厚板多道焊的焊接热源校核调研报告

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1、调研报告基于厚板多道焊的焊接热源校核研究1课题的来源及意义随着计算机软硬件技术的发展，数值模拟技术己经渗透到焊接的各个领域，在航空航天、军工、能源、动力等领域，关键部件焊接过程仿真技术的实现，对于优化工艺过程，提高产品质量和消除安全隐患起着日益重要、其至不可替代的作用。焊接数值模拟的理论意义在于，通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端情况不尚不知的规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认清焊接现象本质，弄清焊接过程规律。焊接数值模拟的现实意义在于,根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计,从而减少试验工作

2、量,提高焊接接头的质量。焊接数值模拟包括以几个下方面：（1）焊接热过程的数值模拟；（2）焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟；（3）焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟；（4）焊接应力和应变发展过程的数值模拟；（5）非均匀焊接接头的力学行为的数值模拟；（6）焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数值模拟；（7）焊接结构断裂初性、疲劳裂纹扩展的数值模拟。同时随着现代科技的高速发展，焊接模拟技术的地位变得越来越重要，它不仅能够有效地提高产品的经济效益，还可以节省火量的时间。有限元法则是焊接模拟技术屮适应电子计算机而发展起来的一种有效方法，它已经成

3、功地解决了工程领域中的许多问题，广泛地用于研宂焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学的分析等。厚板焊接结构广泛应用于建筑、造船、锅炉压力容器等工业部门。对于厚板的焊接方法人们一般采用电渣焊、多层多道焊（手工电弧焊、埋弧焊、窄间隙埋弧焊、TIG焊、MIG焊等）以及电子束焊。由于设备等方面的原因，大多数工厂均采用多层多道焊。焊接变形的种类虽然很多，但各种焊接变形产生的根本原因是基本一样的，即焊接时的不均匀受热和局部塑性变形是焊接结构产生残余应力和焊接变形的根本原因。同时，焊接时的各种机械力也可能使结构发生物理位移而导致工件变形

4、。准确地进行焊接变形的预测，同吋利用设计和工艺措施来控制或减少焊接变形是人们所期望的。焊接变形的预测方法很多，归纳起来有经验法、解析法以及近年来报道较多的数值法。计算机技术的发展为有限差分法、有限元分析方法等数值分析方法所需进行的火量计算创造了条件。可以预见数值方法在将来的焊接变形预测中必将发挥越来越重要的作用。另一方面，对于面向工程的预测方法（经验法），由于其具有模型简单、计算速度快、针对性强、较准确并丑容易被工程技术人员掌握等优点，也必将得到很好的发展。焊接热源具冇局部集中、瞬吋和快速移动的特点，易形成在吋间和空间域内梯度都很大的不均匀温

5、度场，而这种不均匀温度场乃是进行焊接力学分析的基础。对于低碳钢、低合金钢而言，在焊接加热过程屮的高温滞留时间以及温度从80CTC到500dC的冷却时间决定Y给定材料焊后的微观结构和机械性能，而温度从40CTC到15CTC变化的冷却时间则是氢的扩散及焊接冷裂纹的形成的控制因素。要想准确预测焊接残余应力的分布以及焊缝强度等就必须保证焊接热循环的准确性，就需要建立一个好的焊接热源模型，因此，焊接热源模型的建立是焊接模拟过程中不容忽视的重要部分。2国内外发展的状况1962年,丹麦人首次用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算，进入70年代，更多的

6、国家加入到这个研究行列，并从铸造逐步扩展到锻压、热处理、焊接。我国焊接界数值模拟研究起步于80年代初，近年来很多的科研单位和个人投入到了这项研究中，并取得了积极的进展。2.1焊接热过程分析焊接热过程分析包括焊接热源的人小和分布形式分析、热物理性能随温度变化的影响分析，焊接熔池屮的流体动力学和传热分析，焊接电弧的传热传质分析，以及各种实际焊接接头形式、焊接程序、焊接工艺方法的边界条件处理等。利用数值方法计算焊接热过程，为合理选择焊接方法和工艺参数以及进一步进行冶金分析和动态应力应变分析奠定了基础。焊接热过程的数值分析开始于20世纪70年代。19

7、85年樊丁和M.Ushio在假定电流为高斯分布的条件下，计算了电弧的压力场分布规律，建立了较完善的电弧传热传质数值模型D］;J.J.Lowke采用了一个统一的电弧-电极处理系统对GTAW和GMAW焊接时电极的温度进行了数值预测，该二维模型可在任何给定电流、焊接气体和电极形状下进行分析［2］。文献［3］首次将电弧看作辐射状并呈高斯分布的二维热流作用于工件表面,解决了电弧产热问题;通过淬液法测试金属的固相分数随温度变化率，得到凝固潜热释放率;采用增人热传导系数的方法并考虑熔池A流体流动对整个温度场的影响，建立了二维焊接凝固裂纹温度场计算模型。文献

8、［4］在ADTNA&T的基础上，建立了包括网格划分、材料性能参数输入和焊接参数输入的输入模块,实现Y参数的输入、预览等基本功能；同时编制丫时间函数自动生成模块，实现