2008年第 4期
第十二次全国焊接学术会议论文集
清华大学蔡志鹏等
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建立的分段移动高斯热源模
3. 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。 3. 4 向复合热源模型的方向发展 随着 YAG - 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 M IG 焊的 指 状 熔 深, 采 用 双 高 斯 圆 形 热 源 模 型 来 模 [ 20] 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
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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。 由表 1 和表 2 可见 , 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 IG 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 M IG 焊、 CO2 气体保 护焊等 。 3 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 : 3. 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。 3. 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。
中图分类号 :
0 前
言
家及我国 的焊接工 作者始终 十分重视 这一领 域的发 [ 4] [ 5] 展。如美国 的 M IT 、 俄亥 俄州 立大 学 、 加拿 大的 Carleton 大学
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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
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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, 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。 参
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、 热流密度均匀分
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及旋转高斯曲面体热源
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, 半球形热
, 椭 球 形 热 源, 双 椭 球 形 热 源 , 双椭圆形热源
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, 椭圆 形热
, 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
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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
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。
。而从焊接数值模拟 意义上而言,
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 [ 2] 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
模型后半部分椭球的体热流密度分布为: q( x, y, z ) = 3x 3y 3z exp( - 2 - 2 - 2 ) cb a b ( 2)
椭圆形热源 双椭圆形热源 带状热源
式 ( 1)和式 ( 2) 中: a 为椭球 的 y 向半轴 ( mm ) ; b 为椭球的 z 向半轴 ( mm ); cf 为前半椭 球的 x 向半轴 ( mm ) 、 cb 为后半椭球的 x 向半轴 ( mm ); q 0 为有效热输 入功率 ( W ); ff 、 fb 为前后两个四分之一椭球的能量分 配系数。 上述这些参数中 , a 、 b、 cf 及 cb 为模型的形状参数 , q 0、 ff 及 f b 为模型的热输入参数, 而式中的 3 为热流分 布参数。 根据上述的焊接热源模型 定义, 静态焊接热源模 型第十二次全国焊接学术会议论文集
熔化焊焊接热源模型及其发展趋势
河北工业大学 (天津市 天 津 大 学 ( 300072)
摘要
300132)
郑振太 单 平
吕会敏 胡绳荪
张
凯
为了 更好地推动焊接数值模拟技术尤其是焊接热源模型技术的发展 , 全面分析和 总结了现 有的熔化焊
焊接热源模型。通过分析 总结熔化焊焊接热源模型的特点 , 首 先给出 了焊接热 源模型 的定义 , 并 进而提 出了将焊 接热源模型分类为静态焊 接热源模型和动态焊接热源模型。在此研究基础上 , 对 现有的熔化 焊焊接热 源模型进行 了分类。根据分类的结果 , 并结合当前焊接热源模型的 实践 , 分析和 总结了 焊接热 源模型 的发展 特点及 其发展趋 势。分析结果表明 , 建立一个动态焊接热源模型需要研究三要素 , 即空间分布形式、 热流分布 模式及该 两要素随时 间的变化规律。并且复合 焊接热源模型和动态焊接热源模型将是焊接热源模型技术的主要发展方向。 关键词 : 焊接热源模型 TG402 动态焊接热源模型 热流分布模式 发 展趋势
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Proceedings of the Tw elfth N ationalW eld i ng Conference of Ch ina
热作用的热源模型则应该是一种动态焊接热源模型。 1. 2 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。以双椭球 热源模型为例, 其示意图 如图 1 所示。 参数的部分或全部参数是不是时间的函数。是则为动 态焊接热源模型, 否则为静态焊接热源模型。 2 焊接热源模型的分类 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 布的柱状热源 源 源
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等等。
3. 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。 4 结 论