淺談焊接預測理論

王二橋

摘 要：介紹了焊接預測理論和數值模擬技術的最新發展和動向，包括焊接熔池中的流體動力學和傳熱分析，焊接電弧的傳熱傳質過程，焊接冶金和焊接接頭組織性能的預測，焊接變形與應力的預測，焊接接頭的力學行為以及特種焊接過程的數值模擬等。

關鍵詞：焊接預測理論;數字式模擬

一、前言

隨著計算機技術的飛速發展，通過選擇恰當的數值方法和技巧去求解或模擬科學和工程中的問題，在過去幾十年中已作出了實質性的貢獻并產生巨大效益。焊接是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜過程。要得到一個高質量的焊接結構，必須要控制這些因素。近二十幾年來，國內外都對焊接預測理論和數值模擬技術進行了許多研究，取得了不少成果。國際上有關焊接數值模擬技術的交流也十分活躍。1996年11月日本大阪大學接合科學研究所（JWRI）組織了一個“關于焊接加工預測理論”的國際討論會，對當前焊接預測理論的各個領域進行了廣泛交流。國內在20世紀80年代初，開始了焊接數值模擬方面的研究工作，近些年來，也取得了不少研究成果。本文簡要介紹有關該領域研究的一些最新發展和動向。

二、焊接熔池中的流體動力學和傳熱分析

關于焊接熔池中的流體流動和傳熱過程，國外許多學者和國內的武傳松等，已經做了不少研究工作。A.Matsunama研究了固定電弧焊接熔池的對流及其對熔深形狀的影響。認為影響熔池流動的主要因素有電磁力、浮力、表面張力和氣動阻力。德國阿琛大學ISF焊接研究所的U.Dilthey 等對薄板GMAW焊接熔池進行了計算機模擬，分析了電磁、熱力學和流體動力學對GMAW過程的影響。該模擬程序可計算焊縫形狀和各點的熱循環，并可給出三維的圖形顯示。在數值模擬的基礎上提出了所謂“逆運算”，即根據焊縫的形狀來確定焊接參數。計算過程中考慮到實際的焊接邊界條件，共計25個參數。該模型可對焊接參數偏差時的焊接質量進行統計預測，并有自動尋找出最佳焊接參數的功能。薄板在GM AW焊接時，試驗所得焊縫形狀（左邊）與模擬計算所得焊縫形狀（右邊）的比較。

近來，日本東京工業大學的T. Yabe[1 ]首次成功地進行了從金屬到蒸氣的動力學相轉變的模擬。該模型采用了CIP法，可以同時處理固體、液體和氣體，并可跟蹤十分敏感的界面。它可以同時處理可壓縮和不可壓縮流體來模擬氣體和液體或氣體和固體的相互作用。采用該法對激光切割過程中的蒸發、火口形狀與尺寸、碎片分布等進行了模擬。與實驗結果相當吻合。

三、焊接電弧的傳熱傳質過程

焊接電弧是一個高速運動著的磁流體熱源。焊接電弧中存在著傳導、對流和輻射等傳熱過程，也伴隨著層流和紊流這兩種類型的流體運動。研究電弧的這種傳熱傳質過程，對理解和控制焊接電弧的物理特性有著很重要的意義。1985年樊丁和M. Ushio在假定電流為高斯分布的條件下，計算了電弧的壓力場分布規律，在陽極板上的計算壓力分布與實測結果吻合較好。此后，他們引用歐姆定律計算電流密度分布，改進了以前工作，建立了較完善的電弧傳熱傳質數值模型， 取得較理想的結果。J. J. Low ke采用了一個統一的電弧-電極處理系統對GTAM和GMAW焊接時電極的溫度進行了數值預測。該二維模型可在任何給定電流、焊接氣體和電極形狀下進行分析。對GTAW焊接時釷鎢極表面溫度的預測與用光譜溫度測量的結果十分吻合。在GMAW焊接時對熔滴尺寸，包括球滴過渡和噴射過渡之間的轉變電流，進行了預測，其結果也與氬氣中的實驗結果相符。通過數值模擬可以理解鎢夾雜的形成機制，保護氣體的影響以及在GMAW中從球狀到噴射過渡轉變電流的機制。M. Ushio等對氣體保護下的鎢極電弧的陽極邊界層的物理性能和傳熱現象進行了實驗研究和數值分析。實驗表明，該物理性能受到電流的強烈影響。在低電流的場合（50A），陽極邊界層的厚度約250μm，該處的電極溫度與重粒子溫度有相當大的不同，邊界層的位勢對陽級來說較低。然而，隨著電弧電流的增加，邊界層的厚度變狹窄，它的位勢值升高（150A的場合）。采用了數值分析方法對上述實驗結果進行了解釋。

