焊接数值模拟技术09

焊接数值模拟技术0.前言焊接过程是复杂的物理化学冶金过程，焊接数值模拟技术也涉及到多方面知识。包括：电弧物理、传热、冶金和力学等。焊接数值模拟技术涉及到焊接传热、传质、焊接接头组织及性能预测、焊接力学等方面。1．焊接热过程数值分析1.1焊接热过程基本特点焊接热过程，既在进行焊接时，被焊金属在焊接热源作用下将发生被加热和局部熔化的过程。焊接热过程的主要特点：（1）不均匀的局部加热（2）加热的瞬时性（3）非稳定加热（4）多种传热方式共存1.2焊接熔池温度场数值模拟熔池温度场数值模拟意义焊接温度场的模拟数学模型就是傅立叶热传导方程。平面（x,y）导热问题ρ—密度；Cp—比热容；k—导热系数；Q—外部热源()PTCkTQt2222()PTTTCkQtxy凝固潜热的表达式Q—相变潜热；L—单位质量液体凝固潜热（J/kg）；fs—固相分数第一类边界条件，已知边界上各点的温度值Ts=Ts(x,y,z,t)第二类边界条件，已知边界上的热流密度分布第三类边界条件，已知边界上物质与周围介质的热交换n—边界表面外法线方向；α—表面换热系数；Ta为周围环境温度sfQLT(,,,)sTqxyztn()aTTTn1.2焊接熔池流体动力学模拟建模的基本假设条件：（1）焊接热源的能量分布符合高斯分布，热源的传热系数恒定（2）焊接材料的热物理参数为常数，但在液相和固相时热物理参数不同（3）流体为层流不可压缩流体，材料密度为常量对流换热问题数学描述（1）换热微分方程α—对流换热系数（2）连续性方程单位时间流入、流出微元体质量相等。（3）动量微分方程作用于微元体表面和内部所有外力的总和，等于微元体中流体动量的变化率。0yTTy（4）能量微分方程由导热进入微元体的热量与由对流进入微元体的热量之和等于微元体中流体的热焓增量。Q1+Q2=△H焊接熔池流体动力学分析边界条件（1）上表面pv—蒸汽压力；γ—表面张力；kr—自由表面曲率vrppk（2）下表面｛qconv=hc（T—T∞）k—热导率；u—径向速度；v—轴向速度；qconv—热流密度；hc—界面换热系数（3）对称轴｛r表示径向convTkqz0fz0;0uv0fr0Tr0;0vur（4）侧面｛（5）液相分数｛Tl—熔化点；Ts—凝固点convTkqr0;0uv0frssllsTTTTTTT0lTT1sTT焊接熔池传质、传热数值模拟研究主要成果（1）熔池内液体金属流动影响焊接熔深熔池的表面张力影响液体金属流动1）如随温度升高，表面张力增加，则焊接熔深大2）如随温度升高，表面张力减小，则焊接熔深浅（2）焊接电流线发散，增加熔深（3）浮力对熔池内流体流动的作用较小（4）熔滴对熔池的冲击力对熔深影响较小（5）焊接热源导致熔池表面金属蒸发对熔池表面温度的影响1）激光焊接熔池表面金属蒸发是影响熔池表面温度分布的主要原因2）一般电弧焊表面张力引起的对流是影响温度的主要原因2．焊接冶金和焊接接头组织性能的预测（1）建立预测焊缝组织发展的模型模拟过程涉及的问题包括：1）焊接熔池中的热化学反应2）焊缝的凝固过程3）焊缝中的固态相变（2）焊接接头（力学）性能预测1）铁素体钢：评价相变行为、淬硬性、强度、韧性、脆化、裂纹敏感性2）奥氏体不锈钢：评价显微组织、热裂纹倾向、点状腐蚀、力学性能（3）焊接热影响区相变、组织性能预测1）基于CCT图预测焊接热影响区组织及硬度2）利用相变动力学模型，预测焊接热影响区组织及硬度3）温度、相变及热应力耦合模拟I3．焊接应力与变形数值模拟基于有限元技术和焊接热弹塑性理论主要研究如下问题：（1）焊接应力的发生机制和残余应力分布形态（2）焊接裂纹及其力学性能指标（3）高精度焊接变形预测（4）焊接应力、变形对焊接接头强度影响4．