淺談焊接預(yù)測(cè)理論

王二橋

摘 要：介紹了焊接預(yù)測(cè)理論和數(shù)值模擬技術(shù)的最新發(fā)展和動(dòng)向，包括焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱分析，焊接電弧的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測(cè)，焊接變形與應(yīng)力的預(yù)測(cè)，焊接接頭的力學(xué)行為以及特種焊接過(guò)程的數(shù)值模擬等。

關(guān)鍵詞：焊接預(yù)測(cè)理論;數(shù)字式模擬

一、前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值方法和技巧去求解或模擬科學(xué)和工程中的問(wèn)題，在過(guò)去幾十年中已作出了實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)并產(chǎn)生巨大效益。焊接是一個(gè)牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程。要得到一個(gè)高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)，必須要控制這些因素。近二十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都對(duì)焊接預(yù)測(cè)理論和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了許多研究，取得了不少成果。國(guó)際上有關(guān)焊接數(shù)值模擬技術(shù)的交流也十分活躍。1996年11月日本大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所（JWRI）組織了一個(gè)“關(guān)于焊接加工預(yù)測(cè)理論”的國(guó)際討論會(huì)，對(duì)當(dāng)前焊接預(yù)測(cè)理論的各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛交流。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代初，開始了焊接數(shù)值模擬方面的研究工作，近些年來(lái)，也取得了不少研究成果。本文簡(jiǎn)要介紹有關(guān)該領(lǐng)域研究的一些最新發(fā)展和動(dòng)向。

二、焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱分析

關(guān)于焊接熔池中的流體流動(dòng)和傳熱過(guò)程，國(guó)外許多學(xué)者和國(guó)內(nèi)的武傳松等，已經(jīng)做了不少研究工作。A.Matsunama研究了固定電弧焊接熔池的對(duì)流及其對(duì)熔深形狀的影響。認(rèn)為影響熔池流動(dòng)的主要因素有電磁力、浮力、表面張力和氣動(dòng)阻力。德國(guó)阿琛大學(xué)ISF焊接研究所的U.Dilthey 等對(duì)薄板GMAW焊接熔池進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，分析了電磁、熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)對(duì)GMAW過(guò)程的影響。該模擬程序可計(jì)算焊縫形狀和各點(diǎn)的熱循環(huán)，并可給出三維的圖形顯示。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上提出了所謂“逆運(yùn)算”，即根據(jù)焊縫的形狀來(lái)確定焊接參數(shù)。計(jì)算過(guò)程中考慮到實(shí)際的焊接邊界條件，共計(jì)25個(gè)參數(shù)。該模型可對(duì)焊接參數(shù)偏差時(shí)的焊接質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，并有自動(dòng)尋找出最佳焊接參數(shù)的功能。薄板在GM AW焊接時(shí)，試驗(yàn)所得焊縫形狀（左邊）與模擬計(jì)算所得焊縫形狀（右邊）的比較。

近來(lái)，日本東京工業(yè)大學(xué)的T. Yabe[1 ]首次成功地進(jìn)行了從金屬到蒸氣的動(dòng)力學(xué)相轉(zhuǎn)變的模擬。該模型采用了CIP法，可以同時(shí)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(shí)處理可壓縮和不可壓縮流體來(lái)模擬氣體和液體或氣體和固體的相互作用。采用該法對(duì)激光切割過(guò)程中的蒸發(fā)、火口形狀與尺寸、碎片分布等進(jìn)行了模擬。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合。

