焊接热源计算模式研究进展.pdf

第22卷第3期 焊 接 学 报 v。1．22No．3 2OO1年6月TRANSACnONSOFTHECHINAWELDlNGIN june2OO1 SrnTUrn0N 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 l 激光焊和电子束焊过程的焊接热源，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 莫春立 中围分类号：代402 文献标识码：^ 文章编号：0253—360x(2001)03—93一04 O 序 言 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) 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 』 e砷c晋，， 钢、低合金钢来说，焊接加热过程中特别是高温停留 l砌；以—7了石疆j耵， 时间、以及温度由800qc冷却到500℃的时间，对给 b：z一甜， (1) 定成分的材料的组织性能有决定性作用。而温度由 式中：瓦为环境温度；Q=nw，为热输入率(w)；n 400℃冷却到150℃的时间对氢的扩散及焊接冷裂 为有效系数；^为热扩散系数(m2／s)；口为焊接速度 纹的产生具有重要影响。要想准确测量焊接过程残 (Ⅱ∥8)；z，y，：组成定坐标系；f，y，=组成动坐标系；^ 余应力、焊缝强度，必须首先保证焊接热循环计算的 为热传导率(w／m℃)；U为电压；，为电流；Ⅳ为整 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 数；g为板厚。由材料熔点温度．可以确定熔池等温 线MP、熔合区Fz与热影响区HAz的大小。而厚 是一个复杂的物理现象，一般弧焊热源热量范围在 度为^无限大薄板上线状热源的温度，由式(2)计 10”一2 xlo”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 1．1 I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