其它焊接应方法数值模拟（1）电阻点焊数值模拟（2）陶瓷与金属扩散焊模拟（3）激光焊数值模拟4．应用——电阻点焊数值模拟（1）有限元模型1）物理模型电阻点焊的基本特点：①具有轴对称性②稳定的导电通道③电位分布和电阻分布交互影响产热④液态熔核的温度趋向均匀点焊物理模型描述：①电位及温度场轴对称分布②表面辐射及对流散热用传热系数表示③假设熔核温度最高温度2）基本电、热方程电势方程U（r，z）—电位函数；ρE—电阻率r—圆柱坐标系的径向坐标z—轴向坐标()()0EErUrUrrzz热传导方程T（r，z）—温度函数；qV—单位体积单位时间内热源生成热量λ—热导率，CP—比热容，ρ—密度内热计算1()()PVTTTCrqtrrrzz2211[()()]VEEUUqUUrz3）有限元数学模型整体组集方程式{T(t)}—未知节点温度列向量；{F(t)}—节点温度载荷列向量；[KT]—整体温度刚度矩阵；[C]—整体变温矩阵()[][]()()TTtCKTtFtt（2）边界条件和初始条件E贴合面电:U=0轴线上水冷通道电极、工件表面电极计算界面GFNHJDCOAB)(/:0/:TTwhnTnU热电0/:0/:nTnU热电0/:nT热)(/:0/:TTahnTnU热电oTTRIUU:),(:热电（3）物性参数处理电极:Cr－ZrCu，工件:65Mn1）表面传热系数水强制冷却传热系数hw表面传热系数haTw—材料表面温度（K）；ε—材料热辐射率0.258222.2()5.76810()()a2）材料电阻率铜电极材料电阻率:ρE=16.8+0.043(T－20)20≤T＜1000℃工件材料电阻率:热导率与电导率关系:魏德曼—弗兰兹定律L=2.45×10－8W·Ω/K2LT3）材料热导率电极材料:λ=395.2－0.04375(T－20)20≤T＜100℃λ=391.7－0.093(T－100)100≤T＜300℃λ=373.1－0.097(T－300)300≤T＜600℃λ=344.0－0.07733(T－600)600≤T＜900℃工件材料:65钢4）材料密度电极材料:8900kg/m3工件材料:ρ=7907－0.3310(T+273)20≤T＜780℃ρ=8118－0.5045(T+273)780≤T＜1410℃ρ=8456－0.8437(T+273)1410≤T5）材料比热容及相变潜热电极材料比热容：Cp=356.4+0.0988(T+273)20≤T＜1000℃工件材料比热容：按铁的比热容计算相变潜热处理:等效比热容法工件材料相变潜热:ΔHγ=1.607×104727≤T≤780℃ΔHl=2.467×1051410≤T≤1485℃ΔHγ—γ相变潜热；ΔHl—固体→液体转变潜热相变潜热折算(为比热容)公式:'PHCT6）材料硬度利用硬度H与抗拉强度σb存在线性关系（4）有关计算1）接触电阻接触电阻两种类型：收缩电阻；薄膜电阻ra收缩电阻计算:ρE—接触材料电阻率两种材料接触时ρE=（ρE1+ρE2）/2多点接触（A=nπα2）：考虑硬度和强度关系11()2EcRar2EcRa22EEcRnanA2KEcKPHAHRnP2）动态电阻总电阻：电极、工件的内电阻工件/工件接触电阻工件/电极接触电阻计算方法：首先计算出各个单元的电阻，然后利用串并联法求出总电阻。计算单元电阻：确定单元内电阻率（单元内电阻率相同），由单元形心温度Te确定单元电阻率。1()3eijmTTTT3）电极间电压交流点焊，电流按正弦波处理2sinwiIt（5）数值模拟结果的验证1）建立正确、合理、简化的数学模型2）合理设定边界条件3）准确的物性参数4）实验对比