四、焊接冶金和焊接接頭組織性能的預測

H. Cerjak等對焊接性問題進行了許多工作，有關焊接性數學模型的許多研究在由奧地利格拉茨工業大學組織的IIW專門的“焊接性的數值分析”國際會議上發表，并編成了冊子《焊接現象的數學模型》。H. Cerjak等發展了一個綜合性的計算機程序HAZ-CALCULATOR， 提供大約50個冶金計算法，可用于非合金鋼、正火與微合金結構鋼、淬火與回火鋼、低合金鋼、耐熱鋼與奧氏體不銹鋼。對鐵素體鋼來說，可評價相變行為、淬硬性、強度、韌性、脆化、裂縫敏感性等。對奧氏體不銹鋼來說，可評價顯微組織、熱裂縫傾向、稀釋率、敏化、點狀腐蝕和機械性能等。美國奧克里季國家實驗室的S. A.David等人，對焊縫金屬中顯微組織的建模進行了較全面和深入的研究，并試圖發展一個通用的和集成的模型來預測焊縫組織的發展，它是焊縫金屬成分和焊接參數的函數，并適合于任何合金系統。建立該模型對新的合金系統和先進材料，設計成功的焊接工藝是十分有用的。該文介紹了建立焊縫組織發展模型的原理、方法和進一步的方向，以及在低合金鋼、不銹鋼和Ni基超合金中的應用。焊縫中的晶粒長大既可采用解析公式，也可采用Monte Carlo 模擬。

關于焊接熱影響區的相變和組織性能的預測， 較早是根據SH-CCT圖結合熱計算來預測熱影響區的組織與硬度。此后引入了相變動力學的理論模型。隨著研究的進一步深入，在焊接、熱處理和連續鑄造等過程中，溫度、相變和熱應力之間的耦合效應越來越受到人們的重視。因此，必須跟蹤整個焊接熱循環過程來預測焊接接頭組織性能的變化。D. F. Wat t和C. Henwood等提出了一個預測模型，對焊接熱影響區傳熱和組織變化的耦合進行了研究。該研究針對低合金鋼，利用狀態圖和相變動力學的計算公式，連接焊接熱傳導分析，設計出了瞬態組織預示程序，該程序可以計算接頭中瞬態任一點處各組織的體積百分數。

五、焊接變形和應力的預測

關于焊接變形和應力數值分析的研究，內容十分豐富，目前已發展為一門新的專門學科“計算焊接力學”。20世紀70年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法為基礎，提出了考慮材料機械性能與溫度有關的焊接熱彈塑性分析理論，從而使復雜的動態焊接應力應變過程的分析成為可能。此后，他們在這方面有許多發展，特別是發展了固有應變理論，取得了豐碩的成果。美國麻省理工學院的K. Masubuchi等在焊接殘余應力和變形的預測和控制方面進行了許多研究工作，把引起焊接變形的金屬運動分為三種模式：焊件因電弧加熱作為簡單物體的運動;焊縫金屬凝固前相連的兩個分開部分的運動;連接部分剛體的運動。加拿大的J. Goldak等對從熔點到室溫時的焊接熱應力進行了分析研究， 提出了各個溫度段的本構方程：在溫度低于0.5熔點時速率不依賴性或彈塑性;溫度從0.5到0.8熔點時速率依賴性或彈-粘塑性;溫度超過0.8熔點時線性粘塑性模型。瑞典的L. Karlsson 等對大板拼接的焊接變形和應力進行了分析研究，特別是分析了焊縫前端間隙的變化和點固焊的影響，提出了采用輔助熱源防止單面焊終端裂縫的有效方法。法國的J. B. Leblond 對相變時鋼的塑性行為進行了理論和數值研究。在上述研究等基礎上發展了SYSWELD專用軟件。該軟件可用于淬火、表面處理、焊接、熱處理和鑄造等過程的分析研究。T. Inoue等研究了伴有相變的溫度變化過程中，溫度、相變、熱應力三者之間的耦合效應，并提出了在考慮耦合效應的條件下本構方程的一般形式。國內在20世紀80年代初，西安交通大學和上海交通大學等就開始了關于焊接熱彈塑性理論及在數值分析方面的研究工作。近些年來，上海交通大學與日本大阪大學對三維焊接應力和變形問題進行了共同研究，提出了改善計算精度和收斂性的若干途徑。對薄板焊接失穩變形的研究也取得了進展，同時提出了預測焊接變形的殘余塑變法，通過焊接熱輸入和板厚可以確定殘余塑變的總和及其所在位置，從而可以由一次彈性有限元計算預測較復雜焊接構件的焊接變形。最近引入考慮蠕變的粘彈塑性有限元分析，對局部焊后熱處理及其評定準則進行了數值模擬，取得了顯著的成功，所得結果列入了美國有關標準的參考。此外，采用熱彈塑性和固有應變方法還用于水火彎板和感應加熱成形的分析。日本的石川島播磨重工，在固有應變法預測和控制感應加熱成形的基礎上，已開發制成了計算機控制的自動感應加熱彎板機，在實際生產中得到成功的應用。

六、結語

焊接是一個牽涉到傳熱學、電磁學、材料冶金學、固體和流體力學等多學科交叉的復雜現象。如上所述，在計算機技術日益發展的今天，采用數值方法來模擬復雜的焊接現象已經取得了很大的進展。數值模擬技術已經滲入到焊接的各個領域，取得了可喜的成績。然而應該看到，這些研究還是初步的，還有許多深入的研究工作要做。關鍵是進一步認識焊接數值模擬技術的意義和作用，同時必須正確和真實地掌握和闡明焊接現象的本質，才能建立起準確的數學模型。而正確的數值模擬也有助于對焊接過程規律的進一步理解。焊接數值模擬更重要的作用是優化結構設計和工藝設計，提高焊接接頭的質量。因此焊接數值模擬技術具有重要的理論意義和實際應用價值。