焊接数值模拟的研究和发展

焊接数值模拟文献综述

摘要

焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)，而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大，无前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，客观评价焊接质量。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其在军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经济损失，而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。

随着计算机技术发展，20世纪末提出了计算机模拟的手段，为热加工包括焊接技术的发展创造了有力的条件。焊接过程数值模拟可包括以下几个方面：(1)焊接热过程；(2)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程；(3)焊接应力和应变发展过程；(4)非均质焊接接头的力学行为；

(5)焊接熔池液体流动及形状尺寸；(6)重大结构及其部件的应力分析。利用这种方法可以展望21世纪热加工的研究模式将转变为“理论——计算机模拟——生产”，从而大大提高焊接和材料热加工的科学水平，节约用于实验研究的人力、财力。焊接变形预测方法大多基于有限元分析。近年来，随着计算机软、硬件和有限元法的发展，焊接三维数值模拟的研究成为该领域的前沿，三维焊接热应力和残余应力演化虚拟分析技术也逐渐发展起来。计算机硬件的发展为焊接过程的模拟和工程预测创造了条件，现在Pc机的性能己和十几年前的小型机、中型机性能相差无几，对于简单的、结构不是很复杂的焊接结构可以在PC机上实现其模拟过程。

1.焊接温度场的分析国内外发展状况

焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。关于焊接热过程的分析，苏联科学院的Kalin院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。为了求热传导的微分方程的解，他把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位。Adames、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基础，积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最后建立了不同情况下的焊接传热公式。这种方法比前者采用数学解析法要准确，但实验的工作量很大，有确定的应用条件和范围，且可靠性取决于测试手段的精度。1966年wilson和Nicken首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。70年代。有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。1975年，加拿大的Poley和Hibbert在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层U、V型坡口的焊接温度场计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性。之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作。Krmz在1976年的博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度问题，其中分析了非线性温度场，在二维分析模型中，假定电弧运动速度比材料热扩散率高，因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小，从而忽略了在电弧运动方向的传热，这实际上与Rykalin高速移动热源公式的处理方法是一致的。

西安交通大学唐慕尧等人于1981年编制了有限元热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与实验值吻合。随后上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模型，编制了相应的程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析。并在脉冲TIG焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析。

对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究。其原因是焊接过程温度梯度很大，在空间域内，大的温度梯度导致严重材料非线性，产生求解过程的收敛困难的和解的不稳定性；在时间域内，大的温度梯度决定了必须在瞬态分析时在时间域内的离散度加大，导致求解时间步的增加。国内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的有限元研究，探究了焊接温度场的特点和提高精度的若干途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节

点热焓的方法对低碳钢(A3钢)板的焊接温度场进行了计算，计算结果和实验值吻合得很好

2.焊接应力场的研究历史和发展

焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只能是定性的和实测性的。五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。六十年代，由于计算机的推广应用，对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。1961年，Tall等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。1971年，1waki编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序，后来Muraki对它做了重大改进，扩大了这个二维程序的功能，使之可用于对接焊和平板焊过程的热应力分析。日本的上田幸雄等人以有限元为基础，应用材料性能与温度相关的热弹塑性理论，导出了分析焊接热应力所需的各表达式。此后美国的H．D．Hibbert，E．F．Rvblicki，Y．Iamuk以及美国MIT的K．Masubuchil等在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作。Anderson分析了平板埋弧焊时的热应力，并考虑了相变的影响。

进入八十年代，有限元技术日益成熟，人们对焊接应力应变过程及残余应力的分布规律的认识不断深入，1985年Jonson等人通过大量的数值计算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑了定位对焊接残余应力分布的影响。Josefcn对薄壁管件焊接残余应力以及回火去应力过程的应力分布情况进行了研究，并探讨了一些调整焊接残余应力的措施。

进入九十年代，随着计算机性能的进一步提高，对焊接应力应变的研究更深入。1991年Mahin等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。T．Inoue等研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之问的藕合效应，并提出了在考虑藕合效应的条件下本构方程的一般形式。1992年加拿大的chen等人对厚板表面重熔时的应力应变进行了有限元计算，其中考虑了熔化潜热及凝固过程中固液相转变过渡区应力的变化，其残余应力计算值和实验值相当吻合。美国的shim等人利用平面应变热弹塑性有限元计算了厚板多层焊的残余应力，并对不同坡口形状的焊接残余应力进行了比较，揭示了厚板残余应力分布的规律。1993年，加拿大的chidiac等人研究了厚板焊接过程的应力应变及残余应力的分布，其中涉及了三维加热模型，并考虑了显微组织的变化和晶体生长等情况。加拿大的J．Goldak等对从室温到熔点的焊接热应力进行了研究，提出了各温度段的本构方程。另外，与焊接温度场的有限元分析类似，焊接热弹塑性有限元分析过去大都局限于二维，三维问题的研究是九十年代才开始的。瑞典的L．Karlsson