用於焊接數值模擬中的所有焊接熱源模型大都不隨時間而發生變化 , 也就是認為在焊接進行過程中熱源模型是不發生變化的, 即靜態焊接熱源模型。而動態焊接熱源模型 , 其熱輸入是隨著焊接的進行而發生變化的。例如 ,在短路過渡 CO 2 氣體保護焊中 ,電弧有熄滅的過程。此熄滅階段的熱流密度分布顯然不同於電弧燃燒階段的熱流密度分布特點 , 如果根據這種“短路”的實際工程特點而建立一個電弧和熔滴交替作用的熱源模型則應該是一種動態焊接熱源模型。
基本介紹
- 中文名：焊接熱源模型
- 外文名：welding heatsource model
- 模型要素： “以何種空間形式分布 ”和 “以何種分布模式分布 ”
簡介,焊接熱源模型定義,焊接熱源模型參數,焊接熱源模型分類,焊接熱源模型的發展趨勢,
簡介
在焊接尤其是熔化焊中 , 其熱過程貫穿整個焊接過程的始終 ,一切熔化焊的物理化學過程都是在熱過程中發生和發展的。焊接溫度場不僅決定焊接應力場和應變場, 還與冶金 、結晶及相變過程有著緊密的聯繫 。焊接溫度場內包含著焊接接頭質量及性能的充分信息, 始終是焊接發展中的最基本課題之一 。
在焊接溫度場的數值模擬研究中, 存在的一些主要問題除了材料的高溫熱物理性能數據缺乏、熱流分布參數的確定困難、電弧熱效率取值範圍過大等共性問題外 ,尚存在對熔滴過渡行為及焊接熔池現象研究不充分等問題。可見, 存在的上述問題除了熱量接受者即焊件的熱物理性能參數之外, 均與熱源直接或間接相關。
熔化焊焊接熱源無論電弧、光束還是火焰等等 ,大都具有移動和局部集中作用的特點, 容易在焊件中形成空間上和時間上梯度很大的不均勻溫度場, 而此不均勻溫度場是導致諸多焊接問題的根本原因之一 。在焊接溫度場的數值模擬研究中, 採用符合實際焊接過程的熱源模型是十分關鍵的 。熱源模型是否選取適當 ,對瞬態焊接溫度場的計算精度, 特別是在靠近熱源的地方 ,有很大的影響。正因為焊接熱源模型在焊接數值模擬中的基礎性和重要性,歐美等一些已開發國家及我國的焊接工作者始終十分重視這一領域的發展。如美國的 MI T 、俄亥俄州立大學、加拿大的C a r l e t o n 大學以及我國焊接研究實力較強的幾所大學等等, 均陸續有關於焊接熱源模型的研究結果發表。
就套用最為廣泛的電弧焊而言 , 傳統意義上的焊接熱源是電弧, 例如根據電弧熱流分布特點建立的高斯圓形熱源模型。而從焊接數值模擬意義上而言,電弧 、熔滴及熔池均可按熱源處理 。例如根據熔池的熱流分布特點及其形狀而建立的雙橢球熱源模型 。再如，將熔滴作為電弧之外的第二個作用熱源而建立的複合型熱源模型等等 。
焊接熱源模型定義
根據目前焊接工作者的實踐和共識 , 所謂的焊接熱源模型 ,可以認為是對作用於焊件上的、在時間域和空間域上的熱輸入分布特點的一種數學表達。到目前為止, 用於焊接數值模擬中的所有焊接熱源模型大都不隨時間而發生變化 , 也就是認為在焊接進行過程中熱源模型是不發生變化的, 即靜態焊接熱源模型。而動態焊接熱源模型 , 其熱輸入是隨著焊接的進行而發生變化的。例如 ,在短路過渡 CO 2 氣體保護焊中 ,電弧有熄滅的過程。此熄滅階段的熱流密度分布顯然不同於電弧燃燒階段的熱流密度分布特點 , 如果根據這種“短路”的實際工程特點而建立一個電弧和熔滴交替作用的熱源模型則應該是一種動態焊接熱源模型 。
焊接熱源模型參數
建立一個靜態焊接熱源模型需要兩個要素 ,即 “以何種空間形式分布 ”和 “以何種分布模式分布 ”。而動態焊接熱源模型還需要確定上述兩要素中的一個或兩個要素隨時間變化的規律, 即應引入 “時間 ”要素 。可見 ,就靜態焊接熱源模型而言 , 在總熱輸入量一定的情況下, 因為上述兩個要素的不同而導致的不同熱源模型將對焊接溫度場的分析影響很大。焊接熱源模型可以三種模型參數即形狀參數、熱流分布參數和熱輸入參數來完整描述 。
焊接熱源模型分類
正因為在焊接數值模擬中熱源模型的基礎性和重要性 ,所以自焊接數值模擬 ( 包括解析計算) 研究開始至今出現了許多熱源模型 , 均有不同範圍和不同程度的適用性 。例如,高斯圓柱形熱源、熱流密度均勻分布的柱狀熱源及旋轉高斯曲面體熱源,半球形熱源, 橢 球形熱源 , 雙 橢球形 熱源, 橢圓 形熱源, 雙橢圓形熱源] , 圓盤形熱源,結合型分布圓形熱源,二維移動線熱源、二維均勻的帶熱源和矩形熱源、二維均勻圓熱源、高斯分布的二維面熱源、移動圓柱熱源、長方體熱源 、圓錐形熱源 、點 - 線熱源,指數衰減的柱體熱源、線性衰減的柱體熱源及拋物線衰減的柱體熱源等等。
