焊接热源及温度场分析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接热源与熔池行为对焊接效果的影响一直是关注的重点。对焊接热源及相关温度场模拟的关键在于材料物性参数的完备、热源模型与实际热源的拟合程度、热源移动路径的准确定义、边界条件是否设置恰当等，也是对焊接应力、应变场及焊接过程其他现象模拟的基础。图12-43是对等离子- MIG电弧的温度场与熔滴过渡的仿真，并与高速摄像的结果作了对比验证。

焊接热源与熔池行为对焊接效果的影响一直是关注的重点。对焊接热输入与热循环过程的准确认识，是焊接冶金过程、焊接应力应变、焊接缺陷成因等分析的基础。由于焊接热源与熔池的尺寸小、温度高、多场量耦合强以及随机干扰因素多，采用试验检测难度大且重复性差，采用数值建模与仿真技术，能够提供定量的描述以及用试验方法不易测出的规律性分析结果。在数值仿真中主要针对三个区域，即焊接电弧、电弧与熔池界面以及填充金属、熔池与焊缝的热影响区。

对焊接热源及相关温度场模拟的关键在于材料物性参数的完备、热源模型与实际热源的拟合程度、热源移动路径的准确定义、边界条件是否设置恰当等，也是对焊接应力、应变场及焊接过程其他现象模拟的基础。在工程应用上，通过焊接温度场的模拟可以判断固相和液相的分界，得出焊接熔池形状。专业焊接仿真软件提供给用户选择的焊接热源模型有高斯（Gauss）热源模型、双椭球（Goldak）热源模型、圆锥（Conical）热源模型等，并且具有热源校准功能，使得热源的拟合尽可能与实际情况相吻合。

图12-39是对钨极惰性气体保护焊电弧与熔池温度场、气体和熔池内流体的速度矢量场以及熔池上方金属蒸气（Fe）分布的仿真结果。图中给出的对电弧温度场层间分辨率是2000K；对钨极温度场的分辨率是200K；对熔池及热影响区温度场的分辨率是250K。工件材料是304不锈钢，电流为150A，分别采用氩气和氦气作为保护气体，在电弧对工件作用为t=20s时刻的对比。

图12-39 对GTAW电弧的一个仿真结果

a）氩气保护 b）氦气保护

由于熔化极气体保护焊是一个传热和传质结合的过程，熔滴及过渡时产生的金属蒸气对电弧温度场和电流密度分布的影响十分显著。图12-40是纯氩为保护气体，在设定的工艺参数条件下对电弧温度场和电流密度分布的仿真结果。图12-41是对激光、电弧及其复合等离子体在复合前后各温度场的数值仿真结果。从中可以获得激光复合电弧温度分布特征的直观信息。图12-42是对激光-MIG复合焊在5ms时间周期内的熔滴过渡与熔池形貌的仿真。图12-43是对等离子_- MIG电弧的温度场与熔滴过渡的仿真，并与高速摄像的结果作了对比验证。

以上这些仿真结果极大地提高了对焊接热源物理属性及其特点的认识，开拓了对焊接过程从宏观到微观、从定性到定量的分析途径，加快了对新型热源特点的认识，促进了解决实际工程问题能力的提升。