焊接热模拟技术

焊接过程中的数值模拟与仿真技术引言焊接是一种常见的金属加工方法，广泛应用于制造业领域。

然而，在焊接过程中，由于高温、高压和复杂的热力学环境，焊接工艺参数的选择和优化往往存在一定的挑战。

因此，借助数值模拟与仿真技术来模拟、预测和改善焊接过程已经成为焊接工程师的重要工具。

本文将介绍焊接过程中的数值模拟与仿真技术及其应用。

数值模拟与仿真技术的原理和方法数值模拟与仿真技术是利用数学方法和计算机技术对焊接过程进行模拟和预测的一种手段。

它基于物理学原理和数学方程，将焊接过程分解为多个离散的时间和空间步骤，并通过建立数学模型来描述焊接过程中的各种物理现象。

数值模拟与仿真技术的主要原理和方法包括：1. 热传导方程模型热传导方程模型是数值模拟与仿真技术中最基本的模型之一。

它基于热传导原理，通过建立热传导方程来描述焊接过程中热量的传递和分布。

该模型可以准确地预测焊接过程中的温度场分布和热应力分布，为焊接工艺参数的优化提供重要参考。

2. 流固耦合模型焊接过程中存在流体流动和固体熔化的复杂耦合现象。

为了更准确地模拟焊接过程，可以建立流固耦合模型。

该模型基于流体力学和固体力学原理，同时考虑熔化金属的流动和固体材料的变形。

通过该模型，可以分析焊接过程中的速度场、应力场和变形场等关键参数，为焊接过程的优化提供依据。

3. 相变模型焊接过程中熔化金属会发生相变，而相变过程对焊接接头的性能和质量具有重要影响。

为了准确预测焊接接头的相变行为，可以建立相变模型。

相变模型基于热力学和相变动力学原理，通过数学方程描述金属的熔化和凝固过程。

利用相变模型，可以研究焊接接头的晶体结构和应力分布，从而提高焊接接头的强度和可靠性。

4. 材料性能模型焊接过程中材料的热物理性质和机械性能会发生变化，对焊接接头的质量和性能产生重要影响。

为了更好地预测焊接接头的材料性能，可以建立材料性能模型。

材料性能模型基于材料力学和热学理论，通过数学方程描述材料在焊接过程中的变化规律。

焊接工艺中的数值模拟与仿真优化焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于制造业的各个领域。

然而，传统的试错方法在焊接工艺的优化中存在一些困难和不足。

为了提高焊接工艺的效率和质量，数值模拟与仿真技术成为了焊接工艺优化的重要手段。

数值模拟是利用计算机模拟焊接过程中的热传导、相变、应力和变形等物理现象的方法。

通过建立数学模型和采用数值计算方法，可以预测焊接过程中的温度场、应力场和变形情况，从而为优化焊接工艺提供理论依据。

数值模拟不仅可以减少试验成本和时间，还可以提高焊接工艺的稳定性和可靠性。

在数值模拟中，材料的热物性参数是一个重要的输入参数。

通过实验和理论计算，可以获得材料的热导率、比热容和熔点等参数。

同时，焊接过程中的热源也需要进行建模。

根据焊接方式和焊接材料的不同，可以采用点源模型、线源模型或面源模型来描述热源的分布和功率。

除了热传导，相变也是焊接过程中的一个重要现象。

在焊接过程中，金属经历了固态、液态和气态三个相态的转变。

相变过程会引起温度的变化，从而影响焊缝的形成和性能。

数值模拟中，可以采用相变模型来描述相变过程，并通过计算相变潜热和相变温度来确定相变的位置和时间。

焊接过程中产生的应力和变形对焊缝的质量和性能也有重要影响。

应力和变形的产生主要是由于焊接过程中的热膨胀和材料的塑性变形。

数值模拟中，可以采用有限元方法来计算焊接过程中的应力和变形。

通过调整焊接参数和优化焊接序列，可以减少应力和变形的产生，提高焊接工艺的稳定性和可靠性。

数值模拟不仅可以用于焊接过程的优化，还可以用于焊接接头的设计和评估。

通过数值模拟，可以预测焊接接头的强度、疲劳寿命和断裂行为。

同时，还可以优化焊接接头的几何形状和尺寸，提高焊接接头的性能和可靠性。

除了数值模拟，仿真优化也是焊接工艺优化的重要手段之一。

仿真优化是利用计算机模拟和优化算法来寻找最优的焊接参数和工艺条件。

通过建立数学模型和采用优化算法，可以在设计空间中搜索最优解。

焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。

焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。

焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。

这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。

由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。

因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。

传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。

ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。

文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。

