焊接热模拟技术
焊接过程中的数值模拟与仿真技术
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
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
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。
高频电阻焊连续油管焊接HAZ组织性能热模拟分析
小的 回复 再 结 晶 ，材 料 的 冲 击吸 收 功 值 有 所 回 复 。
关 键 词 ：连 续 油管 ；粒 状 贝 氏体 钢 ； 热模 拟 技 术 ； 高 频 电 阻焊
中 图分 类 号 ：Ｔ ５ ． ３ ９ 文献 标 志 码 ：Ｂ
焊 接方 法 ，对连 续油 管 的成 型起 着 非 常重 要 的作 用 ，
１ ・ 验与研究 ・ ２ 试
文章 编 号 ：０ ２ ０ ５ （０ ０ — ０ ２ ０ １０ — ２ Ｘ ２ １）２ ０ １－ ４ １
焊接 技 术
第４ ０卷 第 ２期 ２ １ 年 ２月ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ０１
高 频 电 阻 焊 连 续 油 管 焊 接 ＨＡＺ 组 织 性 能 热 模 拟 分 析
张 敏 ，赵 鹏 康 ，王 文 武 ，李 继 红 ，毕 宗 岳
０ 序 言
而热影 响 区 （ Ａ ）是焊 接接 头最 薄 弱部位 ，采用 热 Ｈ Ｚ
连续 油管 最早起 源 于二次 大 战时期 快速敷 设 海底 油管 线 ，当时 的油 管是 通过焊 接方 式半 一根 根短 管对
模 拟 技 术 ，分 析 焊接 过 程 中 Ｈ Ｚ各 部 位 组 织性 能 变 Ａ
定 区域 。如 果 想 在 实 际 焊 接 接 头 中 对 这些 特 定 区 域
的金 属 分 别 进 行 组 织 观 察 和 力 学 性 能 试 验 等 是 困难
的 ．为 了使 焊 接 热 影 响 区各 特 定 区 域 的 尺 寸 大 到 足
以进 行 正 常 的力 学 性 能 试 验 ，只 有 采 用 焊 接 热 模 拟 方 法 才能 做 到 。 焊接热 模拟 方法 是利 用特 定装 置在 试样 上产 生与
化规律 ．为连续 油管 焊接 Ｔ艺 的确 定提供 试验 数 据和 必要 的理论 依据 ．无疑是 十分 必要 的 。
基于ANSYS上的焊接热过程模拟技术的研究_张亮峰
{C} [T ]+ [K ]{T } = {Q} 式中: {C}—— 比热矩阵 ;
[ T ]—— 节点温度的时间导数 ; [ K ]—— 有效热传导矩阵 ; { T }—— 节点温度向量 ; { Q}—— 有效的节点热流率向量。 由此可对分析的稳态 ( T 项为零 )、瞬态、线性和
非线性等类型的问题进行分析 ,还可进行相变分析 —— 物态变化、结构分析 - 以热等。由于使用藕合场 单元同时求解 ,使得耦合复杂热传递和结构问题成 为可能 ,如瞬态热流分析等。
结 语
运用计算机模拟技术 ,对焊接热过程进行分析 , 可有效地指导正确的制定或选择焊接条件 ,如板厚、 接头型式、工艺参数、预热温度等。 由于 ANSYS程 序功能强大 , 涉及范围广 ,并且它友好的 图形界面 ( GUI)及优秀的程序构架使其易学易用 ,该程序还 使用了 基于 Mo tif 标准 的易 于理 解的 GUI,通 过 GU I可方便的交互访问程序的各种功能、命令、用 户手册和参考材料 ,并可一步一步地完成整个分析 , 因而使 AN SYS易于使用。 同时 , AN SYS可与许多 先进的 CAD软件共享数据 ,并为广大工 业领域的 用户提供了分析各种问题的能力 ,而且它的设计数 据接口程序提供了完全与设计数据相关联的分析方 案 ,并通过良好的用户界面完成分析。 因此 ,它在工 程界越来越广泛应用。
焊接过程的有限元模拟
分 。基于 T型接头的埋弧焊工艺 ,采用高斯分布的 热源函数作为表面热源 ,焊件熔池部分采用双椭球 形热源分布函数作为内热源 。
高斯函数分布的热源 [ 3 ]
q ( r) = qm exp
-
3
r2 R2
(1)
式中 : qm为加热斑点中心最大热流密度 ; R 为电 弧有效加热半径 ; r为离电弧加热斑点中心的距离 。
理论研究
熊震宇 董 洁 谢雨田 蒋海侠 焊接过程的有限元模拟
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2. 2 应力场模拟结果分析 焊接过程的动态温度场计算结束后 ,进入 AN2
SYS的前处理器 ,将热单元转换为相应的结构单元 ,
设定计算热应力所需参数值后 ,热应力分析模块将 自动完成整个焊接过程的动态热应力分布的计算 。
南昌航空大学学报
Journal of Nanchang Hangkong University 自然科学版 …………Natural Science
