（南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院，南京 211106）

焊接熔池熱場-流場耦合計算

1 熔池形態(tài)的影響因素

焊接過程中的熔池形態(tài)與焊接質(zhì)量密切相關(guān)，改善熔池的形態(tài)，不僅對改善焊縫形狀，也對優(yōu)化焊縫組織、提高接頭的力學性能起到重要作用。實踐表明，焊接過程中的熱場和流場為影響熔池形態(tài)的最主要因素，這是由于：（1）焊接熱過程主要決定熔池的體積，表現(xiàn)為溫度場對熔池的影響。通常，焊接熱輸入越大，熔深越深，反之越淺。同時熔池中由于溫度分布不均勻?qū)е乱簯B(tài)金屬密度差異產(chǎn)生浮力使得液態(tài)金屬流動，影響熔池的形態(tài)。（2）焊接熔池的流場通過熔池內(nèi)部流體的流動從而影響到熔池的形狀。在焊接過程中，熔池中液態(tài)金屬受到流體自身或多物理場所產(chǎn)生作用力的影響，如重力、浮力、表面張力、電磁力等，這些作用力影響流體的流動并在焊件冷卻后形成多樣的焊縫形貌。

2 熔池形態(tài)的數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)是通過求解基于物理基礎(chǔ)的偏微分方程來描述焊接過程，能夠處理焊接過程中復雜的熱源模型、傳熱傳質(zhì)以及非線性問題等。早期的焊接熱過程數(shù)值模擬建立在一定的假設(shè)條件基礎(chǔ)上，如忽略熔池內(nèi)部流體的流動、電弧處于靜止狀態(tài)、熔池表面不變形等。20世紀80年代，Oreper等[1]首次在分析流體流動及傳熱過程中考慮了表面張力、浮力、電磁力等作用力的影響，并建立了數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學者對焊接數(shù)值模擬進行了大量的探索研究，并取得了一定進展。

Cho等[2]對各種弧焊焊接熔池進行了較多的研究，在小電流埋弧焊熔池行為分析過程中，建立了三維數(shù)值傳熱和流體流動模型，并利用有限元和計算流體力學的方法求解壁流邊界模型，深入地研究了熔池流體動態(tài)機制以及相應焊縫成形機理，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。Pan等[3]在研究鋁合金變極性鎢極氬弧焊的熔池行為和焊縫成形過程中，采用控制體積法計算動量和能量傳輸方程，并提出一個三維計算模型，試驗結(jié)果對于熔池動態(tài)行為及焊縫缺陷形成機理的揭示，為進一步提高焊接生產(chǎn)率提供了良好的基礎(chǔ)。圖1為試驗焊縫縱橫截面與模擬結(jié)果的對比。

山東大學的趙朋成[4]研究全熔透TIG焊接熔池表面變形動態(tài)行為與工件熔透程度的相關(guān)性，充分考慮了三維溫度場、流場與熔池表面變形的耦合關(guān)系，建立了TIG焊接熔池瞬時行為的數(shù)值模型，并計算了整個焊接過程中熔池的演變過程。南京航空航天大學的汪奇兵[5]考慮溫度場、流場和應力場對Invar鋼激光-MIG復合焊接熔池的影響，采用高斯旋轉(zhuǎn)體熱源和雙橢球熱源組合模型進行計算求解，模擬所得的熔池形態(tài)與實際焊接所得的焊縫形貌吻合較好。華中科技大學的龐盛永[6]對激光深熔焊接熔池行為進行了大量的研究，建立了描述瞬態(tài)小孔和運動熔池耦合行為的激光深熔焊接三維間斷耦合模型以及激光填絲焊接過程中焊絲、小孔和熔池之間瞬態(tài)耦合行為的三維數(shù)學模型，開發(fā)了相應的求解程序，通過數(shù)值模擬獲得了與X射線試驗結(jié)果吻合良好的瞬態(tài)小孔行為和熔池內(nèi)部流動趨勢。

從國內(nèi)外的研究進展來看，有關(guān)焊接熱過程及熔池形態(tài)的數(shù)值模擬已取得了一定進展并逐漸趨于完善。根據(jù)焊接方式以及外加物理場的不同，研究人員充分考慮到多物理場各自的作用機制并對數(shù)值模型進行修正，較好地描述了各種焊接方式下的熔池形態(tài)，揭示其形成規(guī)律，通過數(shù)值模擬和試驗驗證等方式對焊縫形狀及其力學性能加以改善，得到了較好的效果。

