·394· 工程科学学报，第40卷，第4期 常是将电弧热流和熔滴热流两部分视为一个整体热 6结论 源，根据整体热源特点选择热源模型，如双椭球体热 源模型就是依据电弧热流和熔滴热流对熔池的整体 电弧焊接工艺灵活多变，参数调节范围较宽，给 作用效果而建立的：而高斯面热源模型则忽略了熔 焊接数值模拟时热源模型的选择和确定带来了挑 滴热流，仅考虑电弧热流的作用，这样的模型简化了 战.在电弧焊接数值模拟时，应综合考虑所采用的 建模过程，同时也能够满足某些电弧焊接模拟计算 焊接方法、焊接工艺参数、焊件厚度等因素，来选择 的精度要求.然而，在一些焊接过程中，在电弧和熔 合理的热源模型种类，并确定合适的模型参数. 滴两个热源的共同作用下，会形成指状熔深焊缝，此 (1)对于工件尺寸小或轨迹简单的电弧焊接过 时，单一的基础热源模型，如双椭球体热源模型，并 程，选择基础热源模型能够较好地保证数值模拟的 不能很好地满足熔池的形状特征，此时结合型热源 计算精度.针对电弧冲击力不大的手工电弧焊、钨 模型可以作为一种合适的选择. 极氩弧焊等，可采用模型参数较为简单的高斯分布 结合型热源模型是采用两个基础热源模型相结 面热源模型；当电弧冲击力较大时，如熔化极气体保 合，共同作用于熔池，以满足熔池特殊形状的需要， 护电弧焊和埋弧焊，则需要考虑熔深方向的热流分 提高数值模拟结果的精度.这两个基础热源模型分 布，双椭球形体热源模型更为符合实际 别对应电弧热流和熔滴热流，通常采用高斯面热源 (2)基于现有的计算能力，当进行大厚工件多 模型来表征电弧热流部分，而熔滴热流部分则根据 层多道焊或复杂轨迹的电弧焊接过程数值模拟时， 实际熔池的形状进行选择.Bachorski等侧分别采 合理地选择简化热源模型或温度替代型热源模型可 用高斯面热源和均匀柱状体热源模型来表征MIG/ 以在保持模拟计算精度的同时极大地提升计算 MAG(熔化极惰性/活性气体保护焊)的电弧热流和 效率. 熔滴热流，如图5所示，取得了较好的计算结果： (3)多丝电弧焊接由于热源数目增加及各电弧 郑振太通过红外成像系统观察熔池温度分布，发 间的相互作用，热源模型比较复杂，采用电弧偏角修 现短路过渡时整个熔池及其邻近区域呈现喇叭 正后的双椭球体叠加热源模型，可以获得一定精度 形，因而采用了圆锥形体热源模型来表征熔滴热 的模拟计算结果，而计算精度的进一步提升及热源 流，结果表明结合型热源计算结果优于单一的高 的合理简化等问题，仍需要进一步深入研究 斯热源模型g (4)结合型热源模型提高了热源表征的灵活 性，当单一基础热源模型无法满足深熔焊缝的熔池 形状描述时，采用结合型热源模型具有一定优势，但 建模的难度有所增加. 参考文献 [1]Tian X T.Welded Structure.Beijing:China Machine Press,1981 高斯热源模型 (田锡唐.焊接结构.北京：机械工业出版社，1981) 圆柱体热源模型 2]Huang X F,Liu Z W,Xie H M.Recent progress in residual stress 图5高斯面热源一圆柱体热源结合型热源模型网 measurement techniques.Acta Mech Solida Sin,2013,26(6): 570 Fig.5 Combined heat source model of Gauss surface heat source and eylinder volume heatou Li YJ.Li W S.Numerical simulation on welding residual stresses of X80 pipeline girth weld joint.Trans China Weld Inst,2010,31 结合型热源模型将电弧热源和熔滴热源分开， (6):97 (李亚娟，李午申.X80管线钢环焊缝接头残余应力的数值模 分别采用不同热源模型进行描述，提高了热源表征 拟.焊接学报，2010,31(6)：97) 的灵活性，在准确描述深熔焊缝时，比基础体热源更 4 Wu Z,Wang F Z,An G L,et al.Research on efficient welding 有优势，因而结合型热源模型多用于大熔深的等离 heat source model for large and complex structures.Trans China 子弧焊、激光焊、电子束焊及其与电弧复合焊接的数 Weld Inst,2015,36(10):61 值模拟中.然而，结合型热源模型增加了模型参数 (吴振，王发展，安高灵，等.大型复杂结构件高效焊接热源 焊接学报，2015,36(10)：61) 确定的复杂性，且实际操作中还存在电弧和熔滴热 [5] Zhang W Y.Welding Heat Transfer.Beijing:China Machine 源的能量比例确定问题，这都增加了数值模拟的难 Press,1989 度，因而在电弧焊接的数值模拟中应用不多. (张文钺.焊接传热学.