王二橋

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

關(guān)鍵詞：焊接預(yù)測理論;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)和工程中的問題，在過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，國內(nèi)外都對焊接預(yù)測理論和數(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)測理論”的國際討論會，對當(dāng)前焊接預(yù)測理論的各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛交流。國內(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，也取得了不少研究成果。本文簡要介紹有關(guān)該領(lǐng)域研究的一些最新發(fā)展和動向。

二、焊接熔池中的流體動力學(xué)和傳熱分析

關(guān)于焊接熔池中的流體流動和傳熱過程，國外許多學(xué)者和國內(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流及其對熔深形狀的影響。認(rèn)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(xué)ISF焊接研究所的U.Dilthey 等對薄板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)和流體動力學(xué)對GMAW過程的影響。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)焊縫的形狀來確定焊接參數(shù)。計(jì)算過程中考慮到實(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，并有自動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，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(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)過程

焊接電弧是一個(gè)高速運(yùn)動著的磁流體熱源。焊接電弧中存在著傳導(dǎo)、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(yùn)動。研究電弧的這種傳熱傳質(zhì)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(jì)算了電弧的壓力場分布規(guī)律，在陽極板上的計(jì)算壓力分布與實(shí)測結(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GTAM和GMAW焊接時(shí)電極的溫度進(jìn)行了數(shù)值預(yù)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(jìn)行分析。對GTAW焊接時(shí)釷鎢極表面溫度的預(yù)測與用光譜溫度測量的結(jié)果十分吻合。在GMAW焊接時(shí)對熔滴尺寸，包括球滴過渡和噴射過渡之間的轉(zhuǎn)變電流，進(jìn)行了預(yù)測，其結(jié)果也與氬氣中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。通過數(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中從球狀到噴射過渡轉(zhuǎn)變電流的機(jī)制。M. Ushio等對氣體保護(hù)下的鎢極電弧的陽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(dāng)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(shù)值分析方法對上述實(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

H. Cerjak等對焊接性問題進(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”國際會議上發(fā)表，并編成了冊子《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。對鐵素體鋼來說，可評價(jià)相變行為、淬硬性、強(qiáng)度、韌性、脆化、裂縫敏感性等。對奧氏體不銹鋼來說，可評價(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。美國奧克里季國家實(shí)驗(yàn)室的S. A.David等人，對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預(yù)測焊縫組織的發(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， 較早是根據(jù)SH-CCT圖結(jié)合熱計(jì)算來預(yù)測熱影響區(qū)的組織與硬度。此后引入了相變動力學(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)鑄造等過程中，溫度、相變和熱應(yīng)力之間的耦合效應(yīng)越來越受到人們的重視。因此，必須跟蹤整個(gè)焊接熱循環(huán)過程來預(yù)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(gè)預(yù)測模型，對焊接熱影響區(qū)傳熱和組織變化的耦合進(jìn)行了研究。該研究針對低合金鋼，利用狀態(tài)圖和相變動力學(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

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)雜的動態(tài)焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的分析成為可能。此后，他們在這方面有許多發(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)動分為三種模式：焊件因電弧加熱作為簡單物體的運(yùn)動;焊縫金屬凝固前相連的兩個(gè)分開部分的運(yùn)動;連接部分剛體的運(yùn)動。加拿大的J. Goldak等對從熔點(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0.8熔點(diǎn)時(shí)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(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。法國的J. B. Leblond 對相變時(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(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，上海交通大學(xué)與日本大阪大學(xué)對三維焊接應(yīng)力和變形問題進(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(jì)算預(yù)測較復(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，對局部焊后熱處理及其評定準(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

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。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)值模擬也有助于對焊接過程規(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。