q ( r)
6 =π3
3f1 Q /2 abcf
ex
p
-3
x2
y2
z2 2
a2 + b2 + c2f
(2)
在后半部分椭球内热源分布为
q ( r)
6 =π3
理论研究
熊震宇 董 洁 谢雨田 蒋海侠 焊接过程的有限元模拟
65
热 ,将辐射换热的影响考虑到对流换热中 ; (4)忽略熔池内部的化学反应和搅拌 、对流等
现象 [ 7 ] 。 1. 4 焊接热源的处理与施加
由于加热电弧是移动的 ,对于移动的实现 ,利用 ANSYS的 APDL语言编写子程序 ,采用离散的思想 , 进行多步循环来实现具体思路如下 :沿焊接方向将焊 缝长度 L等分为 N 段 ,将各段的后点作为热源中心 , 在以电弧中心为圆心 ,半径小于电弧有效加热半径的 区域内加载热源 ,每段加载后进行计算 ,计算时间为 L /V ,每一段的计算为一载荷步 。当进行下一段加载 (即下一载荷步计算 )时 ,需消除上一段所加的热流密 度 ,而且上一次加载所计算得到的各点温度值作为下 一段加载的初始条件 。如此依次在各点加载即可模 拟热源的移动 ,实现移动焊接瞬态温度场的计算 。 2 T型接头焊接的数值模拟结果及分析
焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择
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。
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式中
T—热源在瞬时给焊接的热能 α—热扩散率 D—距点热源的距离，D=(x2+y2+z2)1/2
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2）若热源为线热源 即二维温度场
式中 d—距线热源的距离 d=（x2+y2）1/2
3） 若热源为面热源 即一维温度场
式中 F—截面面积 x—距热源的距离
2020/7/28
Rosonthal解析模式是以集中热源为基础的计算方法， 假定物性参数不变，不考虑相变与结晶潜热，对焊件几 何形状简单的归结为无限大、无限长、无限薄，计算结 果对远离熔合线的较低温度区（<500℃）较准确，但对 熔合区及热影响区误差很大，而这部分正是和焊接性能 相关的关键部位。
2 高斯函数分布的热源模式
电弧热源是通过加热斑点将热能 传递给焊件的，加热斑点上热量分布 不均匀，中心多而边缘少。
2020/7/28
距斑点中心任一点的热流密度：
式中
qm—加热斑点中心最大热流密度
R—电弧有效加热半径 r—距电弧加热斑点中心的距离
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3 半球状热源分布函数模型
该模型是针对电弧挺度大，对熔池冲击力大的 情况提出的，如高能束的激光焊、电子束焊。
4、蔡洪能等人建立了运动电弧 作用下表面双椭圆分布模型，并在此 基础上研制了三维瞬态非线性热传导 问题的有限元程序。
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焊接温度场的准确计算是焊接冶金分 析、焊接应力应变热弹塑性动态分析和焊 接工艺制定的前提。
焊接温度场：
焊件上某一点的瞬时温度分布
T=f（x，y，z，t）
式中
T—焊件上某点瞬时温度；
场的线性计算，其结果与试验相吻合； 2、上海交通大学陈楚等人对非 线性热传导问题进行了有限元分析， 建立焊接温度场计算模型，并编制 了相应的程序；
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3、国内近十多年来才开始对三维问题进行 研究，上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学 合作对三维焊接温度场问题进行了一系列有限元 研究，探究了焊接温度场的特点；
式中 q（x,y,z）为—功率密度，单位为W/m3
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4 椭球型热源模型
因为在激光焊情况下，熔池形状不是球对称的， 所以半球形热源分布函数有一定的局限性。经过改进， 又提出了椭球形热源模型。
式中 a、b、c分别为椭球的半轴长
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5 双椭球型热源模型
实际中，熔池前半部分温度梯度分分布较陡，后 半部分分布较缓，因此在椭球型热源分布函数基础上 又提出了双椭球型分布函数。
焊接热模拟技术
一、基本介绍
