焊接过程的计算机模拟

焊接过程的计算机模拟
作者：山东大学武传松
摘要：本文介绍了焊接过程计算机模拟的最新进展和发展趋势；GMAW焊接熔池流场与热场的数值模拟；双面双弧焊接过程的计算机模拟；TIG焊接电弧的数值分析；电弧阳极边界层传输机理的数值分析；以及焊接热影响区组织和硬度的预测等。

0. 引言
焊接是一个涉及许多学科的复杂的物理—化学过程。

由于焊接过程涉及的变量数目繁多，单凭积累工艺试验数据来深入了解和控制焊接过程，既不切实际又成本昂贵和费时费力。

随着计算机技术的发展，通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，成为一种强有力的手段。

计算机模拟方法为焊接科学技术的发展创造了有力的条件[1]。

1993年，美国能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典、英国的25位著名专家对21世纪焊接科学技术的发展动向做出预测，其中焊接基本现象的模拟与仿真被列为最重要的研究方向之一[2]。

我国国家自然科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工领域的发展方向之一[3]。

计算机模拟是使包括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学”的重要标志。

采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实验室里进行直接研究的复杂问题。

在制造业，计算机模拟与仿真可以增加材料利用率25％，节约生产成本30％，产品设计至实际投产的时间缩短40％[4]。

近年来，国内外在焊接过程计算机模拟方面开展了许多研究工作，取得不少成果。

本文简要介绍该领域的发展动向和最新进展。

1. 焊接过程计算机模拟领域的国际动向
国际上有关焊接过程数值模拟的学术交流活动十分活跃，除了在各种综合性大型国际学术会议上交流许多论文之外，有关国际专题会议“Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes”,“Numerical Analysis of Weldability”都已举办了多届。

1996年11
月日本大阪大学接合科学研究所主办了一个“焊接与连接的理论预测”的国际学术讨论会。

国内哈尔滨工业大学已承办三届“材料热加工物理模拟和数值模拟”国际会议，上海交通大学也于2000年3月组织了“第一届热加工数学模型和计算机模拟”国际会议。

国际上近几年也创立了主要报道计算机模拟领域最新成果的学术刊物，如《Computational Materials Science》、《Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering》等。

尤其是国际焊接学会第IX专业委员会和奥地利格拉茨工业大学主办的国际专题讨论会“Numerical Analysis of Weldability”,每两年举行一次，已成功举行５次，2001年10月1-4日举行第6届会议。

从1991年第一届时十几人出席交流几篇论文，发展到1999年第５届100多人出席交流71篇论文，反映出越来越多的焊接科技人员涉足该领域，该会议每次都由英国材料学会出版论文集。

概括来说，焊接过程的模拟与仿真主要围绕４个大的方面展开：
（１）焊接熔池中的流体动力学和热过程。

（２）热源与金属间的相互作用（焊接电弧物理、电弧作用于熔池表面的热能和压力分布、熔池表面的变形、液态金属的蒸发，还有氢、氮、氧在熔池及周围环境之间的配分等）。

（３）焊缝金属凝固和焊接接头的相变过程。

（４）焊接应力应变发展过程以及非均质焊接接头的力学行为（包括氢的扩散、裂纹的产生倾向等）。

２. GMAW焊接熔池形态的数值模拟研究
焊接熔池形态，是熔池中的受热受力情况、熔池的几何形状、熔池中的流体动力学状态等熔池行为的统称。

焊接熔池形态不仅直接关系到焊缝形状尺寸、熔透程度、接头组织与性能、应力分布状态，而且对热裂纹和冷裂纹的形成和防止也有重要影响。

开展焊接熔池形态的数值模拟研究，将为焊接工艺优化设计和焊接过程智能控制提供关键的基础数据和理论依据。

熔化极气体保护电弧焊(GMAW)在各种熔焊方法中已经居于主导地位，在自动化焊接和机器人焊接中应用最为广泛。

但是，国内外所建立的关于熔池形态的数值分析模型，大多数都是针对钨极氩弧焊(GTAW)的，其原因就在于GMAW焊接工艺过程比较复杂。

由于熔滴过渡，熔滴对熔池造成冲击，熔池表面产生比较大的变形；熔滴进入熔池时要带入一部分附加的热量；比较大的熔池表面变形会使电弧热流的分布模式发生改变。

因此，上述这些难点成为对GMAW焊接熔池准确模拟的关键。

作者所主持的课题组建立了GMAW焊接熔池形态及其热过程的数值分析模型［5-12］，首次在熔池表面变形方程中引入熔滴冲击力项，在热能方程中引入熔滴热含量项，定量描述了
熔滴冲击力和热焓量与焊接工艺参数之间的定量关系以及对熔池流场和热场的影响［5，7，8］。