三、焊接電弧的傳熱傳質(zhì)過(guò)程

焊接電弧是一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)著的磁流體熱源。焊接電弧中存在著傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等傳熱過(guò)程，也伴隨著層流和紊流這兩種類型的流體運(yùn)動(dòng)。研究電弧的這種傳熱傳質(zhì)過(guò)程，對(duì)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(jì)算了電弧的壓力場(chǎng)分布規(guī)律，在陽(yáng)極板上的計(jì)算壓力分布與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。此后，他們引用歐姆定律計(jì)算電流密度分布，改進(jìn)了以前工作，建立了較完善的電弧傳熱傳質(zhì)數(shù)值模型， 取得較理想的結(jié)果。J. J. Low ke采用了一個(gè)統(tǒng)一的電弧-電極處理系統(tǒng)對(duì)GTAM和GMAW焊接時(shí)電極的溫度進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)。該二維模型可在任何給定電流、焊接氣體和電極形狀下進(jìn)行分析。對(duì)GTAW焊接時(shí)釷鎢極表面溫度的預(yù)測(cè)與用光譜溫度測(cè)量的結(jié)果十分吻合。在GMAW焊接時(shí)對(duì)熔滴尺寸，包括球滴過(guò)渡和噴射過(guò)渡之間的轉(zhuǎn)變電流，進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其結(jié)果也與氬氣中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。通過(guò)數(shù)值模擬可以理解鎢夾雜的形成機(jī)制，保護(hù)氣體的影響以及在GMAW中從球狀到噴射過(guò)渡轉(zhuǎn)變電流的機(jī)制。M. Ushio等對(duì)氣體保護(hù)下的鎢極電弧的陽(yáng)極邊界層的物理性能和傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析。實(shí)驗(yàn)表明，該物理性能受到電流的強(qiáng)烈影響。在低電流的場(chǎng)合（50A），陽(yáng)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(dāng)大的不同，邊界層的位勢(shì)對(duì)陽(yáng)級(jí)來(lái)說(shuō)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(shì)值升高（150A的場(chǎng)合）。采用了數(shù)值分析方法對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋。

四、焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測(cè)

H. Cerjak等對(duì)焊接性問(wèn)題進(jìn)行了許多工作，有關(guān)焊接性數(shù)學(xué)模型的許多研究在由奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)組織的IIW專門的“焊接性的數(shù)值分析”國(guó)際會(huì)議上發(fā)表，并編成了冊(cè)子《焊接現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型》。H. Cerjak等發(fā)展了一個(gè)綜合性的計(jì)算機(jī)程序HAZ-CALCULATOR， 提供大約50個(gè)冶金計(jì)算法，可用于非合金鋼、正火與微合金結(jié)構(gòu)鋼、淬火與回火鋼、低合金鋼、耐熱鋼與奧氏體不銹鋼。對(duì)鐵素體鋼來(lái)說(shuō)，可評(píng)價(jià)相變行為、淬硬性、強(qiáng)度、韌性、脆化、裂縫敏感性等。對(duì)奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，可評(píng)價(jià)顯微組織、熱裂縫傾向、稀釋率、敏化、點(diǎn)狀腐蝕和機(jī)械性能等。美國(guó)奧克里季國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的S. A.David等人，對(duì)焊縫金屬中顯微組織的建模進(jìn)行了較全面和深入的研究，并試圖發(fā)展一個(gè)通用的和集成的模型來(lái)預(yù)測(cè)焊縫組織的發(fā)展，它是焊縫金屬成分和焊接參數(shù)的函數(shù)，并適合于任何合金系統(tǒng)。建立該模型對(duì)新的合金系統(tǒng)和先進(jìn)材料，設(shè)計(jì)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(fā)展模型的原理、方法和進(jìn)一步的方向，以及在低合金鋼、不銹鋼和Ni基超合金中的應(yīng)用。焊縫中的晶粒長(zhǎng)大既可采用解析公式，也可采用Monte Carlo 模擬。

關(guān)于焊接熱影響區(qū)的相變和組織性能的預(yù)測(cè)， 較早是根據(jù)SH-CCT圖結(jié)合熱計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)熱影響區(qū)的組織與硬度。此后引入了相變動(dòng)力學(xué)的理論模型。隨著研究的進(jìn)一步深入，在焊接、熱處理和連續(xù)鑄造等過(guò)程中，溫度、相變和熱應(yīng)力之間的耦合效應(yīng)越來(lái)越受到人們的重視。因此，必須跟蹤整個(gè)焊接熱循環(huán)過(guò)程來(lái)預(yù)測(cè)焊接接頭組織性能的變化。D. F. Wat t和C. Henwood等提出了一個(gè)預(yù)測(cè)模型，對(duì)焊接熱影響區(qū)傳熱和組織變化的耦合進(jìn)行了研究。該研究針對(duì)低合金鋼，利用狀態(tài)圖和相變動(dòng)力學(xué)的計(jì)算公式，連接焊接熱傳導(dǎo)分析，設(shè)計(jì)出了瞬態(tài)組織預(yù)示程序，該程序可以計(jì)算接頭中瞬態(tài)任一點(diǎn)處各組織的體積百分?jǐn)?shù)。

