焊接热源模型的研究进展

概述了焊接温度场计算中热源模型的发展。主要论述传热学中常用的以集中热源为基础的线热源与面热源的解析模型、能量在空间以高斯函数形式分布的焊接热源模式及高斯分布函数的基础，引出的激光焊解析模式、分段移动热源模式、串热源模式、半球能量密度分布的热源模式、椭球能量密度分布的热源模式、双椭球能量密度分布等焊接热源模式。     

基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用的熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)熔池动态行为数值分析模型,该模型考虑了气—液—固三相耦合. 将电弧热输入视为双椭球体热源模型,将电弧等离子体描述为高速流向熔池的氩气,其流速呈高斯分布,流速峰值依据焊接电流确定,电弧压力与电弧等离子体对熔池表面的切应力在计算过程中获得;将熔滴过渡视为高温液态金属从熔池上部一定区域以一定速度流入熔池过程,通过对流速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率. 利用该模型对不同条件下GMAW焊熔池热场及流场进行模拟计算,并分析其流体动力学特征. 结果表明,模型能够合理地反映熔池动力学特征,同时还提高了计算效率.     

基于复合热源模型的CO2气体保护焊温度场模拟

实际短路过渡CO2气体保护焊接过程中,熔滴的热量对熔池温度场的分布会产生很重要的影响,当前焊接温度场模拟采用的热源模型中往往忽略了这一点.论文研究了CO2气体保护焊接的双椭球电弧热源模型以及将熔滴作为电弧之外的第二个作用热源模型,建立了适合于CO2焊的双椭球电弧热源与熔滴热源相叠加的一种新型复合热源模型;利用有限元软件ANSYS对低碳钢焊件的温度场及其不同位置的热循环曲线、纵向与横向温度场分布以及从起弧到宏观稳态的温度场动态演变规律进行了模拟和计算,并通过实验进行验证.研究结果表明,利用复合热源模型比单一的双椭球热源模型的模拟结果更接近于实验测试结果,验证了改进复合热源模型的准确性、有效性与实用性.     

基于组合热源模型的中厚板MIG焊模拟

为实现对复杂形状熔池下中厚板MIG焊过程的准确模拟,通过提取焊缝熔合线,拟合多项式方程,建立了具有特殊空间分布的电弧+熔滴组合热源模型.分别基于该模型和双椭球热源模型对6 mm厚6082-T6铝合金MIG焊进行了有限元模拟,计算了焊接温度场和焊后应力场.结合两种热源模型的模拟结果,从实际焊缝形状、热循环曲线、应力分布测量值三方面进行对比分析.结果表明,组合热源模型调节参数少,其温度场能更好地反映复杂形状熔池,应力场与实测值吻合度更高,适合开坡口的中厚板MIG焊过程模拟.     

多电弧埋弧焊共熔池温度场动态数值模拟

在分析焊接过程中的能量方程、边界条件和焊接热源分布模型的基础上,建立双电弧运动作用下埋弧焊熔池的温度场数学模型,采用有限元方法计算与分析了不同焊接速度、焊接电压对双电弧埋弧焊熔池温度场分布的影响规律,得出了不同焊接速度、焊接电压参数下对应的熔池形态特征,为双电弧焊高速埋弧焊过程焊缝成形因素分析及工艺优化提供了基础.     

焊接过程数值模拟热源模式的比较

焊接热源模式是焊接数值模拟研究的一个重要内容.文中简要介绍了焊接过程数值模拟热源的各种加载模式:高斯分布函数、双椭球分布函数、生死单元方法.针对具体算例,采用3种不同的热源加载模式进行三维焊接温度场的数值计算,并比较不同方法计算焊接温度场结果的差异.结果表明,生死单元方法是一种简单的热源加载模式,其计算效率优于其他2种加载方法.     

激光+GMAW复合热源焊流体流动数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用、高效的激光+GMAW复合焊流体流动数值分析模型.将电弧热输入视为双椭球热源模型,采用基于小孔尺寸的锥体热源模型描述激光热流分布;将金属填充过程视为液态金属从熔池上部边界以一定速度流入熔池过程,并通过对液态金属流速施加时间脉冲函数,模拟熔滴的过渡频率;模型简化了小孔的计算过程,主要考虑熔池中存在的弯曲小孔对流体的影响.利用FLUENT软件,对激光+GMAW复合热源焊熔池流体流动及小孔形态进行了模拟计算和分析.结果表明,模型能够合理反映小孔及复合焊流体流动模式的主要特征,且提高了计算效率.     