2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。

由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。

在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。

差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。

对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。

但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。

利用仿真技术优化搅拌摩擦焊焊接工装设计焊接工装在焊接工艺中起到关键作用，它直接影响焊接接头的质量和效率。

随着科技的不断发展，仿真技术被越来越广泛地运用到焊接工装设计中，以优化工装结构和参数，提高焊接效率和质量。

本文将探讨利用仿真技术优化搅拌摩擦焊焊接工装设计的方法和意义。

搅拌摩擦焊是一种热机械联结技术，适用于铝合金、镁合金等低熔点金属的连接，具有焊接速度快、热影响小等优点。

而搅拌摩擦焊焊接工装的设计则是确保焊接过程中工件的固定和稳定，以及提高焊接质量和效率的关键。

首先，利用仿真技术可以进行焊接过程的模拟和分析。

通过建立数值模型，可以模拟焊接过程中的温度场、应力场和变形情况，进而评估工装结构和参数的合理性。

通过仿真分析，可以发现工装设计中存在的问题，并进行及时调整和优化。

其次，利用仿真技术可以优化工装结构和参数。

在模拟结果的基础上，可以通过参数化设计和多目标优化算法，对工装结构和参数进行调整和优化，以满足焊接过程中的需求。

比如，可以优化夹持力、夹具布置方式，以及冷却系统的设计，提高工装的可靠性和稳定性。

此外，利用仿真技术还可以预测焊接接头的质量。

通过仿真分析，可以得到焊接接头的成形情况、强度分布等关键参数，对焊接接头的质量进行预测和评估。

这样可以帮助焊接工程师及时发现问题，做出相应调整，提高焊接接头的质量和可靠性。

综上所述，利用仿真技术优化搅拌摩擦焊焊接工装设计具有重要意义。

通过仿真技术的应用，可以提高工装设计的精度和效率，减少试错成本，提高焊接质量和效率，推动搅拌摩擦焊技术的发展。

因此，在搅拌摩擦焊焊接工装设计过程中，应充分运用仿真技术，不断优化工装结构和参数，提高焊接接头的质量和可靠性。

赵 欣等：焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择429焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择赵 欣 张彦华（北京航空航天大学机械工程学院，北京 100083）摘 要：建立合理的热源模型是焊接过程数值模拟结果准确可靠的前提。

本文总结了各种常用的热源模型，讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。

关键词：温度场；数值模拟；热源模型1 序 言焊接过程通常是材料在具有高能量密度的热源作用下，连接区域局部熔化或呈塑性状态，进而冷却形成焊缝和焊接接头的过程。

焊接的过程伴随着材料加热和冷却的热过程，研究焊接的热过程对于研究焊接冶金、焊缝凝固结晶、母材热影响区的组织和性能、焊接应力与变形以及焊接缺陷的产生等都有着重要的意义。

利用计算机技术对焊接过程的温度场进行数值模拟是研究焊接热过程的重要方法，通过数值计算可以得到焊接过程中母材上任意点任意时刻的瞬时精确解，而建立合理的热源模型是数值模拟计算结果准确可靠的前提。

本文在多年焊接数值模拟及实验经验的基础上讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。

确定数值模拟中的热源模型，即确定合理的焊接热流分布函数，使模拟的温度场符合实际焊接的情况。

热源模型的建立准则是熔池边界准则，即与实际焊接相比输入相同热量的情况下，如果使用所选热源模型所模拟得到的熔池区域边界（Fusion Zone Boundary ，FZB ）与实际焊缝熔合线相符，那么就认为此热源模型是合理的[1]。

对于现有热源模型的选择使用及发展均以此准则作为出发点，同时，这一准则也为判断所选模型是否合理提供了依据。

事实上，我们总是依据不同焊缝的热源特点和表现出的不同形貌特征来选择和组合热源模型，以使得模拟得到的熔池边界区域与实际焊缝融合线相符。

这样得到的焊接温度场数值模拟的结果是能够满足焊接力学分析的要求的。

2 表面热源模型 表面热源模型的特点是外界热量只是通过焊接构件表面输入，进而通过热传导把热量传输到焊接构件的每个部分。

DEFORM Welding(2)-FSW搅拌摩擦焊模拟技术（ALE法） 搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，通过搅拌针的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化来完成焊接。

