焊接热模拟技术
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场的线性计算，其结果与试验相吻合； 2、上海交通大学陈楚等人对非 线性热传导问题进行了有限元分析， 建立焊接温度场计算模型，并编制 了相应的程序；
2020/7/28
3、国内近十多年来才开始对三维问题进行 研究，上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学 合作对三维焊接温度场问题进行了一系列有限元 研究，探究了焊接温度场的特点；
解为有限个单元组成的模型，即进行网 格划分，从而对离散化模型求数值解 主要特点：
1、概念清晰，容易掌握； 2、灵活性和适用性强，应用 范围广泛； 3、矩阵形式表达，便于编程 计算。
2020/7/28
焊接过程涉及电弧物理、传热、冶金和力学 ，涉及到温度场、应力和变形场、显微组织状
态场等多场耦合问题，其过程非常复杂。
2 高斯函数分布的热源模式
电弧热源是通过加热斑点将热能 传递给焊件的，加热斑点上热量分布 不均匀，中心多而边缘少。
2020/7/28
距斑点中心任一点的热流密度：
式中
qm—加热斑点中心最大热流密度
Rຫໍສະໝຸດ Baidu电弧有效加热半径 r—距电弧加热斑点中心的距离
2020/7/28
3 半球状热源分布函数模型
该模型是针对电弧挺度大，对熔池冲击力大的 情况提出的，如高能束的激光焊、电子束焊。
3、被焊金属的物理性质 金 属材料物理性质不同，其焊接温度场 分布也不相同。
（1）热导率λ 表示金属导热的能力
2020/7/28
（2）比热容c 即1克物质每升高1℃所需的热
（3）热扩散率a 表示温度传播的速度
（4）热焓H 单位物质所具有的全部能量
（5）表面散热系数α 散热体表面与 周围介质每相差1℃时，在单位时间内单 位面积所散失的热量
式中
T—热源在瞬时给焊接的热能 α—热扩散率 D—距点热源的距离，D=(x2+y2+z2)1/2
2020/7/28
2）若热源为线热源 即二维温度场
式中 d—距线热源的距离 d=（x2+y2）1/2
3） 若热源为面热源 即一维温度场
式中 F—截面面积 x—距热源的距离
2020/7/28
Rosonthal解析模式是以集中热源为基础的计算方法， 假定物性参数不变，不考虑相变与结晶潜热，对焊件几 何形状简单的归结为无限大、无限长、无限薄，计算结 果对远离熔合线的较低温度区（<500℃）较准确，但对 熔合区及热影响区误差很大，而这部分正是和焊接性能 相关的关键部位。
式中 q（x,y,z）为—功率密度，单位为W/m3
2020/7/28
4 椭球型热源模型
因为在激光焊情况下，熔池形状不是球对称的， 所以半球形热源分布函数有一定的局限性。经过改进， 又提出了椭球形热源模型。
式中 a、b、c分别为椭球的半轴长
2020/7/28
5 双椭球型热源模型
实际中，熔池前半部分温度梯度分分布较陡，后 半部分分布较缓，因此在椭球型热源分布函数基础上 又提出了双椭球型分布函数。
焊接热模拟技术
一、基本介绍
焊接热模拟技术是采用数值分析 的方法，即采用计算机程序来求解数 学模型（热源模型）的近似解，从而 得出焊接温度场分布和焊接热循环曲 线。目前使用最多的为有限元法，其 次为差分法，而应用较多的软件为 ANSYS、SYSWELD、ABAQUS等。
2020/7/28
有限元法:将连续的物体离散化，分
2020/7/28
3 三维温度场 热的传播方向是沿三个方向的，可 以把热源看成是一个点，如在厚大焊件的表面上堆焊。
2020/7/28
二、焊接热源模型
正确的热源模型是获得焊接热循环的 必要条件，是准确测量焊接过程残余应力、 焊缝强度的前提条件。目前使用最多的热 源模型是基于熔池形状的热源模型。近几 年，一些焊接工作者将已有热源模型作进 一步的修正，提出了更接近实际、方便计 算的热源模型。
3、1975年，加拿大的Poley和Hibbert在发 表的文章中介绍了利用有限元方法研究焊接温 度场；
4、加拿大Krutz在博士论文中研究了利用 焊接温度场预测接头强度问题，并分析了非线 性温度场。
5、20世纪末提出了计算机模拟 手段，焊接热模拟技术发展迅速。
