焊接热源模型读书报告1

焊接热源模型读书报告
一．焊接热过程的特点：
1.局部性—加热和冷却过程极不均匀;
2.瞬时性—1800k/s;
3.热源是运动的;
4.焊接传热过程的复合性
二．焊接热源模型:
1.焊接热源的特点：(1)能量密度高度集中;(2)快速实现焊接过程；(3)保证高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。

2.焊接热源的种类：(1)电弧焊：气体介质中的电弧放电(2)化学热：可燃气体(3)电阻热：电阻焊、电渣焊(4)高频感应热：磁性的金属高频感应产生二次电流作为热源(5)摩擦热：机械高速摩擦(6)电子束：高速运动的电子轰击(7)等离子焰：电弧或高频放电—离子流(8) 激光束：激光聚焦
3.热源的形式（从热传导的角度来考虑）：(1)点热源（三维）—厚大焊件焊接(2)线热源（二维）—薄板焊接(3)面热源（一维）—细棒摩擦焊
4.焊接热源模型的概念：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。

静态焊接热源模型:认为在焊接进行过程中热源模型是不随时间发生变化，
模型参数的部分或全部参数不是时间的函数。

焊接热源模型
动态焊接热源模型：热输入是随着焊接的进行而发生变化，模型参数的部分
或全部参数是时间的函数。

5.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。

焊接热源模型可以有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。

6.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。

根据焊接热源模型的定义及确定静态焊接热源模型的二要素来区分这些模型,如表1和表2所示。

表1均匀分布模式的熔化焊热源模型分类
一维二维三维
瞬时点热源瞬时线热源瞬时面热源
圆形热源
带状热源
矩形热源
柱状热源
表 2 高斯分布模式的熔化焊热源模型分类
二维
三维 圆形热源 (高斯热源 ) 椭圆形热源 双椭圆形热源 带状热源
磁盘形热源 圆柱形热源 长方体热源
旋转曲面体热源 圆锥形热源 半球形热源 半椭球形热源
椭球形热源 双椭球形热源
选择合理的热源模型的宗旨是依据实际热源特点和焊缝的形貌特征选取和综合热源模型，使得模拟得到的熔池区域边界与实际焊缝熔合线相符。

当使用电弧、高能束流和火焰焊接时，若熔得较浅，则可以采用表面热源模型；对于电子束、激光等深熔焊，则考虑采用表面模型和体模型的组合模型，其中参数要根据实际测量的焊缝熔深和熔宽合理选取；对于薄板焊接的情况，可以采用单纯体模型，也可以忽略温度场在深度方向的变化，简化为二维模拟采用表面模型或采用均匀分布的高斯柱体模型近似处理。

7..现有热源模式
7.1 Rosonthal 的解析模式
在上世纪30年代提出的经典Rosonthal 解析模式中 ，热源按作用的焊件几何形状的不同而被简化为点状、线状或面状热源。

理想点热源沿工件表面移动时计算瞬态温度场的经典解析模式见式（1）。

式中： T 0为环境温度；0Q Q η=为热输入率，W ； η为有效系数；0Q 为热源功率； λ为热扩散系数；υ为焊接速度；x ，y ，z 组成定坐标系；ζ，y ，z 组成动坐标系；
σ
为热导
率；U 为电压；I 为电流；N 为整数； δ为板厚。

由材料熔点温度，可以确定熔池等温线MP 、熔合区FZ 与热影响区HAZ 的大小。

对于大厚焊件上表面堆焊，热是沿3个方向传播的，则可以把热源看成是一个点热源。

瞬时集中点热源所形成的温度场可由其解析式（2） 得到,而厚度为h 无限大薄板上线状热源的温度，由式（3） 计算,得到的温度场是以r 为半径的平面圆环。

应用面热源时将试件简化为无限长细棒，断面处作为热源，其温度场可用 一维传热微分方程计算，则断面F 处有热源，距热源x ，经t 时刻的特解由式 （4）表示：
2
3/2
exp()
(4)
4Q
D
T ht t βρλλ=
-
π (2)
2
T =
exp()
44Q r
ht
t λλ-
π (3)
2
0.5
exp()
(4)
4Q
x
T F t t βρλλ=
-
π (4)
式中 ：βρ为比热和密度的积;D 为距点热源的距离 D 2
=x 2
+y 2
+z 2。

这种以集中热源为基础的计算方法，假定热物性参数不变，不考虑相变与结晶潜热，对焊件几何形状简单归为无限的（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 ，但对和焊缝性能相关的关键部位FZ 及HAZ 误差很大。

但由于此模型计算方法简 单，仍广泛应用于工程上。

7.2高斯函数的热流分布
高斯函数的热流分布是比点热源更切实际的一种热源分布函数，因为它将热源按高斯函数在一定的范围内分布。

其函数为：
2
()()r
q r q O e
ε-= (5)
式中：()q r 为半径r 处的表面热流；()q O 为热源中心处的热流量最大值；
ε为热源集中
系数，是与焊接方法相关的常数；r 为距热源中心的距离。

实践证明，相当部分热量是通过辐射和热传导直接输给焊件的。

Pavelicv 等人对此做过修正，通过对材料性能参数修正或设定损失系数等方法进行处理。

Friedman 和Krutz 等人认为另一种高斯分布的热源可写为：
22
2
2
3/3/2
3(,)x r
r
Q q x e
e
r
ζ
ζ--=
π (6)
式中：Q 为能量输入率；r 为热流分布特征半径。