五、焊接變形和應(yīng)力的預(yù)測(cè)

關(guān)于焊接變形和應(yīng)力數(shù)值分析的研究，內(nèi)容十分豐富，目前已發(fā)展為一門新的專門學(xué)科“計(jì)算焊接力學(xué)”。20世紀(jì)70年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法為基礎(chǔ)，提出了考慮材料機(jī)械性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論，從而使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的分析成為可能。此后，他們?cè)谶@方面有許多發(fā)展，特別是發(fā)展了固有應(yīng)變理論，取得了豐碩的成果。美國(guó)麻省理工學(xué)院的K. Masubuchi等在焊接殘余應(yīng)力和變形的預(yù)測(cè)和控制方面進(jìn)行了許多研究工作，把引起焊接變形的金屬運(yùn)動(dòng)分為三種模式：焊件因電弧加熱作為簡(jiǎn)單物體的運(yùn)動(dòng);焊縫金屬凝固前相連的兩個(gè)分開部分的運(yùn)動(dòng);連接部分剛體的運(yùn)動(dòng)。加拿大的J. Goldak等對(duì)從熔點(diǎn)到室溫時(shí)的焊接熱應(yīng)力進(jìn)行了分析研究， 提出了各個(gè)溫度段的本構(gòu)方程：在溫度低于0.5熔點(diǎn)時(shí)速率不依賴性或彈塑性;溫度從0.5到0.8熔點(diǎn)時(shí)速率依賴性或彈-粘塑性;溫度超過(guò)0.8熔點(diǎn)時(shí)線性粘塑性模型。瑞典的L. Karlsson 等對(duì)大板拼接的焊接變形和應(yīng)力進(jìn)行了分析研究，特別是分析了焊縫前端間隙的變化和點(diǎn)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(guó)的J. B. Leblond 對(duì)相變時(shí)鋼的塑性行為進(jìn)行了理論和數(shù)值研究。在上述研究等基礎(chǔ)上發(fā)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(guò)程的分析研究。T. Inoue等研究了伴有相變的溫度變化過(guò)程中，溫度、相變、熱應(yīng)力三者之間的耦合效應(yīng)，并提出了在考慮耦合效應(yīng)的條件下本構(gòu)方程的一般形式。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代初，西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)等就開始了關(guān)于焊接熱彈塑性理論及在數(shù)值分析方面的研究工作。近些年來(lái)，上海交通大學(xué)與日本大阪大學(xué)對(duì)三維焊接應(yīng)力和變形問(wèn)題進(jìn)行了共同研究，提出了改善計(jì)算精度和收斂性的若干途徑。對(duì)薄板焊接失穩(wěn)變形的研究也取得了進(jìn)展，同時(shí)提出了預(yù)測(cè)焊接變形的殘余塑變法，通過(guò)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(jì)算預(yù)測(cè)較復(fù)雜焊接構(gòu)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(duì)局部焊后熱處理及其評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得了顯著的成功，所得結(jié)果列入了美國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的參考。此外，采用熱彈塑性和固有應(yīng)變方法還用于水火彎板和感應(yīng)加熱成形的分析。日本的石川島播磨重工，在固有應(yīng)變法預(yù)測(cè)和控制感應(yīng)加熱成形的基礎(chǔ)上，已開發(fā)制成了計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)感應(yīng)加熱彎板機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到成功的應(yīng)用。

六、結(jié)語(yǔ)

焊接是一個(gè)牽涉到傳熱學(xué)、電磁學(xué)、材料冶金學(xué)、固體和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜現(xiàn)象。如上所述，在計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展的今天，采用數(shù)值方法來(lái)模擬復(fù)雜的焊接現(xiàn)象已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)滲入到焊接的各個(gè)領(lǐng)域，取得了可喜的成績(jī)。然而應(yīng)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(guān)鍵是進(jìn)一步認(rèn)識(shí)焊接數(shù)值模擬技術(shù)的意義和作用，同時(shí)必須正確和真實(shí)地掌握和闡明焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，才能建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。而正確的數(shù)值模擬也有助于對(duì)焊接過(guò)程規(guī)律的進(jìn)一步理解。焊接數(shù)值模擬更重要的作用是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，提高焊接接頭的質(zhì)量。因此焊接數(shù)值模擬技術(shù)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。