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浅谈焊接预测理论

作者:未知

  摘 要:介绍了焊接预测理论和数值模拟技术的最新发展和动向,包括焊接熔池中的流体动力学和传热分析,焊接电弧的传热传质过程,焊接冶金和焊接接头组织性能的预测,焊接变形与应力的预测,焊接接头的力学行为以及特种焊接过程的数值模拟等。
  关键词:焊接预测理论;数字式模拟
  一、前言
  随着计算机技术的飞速发展,通过选择恰当的数值方法和技巧去求解或模擬科学和工程中的问题,在过去几十年中已作出了实质性的贡献并产生巨大效益。焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。要得到一个高质量的焊接结构,必须要控制这些因素。近二十几年来,国内外都对焊接预测理论和数值模拟技术进行了许多研究,取得了不少成果。国际上有关焊接数值模拟技术的交流也十分活跃。1996年11月日本大阪大学接合科学研究所(JWRI)组织了一个“关于焊接加工预测理论”的国际讨论会,对当前焊接预测理论的各个领域进行了广泛交流。国内在20世纪80年代初,开始了焊接数值模拟方面的研究工作,近些年来,也取得了不少研究成果。本文简要介绍有关该领域研究的一些最新发展和动向。
  二、焊接熔池中的流体动力学和传热分析
  关于焊接熔池中的流体流动和传热过程,国外许多学者和国内的武传松等,已经做了不少研究工作。A.Matsunama研究了固定电弧焊接熔池的对流及其对熔深形状的影响。认为影响熔池流动的主要因素有电磁力、浮力、表面张力和气动阻力。德国阿琛大学ISF焊接研究所的U.Dilthey 等对薄板GMAW焊接熔池进行了计算机模拟,分析了电磁、热力学和流体动力学对GMAW过程的影响。该模拟程序可计算焊缝形状和各点的热循环,并可给出三维的图形显示。在数值模拟的基础上提出了所谓“逆运算”,即根据焊缝的形状来确定焊接参数。计算过程中考虑到实际的焊接边界条件,共计25个参数。该模型可对焊接参数偏差时的焊接质量进行统计预测,并有自动寻找出最佳焊接参数的功能。薄板在GM AW焊接时,试验所得焊缝形状(左边)与模拟计算所得焊缝形状(右边)的比较。
  近来,日本东京工业大学的T. Yabe[1 ]首次成功地进行了从金属到蒸气的动力学相转变的模拟。该模型采用了CIP法,可以同时处理固体、液体和气体,并可跟踪十分敏感的界面。它可以同时处理可压缩和不可压缩流体来模拟气体和液体或气体和固体的相互作用。采用该法对激光切割过程中的蒸发、火口形状与尺寸、碎片分布等进行了模拟。与实验结果相当吻合。
  三、焊接电弧的传热传质过程
  焊接电弧是一个高速运动着的磁流体热源。焊接电弧中存在着传导、对流和辐射等传热过程,也伴随着层流和紊流这两种类型的流体运动。研究电弧的这种传热传质过程,对理解和控制焊接电弧的物理特性有着很重要的意义。1985年樊丁和M. Ushio在假定电流为高斯分布的条件下,计算了电弧的压力场分布规律,在阳极板上的计算压力分布与实测结果吻合较好。此后,他们引用欧姆定律计算电流密度分布,改进了以前工作,建立了较完善的电弧传热传质数值模型, 取得较理想的结果。J. J. Low ke采用了一个统一的电弧-电极处理系统对GTAM和GMAW焊接时电极的温度进行了数值预测。该二维模型可在任何给定电流、焊接气体和电极形状下进行分析。对GTAW焊接时钍钨极表面温度的预测与用光谱温度测量的结果十分吻合。在GMAW焊接时对熔滴尺寸,包括球滴过渡和喷射过渡之间的转变电流,进行了预测,其结果也与氩气中的实验结果相符。通过数值模拟可以理解钨夹杂的形成机制,保护气体的影响以及在GMAW中从球状到喷射过渡转变电流的机制。M. Ushio等对气体保护下的钨极电弧的阳极边界层的物理性能和传热现象进行了实验研究和数值分析。实验表明,该物理性能受到电流的强烈影响。在低电流的场合(50A),阳极边界层的厚度约250μm,该处的电极温度与重粒子温度有相当大的不同,边界层的位势对阳级来说较低。然而,随着电弧电流的增加,边界层的厚度变狭窄,它的位势值升高(150A的场合)。采用了数值分析方法对上述实验结果进行了解释。
  四、焊接冶金和焊接接头组织性能的预测
  H. Cerjak等对焊接性问题进行了许多工作,有关焊接性数学模型的许多研究在由奥地利格拉茨工业大学组织的IIW专门的“焊接性的数值分析”国际会议上发表,并编成了册子《焊接现象的数学模型》。H. Cerjak等发展了一个综合性的计算机程序HAZ-CALCULATOR, 提供大约50个冶金计算法,可用于非合金钢、正火与微合金结构钢、淬火与回火钢、低合金钢、耐热钢与奥氏体不锈钢。对铁素体钢来说,可评价相变行为、淬硬性、强度、韧性、脆化、裂缝敏感性等。对奥氏体不锈钢来说,可评价显微组织、热裂缝倾向、稀释率、敏化、点状腐蚀和机械性能等。美国奥克里季国家实验室的S. A.David等人,对焊缝金属中显微组织的建模进行了较全面和深入的研究,并试图发展一个通用的和集成的模型来预测焊缝组织的发展,它是焊缝金属成分和焊接参数的函数,并适合于任何合金系统。建立该模型对新的合金系统和先进材料,设计成功的焊接工艺是十分有用的。该文介绍了建立焊缝组织发展模型的原理、方法和进一步的方向,以及在低合金钢、不锈钢和Ni基超合金中的应用。焊缝中的晶粒长大既可采用解析公式,也可采用Monte Carlo 模拟。
