焊接过程多场耦合模拟研究进展.pdf

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1、钐论坛F。RuM多佘律波，王少刚。魏艳红(南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京211106)【摘要】焊接是一个涉及到多物理场耦合的复杂过程，采用传统的试验方法研究焊接现象存在成本高、效率低、局限性等问题，数值模拟技术很好地解决了这些问题，因此该技术已成为国内外焊接工作者研究的热点，在航空航天、汽车船舶等领域得到越来越广泛的应用。介绍了影响熔池形态和焊接变形的因素以及外加磁场对改善焊缝成形的作用，重点论述了数值模拟技术在多场耦合作用下焊接熔池形态、应力与变形以及焊缝成形控制等方面的应用及研究现状，在此基础上提出了焊接过程多场耦合模拟的未来发展

2、动向。关键词：焊接；数值模拟；多场耦合DoI：10．16080巧．issnl671．833x．2017．15．064余律波南京航空航天大学硕士研究生。主要研究方向为焊接数字化软件和焊接过程模拟。+基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；中央高校基金重大项目培育基金项目(NP2016204)。64航空制造技术·2017年第15期随着科学技术的发展，现代焊接技术中使用的焊接热源在早期的能源基础上又开发出了电磁、激光等新的能源方式，因此在焊接过程中存在更多的物理场耦合作用。深入了解复杂多物理场耦合及其相互作用机制，可为研究焊接过程中的

3、熔池形态、应力变形及焊缝控制成形等提供重要的理论依据。通过对复杂焊接过程进行数值模拟，有助于掌握焊接现象的本质特征，通过优化焊接结构设计与工艺设计，进一步提高焊接接头的质量，同时大大减少试验工作量，促进焊接生产从“理论一试验一生产”模式向“理论一数值模拟一生产”模式转变。考虑到多物理场作用的焊接模拟技术更加接近实际，计算结果更为精确，对其进行开发和利用将使焊接技术实现从经验走向科学、从定性转向定量的飞跃。目前，焊接多场耦合模拟在航空发动机制造领域的应用逐渐广泛起来，通过对航空发动机机匣、叶片等构件温度场及应力变形的模拟，对于优化焊接工艺、控制焊

4、后残余应力、节省成本以及提高构件使用寿命和可靠性等，具有重要意义。焊接熔池热场一流场耦合计算1熔池形态的影响因素焊接过程中的熔池形态与焊接质量密切相关，改善熔池的形态，不仅对改善焊缝形状，也对优化焊缝组织、提高接头的力学性能起到重要作用。实践表明，焊接过程中的热场和流场为影响熔池形态的最主要因素，这是由于：(1)焊接热过程主要决定熔池的体积，表现为温度场对熔池的影响。通常，焊接热输入越大，熔深越深，反之越浅。同时熔池中由于温度分布不均匀导致液态金属密度差异产生浮力使得液态金属流动，影响熔池的形态。(2)焊接熔池的流场通过熔池内部流体的流动从而影

5、响到熔池的形状。在焊接过程中，熔池中液态金属受到流体自身或多物理场所产生作用力的影响，如重力、浮力、表面张力、电磁力等，这些作用力影响流体的流动并在焊件冷却后形№m。。。。强。№均yf0恤，胁。。m。c唧。。t。发动机关键部件制造技术成多样的焊缝形貌。2熔池形态的数值模拟数值模拟技术是通过求解基于物理基础的偏微分方程来描述焊接过程，能够处理焊接过程中复杂的热源模型、传热传质以及非线性问题等。早期的焊接热过程数值模拟建立在一定的假设条件基础上，如忽略熔池内部流体的流动、电弧处于静止状态、熔池表面不变形等。20世纪80年代，Oreper等⋯首次在分

6、析流体流动及传热过程中考虑了表面张力、浮力、电磁力等作用力的影响，并建立了数学模型。在此基础上，国内外学者对焊接数值模拟进行了大量的探索研究，并取得了一定进展。Cho等【21对各种弧焊焊接熔池进行了较多的研究，在小电流埋弧焊熔池行为分析过程中，建立了三维数值传热和流体流动模型，并利用有限元和计算流体力学的方法求解壁流边界模型，深入地研究了熔池流体动态机制以及相应焊缝成形机理，模拟结果与试验结果吻合较好。Pan等口1在研究铝合金变极性钨极氩弧焊的熔池行为和焊缝成形过程中，采用控制体积法计算动量和能量传输方程，并提出一个三维计算模型，试验结果对于熔

7、池动态行为及焊缝缺陷形成机理的揭示，为进一步提高焊接生产率提供了良好的基础。图1为试验焊缝纵横截面与模拟结果的对比。山东大学的赵朋成(41研究全熔透TIG焊接熔池表面变形动态行为与工件熔透程度的相关性，充分考虑了三维温度场、流场与熔池表面变形的耦合关系，建立了TIG焊接熔池瞬时行为的数值模型，并计算了整个焊接过程中熔池的演变过程。南京航空航天大学的汪奇兵151考虑温度场、流场和应力场对Invar钢激光一MIG复合焊接熔池的影响，采用高斯旋转体热源和双椭球热源组合模型进行计算求解，模拟所得的熔池形态与实际焊接所得的焊缝形貌吻合较好。华中科技大学的

8、庞盛永[61对激光深熔焊接熔池行为进行了大量的研究，建立了描述瞬态小孔和运动熔池耦合行为的激光深熔焊接三维间断耦合模型以及激光填丝焊接过程中焊丝、小孔