朱志明等：电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 ·393· 6 30f.cos a2 因素都会对多电弧焊接的热源形态产生重要影响. q(x,y,z）= Ta,be T 目前，多丝电弧焊接热源模型的研究还处于初级阶 32 段，模型参数的确定、热源的简化以及不同焊接工艺 3x2 3y2 exp (7) b 下电弧相互作用对热源模型的影响等问题，仍需要 进一步深入研究 cos a cos a 式中，α为电弧绕y轴的偏转角，如图4所示.将修 4温度替代型热源模型 正后的热源模型应用于双丝电弧焊的温度场数值模 拟，得到了与试验数据吻合较好的计算结果.除了 温度替代型热源模型是在焊接热模拟过程中， 双丝电弧焊外，考虑电弧偏转的因素，修正后的多热 以温度量代替热流密度，作为直接控制量（热源）加 源模型已经推广应用于三丝和四丝管线钢埋弧焊的 载于焊缝区域进行有限元计算的方法.由于温度是 数值模拟中，计算获得的焊缝形貌模拟结果与实际 由热流密度和边界条件共同作用下的外在表现量， 测量值的误差在10%以内29-0 因此采用温度量作为焊接热源有一定的可行性回 温度量的加载较之热流的加载更为简单便捷，因而， 近几年来温度替代型热源模型也得到了一定的研究 和应用. 旋转前 温度替代型热源模型的具体应用方法与简化热 源相似，先依据实际焊缝形状确定出需要加载温度 旋转后 热源的焊缝区域，然后将焊缝区域的焊层（焊道）分 成小段，并按照实际焊接过程依次对各小段内的节 点加载均匀的熔点温度并保持一定时间.其中，保 图4双椭球体热源模型旋转示意图删 持时间由焊接速度和分段长度决定，以实现对焊接 Fig.4 Deflection of double ellipsoid volume heat source model 热过程的有限元计算.可以看出，温度替代型热源 由于电弧之间的相互作用，多丝电弧焊接各双 模型是基于保持时间内单段熔池的恒温假设，这虽 椭球体热源模型参数的确定比起单一双椭球体热源 然与实际熔池温度分布有一定差别，但实际试验和 模型更为复杂.与单一双椭球体热源模型参数的确 应用表明，采用温度替代型热源模型也能够获得较 定类似，根据实际焊缝的熔深和熔宽尺寸，并结合焊 为满意的计算结果.Keppas和Ohms等s-a采用温 接工艺参数，可以近似地确定多丝直缝焊中各双椭 度替代型热源模型，分别计算了厚板多道修复焊接 球热源模型参数0：在缺少熔池尺寸数据的情况 和平板单道堆焊的残余应力，计算结果和试验数据 下，郭晓凯等对比有限元数值模拟和温度测量结果， 符合较好，且能够媲美其他热源的计算精度：刘川等 反演出三丝电弧焊接各热源模型参数即：李培麟则 对比了简化的均匀体热源和温度替代型热源模型的 在反演法的基础上，推导出不同焊接参数下双丝和 计算结果，发现在两种热源加载下，等效残余应力分 三丝焊接双椭球体热源模型参数变化规律，数值模 布趋势相近，能够获得相同的热影响区宽度，但温度 拟时根据焊接工艺即可获得较为合理的热源模型参 替代型热源模型的残余应力数值计算结果更接近试 数阅.此外，针对多丝电弧焊接热源建模复杂和计 验数据B) 算量大的问题，郭晓凯阅尝试对多丝电弧焊接热源 温度替代型热源模型简单，没有待定的模型参 模型的简化进行了探索，结果表明：将多丝电弧焊接 数，大大简化了建模工作；且相比于基础热源模型， 中的多个热源模型简化为一个或两个基础热源模型 数值计算时可以提升效率，因而在大厚构件的多层 时，计算结果与试验结果存在较大误差，因而对于多 多道焊中有一定的适用性.然而，每次加载在小段 丝电弧焊接热源模型的简化还需要另辟蹊径 节点上的温度为恒定的熔化温度，为了保证计算精 多丝电弧焊接的热源分布复杂，影响热源大小 度，且与实际焊接过程中单段液态熔池存在时间近 及分布的因素较多.实际上，电弧之间的相互作用 似吻合，单个温度加载段的划分尺寸不能太大， 除了引起电弧偏斜外，距离较近的两电弧之间可能 这在一定程度上限制了计算效率的进一步提升 会出现耦合的情况，此外，多电弧力对熔池的共同作 5结合型热源模型 用会造成熔池内热流分布与单电弧之间存在较大的 差别，电弧间距、焊接极性组合、焊接参数组合等 在电弧焊接的数值模拟中，对于热源的处理通朱志明等: 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 q( x，y，z) = 6 3槡Qfrcos α2 πarbc 槡π · [ exp － 3x ( 2 ar cos ) α 2 － 3y 2 b 2 － 3z ( 2 c cos ) α 2 ] ( 7) 式中，α 为电弧绕 y 轴的偏转角，如图 4 所示． 