清華大學蔡志鵬等建立的分段移動高斯熱源模型不是對熱源熱流分布特點的原型描述, 是為解決大型結構計算量大的問題而提出的一種對熱源原型即高斯圓形熱源模型作用方式的改變。即認為在較高的焊接速度下,電弧熱流作用區由原來的圓形可近似為帶狀 。而且表中的大部分熱源模型均可 “分段移動” ,例如可以建立 “分段移動雙橢球形熱源模型”等等 ,故未列入。可將其歸類於高斯分布帶狀熱源中。還可見 ,通常稱謂的 “高斯熱源 ”,更準確的稱謂應為“高斯圓形熱源”。也就是 , 當稱謂一個熱源模型時應同時包含“空間分布形式”和“熱流分布形式”, 以免混淆 。
目前基本上有四種焊接熱流分布模式,即均勻分布 、高斯分布、衰減分布和結合型分布。均勻分布與實際焊接過程中的熱流分布特徵不太相符 ,而衰減分布僅見於雷射焊的數值模擬中且套用不廣 。目前套用最廣泛的是高斯分布, 但高斯分布模式本身是從對 T I G焊電弧熱分布的實驗結果總結而來的, 沒有考慮熔滴作用效果。結合型分布是一種結合了電弧和熔滴熱流分布特點的一種熱流分布模式 ,對於有熔滴過渡行為的焊接方法具有一定的理論上的嚴密性 。結合型分布可以有很多種類, 其中之一是將電弧熱流高斯分布和熔滴熱流的錐形分布相結合的焊接熱流分布模式, 比較適用於有熔滴過渡行為且熱流密度比較集中的焊接方法, 如MI G焊 、C O 2 氣體保護焊等。
焊接熱源模型的發展趨勢
從熔化焊熱源模型的歷史來看, 其發展有如下幾個特點 :
1 模型的空間維數方面已經發展到三維
以經典的熱源模型為例 ,從上個世紀 40年代開始的一維點熱源模型,到二維的高斯圓形熱源模型, 再到三維的雙橢球熱源模型, 焊接熱源模型經歷了空間維數漸進的過程。三維焊接熱源模型已經可以十分充分地描述焊接熱流在空間的分布特點, 在此方面不大可能再有發展 。
2 模型的空間形狀方面的發展已經接近極至
根據不同的具體焊接情況 , 國內外的焊接工作者已經建立了多種標準幾何形狀的焊接熱源模型 。可以說 ,焊接熱源模型在空間形狀方面幾乎囊括了所有的標準幾何形狀。由於熱源模型應符合具體的焊接方法及其熱過程的特點,因此在此方面較難再有大的突破。
3 模型的熱流分布模式種類較少
目前最為流行的熱流分布模式為高斯分布 , 上述的各種空間形狀的熱源模型的熱流分布模式大都為高斯分布。此外還有均勻分布 、衰減分布及結合型分布等。熱流分布模式取決於焊接方法及其工藝條件, 在此方面具有一定的發展空間 。
4 向複合熱源模型的方向發展
隨著 Y A G-T I G焊等複合焊接方法的發展 , 以及為了模擬某些特殊的焊接現象如雷射焊中的 “釘頭 ”狀焊縫等, 出現了複合熱源模型 。例如 , 為了模擬出 MI G焊的 “指狀 ”熔深, 採用雙高斯圓形熱源模型來模擬; 再如 ,建立一個結合了電弧的表面高斯熱源和熔滴的圓柱體熱源的複合熱源模型來進行 V形坡口對接焊溫度場的數值模擬等等。
5 動態焊接熱源模型有待於深入研究
靜態焊接熱源模型的研究已經比較充分 , 而動態焊接熱源模型的研究尚處於空白 。由於焊接過程的時變特點, 動態焊接熱源模型的深入研究將進一步提高數值模擬焊接溫度場的精度, 更加準確地把握焊接熱過程的動態特點,加深對焊接傳質傳熱問題的認識, 並從根本上推進焊接數值模擬技術的發展。
所謂的焊接熱源模型可以認為是對作用於焊件上的、在時間域空間域上的熱輸入分布特點的一種數學表達, 可分為靜態焊接熱源模型和動態焊接熱源模型。建立一個靜態焊接熱源模型需要兩個要素, 即 “以何種空間形式分布”和 “以何種分布模式分布 ”。而動態焊接熱源模型還需要確定上述兩要素中的一個或兩個要素隨時間變化的規律。熱源模型可以形狀參數、熱流分布參數和熱輸入參數來完整描述。焊接熱源模型一直以來圍繞著熱源的空間特點在發展 , 而忽略了熱源的時變特點。由於動態焊接熱源模型更符合焊接的某些實際情況, 將是今後焊接熱源模型發展的重要方向之一 。隨著複合焊接方法的出現 , 結合兩種以上熱源模型或熱流分布模式的複合型熱源模型也是今後焊接熱源模型發展的重要方向之一。