  关于焊接热影响区的相变和组织性能的预测, 较早是根据SH-CCT图结合热计算来预测热影响区的组织与硬度。此后引入了相变动力学的理论模型。随着研究的进一步深入,在焊接、热处理和连续铸造等过程中,温度、相变和热应力之间的耦合效应越来越受到人们的重视。因此,必须跟踪整个焊接热循环过程来预测焊接接头组织性能的变化。D. F. Wat t和C. Henwood等提出了一个预测模型,对焊接热影响区传热和组织变化的耦合进行了研究。该研究针对低合金钢,利用状态图和相变动力学的计算公式,连接焊接热传导分析,设计出了瞬态组织预示程序,该程序可以计算接头中瞬态任一点处各组织的体积百分数。   五、焊接变形和应力的预测
  关于焊接变形和应力数值分析的研究,内容十分丰富,目前已发展为一门新的专门学科“计算焊接力学”。20世纪70年代初,日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础,提出了考慮材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论,从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。此后,他们在这方面有许多发展,特别是发展了固有应变理论,取得了丰硕的成果。美国麻省理工学院的K. Masubuchi等在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作,把引起焊接变形的金属运动分为三种模式:焊件因电弧加热作为简单物体的运动;焊缝金属凝固前相连的两个分开部分的运动;连接部分刚体的运动。加拿大的J. Goldak等对从熔点到室温时的焊接热应力进行了分析研究, 提出了各个温度段的本构方程:在温度低于0.5熔点时速率不依赖性或弹塑性;温度从0.5到0.8熔点时速率依赖性或弹-粘塑性;温度超过0.8熔点时线性粘塑性模型。瑞典的L. Karlsson 等对大板拼接的焊接变形和应力进行了分析研究,特别是分析了焊缝前端间隙的变化和点固焊的影响,提出了采用辅助热源防止单面焊终端裂缝的有效方法。法国的J. B. Leblond 对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究。在上述研究等基础上发展了SYSWELD专用软件。该软件可用于淬火、表面处理、焊接、热处理和铸造等过程的分析研究。T. Inoue等研究了伴有相变的温度变化过程中,温度、相变、热应力三者之间的耦合效应,并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式。国内在20世纪80年代初,西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究工作。近些年来,上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究,提出了改善计算精度和收敛性的若干途径。对薄板焊接失稳变形的研究也取得了进展,同时提出了预测焊接变形的残余塑变法,通过焊接热输入和板厚可以确定残余塑变的总和及其所在位置,从而可以由一次弹性有限元计算预测较复杂焊接构件的焊接变形。最近引入考虑蠕变的粘弹塑性有限元分析,对局部焊后热处理及其评定准则进行了数值模拟,取得了显著的成功,所得结果列入了美国有关标准的参考。此外,采用热弹塑性和固有应变方法还用于水火弯板和感应加热成形的分析。日本的石川岛播磨重工,在固有应变法预测和控制感应加热成形的基础上,已开发制成了计算机控制的自动感应加热弯板机,在实际生产中得到成功的应用。
  六、结语
  焊接是一个牵涉到传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的复杂现象。如上所述,在计算机技术日益发展的今天,采用数值方法来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展。数值模拟技术已经渗入到焊接的各个领域,取得了可喜的成绩。然而应该看到,这些研究还是初步的,还有许多深入的研究工作要做。关键是进一步认识焊接数值模拟技术的意义和作用,同时必须正确和真实地掌握和阐明焊接现象的本质,才能建立起准确的数学模型。而正确的数值模拟也有助于对焊接过程规律的进一步理解。焊接数值模拟更重要的作用是优化结构设计和工艺设计,提高焊接接头的质量。因此焊接数值模拟技术具有重要的理论意义和实际应用价值。
论文来源:《青年时代》 2019年12期
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