关于钨极氩弧焊热源模型适用性的探讨

采用Ansys有限元计算软件，模拟平板对接钨极氩弧焊时的三维动态温度分布。分别采用高斯分布函数、双椭球分布函数两种不同的热源分布模型进行加载，比较两种热源模型下计算出的温度分布情况差异。采用模拟时的焊接工艺参数进行钨极氩弧焊平板对接焊，测定焊接热循环曲线和焊缝截面尺寸，对模拟结果加以验证。结果表明，采用双椭球热源模型时的计算结果与实测结果吻合较好。     

摆动焊接动态过程温度场数值模拟

通过对常用的摆动式焊接的温度场进行数值模拟,根据摆动式焊接的速度和方向变化的特点,在经典的双椭球热源模型的基础上建立了摆动电弧动态热源模型,采用大型商用MARC.MSC软件进行了三维温度场模拟,并采用热电偶进行测温,计算结果与试验结果相吻合.通过对摆动焊熔池的演变过程、温度曲线、峰值温度曲线进行了分析,研究发现,摆动式焊接与常规的无摆动焊的温度场特征不同,摆动焊的温度曲线在加热过程和冷却过程都有一个小波峰出现,熔池经历了多次加热冷却过程,并且熔池的峰值温度随横向摆动速度的增大而减小.     

多丝焊接热源模型的研究进展

热源模型是焊接模拟研究的基础,其设计合理性与参数准确性直接关系到焊接热过程分析的正确与否。但由于多丝焊接多热源相互作用,使得其传热和熔池流动动态行为相比单丝焊接过程的更加复杂,单纯利用单丝焊的理论模型来解释多丝焊接的熔池流动动态行为,很难准确地预测熔池的热质传输机理。因而,如何将现有理论模型发展为具有多热源相互作用的新模型,成为多丝焊接模拟研究中必须解决的关键问题。建立多丝焊接的热源模型应充分考虑热源的相互作用,基于传统的单丝焊接热源模型,通常有高斯分布模型、半球状分布热源模型、球状分布模型、串段热源模型、双椭球状热源模型,高斯+圆柱体热源模型的复合、双高斯圆形热源模型等,热源模型的选择是根据焊接条件以及计算精度而选择。     

General expression of double ellipsoidal heat source model and its error analysis

In order to analyze the maximum power density error with different heat flux distribution parameter values for double ellipsoidal heat source model, a general expression of double ellipsoidal heat source model was derived from Goldak double ellipsoidal heat source model, and the error of maximum power density was analyzed under this foundation. The calculation error of thermal cycling parameters caused by the maximum power density error was compared quantitatively by numerical simulation. The results show that for guarantee the accuracy of welding numerical simulation, it is better to introduce an error correction coefficient into the Goldak double ellipsoidal heat source model expression. And, heat flux distribution parameter should get higher value for the higher power density welding methods.     

基于改进热源模型的铝合金MIG焊数值分析

采用CMOS高速摄像机检测和分析铝合金熔化极气体保护焊(MIG焊)熔滴过渡行为,确定MIG焊熔滴的过渡频率和速度.在理论分析MIG焊热源特性、热作用模式以及焊缝形貌前提下,从宏观焊接热过程出发,提出并开发了适用于MIG焊的组合体积热源分布模式,MIG焊电弧被处理描述为经典的双椭球体热源模型,熔滴能量作用模式被表示成均匀球体热源模型.同时,在均匀球体热源模型中加入了熔滴热能和动能,实现了熔滴对MIG焊熔池冲击作用的影响.基于上述热源模型,建立了铝合金MIG焊温度场有限元模型,对厚板铝合金MIG焊温度场进行了模拟.结果表明,模拟获取的焊缝熔合线走势及形貌和实际焊接结果相吻合,证明开发的热源模型能够准确描述MIG焊指状熔深特性和热传导过程.     

组合热源模型在焊接数值模拟中的应用

对不同焊接热源的特征要素进行分析,焊接数值模拟中采用高斯面热源和双椭球体热源处理焊接加热问题均不能准确地反映焊接熔池形状.文中提出焊缝表面高斯热源和焊缝内双椭球体热源结合的组合热源模型,其熔池与实际焊缝熔合线吻合.应用上述三种热源对马氏体不锈钢平板对接电弧焊的温度场及应力场进行了数值模拟.结果表明,使用组合热源进行数值模拟较之单独使用高斯或双椭球热源的残余应力计算值与实测值吻合度更高.     