北京：机械工业出版社，1989)工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 常是将电弧热流和熔滴热流两部分视为一个整体热 源，根据整体热源特点选择热源模型，如双椭球体热 源模型就是依据电弧热流和熔滴热流对熔池的整体 作用效果而建立的; 而高斯面热源模型则忽略了熔 滴热流，仅考虑电弧热流的作用，这样的模型简化了 建模过程，同时也能够满足某些电弧焊接模拟计算 的精度要求． 然而，在一些焊接过程中，在电弧和熔 滴两个热源的共同作用下，会形成指状熔深焊缝，此 时，单一的基础热源模型，如双椭球体热源模型，并 不能很好地满足熔池的形状特征，此时结合型热源 模型可以作为一种合适的选择． 结合型热源模型是采用两个基础热源模型相结 合，共同作用于熔池，以满足熔池特殊形状的需要， 提高数值模拟结果的精度． 这两个基础热源模型分 别对应电弧热流和熔滴热流，通常采用高斯面热源 模型来表征电弧热流部分，而熔滴热流部分则根据 实际熔池的形状进行选择． Bachorski 等［38］分别采 用高斯面热源和均匀柱状体热源模型来表征 MIG / MAG( 熔化极惰性/活性气体保护焊) 的电弧热流和 熔滴热流，如图 5 所示，取得了较好的计算结果; 郑振太通过红外成像系统观察熔池温度分布，发 现短路过渡时整个熔池及其邻近区域呈现喇叭 形，因而采用了圆锥形体热源模型来表征熔滴热 流，结果表明结合型热源计算结果优于单一的高 斯热源模型［39］． 图 5 高斯面热源—圆柱体热源结合型热源模型［38］ Fig． 5 Combined heat source model of Gauss surface heat source and cylinder volume heat source［38］ 结合型热源模型将电弧热源和熔滴热源分开， 分别采用不同热源模型进行描述，提高了热源表征 的灵活性，在准确描述深熔焊缝时，比基础体热源更 有优势，因而结合型热源模型多用于大熔深的等离 子弧焊、激光焊、电子束焊及其与电弧复合焊接的数 值模拟中． 然而，结合型热源模型增加了模型参数 确定的复杂性，且实际操作中还存在电弧和熔滴热 源的能量比例确定问题，这都增加了数值模拟的难 度，因而在电弧焊接的数值模拟中应用不多． 6 结论 电弧焊接工艺灵活多变，参数调节范围较宽，给 焊接数值模拟时热源模型的选择和确定带来了挑 战． 在电弧焊接数值模拟时，应综合考虑所采用的 焊接方法、焊接工艺参数、焊件厚度等因素，来选择 合理的热源模型种类，并确定合适的模型参数． ( 1) 对于工件尺寸小或轨迹简单的电弧焊接过 程，选择基础热源模型能够较好地保证数值模拟的 计算精度． 针对电弧冲击力不大的手工电弧焊、钨 极氩弧焊等，可采用模型参数较为简单的高斯分布 面热源模型; 当电弧冲击力较大时，如熔化极气体保 护电弧焊和埋弧焊，则需要考虑熔深方向的热流分 布，双椭球形体热源模型更为符合实际． ( 2) 基于现有的计算能力，当进行大厚工件多 层多道焊或复杂轨迹的电弧焊接过程数值模拟时， 合理地选择简化热源模型或温度替代型热源模型可 以在保持模拟计算精度的同时极大地提升计算 效率． ( 3) 多丝电弧焊接由于热源数目增加及各电弧 间的相互作用，热源模型比较复杂，采用电弧偏角修 正后的双椭球体叠加热源模型，可以获得一定精度 的模拟计算结果，而计算精度的进一步提升及热源 的合理简化等问题，仍需要进一步深入研究． ( 4) 结合型热源模型提高了热源表征的灵活 性，当单一基础热源模型无法满足深熔焊缝的熔池 形状描述时，采用结合型热源模型具有一定优势，但 建模的难度有所增加． 参 考 文 献 ［1］ Tian X T． Welded Structure． Beijing: China Machine Press，1981 ( 田锡唐． 焊接结构． 北京: 机械工业出版社，1981) ［2］ Huang X F，Liu Z W，Xie H M． Ｒecent progress in residual stress measurement techniques． Acta Mech Solida Sin，2013，26 ( 6 ) : 570 ［3］ Li Y J，Li W S． Numerical simulation on welding residual stresses of X80 pipeline girth weld joint． Trans China Weld Inst，2010，31 ( 6) : 97 ( 李亚娟，李午申． X80 管线钢环焊缝接头残余应力的数值模 拟． 焊接学报，2010，31( 6) : 97) ［4］ Wu Z，Wang F Z，An G L，et al． Ｒesearch on efficient welding heat source model for large and complex structures． Trans China Weld Inst，2015，36( 10) : 61 ( 吴振，王发展，安高灵，等． 大型复杂结构件高效焊接热源． 焊接学报，2015，36( 10) : 61) ［5］ Zhang W Y． Welding Heat Transfer． Beijing: China Machine Press，1989 ( 张文钺． 焊接传热学． 北京: 机械工业出版社，1989) · 493 ·