为方便，引入固定坐标系（x ，y ，z ），式（6）可为如下形式：
22
2
2
3/3/2
3(,,)x r
r
Q q x z t e
e
r
ζ
--=
π (7)
t 为电源位置滞后的时间因素。

此时
2
2
2
x r
ζ
+<，对
22
2
x r
ζ
+<，q(x,y,ζ)=0这种热源分
布函数在早期用,FEM(有限元分析方法)计算焊接温度场时应用较多，人们用二维导热方程计算时常将纵向热流忽略。

因此，热源限制在x-y 平面上，通常设z=0。

在低速焊接时这 会引起较大误差，计算时热源沿 经过参考面，并施加热量，使热量扩散至整个平面。

7.3激光焊接温度场解析式
庄其仁基于激光束对金属表面的直接穿透以及深度只有激光波长量级的原理，将激光作用下形成的小孔区域作为均匀吸收介质，热源以高斯函数的形式输入，导出了三维解析式。

7.4分段移动热源模型
蔡志鹏等人在高斯热源的基础上提出了分段移动热源模型。

将一条焊缝分成若干段，在第一段内的节点上同时作用高斯热源，沿焊接的顺序依次加热各段。

每段输入的热功率为：
/t m Q q a k
=π (8)
加热时间为：
t kv π=
式中：q m 为加热斑点中心最大比热流；a 为焊缝的长度，m ；k 为能量集中系数.。

这种热源模型只需对一段划分为一个时间步，避免了描述点状热源在该段内移动所需的时间步，从而大大减少了计算量。

7.5串热源模型
虽然段热源可以大幅缩减计算时间，但该模型具有需要用几何参数来描述的局限性。

因此蔡志鹏等人对段热源进行改进，将段热源模型用一组点热源模型取代，形成一“串”点热源，既可以减少计算量，又有使用上的灵活性。

这就是串热源。

如果将焊缝分为m 段，每段上有m+1个节点，则每段中间节点的输入热功率为分段移动热源模型中每段输入热功率的1/n Q t /n ，n 为每段的节点个数。

每段的端点输入热功率为中间节点输入热功率的一半。

加热时间由式（9）计算。

对于串热源的描述只需指明在哪些节点上输入热功率的大小及加热时间，不受节点所在面形状和方向限制。

7.6半球状热源分布函数
在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，高斯分布的热源应用模式较准确，但对高能束焊接，高斯分布函数没有考虑电弧的穿透作用，在这种情况下，提出了更为实际的半球状热源分布函数模式。

其函数为：
22
2
2
22
3/3/3/3
6(,,)x r
r
y c
Q q x y e
e
e
r
ζ
ζ---=
ππ
（10）
式中：q （x ，y ，ζ）为功率密度，W/m 2。

因为在实践中人们知道，熔池在大多情况下并不是球对称，因此提出了椭球热源对其进行改进。

7.7椭球形热源分布函数
以（0，0，0）为中心，平行于坐标轴 （x ，y ，ζ）半径为a ，b ，c 的椭球内热量密度是高斯分布的函数：
2
2
2
(,,)()AX
BX
c q x y q o e
e
e
ζ
ζ---= (11)
式中：q （o ） 为椭球心部最大的热流密度值。

根据能量守恒以及A=3/a 2 ,B=3/b 2,c=3/c 2得
2
2
22
2
2
3/3/3/63(,,)x a
y b
c
Q q x t e
e
e
abc ζ
ζ---=
ππ
(12)
通过坐标变换可以得出在固定坐标轴下热源分布函数为：
2
22
22
2/3/3/3[()]
3
63(,,)c
x c
y c
z v T t Q q x t e
e
e
c
ζ---+-=
ππ
7.8双椭球形热源分布函数
以椭球形热源密度函数计算过程中发现在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变，而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。

为克服这个缺点，提出了双椭球热源分布函数。

把热源分
为前后两个部分，前半部分是个1/4椭球，后半部分是个1/4椭球。

设前半部分椭球能量分数为f f ，后半部分椭球能量分数为f r ，且f f+f r =2，则在前半部分椭球内热源分布为：
2
22
22
2/3/3/3[()]
3
63(,,,)c
f x c
y c
z v T t f Q q x y z t e
e
e
c
---+-=
ππ
将上式中的f f 换为f r ，即可得到后半部分椭球内热源分布的计算式。

确定数值模拟中的热源模型， 即确定合理的焊接热流分布函数， 使模拟的温度场符合实际焊接的情况。

热源模型的建立准则是熔池边界准则，即与实际焊接相比输入相同热量的情况下，如果使用所选热源模型所模拟得到的熔池区域边界（Fusion Zone Boundary ，FZB ）与实际焊缝熔合线相符，那么就认为此热源模型是合理的。

对于现有热源模型的选择使用及发展均以此准则作为出发点，同时，这一准则也为判断所选模型是否合理提供了依据。

事实上，我们总是依据不同焊缝的热源特点和表现出的不同形貌特征来选择和组合热源模型，以使得模拟得到的熔池边界区域与实际焊缝融合线相符。

这样得到的焊接温度场数值模拟的结果是能够满足焊接力学分析的要求的。