简介

在焊接尤其是熔化焊中 , 其热过程贯穿整个焊接过程的始终 ,一切熔化焊的物理化学过程都是在热过程中发生和发展的。焊接温度场不仅决定焊接应力场和应变场, 还与冶金 、结晶及相变过程有着紧密的联系 。焊接温度场内包含着焊接接头质量及性能的充分信息, 始终是焊接发展中的最基本课题之一。在焊接温度场的数值模拟研究中, 存在的一些主要问题除了材料的高温热物理性能数据缺乏、热流分布参数的确定困难、电弧热效率取值范围过大等共性问题外 ,尚存在对熔滴过渡行为及焊接熔池现象研究不充分等问题。可见, 存在的上述问题除了热量接受者即焊件的热物理性能参数之外, 均与热源直接或间接相关。熔化焊焊接热源无论电弧、光束还是火焰等等 ,大都具有移动和局部集中作用的特点, 容易在焊件中形成空间上和时间上梯度很大的不均匀温度场, 而此不均匀温度场是导致诸多焊接问题的根本原因之一 。在焊接温度场的数值模拟研究中, 采用符合实际焊接过程的热源模型是十分关键的 。热源模型是否选取适当 ,对瞬态焊接温度场的计算精度, 特别是在靠近热源的地方 ,有很大的影响。正因为焊接热源模型在焊接数值模拟中的基础性和重要性,欧美等一些发达国家及我国的焊接工作者始终十分重视这一领域的发展。如美国的 MI T 、俄亥俄州立大学、加拿大的C a r l e t o n 大学以及我国焊接研究实力较强的几所大学等等, 均陆续有关于焊接热源模型的研究结果发表。就应用最为广泛的电弧焊而言 , 传统意义上的焊接热源是电弧, 例如根据电弧热流分布特点建立的高斯圆形热源模型。而从焊接数值模拟意义上而言,电弧 、熔滴及熔池均可按热源处理 。例如根据熔池的热流分布特点及其形状而建立的双椭球热源模型 。再如，将熔滴作为电弧之外的第二个作用热源而建立的复合型热源模型等等。

焊接热源模型定义

根据目前焊接工作者的实践和共识 , 所谓的焊接热源模型 ,可以认为是对作用于焊件上的、在时间域和空间域上的热输入分布特点的一种数学表达。到目前为止, 用于焊接数值模拟中的所有焊接热源模型大都不随时间而发生变化 , 也就是认为在焊接进行过程中热源模型是不发生变化的, 即静态焊接热源模型。而动态焊接热源模型 , 其热输入是随着焊接的进行而发生变化的。例如 ,在短路过渡 CO 2 气体保护焊中 ,电弧有熄灭的过程。此熄灭阶段的热流密度分布显然不同于电弧燃烧阶段的热流密度分布特点 , 如果根据这种“短路”的实际工程特点而建立一个电弧和熔滴交替作用的热源模型则应该是一种动态焊接热源模型。

焊接热源模型参数

建立一个静态焊接热源模型需要两个要素 ,即 “以何种空间形式分布 ”和 “以何种分布模式分布 ”。而动态焊接热源模型还需要确定上述两要素中的一个或两个要素随时间变化的规律, 即应引入 “时间 ”要素 。可见 ,就静态焊接热源模型而言 , 在总热输入量一定的情况下, 因为上述两个要素的不同而导致的不同热源模型将对焊接温度场的分析影响很大。焊接热源模型可以三种模型参数即形状参数、热流分布参数和热输入参数来完整描述。

焊接热源模型分类

正因为在焊接数值模拟中热源模型的基础性和重要性 ,所以自焊接数值模拟 ( 包括解析计算) 研究开始至今出现了许多热源模型 , 均有不同范围和不同程度的适用性 。例如,高斯圆柱形热源、热流密度均匀分布的柱状热源及旋转高斯曲面体热源,半球形热源, 椭 球形热源 , 双 椭球形 热源, 椭圆 形热源, 双椭圆形热源] , 圆盘形热源,结合型分布圆形热源,二维移动线热源、二维均匀的带热源和矩形热源、二维均匀圆热源、高斯分布的二维面热源、移动圆柱热源、长方体热源 、圆锥形热源 、点 - 线热源,指数衰减的柱体热源、线性衰减的柱体热源及抛物线衰减的柱体热源等等。

