相关焊接热源计算模式的研究进展

《相关焊接热源计算模式的研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、万方数据第22卷第3期焊接学报v。1．22No．32O1年6月TRANSACnONSOFTHECHINAWELDlNGINSrnTUrn0Njune2OO1焊接热源计算模式的研究进展莫春立1一，钱百年1，国旭明1，于少飞1(1．中国科学院金属研究所，沈阳110015；2，沈阳工业学院．沈阳110015)摘要：总结了计算焊接温度场过程中焊接热源模式的改进过程。首先讨论了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、以及能量在空间以高斯函数形式分布的焊接热源模式，以高斯分布函数为基础，引

2、出了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。并对比了不同热源分布函数对计算结果的影响，讨论了不同焊接计算过程中对热源函数的选择。结果表明，通常的工程运算仍可采用解析模型函数进行简化计算，高斯分布函数、半球能量密度分布函数、椭球能量密度分布函散常应用在有限元计算过程中，但由于未精确考虑电弧对熔池的冲击作用，在熔池附近有一定误差，而双椭辣能量密度分布的热源模式，不仅可以处理一般的电弧冲力小的焊接热源，也可以处理具有强烈穿透作用的激光焊和电子束焊过程的

3、焊接热源，进一步提高焊接热循环的计算精度。关t词：焊接热影响区；双椭球分布函数；热循环中围分类号：代402文献标识码：^文章编号：0253—360x(2001)03—93一04O序言在工业上人们非常关心焊缝及热影响区的扭曲、残余应力、抗拉强度等指标，而这些问题都直接与焊接热熔化过程的热循环密切相关。对于低碳钢、低合金钢来说，焊接加热过程中特别是高温停留时间、以及温度由800qc冷却到500℃的时间，对给定成分的材料的组织性能有决定性作用。而温度由400℃冷却到150℃的时间对氢的扩散及焊接冷裂纹

4、的产生具有重要影响。要想准确测量焊接过程残余应力、焊缝强度，必须首先保证焊接热循环计算的准确性。为了计算焊接热循环，人们提出了一系列计算模式，下面分别进行讨论。焊接电弧作为热源是一个复杂的物理现象，一般弧焊热源热量范围在10”一2xlo”l【J／m2，而对高能量焊接如激光、电子束焊，热量会更高。1热源模式1．1I咖岫l的解析模式在30年代提出的经典R09∞t}l缸的解析模式⋯中，热源按作用的焊件几何形状的不同而被简化为点状、线状或面状热源如图l所示。理想点热源沿收蒋日期：2∞0—11一03基盒项

5、目：国家973超级钢项日资助(G1辨8艏1512)l莫春立工件表面移动时计算瞬态温度场r(*，，，z，t)的经典解析模式见式(1)№小z)=％+缶exp(音)【薹(-偷)】．』e砷c晋，，l砌；以—7了石疆j耵，b：z一甜，(1)式中：瓦为环境温度；Q=nw，为热输入率(w)；n为有效系数；^为热扩散系数(m2／s)；口为焊接速度(Ⅱ∥8)；z，y，：组成定坐标系；f，y，=组成动坐标系；^为热传导率(w／m℃)；U为电压；，为电流；Ⅳ为整数；g为板厚。由材料熔点温度．可以确定熔池等温线MP、熔

6、合区Fz与热影响区HAz的大小。而厚度为^无限大薄板上线状热源的温度，由式(2)计圈1理想点热源沿焊件囊面移动时的焊接温度场ng．1Tempe瑚tIl件neM0fjd曲li∞cdpoInt舯um瑚订ngiI伽g也e鲫加ofworl【pI峨万方数据94焊接学报第22卷算⋯，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z，经‘时刻的特解由式(3)表示njk焉缸exp(一乞。)，(2)n，2r2面茄。

7、1p(一素)，(3)式中：印为比热和密度的积(J／m3℃)；口为热扩散率(m2／s)。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FZ及HAZ误差很大，而这部分正是和焊缝性能相关的关键部位。但此模型由于计算方法简单，工程上仍得到广泛应用。1．2高斯函数的热流分布高斯函数的热流分布”1是一种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

8、范围内分布，见图2。其函数为g(r)=q(0)e一础，(4)式中：g(r)为半径r处的表面热流(w／m2)；口(o)为热源中心处的热流量最大值；c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。图2高斯分布的热源(c，>c2>c3d。电弧有效范围)ng．2Gl∞djstrIbuH∞Ⅻmffl’屯>c3如archotspoI)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。PaveljcV【21等人对此做过修正，通过对材料性能参数修改或设定损失系数等方法进行处理。蹦edman