提出了GMAW熔池表面变形较大情况下电弧热流的后向偏移双峰分布模式，克服了国内外通用的高斯函数型分布热源的局限性［6，11］。

给出了不同工艺条件下熔池形态及其热过程的大量基础数据。

结果如图1－4所示，图5是GMAW焊缝横截面形状尺寸计算与测试结果的比较。

图1 电弧热流在熔池表面上的分布图2 射流过渡时焊接熔池内的流场
图3 滴状过渡时焊接熔池内的流场
图4 表面张力温度系数的符号对熔池流场的影响
图5 焊缝横截面形状尺寸计算值和测试值的比较
3．双面双弧焊接过程的数值模拟
美国肯塔基大学张裕明博士发明了一种能显著增加熔深但又成本低廉的双面双弧焊接工艺（DSAW），可以实现中等厚度板不开坡口直接对接焊接[13，14]。

DSAW焊接方法有效地提高了电弧地穿透能力，增大了熔深；减小了热影响区的尺寸；降低了试件厚度方向的温度梯度，从而有利于减小热变形。

山东大学与张裕明合作，建立了DSAW焊接过程的数值计算模型，对这种工艺的机理进行了定量的计算机模拟，为其工艺优化设计和推广应用奠定了
基础。

DSAW焊接过程如图6所示。

工件上面是等离子弧（PAW）焊枪，下面是钨极电弧（GTA）焊枪。

这两把焊枪直接连在一套变极性等离子焊接电源的两个输出端上，构成单电源双面双弧焊接系统。

焊接过程中，GTA和PAW电弧均以相同速度沿焊接方向运动。

对18-8不锈钢试件的DSAW焊接热过程进行了数值分析。

试件尺寸为150×80×9.5（mm）。

焊接工艺参数为：PAW喷嘴直径为1.57mm，PAW和GTA电极直径均为4.8mm，PAW 电极、GTA电极端部到工件表面的距离分别为6mm和10mm，焊接电压约为45V，焊接电流67A，焊接速度为1.3mm/s。

为了进行比较，也同时计算了常规等离子弧焊接的温度场（焊接工艺参数为：电极直径4.8mm，电极端部到工件表面的距离为6mm，焊接热输入与DSAW焊接相同）。

图7比较了相同热输入条件下DSAW焊接和PAW焊接工件的横向温度分布。

可以看出，对于DSAW焊接，在小孔形成之后，焊件上的高温区域集中在电弧中心线附近，这是由于焊接电流直接沿厚度方向上流过焊件，焊接电弧被导入小孔，电流分布比较集中，使电弧受压缩的程度增加，从而补偿了等离子流穿透工件时的能量消耗，大大提高了等离子弧的穿透能力。

图7（b）为常规PAW焊接时的计算结果，在此条件下没有熔透，熔深只有4.5mm，温度分布与DSAW焊接的情况有显著差异。

图8比较了DSAW焊缝横截面几何形状的计算与实测结果，实验和计算参数同图7，可见两者吻合情况良好。

(a) DSAW (b) PAW
图7 焊件内温度分布的计算结果（虚线表示温度为熔点Tm的等温线）
图8 DSAW焊缝横截面几何形状的计算和实测结果
4．TIG焊接电弧的数值分析
TIG焊接过程中，电弧作为热源、力源，向熔池表面施加分布的电流密度、热流密度和压力。

为了准确地计算焊接熔池形态及其热过程，必须预先知道焊接电弧对熔池的作用。

电弧行为受下列方程的控制：欧姆定律，麦克斯威方程，质量、动量、能量和电荷的守恒方程。

涉及到电场、磁场、热场、流场的相互作用。

作者与日本同行合作，建立了一个TIG焊接电弧物理传输过程的数值分析模型，在定量描述电弧和熔池的动态双向耦合问题上向前迈出了一步[15]。

图9和图10是电场强度、电位势和电流密度在电弧中心线上的分布。

在钨极尖端附近，电
流密度非常大；随着离开钨极距离的增大，电流密度迅速减小。

在电弧中心线上，电导率几乎恒定，因此，电场强度和电流密度曲线的形状类似。

钨极端部附近，电位势的梯度很大，造成该处电流密度也很大，产生很强的电磁力。

电磁力作用在电弧上，使得钨极端部处产生很大的压力梯度，对等离子流加速，使其快速朝向工件运动。

图11表示出了电弧中心线上等离子流的速度分布。

图12是电弧弧柱区等温线的计算结果，并与文献中的测试值做了比较。

图9 电弧中心线上的电场强度和电位势
图10 电弧中心线上的电流密度
图11 电弧中心线上的流速
图12 电弧弧柱区的等温线（左侧实验数据引自文献[16]）
5. 电弧阳极边界层传输机理的研究
直流正极性焊接时，电弧等离子体与工件表面之间存在一个很薄的过渡区，称之为阳极边界层［17］。

