān)系:魏德曼魏德曼弗蘭茲定律弗蘭茲定律 L = 2.45108 W/ K2 LT 3）材料熱導(dǎo)率）材料熱導(dǎo)率 電極材料電極材料: = 395.20.04375 ( T20 ) 20 T 100 = 391.70.093 ( T100 ) 100 T 300 = 373.10.097 ( T300 ) 300 T 600 = 344.00.07733 ( T600 ) 600 T 900 工件材料工件材料: 65鋼鋼 4）材料密度 電極材料: 8900 kg / m3 工件材料: = 79070.3310 ( T+273 ) 20 T 780 = 811

15、80.5045 ( T+273 ) 780 T 1410 = 84560.8437 ( T+273 ) 1410 T 5 5）材料比熱容及相變潛熱）材料比熱容及相變潛熱 電極材料比熱容：電極材料比熱容： Cp = 356.4 + 0.0988 ( T + 273 ) 20 T 1000 工件材料比熱容：按鐵的比熱容計算工件材料比熱容：按鐵的比熱容計算 相變潛熱處理相變潛熱處理:等效比熱容法等效比熱容法 工件材料相變潛熱工件材料相變潛熱: H= 1.607104 727 T 780 Hl = 2.467105 1410 T 1485 H 相變潛熱；相變潛熱； Hl 固體固體液體轉(zhuǎn)變潛熱液體轉(zhuǎn)變潛熱 相變潛熱折算相變潛熱折算(為比熱容為比熱容)公式公式: PHCT 6）材料硬度 利用硬度H與抗拉強(qiáng)度b存在線性關(guān)系（4）有關(guān)計算 1）接觸電阻 接觸電阻兩種類型： 收縮電阻；薄膜電阻ra收縮電阻計算: E 接觸材料電阻率 兩種材料接觸時E =（E1+E2）/2 多點接觸（A=n2）： 考慮硬度和強(qiáng)度關(guān)系11()2EcRar2EcRa22EEcRnan A2KEcKPHAHRnP 2）動態(tài)電阻 總電阻：電極、工件的內(nèi)電阻電極、工件的內(nèi)電阻 工件工件/工件工件接觸電阻 工件工件/電極電極接