熱場-應力-應變場及焊接變形預測

1 焊接變形的影響因素

焊接是對金屬局部進行快速加熱和冷卻的過程，加熱和冷卻的不均勻容易導致被焊材料中的應力與應變不斷發(fā)生變化，最終在焊接結(jié)構(gòu)中存在的殘余應力與變形對構(gòu)件的質(zhì)量將產(chǎn)生嚴重的不利影響，甚至造成產(chǎn)品報廢或者留下安全隱患。因此，對于焊接應力與變形的計算分析具有重要的現(xiàn)實意義。影響焊接變形的因素涉及到焊接過程中多物理場的耦合作用。（1）應力場是影響焊接變形最主要的因素。焊接過程中產(chǎn)生的應力隨時間不斷變化，且各部件之間的應力相互制約，成為影響焊接構(gòu)件形變量的主要因素。（2）焊接過程中溫度場的分布與應力應變密切相關(guān)。溫度場不僅直接通過熱應力應變，而且間接通過引起微觀組織變化所產(chǎn)生的相變應力應變對焊接構(gòu)件的應變產(chǎn)生重要影響。（3）固態(tài)相變場對焊接變形的影響不可忽視。由于溫度的改變，相變時體積發(fā)生膨脹和收縮。固態(tài)相變場的變化將在構(gòu)件中產(chǎn)生相應的拉壓應力并對焊接變形產(chǎn)生影響。

圖1 試驗焊縫縱橫截面與模擬結(jié)果的比較Fig.1 Comparison between experimental cross section and simulation results

2 應力變形的數(shù)值模擬

焊接應力與變形一直是焊接工作者研究的重點，20世紀70年代，日本學者上田幸雄等應用材料熱彈塑性理論，考慮材料的力學性能與溫度之間的關(guān)系，在有限元計算的基礎(chǔ)上推導出了數(shù)值模擬中焊接熱應力的表達式，為焊接應力變形模擬的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。近年來，Wang等[7]對10Ni5CrMoV鋼TIG焊接頭的焊后殘余應力進行有限元分析，在模擬計算過程中充分考慮了材料的硬化規(guī)律以及固態(tài)相變場，并通過試驗測量對模擬結(jié)果進行了驗證。圖2為模擬分析所得的縱向殘余應力分布圖。

圖2 縱向殘余應力分布圖Fig.2 Longitudinal residual stress distribution

Bonazzi等[8]利用有限元軟件Abaqus對鋁合金薄板T型MIG焊接頭進行變形仿真模擬，分析了材料的硬度、瞬態(tài)三維溫度場以及應力場的分布，結(jié)果可以很好地預測焊接引起的變形，并為擴大全球數(shù)據(jù)庫、促進鋁合金薄板在汽車車身制造業(yè)中的應用提供了新的數(shù)據(jù)。Gietka等[9]采用有限元分析法，對雙相鋼多道焊接頭的應力應變進行了數(shù)值分析，在模擬過程中考慮了熱、力學性能以及冶金等方面的因素，得到了應力與位移的分布。Ma等[10]在預測焊接變形和發(fā)展固有應變理論方面作出了大量的貢獻，在比較不同能量比對激光-電弧復合焊接對接接頭殘余應力分布的影響過程中，自行開發(fā)了耦合溫度場和應力場的三維熱彈塑性有限元程序，模擬了焊接變形和殘余應力的分布并詳細討論了能量比的影響，最終試驗驗證良好。Cao等[11]以電子束增材制造Ti-6Al-4V平板的熱機械行為作為研究對象，利用數(shù)值模擬及試驗驗證的方法計算分析了該合金的熱變形和殘余應力，提出了一個三維瞬態(tài)完全耦合的熱模型。

理論通常都是解釋性、描述性的、抽象的概念居多，而學前教育專業(yè)存在著鮮明的實踐性，幼兒教育中所有的實踐活動都蘊含著教育學的理論，如果過于強調(diào)幼兒教育的理論性，我們就會忽視教育學與實際生活的密切聯(lián)系。正如同學生走上工作崗位后會產(chǎn)生“理論無用”的錯覺，這種理論與實踐嚴重相脫離的觀念在當今大多數(shù)高等院校頻頻出現(xiàn)，使大多數(shù)師生的創(chuàng)新能力受到阻礙，與當今創(chuàng)新人才觀不符合。