2020/7/28
国内：
1、1981年西安交通大学唐慕尧等人编制了 热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度
4、蔡洪能等人建立了运动电弧 作用下表面双椭圆分布模型，并在此 基础上研制了三维瞬态非线性热传导 问题的有限元程序。
2020/7/28
焊接温度场的准确计算是焊接冶金分 析、焊接应力应变热弹塑性动态分析和焊 接工艺制定的前提。
焊接温度场：
焊件上某一点的瞬时温度分布
T=f（x，y，z，t）
式中
T—焊件上某点瞬时温度；
2020/7/28
热模拟技术发展的历史
国外：
1、前苏联科学院Rykalin院士对焊接过程的 传热问题进行了系统的研究，建立焊接传热学 理论基础，并在此基础上将焊接热源划分为点、 线、面热源；
2、Adames、木原博和稻埂道 夫等人根据热传导微分方程，通过 大量实验建立了不同情况下的传热 公式；
2020/7/28
x，y，z—焊件某点空间坐标；
t—时间
2020/7/28
在焊接过程中经过一定时间之后，焊件上会
形成准稳态温度场，即各点的温度不随时间而改 变。
2020/7/28
稳态阶段
影响焊接温度场的因素：
1、热源 热源种类很多，其性质也不相 同，焊接温度场的分布也不同。
2、焊接线能量E（q／v） 热源功率q和焊 接速度v不同，其焊接温度场分布也不相同。
2020/7/28
焊接温度场属于典型的非线性瞬态热传导问题。 焊接过程中的热传导控制方程
式中
ρ—材料密度
cp—比热容 λ—热导率
t—时间
QTR—内热源，包括弹塑性变形、蠕
变和相变潜热引起的变化
2020/7/28
（一）基于焊接熔池形状的热源模型
1 Rosonthal的解析模式
1）若热源为点热源 即三维温度场
4、焊件的板厚、几何形状和所 处的状态（包括环境温度、预热及 后热等）
2020/7/28
根据焊件尺寸和热源的性质，焊接 温度场可以分为一维、二维和三维。
1 一维温度场 传热方向只有一个，如细棒的摩 擦焊对接等。
2020/7/28
2 二维温度场 在板厚方向没有温差，即热源可 以看成是沿板厚的一条线（线热源），热的传播方向 为两个方向（x，y）属于平面传热，如薄板的焊接。
2020/7/28
3、国内近十多年来才开始对三维问题进行 研究，上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学 合作对三维焊接温度场问题进行了一系列有限元 研究，探究了焊接温度场的特点；
解为有限个单元组成的模型，即进行网 格划分，从而对离散化模型求数值解 主要特点：
1、概念清晰，容易掌握； 2、灵活性和适用性强，应用 范围广泛； 3、矩阵形式表达，便于编程 计算。
2020/7/28
焊接过程涉及电弧物理、传热、冶金和力学 ，涉及到温度场、应力和变形场、显微组织状
态场等多场耦合问题，其过程非常复杂。
2 高斯函数分布的热源模式
电弧热源是通过加热斑点将热能 传递给焊件的，加热斑点上热量分布 不均匀，中心多而边缘少。
2020/7/28
距斑点中心任一点的热流密度：
式中
qm—加热斑点中心最大热流密度
Rຫໍສະໝຸດ Baidu电弧有效加热半径 r—距电弧加热斑点中心的距离
2020/7/28
3 半球状热源分布函数模型
该模型是针对电弧挺度大，对熔池冲击力大的 情况提出的，如高能束的激光焊、电子束焊。
3、被焊金属的物理性质 金 属材料物理性质不同，其焊接温度场 分布也不相同。
（1）热导率λ 表示金属导热的能力
2020/7/28
（2）比热容c 即1克物质每升高1℃所需的热
（3）热扩散率a 表示温度传播的速度
（4）热焓H 单位物质所具有的全部能量
（5）表面散热系数α 散热体表面与 周围介质每相差1℃时，在单位时间内单 位面积所散失的热量
式中
T—热源在瞬时给焊接的热能 α—热扩散率 D—距点热源的距离，D=(x2+y2+z2)1/2
2020/7/28
2）若热源为线热源 即二维温度场
式中 d—距线热源的距离 d=（x2+y2）1/2
3） 若热源为面热源 即一维温度场
式中 F—截面面积 x—距热源的距离
2020/7/28