焊接热模拟技术是采用数值分析 的方法，即采用计算机程序来求解数 学模型（热源模型）的近似解，从而 得出焊接温度场分布和焊接热循环曲 线。目前使用最多的为有限元法，其 次为差分法，而应用较多的软件为 ANSYS、SYSWELD、ABAQUS等。
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有限元法:将连续的物体离散化，分
2020/7/28
热模拟技术发展的历史
国外：
1、前苏联科学院Rykalin院士对焊接过程的 传热问题进行了系统的研究，建立焊接传热学 理论基础，并在此基础上将焊接热源划分为点、 线、面热源；
2、Adames、木原博和稻埂道 夫等人根据热传导微分方程，通过 大量实验建立了不同情况下的传热 公式；
2020/7/28
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焊接温度场属于典型的非线性瞬态热传导问题。 焊接过程中的热传导控制方程
式中
ρ—材料密度
cp—比热容 λ—热导率
t—时间
QTR—内热源，包括弹塑性变形、蠕
变和相变潜热引起的变化
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（一）基于焊接熔池形状的热源模型
1 Rosonthal的解析模式
1）若热源为点热源 即三维温度场
3、被焊金属的物理性质 金 属材料物理性质不同，其焊接温度场 分布也不相同。
（1）热导率λ 表示金属导热的能力
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（2）比热容c 即1克物质每升高1℃所需的热
（3）热扩散率a 表示温度传播的速度
（4）热焓H 单位物质所具有的全部能量
（5）表面散热系数α 散热体表面与 周围介质每相差1℃时，在单位时间内单 位面积所散失的热量
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3 三维温度场 热的传播方向是沿三个方向的，可 以把热源看成是一个点，如在厚大焊件的表面上堆焊。
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二、焊接热源模型
正确的热源模型是获得焊接热循环的 必要条件，是准确测量焊接过程残余应力、 焊缝强度的前提条件。目前使用最多的热 源模型是基于熔池形状的热源模型。近几 年，一些焊接工作者将已有热源模型作进 一步的修正，提出了更接近实际、方便计 算的热源模型。
3、1975年，加拿大的Poley和Hibbert在发 表的文章中介绍了利用有限元方法研究焊接温 度场；
4、加拿大Krutz在博士论文中研究了利用 焊接温度场预测接头强度问题，并分析了非线 性温度场。
5、20世纪末提出了计算机模拟 手段，焊接热模拟技术发展迅速。
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国内：
1、1981年西安交通大学唐慕尧等源自编制了 热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度
解为有限个单元组成的模型，即进行网 格划分，从而对离散化模型求数值解 主要特点：
1、概念清晰，容易掌握； 2、灵活性和适用性强，应用 范围广泛； 3、矩阵形式表达，便于编程 计算。
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焊接过程涉及电弧物理、传热、冶金和力学 ，涉及到温度场、应力和变形场、显微组织状
态场等多场耦合问题，其过程非常复杂。
4、焊件的板厚、几何形状和所 处的状态（包括环境温度、预热及 后热等）
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根据焊件尺寸和热源的性质，焊接 温度场可以分为一维、二维和三维。
1 一维温度场 传热方向只有一个，如细棒的摩 擦焊对接等。
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2 二维温度场 在板厚方向没有温差，即热源可 以看成是沿板厚的一条线（线热源），热的传播方向 为两个方向（x，y）属于平面传热，如薄板的焊接。
x，y，z—焊件某点空间坐标；
t—时间
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在焊接过程中经过一定时间之后，焊件上会
形成准稳态温度场，即各点的温度不随时间而改 变。
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稳态阶段
影响焊接温度场的因素：
1、热源 热源种类很多，其性质也不相 同，焊接温度场的分布也不同。
2、焊接线能量E（q／v） 热源功率q和焊 接速度v不同，其焊接温度场分布也不相同。