在该层内，温度梯度极大，存在着各种传输现象，如能量、动量和质量的传输。

这些传输过程直接决定了焊接电弧作用于工件表面的电流密度和热流密度的大小和分布，因而又直接影响到焊接热输入、熔池内部流体流动及传热过程。

GTAW焊接电弧阳极区如图13所示。

根据等离子体是否为连续介质和电中性是否维持两个条件，将阳极区进一步划分为阳极边界层（boundary layer）、近鞘层（presheath）和鞘层（sheath）三个子域，其各层厚度分别处于10-1 mm、10-3 mm和10-5 mm的数量级。

在阳极边界层内，电子温度远远高于重离子（正离子和原子）的温度。

分别推导出电子和重
离子的质量守恒方程和能量守恒方程。

四个主要的控制方程对应于四个主要变量：ne(电子密度)、Ｔe (电子温度)、Ｔｈ（重离子温度）和Ｅ（电场强度）。

这四个主要变量确定之后，其它的电弧等离子体性能参数也就随之确定。

根据电弧弧柱区分析结果确立边界条件，建立起电弧阳极边界层的数值分析模型［18］。

设计和开发出计算软件，利用Runge-Kutta法求解控制方程组，可以得出各种电弧等离子体性能参数。

如图14－16所示。

表1是阳极表面最大热流密度计算值与测试值的比较：
表1 阳极表面接受到的最大热流
电流（Ａ）弧长（mm）压力（kPa）ｑa计算值(106A/m2) ｑa测试值(106A/m2)
100 5.5 101 26.24 27.5
190 5.5 101 38.64 40.0
图13 电弧阳极区示意图
图14 电弧阳极边界层中的电位势
(q 是距离阳极表面一个电子平均自由程处重粒子温度与阳极表面温度的比值)
图15 电弧阳极边界层内的电子流通量
（Ge是电子流通量，Ge上标E、Te、ne分别表示电场温度、电子温度梯度
和电子数量密度所导致的Ge分量）
图16 阳极表面的热流
（q 的意义见图14图题，qa是阳极接受的总的热流，qe、qce、qch分别是电子流、
电子导热和重粒子导热作用传向阳极的热流）
6. HQ130钢焊接热影响区组织和硬度的预测
HQ130钢是抗拉强度大于1300 mPa的高强钢，其焊接热影响区（HAZ）的组织和硬度是影响焊接接头质量的重要因素，而HAZ组织和硬度与焊接热循环密切相关。

通过建立符合实际情况的GMAW焊接熔池及热过程模型，能够提高焊接热循环的计算精度，为HAZ组织和硬度的预测奠定了基础。

综合分析比较了目前有关HAZ组织和硬度的预测理论和经验公式，建立了HQ130钢HAZ 奥氏体晶粒尺寸及组织硬度的计算模型，得出了不同焊接热输入时HAZ不同部位奥氏体晶粒尺寸及组织和硬度的计算结果［9］。

如图17-18所示。

图17 HQ130钢HAZ奥氏体晶粒尺寸计算与实测结果[15]
（1，2，3对应的焊接热输入分别是9.6, 16.0, 22.3 kJ/cm）
图18 HQ130钢HAZ硬度分布的计算与实测结果[15]
（1，2，3对应的焊接热输入分别是9.6, 16.0, 22.3 kJ/cm）
7. 结束语
计算机模拟为焊接技术的发展创造了有力的条件，可以期望在21世纪内包括焊接在内的热加工研究模式将转变为“理论—计算机模拟—生产”，这将大大提高热加工工艺的科学水平，节省大量实验所需的人力物力。

在焊接过程计算机模拟的研究和开发过程中，应十分重视实验验证工作，可以预料，只要在获得焊接过程的物理参数和开发测试装置和方法等方面继续做出努力，焊接模拟技术必将得到越来越快的发展，并具有广阔的应用前景。

参考文献
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