在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头与工件之间的摩擦热，使前面的材料发生强力塑性变形，然后随着焊接头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

搅拌摩擦焊技术应用于我国航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域中，创造了可观的社会经济效益，为铝、镁、铜、钛、钢等金属材料提供了更好的技术解决方法，FSW主要用于包括航天筒体结构件、航空薄壁结构件、船舶宽幅带筋板、高速列车车体结构、大厚度雷达面板、汽车轮毂、集装箱型材壁板、各种结构散热器及热沉器等。

FSW搅拌摩擦焊工艺传统的FSW搅拌摩擦焊工艺模拟基本采用拉格朗日增量法进行计算，但是焊接过程中材料变形剧烈，温度升温快，对热固耦合的计算能力要求高。

随着变形的进行，网格将产生大变形，需要具备极其强大的单元重划分能力，否则将无法实现计算收敛。

网格的不断重划分也同样会造成计算时间的延长，传统的拉格朗日算法可能需要数天甚至更长时间来完成FSW计算。

Deform Welding的FSW搅拌摩擦焊工艺模拟除采用传统的拉格朗日增量法外，其基于ALE方法的搅拌焊模拟更加高效和便于使用。

ALE算法避免了摩擦焊过程中单元的大量重划分过程，无论在计算收敛性还是计算速度方面都得到了极大的提升。

往往采用ALE法的FSW模拟过程，仅需数个小时即可计算完毕。

Deform FSW搅拌焊模拟Deform Welding FSW可实现如下功能：具备ALE网格重划分功能，通过较少次数的细化实现搅拌移动过程的材料变形处理；ALE法FSW网格处理能够在同一个模型里定义不同的材料类别及混合相，从而实现搅拌焊过程中焊缝区域的材料混合计算；焊缝区域不同材料相的混合百分比能够计算搅拌焊材料流动方向及速度，分析不同的搅拌转速、搅拌头移动速度、搅拌头结构对搅拌焊结果的影响；搅拌头附近的材料流速及流向能够计算搅拌过程应力应变、温度场数据；能够同时考虑搅拌头搅拌过程下压力对焊接结果的影响；搅拌焊件温度场分布焊件应力应变分布。

高效焊接技术--激光+GMAW 复合热源焊焊缝成形的数值模拟弧焊高效焊接技术主要以提高熔敷效率和焊接速度为目的。

其中高熔敷效率焊接主要是在单位时间内熔化更多的焊接材料, 以提高焊接材料的熔化速度为目的的高熔敷效率焊接，代表工艺为T ．I ．M ．E ．焊接，主要用于厚板焊接；高速焊接是在提高焊接速度的同时提高焊接电流,以维持焊接热输人大体上保持不变，代表工艺以多丝弧焊技术为主，主要用于薄板焊接。

另外，复合热源和加活性助焊剂方法也成为高效焊接的主要研究方向，如激光复合焊、A —TIG 焊等。

激光——电弧复合焊最早是由英国的W ．Steen 于20世纪70年代末提出的，它将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既充分发挥了两种热源各自的优势，又相互弥补各自的不足，形成一种全新高效热源。

复合形式众多，根据激光电弧在焊接时的空间位置不同，可以将复合形式分为旁轴与同轴。

主要的激光复合高效焊接技术方法如下图1所示图1激光复合高效焊接方法作为一种高能束焊接方法，激光焊以焊接速度快、生产效率高、焊接精度高、能量控制精确等良好的材料加工性能，以及易实现加工的自动化、柔性化等独特的优势，在汽车、造船、航空航天器制造、微电子等行业得到了大量应用。

但是，由于激光束焦点直径很小(一般为0.2—0.6 mm)，激光加热区域及工件中的受热熔化区域也很小，焊缝桥联能力差，对工件的装配提出很高的要求，因而在实际生产中的应用受到了较多的限制。

作为最常用的熔化极气体保护电弧焊GMAW，可以提供适量熔化的填充金属在对接间隙中搭桥或填充坡口，使焊缝具有很强的桥联能力，增强了对装配间隙变化的适应性，降低了对工件装配精度的要求。

GMAW 还具有应用范围广、设备投资和使用费用低等优点。

激光+ G M A W电弧复合热源焊接就是将激光焊接和G M A W结合起来实现优质高效焊接生产的一种新型的焊接成形工艺。