清华大学蔡志鹏等建立的分段移动高斯热源模型不是对热源热流分布特点的原型描述, 是为解决大型结构计算量大的问题而提出的一种对热源原型即高斯圆形热源模型作用方式的改变。即认为在较高的焊接速度下,电弧热流作用区由原来的圆形可近似为带状 。而且表中的大部分热源模型均可 “分段移动” ,例如可以建立 “分段移动双椭球形热源模型”等等 ,故未列入。可将其归类于高斯分布带状热源中。还可见 ,通常称谓的 “高斯热源 ”,更准确的称谓应为“高斯圆形热源”。也就是 , 当称谓一个热源模型时应同时包含“空间分布形式”和“热流分布形式”, 以免混淆。

目前基本上有四种焊接热流分布模式,即均匀分布 、高斯分布、衰减分布和结合型分布。均匀分布与实际焊接过程中的热流分布特征不太相符 ,而衰减分布仅见于激光焊的数值模拟中且应用不广 。目前应用最广泛的是高斯分布, 但高斯分布模式本身是从对 T I G焊电弧热分布的实验结果总结而来的, 没有考虑熔滴作用效果。结合型分布是一种结合了电弧和熔滴热流分布特点的一种热流分布模式 ,对于有熔滴过渡行为的焊接方法具有一定的理论上的严密性 。结合型分布可以有很多种类, 其中之一是将电弧热流高斯分布和熔滴热流的锥形分布相结合的焊接热流分布模式, 比较适用于有熔滴过渡行为且热流密度比较集中的焊接方法, 如MI G焊 、C O 2 气体保护焊等。

焊接热源模型的发展趋势

从熔化焊热源模型的历史来看, 其发展有如下几个特点 :1模型的空间维数方面已经发展到三维以经典的热源模型为例 ,从上个世纪 40年代开始的一维点热源模型,到二维的高斯圆形热源模型, 再到三维的双椭球热源模型, 焊接热源模型经历了空间维数渐进的过程。三维焊接热源模型已经可以十分充分地描述焊接热流在空间的分布特点, 在此方面不大可能再有发展。2模型的空间形状方面的发展已经接近极至根据不同的具体焊接情况 , 国内外的焊接工作者已经建立了多种标准几何形状的焊接热源模型 。可以说 ,焊接热源模型在空间形状方面几乎囊括了所有的标准几何形状。由于热源模型应符合具体的焊接方法及其热过程的特点,因此在此方面较难再有大的突破。3模型的热流分布模式种类较少目前最为流行的热流分布模式为高斯分布 , 上述的各种空间形状的热源模型的热流分布模式大都为高斯分布。此外还有均匀分布 、衰减分布及结合型分布等。热流分布模式取决于焊接方法及其工艺条件, 在此方面具有一定的发展空间。4向复合热源模型的方向发展随着 Y A G-T I G焊等复合焊接方法的发展 , 以及为了模拟某些特殊的焊接现象如激光焊中的 “钉头 ”状焊缝等, 出现了复合热源模型 。例如 , 为了模拟出 MI G焊的 “指状 ”熔深, 采用双高斯圆形热源模型来模拟; 再如 ,建立一个结合了电弧的表面高斯热源和熔滴的圆柱体热源的复合热源模型来进行 V形坡口对接焊温度场的数值模拟等等。5动态焊接热源模型有待于深入研究静态焊接热源模型的研究已经比较充分 , 而动态焊接热源模型的研究尚处于空白 。由于焊接过程的时变特点, 动态焊接热源模型的深入研究将进一步提高数值模拟焊接温度场的精度, 更加准确地把握焊接热过程的动态特点,加深对焊接传质传热问题的认识, 并从根本上推进焊接数值模拟技术的发展。

所谓的焊接热源模型可以认为是对作用于焊件上的、在时间域空间域上的热输入分布特点的一种数学表达, 可分为静态焊接热源模型和动态焊接热源模型。建立一个静态焊接热源模型需要两个要素, 即 “以何种空间形式分布”和 “以何种分布模式分布 ”。而动态焊接热源模型还需要确定上述两要素中的一个或两个要素随时间变化的规律。热源模型可以形状参数、热流分布参数和热输入参数来完整描述。焊接热源模型一直以来围绕着热源的空间特点在发展 , 而忽略了热源的时变特点。由于动态焊接热源模型更符合焊接的某些实际情况, 将是今后焊接热源模型发展的重要方向之一 。随着复合焊接方法的出现 , 结合两种以上热源模型或热流分布模式的复合型热源模型也是今后焊接热源模型发展的重要方向之一。