Rosonthal解析模式是以集中热源为基础的计算方法， 假定物性参数不变，不考虑相变与结晶潜热，对焊件几 何形状简单的归结为无限大、无限长、无限薄，计算结 果对远离熔合线的较低温度区（<500℃）较准确，但对 熔合区及热影响区误差很大，而这部分正是和焊接性能 相关的关键部位。
式中 q（x,y,z）为—功率密度，单位为W/m3
2020/7/28
4 椭球型热源模型
因为在激光焊情况下，熔池形状不是球对称的， 所以半球形热源分布函数有一定的局限性。经过改进， 又提出了椭球形热源模型。
式中 a、b、c分别为椭球的半轴长
2020/7/28
5 双椭球型热源模型
实际中，熔池前半部分温度梯度分分布较陡，后 半部分分布较缓，因此在椭球型热源分布函数基础上 又提出了双椭球型分布函数。
焊接热模拟技术
一、基本介绍
焊接热模拟技术是采用数值分析 的方法，即采用计算机程序来求解数 学模型（热源模型）的近似解，从而 得出焊接温度场分布和焊接热循环曲 线。目前使用最多的为有限元法，其 次为差分法，而应用较多的软件为 ANSYS、SYSWELD、ABAQUS等。
2020/7/28
有限元法:将连续的物体离散化，分
2020/7/28
3 三维温度场 热的传播方向是沿三个方向的，可 以把热源看成是一个点，如在厚大焊件的表面上堆焊。
2020/7/28
二、焊接热源模型
正确的热源模型是获得焊接热循环的 必要条件，是准确测量焊接过程残余应力、 焊缝强度的前提条件。目前使用最多的热 源模型是基于熔池形状的热源模型。近几 年，一些焊接工作者将已有热源模型作进 一步的修正，提出了更接近实际、方便计 算的热源模型。
3、1975年，加拿大的Poley和Hibbert在发 表的文章中介绍了利用有限元方法研究焊接温 度场；
4、加拿大Krutz在博士论文中研究了利用 焊接温度场预测接头强度问题，并分析了非线 性温度场。
5、20世纪末提出了计算机模拟 手段，焊接热模拟技术发展迅速。
2020/7/28
国内：
1、1981年西安交通大学唐慕尧等人编制了 热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度
4、蔡洪能等人建立了运动电弧 作用下表面双椭圆分布模型，并在此 基础上研制了三维瞬态非线性热传导 问题的有限元程序。
2020/7/28
焊接温度场的准确计算是焊接冶金分 析、焊接应力应变热弹塑性动态分析和焊 接工艺制定的前提。
焊接温度场：
焊件上某一点的瞬时温度分布
T=f（x，y，z，t）
式中
T—焊件上某点瞬时温度；
2020/7/28
热模拟技术发展的历史
国外：
1、前苏联科学院Rykalin院士对焊接过程的 传热问题进行了系统的研究，建立焊接传热学 理论基础，并在此基础上将焊接热源划分为点、 线、面热源；
2、Adames、木原博和稻埂道 夫等人根据热传导微分方程，通过 大量实验建立了不同情况下的传热 公式；
2020/7/28
x，y，z—焊件某点空间坐标；
t—时间
2020/7/28
在焊接过程中经过一定时间之后，焊件上会
形成准稳态温度场，即各点的温度不随时间而改 变。
2020/7/28
稳态阶段
影响焊接温度场的因素：
1、热源 热源种类很多，其性质也不相 同，焊接温度场的分布也不同。
2、焊接线能量E（q／v） 热源功率q和焊 接速度v不同，其焊接温度场分布也不相同。
2020/7/28
焊接温度场属于典型的非线性瞬态热传导问题。 焊接过程中的热传导控制方程
式中
ρ—材料密度
cp—比热容 λ—热导率
t—时间
QTR—内热源，包括弹塑性变形、蠕
变和相变潜热引起的变化
2020/7/28
（一）基于焊接熔池形状的热源模型
1 Rosonthal的解析模式
1）若热源为点热源 即三维温度场
4、焊件的板厚、几何形状和所 处的状态（包括环境温度、预热及 后热等）
2020/7/28
根据焊件尺寸和热源的性质，焊接 温度场可以分为一维、二维和三维。
1 一维温度场 传热方向只有一个，如细棒的摩 擦焊对接等。
2020/7/28
2 二维温度场 在板厚方向没有温差，即热源可 以看成是沿板厚的一条线（线热源），热的传播方向 为两个方向（x，y）属于平面传热，如薄板的焊接。