焊接数值模拟

• 热加工过程目的
– 获得一定的形状、尺寸、成分和组织 – 成为零件、毛坯、结构
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的意义
• 热加工过程的结果
– 成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于 最佳状态
• 热加工工艺设计
– 根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺， 指导材料的热加工过程
O
y
R0
q ( x, y, z ) q (0,0) e
log( H ) z
x y
2 2
热源总功率 Q = 3 500 W 热源高度 H = 0.01 m 热源开口半径 R0 = 0.003 m
旋转 Gauss 曲 面体热源模型
H
q(0,0)
3cs Q πH(1 e 3 )
– 矢量表示：
T n n T T T grad T i j k x y z T q grad T n n grad T
焊接数值计算
热量传递的三种基本形式/热对流
• 定义
– 运动的流体质点发生相对位移而引起的热转 移现象
• 遵循的定律
– 牛顿定律 – 公式：
•
熔池部分
– 熔池形状 – 流场、温度场，主要研究成分和工艺因素对熔池形状的影响，针对焊缝形状控制 – 冶金过程 熔池中气体的吸收 各种氧化物氮化物的形成及其作为非均质核心的可能 凝固－熔质元素分布（偏析）凝固组织大小，结晶路径，BTR区间等
• 结构部分
– – – – 热过程－温度分布，预测热影响区大小，冷却时间，Tmax，th，t8/5等 力过程－应力应变过程，残余应力和变形，预测裂纹，控制残余应力和变形 冶金过程－晶粒长大，相变，氢扩散，接头组织性能预测，冷裂敏感性预测等 接头性能与服役行为－不均质、存在缺陷、残余应力－断裂行为（韧性，强度， 疲劳性能等）与可靠性分析等等
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的发展趋势
• 重视提高数值模拟的精度和速度 • 重视精确的基础数据获得与积累 • 与生产技术其他技术环节集成，成为先 进制造技术的重要组成
– 与产品设计系统集成 – 与零件加工制造系统集成
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 部分商业软件
• 铸造
– PROCAST, SIMULOR
• 锻压
– DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE
• 通用
– MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
焊接数值计算
2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
– 在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同 一时刻的温度分布，叫做温度场。 – T=f(x,y,z,t)
H
R0
x
z
Q q ( x, y , z ) 2 πR0 H
2
Q = 3 500 W 热源高度
y R , z 0, H
2 2 0

H = 0.01 m 热源有效半径 R0 = 0.002 m
(e) Gauss 面
(f) 实际焊缝截面
焊接数值计算
焊接温度场的数值模拟
• 热传导微分方程 • 移动的焊接热源 • 非线性的散热条件
• 稳定温度场
– T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
– T=f(x,y,z,t)
• 等温面 • 等温线
焊接数值计算
热量传递的三种基本形式/热传导
• 定义：物体各个部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动而产生的热量传递。 Q T • 表达式： F x T Q F • 傅立叶定律： x
For a review of the subject, see: T. DebRoy, Role of Interfacial Phenomena in Numerical Analysis of Weldability, Mathematical Modelling of Weld Phenomena II, The Institute of Materials, London, (1995) pp. 3-21.
qm
2
y2