國內(nèi)對于焊接應力與變形的數(shù)值模擬始于20世紀70年代，西安交通大學的樓志文等[12]首先在焊接溫度場和熱彈塑性應力場的分析中使用了數(shù)值模擬方法，并編寫了熱彈塑性有限元計算程序。隨后，上海交通大學與日本大阪大學合作研究了三維焊接應力和變形的數(shù)值分析，提高了模型的計算精度和收斂性，完善了三維焊接應力變形的分析程序，取得了較大的研究進展[13]。武漢大學的李冬林[14]基于ANSYS軟件，對焊接過程中的溫度場、應力場以及焊后殘余應力與變形進行了三維實時動態(tài)模擬研究，其分析方法在平板堆焊的實例計算中得到了有效驗證。哈爾濱工業(yè)大學的宋奎晶[15]對TA15鈦合金TIG焊熱影響區(qū)組織以及力學本構(gòu)關(guān)系進行了研究，在應力應變部分計算了高低溫下相變應變與相變塑性對焊接殘余應力變形的影響。上海交通大學的李勇志[16]在研究低合金高強鋼焊接過程中采用焊接試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了焊接過程中瞬態(tài)應力應變的演變規(guī)律，綜合考慮材料物理性能、加工硬化、固態(tài)相變以及混合相力學性能對焊接應力變形的影響，并建立了三維的多場耦合模型，殘余應力變形的計算結(jié)果與試驗吻合良好，圖3為焊接過程中的瞬態(tài)溫度及應力分布云圖。

南京航空航天大學米高陽等[17-18]通過研究Q235鋼激光焊接過程中溫度、相變以及應力的相互作用機制，在相變動力學基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個熱-相變-彈塑性（Thermal-Metallurgical-Mechanical，TMM）模型，設(shè)計了模型的求解方法并對模擬計算結(jié)果進行了試驗驗證。沈陽航空航天大學的肖翰林[19]通過數(shù)值模擬技術(shù)研究航空發(fā)動機薄壁機匣的典型接頭，采用有限元軟件分別對電子束焊和TIG焊的接頭進行模擬，模擬結(jié)果較好地體現(xiàn)了溫度場對應力變形以及二次低溫熱加工對焊后殘余應力的影響，并為機匣部件和機匣整體的模擬奠定了基礎(chǔ)，對改進航空發(fā)動機復雜薄壁機匣的焊接工藝方案具有實際指導意義。

綜合國內(nèi)外的研究進展，應力變形的數(shù)值模擬研究從早期的溫度-應力模型發(fā)展到近期的溫度-組織-應力耦合模型，同時從宏觀和微觀角度考慮應力變形的影響因素，并根據(jù)實際情況對模型進行完善，取得了較好的效果。

熱場-流場-磁場耦合計算及焊縫成形控制

1 外加磁場改善焊縫成形機理

利用外加磁場的焊接工藝技術(shù)近年來逐漸發(fā)展完善，外加磁場主要有：橫向、縱向和尖角形磁場，且都分為恒定和脈沖兩種類型。在焊接過程中根據(jù)不同工藝要求改變所加磁場的強度和脈沖頻率，從而達到控制焊縫成形的目的。在電弧焊過程中外加磁場促使電弧旋轉(zhuǎn)，改變弧柱電流和等離子流的分布，影響母材熔化和焊縫成形。激光焊接中，外加磁場改變激光傳輸過程中等離子體的密度和分布，影響焊縫熔深。此外，外加磁場在焊接過程中會影響熔池金屬流動，細化焊縫金屬一次結(jié)晶組織以及減少缺陷形成，有利于改善焊縫金屬的塑性和韌性，從而提高焊接接頭的質(zhì)量。

圖3 焊接過程中瞬態(tài)溫度及應力分布云圖Fig.3 Transient temperature and stress distribution in welding process

2 耦合磁場的數(shù)值模擬

近年來，針對磁控焊接控制焊縫成形的數(shù)值模擬研究逐漸深入。Bachmann等[20]利用多物理場數(shù)值模型研究了橫向穩(wěn)恒磁場對鋁合金局部滲透高功率激光束焊接的影響，結(jié)果表明，液態(tài)金屬中的洛倫茲力分布對熔體的流動以及焊縫的幾何形狀具有顯著影響，圖4為試驗焊縫與模擬計算結(jié)果的比較。