真空电子束焊接热源建模及功率密度分析

分析了真空电子束深熔焊接的热源作用形成钉状焊缝的特征,建立了峰值功率递增型旋转高斯体热源,即热源作用半径在深度方向呈高斯规律递减,热源功率密度在深度方向呈指数函数规律递增.利用该热源模型计算了聚焦状态和散焦状态下,真空电子束焊接特殊热效应的功率密度分布.结果表明,热源数学模型得到的功率密度分布规律符合理想状态下的电子束热源作用特征,可用于不同聚焦状态下的真空电子束焊接的热效应数值模拟研究.     

小孔等离子弧焊接热场的有限元分析

根据小孔等离子弧焊接的工艺特点，建立了相应的热源模型和焊接热场的分析模型。数值模拟结果表明，一般的双椭球体热源和三维锥体热源不能准确描述小孔等离子弧焊接热过程。提出了改进型的三维锥体热源模型，可以较准确地计算焊缝的正面和背面熔宽，但熔合线走向的计算精度仍较低。在此基础上，考虑等离子弧对熔池的热-力作用，建立了符合小孔形态的热源模型，对小孔等离子弧焊接热场进行了有限元分析，计算出的小孔等离子弧焊缝形状与试验结果吻合良好。     

网格尺寸对双椭球热源模型作用下焊接温度场计算的影响

文中以Q345E薄板对接焊焊接过程为研究对象,基于双椭球功率密度分布体热源模型,利用ABAQUS有限元软件建立其1/2模型,通过数值模拟研究了不同网格尺寸对焊接温度场的计算精度和计算效率的影响,结合数值积分计算,分析比较了不同网格尺寸下,理论热输入与实际热输入的差别,提出了适宜的网格尺寸.计算结果表明,随着网格尺寸的不断减小,收敛时间变长,CPU计算时间变长,焊接温度场的最高温度、焊接熔池的宽度和深度减小;当网格尺寸减小至双椭球功率密度分布热源深度方向长度的1/2时,理论热输入与实际热输入偏差较小,得到的焊接温度场最高温度、焊接熔池宽度和深度也趋于恒定.     

TC4钛合金激光焊缝形貌与残余应力数值研究

针对激光深熔焊特点,采用均匀体热源模型、双椭球热源模型和组合热源模型,对TC4钛合金CO2激光深熔焊的焊缝形貌和残余应力进行了数值与实验研究。结果表明:在进行激光焊缝形貌与残余应力计算中,须根据激光焊接线能量选择激光热源模型,由此提出了均匀热源模型适合较大线能量,双椭球热源模型适合中等线能量,而组合热源模型适合较小线能量选择原则。组合热源模型和双椭球热源模型均能体现热输入随深度的递减变化,熔池轮廓呈现"圆锥"形和"钉子"形,均匀体热源的上下表面的残余应力分布基本一致,而双椭球热源和组合热源模型的下表面残余应力明显低于上表面。     

双丝焊温度场仿真的热源模型研究

分别以高斯热源模型及双椭球形热源模型为基础，推导出两种模型用于双丝焊的计算公式，建立了合适的有限元模型。在充分考虑各种边界条件下，对两种模型所建立的温度场进行了计算，得到25钢的双丝焊接瞬态温度场的分布规律。两种模型的仿真结果与工艺试验结果比较表明，双椭球形热源模型比高斯热源模型更适合双丝焊的三维有限元分析。     

双丝焊温度场仿真的热源模型研究

分别以高斯热源模型及双椭球形热源模型为基础,推导出两种模型用于双丝焊的计算公式,建立了合适的有限元模型。在充分考虑各种边界条件下,对两种模型所建立的温度场进行了计算,得到25钢的双丝焊接瞬态温度场的分布规律。两种模型的仿真结果与工艺试验结果比较表明,双椭球形热源模型比高斯热源模型更适合双丝焊的三维有限元分析。     

TC4钛合金激光焊缝形貌与残余应力数值分析

针对激光深熔焊特点,采用均匀体热源模型、双椭球热源模型和组合热源模型,对TC4钛合金CO₂激光深熔焊的焊缝形貌和残余应力进行了数值模拟与试验.结果表明,在进行激光深熔焊焊缝形貌与残余应力数值计算中,应根据激光焊接热输入选择激光热源模型,并提出了均匀热源模型适合较大热输入,双椭球热源模型适合中等热输入,而组合热源模型适合较小热输入的选择原则;组合热源模型和双椭球热源模型均能体现热输入随深度的递减变化,焊缝轮廓呈现圆锥形和钉子形;均匀体热源的上下表面的残余应力分布基本一致,而双椭球热源和组合热源模型的下表面残余应力明显低于上表面.