热源总功率 Q = 3 500 W 热源高度 H = 0.01 m 热源有效半径 R0 = 0.002 m
(c) Gauss 圆柱
(d) 热流均匀分布的柱状
Gauss 圆柱热 源模型
H
QK ； 3 K 2 πH R0
z 0, H
z
x y
O
热源总功率
热流密度均匀 分布的柱状热 源模型
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的 结果（组织和性能） – 与制造过程结合，实现快速设计和制造
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传 热。 • 美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟
T 2T 2T 2T 1 Qv 2 2 2 t c x y z c t
qc ar (T T0 )
焊接数值计算
焊接温度场的数值模拟
焊接数值计算
焊接温度场的数值模拟
焊接数值计算
教学目的
• 掌握基本的传热知识 • 了解热加工过程模拟的研究现状和发展 趋势 • 了解传热问题的数值计算方法 • 掌握实际热加工过
第二章：温度场数值模拟
焊接数值计算
材料焊接过程的数值模拟
材料加工过程的数值模拟
焊接数值计算
焊接过程的数值模拟
• 概述
– 焊接过程数值分析的内容 – 焊接过程的特点 – 焊接过程中温度－应力和变形－组织转变 的关系 – 焊接过程数值分析的主要困难
焊接数值计算
焊接数值分析的内容
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的发展趋势 • 宏观中观微观
– 宏观：形状、尺寸、轮廓 – 中观：组织和性能 – 微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析 出
• 单一、分散耦合集成
– – – – 流场温度场 温度场应力/应变场 温度场组织场 应力/应变场组织场
焊接数值计算
• 70年代（扩展）
• 更多的国家加入 • 扩展到锻压、焊接和热处理
• 80年代以后（迅速发展）
• 1981年开始，每两年举办一次铸造和焊接过程的数值模拟 国际会议 • 1992年开始，每两年举办一次焊接过程数值模拟国际大会
• 目前（成为研究热点）
• 国家攀登计划 • 973基础研究计划
焊接数值计算
焊接数值计算
焊接数值模拟：其他焊接方法
• 电阻点焊
– 熔核的形成与控制，性能预测与分析
• 扩散焊
– 过程模拟，温度，压力对界面接合的影响；TLP过程的模拟
• 钎焊
– SMT焊点形态模拟，焊点服役过程中的热应力应变循环，寿 命估计等等
• 激光焊接
– 焊接温度场模拟与接头的形成及预测，激光相变硬化时的三 维温度场模拟与处理
• 热加工工艺设计存在的问题
– 复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间 接测试也十分困难 – 建立在“经验”、“技艺”基础上
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的意义 • 解决方法
– 热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下， 通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料 的热加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后 组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设 计
Qc a c(T T0)F
ac:对流放热系数，单位W/（m2. OC）
焊接数值计算
热量传递的三种基本形式/热辐射
• 定义
– 物质受热后，内部原子震动而出现的一种电 磁波能量传递。
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的意义
• 材料热加工
– 铸造：液态流动充型、凝固结晶等； – 锻压：固态流动变形、相变、再结晶等； – 焊接：熔池金属熔化、凝固结晶；热影响区金属经 历不同的热处理过程； – 热处理：相变、再结晶等； – 特点：复杂的物理、化学、冶金变化
• • 焊接熔池中的流体动力学和热过程 热源与金属的相互作用
– 焊接电弧物理，焊接电弧的传热与传质
• • • • 电弧作用于熔池表面的热能和压力分布 熔池表面的变形 液态金属的蒸发 氢及氮氧等在熔池及环境之间的分配
• • • •
焊接冶金和焊接接头组织性能的预测，包括相变过程 焊接应力与变形 焊接过程中的氢扩散 特种焊的数值模拟
焊接数值计算
先修课程
• • • • • • 传热学 高等数学 线性代数 数值分析 热加工基本理论 材料基础知识
焊接数值计算
参考书目
• 铸件凝固过程数值模拟，陈海清等，重庆大学 出版社，1991（TG21-C4-2） • 焊接热过程数值分析，武传松，哈工大出版社， 1990（TG402-N74） • 计算机在铸造中的应用，程军，机械工业出版 社，1993（TG248-C73） • 计算传热学，郭宽良，中国科学技术大学出版 社，1988（TK124-43-G91） • 焊接热效应，[德]D.拉达伊，机械工业出版社， 1997
焊接数值计算
Fluid Flow and Surface Deformation in Weld Pool
The following computer simulation shows the flow of metal within a weld pool during welding. The colours represent the temperature in Kelvin. Notice also that the surface of the pool is deformed (i.e., it is not flat. The shape of the surface trailing the welding arc becomes frozen in and determines the surface topology of the final weld. A surface topology which causes the concentration of stress during service can be detrimental to the fatigue life of the engineering structure containing the weld. The work is due to G. G. Roy and T. DebRoy of Penssylvania State University, U.S.A.