Bachmann等[21]進行了20mm厚不銹鋼的外加縱向磁場大功率激光小孔焊接試驗，并通過一個三維湍流穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型來分析研究交流磁場對熔池形態(tài)的影響，利用該模型求解了三維傳熱、流體動力學以及電磁場方程，分析比較了數(shù)值模擬和試驗過程中達到最佳熔池支撐時磁通量密度的差異。模擬計算得到的外加磁場下熔池截面溫度與速度分布如圖5所示。

圖4 試驗和模擬計算焊縫宏觀部分的比較Fig.4 Comparison between experimental and numerical simulation

圖5 外加磁場下熔池截面溫度與速度分布圖Fig.5 Distribution of temperature and velocity of molten pool section under external magnetic field

重慶大學的王聰[22]建立了外加縱向磁場TIG焊熔池的數(shù)值模型，并計算分析了磁場強度和焊接速度對熔池溫度場、流場以及焊縫成形的影響。沈陽工業(yè)大學的劉政軍等[23]以外加磁場作用下的鎂合金TIG焊接熔池作為研究對象，建立了移動熱源作用下的三維數(shù)學模型，利用ANSYS有限元軟件實現(xiàn)了電磁場與溫度場、流場之間的耦合，計算表明熔池中液態(tài)金屬在外加磁場所產(chǎn)生電磁力的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，改變了原有傳熱和流體流動方式，使得焊縫的熔寬增大、熔深減小。

目前國內(nèi)外對于溫度場、流場和磁場的全耦合計算還比較少見，隨著人們對磁控焊接過程作用機制的深入了解，有關(guān)磁控焊接的數(shù)值模擬及其焊縫成形控制研究將不斷完善。

結(jié)論

綜上所述，有關(guān)焊接熔池、應力變形和焊縫成形控制的多場耦合數(shù)值模擬研究已取得了一定進展，但仍存在一些問題和不足，預計未來一段時間以下幾方面將成為該領(lǐng)域研究的熱點問題：

（1）在焊接熔池形態(tài)的模擬方面，近年來國內(nèi)外學者開展了較多研究，基于電弧焊、等離子弧焊以及激光-電弧復合焊等各種焊接方式都取得了較大進展。未來的研究應綜合考慮微觀機制與宏觀熱效應對于熔池形態(tài)的影響，在建立模型時全面分析溫度場、流場和磁場等物理場的作用機制，通過改善算法和程序，在保證精度的情況下提高計算效率。

（2）有關(guān)焊接應力變形的數(shù)值模擬雖然取得了一定成果，但仍有一些問題需要研究解決。這是由于變形受力的復雜性，針對不同焊接方式、不同結(jié)構(gòu)尺寸的焊件以及焊接坡口形式等各種因素，仍缺少相應的計算模型。同時材料的各項性能參數(shù)不夠完善，不可避免地導致模擬過程中的簡化計算，影響計算精度。

（3）焊接過程中通過外加磁場控制焊縫成形的研究已不斷深入，但在數(shù)值模型中如何考慮磁場與電弧、電弧與熔池以及磁場與熔池之間的相互作用機制成為了難點。針對不同焊接方式，涉及電、磁、熱、流的外加磁場計算模型需加以改善并避免過多的假設(shè)。

（4）目前焊接過程多場耦合模擬已經(jīng)從宏觀現(xiàn)象發(fā)展到微觀組織，確定性方法、蒙特卡羅法、元胞自動機法以及相場法的應用使得焊接組織模擬正處于快速發(fā)展的階段，并不斷取得可喜的成果。

（5）目前焊接多場耦合模擬在航空發(fā)動機中的應用已取得初步進展，通過對發(fā)動機機匣和葉盤等構(gòu)件溫度場和應力變形的模擬，在指導實際生產(chǎn)和改善工藝方案上已取得一定成果。但目前模擬的構(gòu)件一般為典型接頭和較小部件，對于發(fā)動機內(nèi)較大構(gòu)件以及構(gòu)件之間連接的模擬還需進一步的研究。對于焊接數(shù)值模擬技術(shù)真正推動航空裝備制造從傳統(tǒng)模式向數(shù)字化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，還需付諸較大努力。

相對于國外發(fā)展水平，國內(nèi)焊接數(shù)值模擬在焊接熔池形態(tài)、應力變形以及焊縫成形控制等領(lǐng)域的基礎(chǔ)模擬研究上差距不大，但在理論研究、原創(chuàng)性模型建立等方面需要更大的努力，同時國內(nèi)缺乏具有較大影響力的模擬應用軟件，將模擬研究結(jié)果真正應用到工業(yè)生產(chǎn)中還需要較長一段時間。

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