将修 正后的热源模型应用于双丝电弧焊的温度场数值模 拟，得到了与试验数据吻合较好的计算结果． 除了 双丝电弧焊外，考虑电弧偏转的因素，修正后的多热 源模型已经推广应用于三丝和四丝管线钢埋弧焊的 数值模拟中，计算获得的焊缝形貌模拟结果与实际 测量值的误差在 10% 以内［29--30］． 图 4 双椭球体热源模型旋转示意图［28］ Fig． 4 Deflection of double ellipsoid volume heat source model［28］ 由于电弧之间的相互作用，多丝电弧焊接各双 椭球体热源模型参数的确定比起单一双椭球体热源 模型更为复杂． 与单一双椭球体热源模型参数的确 定类似，根据实际焊缝的熔深和熔宽尺寸，并结合焊 接工艺参数，可以近似地确定多丝直缝焊中各双椭 球热源模型参数［30］; 在缺少熔池尺寸数据的情况 下，郭晓凯等对比有限元数值模拟和温度测量结果， 反演出三丝电弧焊接各热源模型参数［31］; 李培麟则 在反演法的基础上，推导出不同焊接参数下双丝和 三丝焊接双椭球体热源模型参数变化规律，数值模 拟时根据焊接工艺即可获得较为合理的热源模型参 数［32］． 此外，针对多丝电弧焊接热源建模复杂和计 算量大的问题，郭晓凯［33］尝试对多丝电弧焊接热源 模型的简化进行了探索，结果表明: 将多丝电弧焊接 中的多个热源模型简化为一个或两个基础热源模型 时，计算结果与试验结果存在较大误差，因而对于多 丝电弧焊接热源模型的简化还需要另辟蹊径． 多丝电弧焊接的热源分布复杂，影响热源大小 及分布的因素较多． 实际上，电弧之间的相互作用 除了引起电弧偏斜外，距离较近的两电弧之间可能 会出现耦合的情况，此外，多电弧力对熔池的共同作 用会造成熔池内热流分布与单电弧之间存在较大的 差别［34］，电弧间距、焊接极性组合、焊接参数组合等 因素都会对多电弧焊接的热源形态产生重要影响． 目前，多丝电弧焊接热源模型的研究还处于初级阶 段，模型参数的确定、热源的简化以及不同焊接工艺 下电弧相互作用对热源模型的影响等问题，仍需要 进一步深入研究． 4 温度替代型热源模型 温度替代型热源模型是在焊接热模拟过程中， 以温度量代替热流密度，作为直接控制量( 热源) 加 载于焊缝区域进行有限元计算的方法． 由于温度是 由热流密度和边界条件共同作用下的外在表现量， 因此采用温度量作为焊接热源有一定的可行性［4］． 温度量的加载较之热流的加载更为简单便捷，因而， 近几年来温度替代型热源模型也得到了一定的研究 和应用． 温度替代型热源模型的具体应用方法与简化热 源相似，先依据实际焊缝形状确定出需要加载温度 热源的焊缝区域，然后将焊缝区域的焊层( 焊道) 分 成小段，并按照实际焊接过程依次对各小段内的节 点加载均匀的熔点温度并保持一定时间． 其中，保 持时间由焊接速度和分段长度决定，以实现对焊接 热过程的有限元计算． 可以看出，温度替代型热源 模型是基于保持时间内单段熔池的恒温假设，这虽 然与实际熔池温度分布有一定差别，但实际试验和 应用表明，采用温度替代型热源模型也能够获得较 为满意的计算结果． Keppas 和 Ohms 等［35--36］采用温 度替代型热源模型，分别计算了厚板多道修复焊接 和平板单道堆焊的残余应力，计算结果和试验数据 符合较好，且能够媲美其他热源的计算精度; 刘川等 对比了简化的均匀体热源和温度替代型热源模型的 计算结果，发现在两种热源加载下，等效残余应力分 布趋势相近，能够获得相同的热影响区宽度，但温度 替代型热源模型的残余应力数值计算结果更接近试 验数据［37］． 温度替代型热源模型简单，没有待定的模型参 数，大大简化了建模工作; 且相比于基础热源模型， 数值计算时可以提升效率，因而在大厚构件的多层 多道焊中有一定的适用性． 然而，每次加载在小段 节点上的温度为恒定的熔化温度，为了保证计算精 度，且与实际焊接过程中单段液态熔池存在时间近 似吻合，单个温度加载段的划分尺寸不能太大［4，35］， 这在一定程度上限制了计算效率的进一步提升． 5 结合型热源模型 在电弧焊接的数值模拟中，对于热源的处理通 · 393 ·