熔化焊焊接热源模型及其发展趋势

孙大伟

摘要：为描述焊接热源模型技术的发展，对现存的熔化焊焊接热源模型进行了全方面的探讨和研究。在分析总结了其特点后，得出了焊接模型的含义，其中又将焊接热源模型分为了静态焊接热源模型和动态焊接热源模型。通过实践与分类结果对焊接热源模型的发展特点及其趋势进行了总结。

关键词：焊接热源模型、动态焊接热源模型、发展趋势

一、前言

熔化焊的过程中热源从开始至最后一直存在，在这个过程中包含了熔化焊的物理化学过程的开始与发展。熔化焊焊接热源不管是火、光还是电都具备移动和部分集中的特性，是焊接物体表面和内部的受热不均匀而产生一系列的焊接问题。热源模型对焊接温度场的数值研究起着至关重要的作用，因此焊接工作人员对热源模型的发展十分重视。

二、焊接热源模型的概念

1 、焊接热源模型定义

根据目前焊接工作者的实践和共识，所谓的焊接热源模型，可以认为是对作用于焊件上的、在时间域和空间域上的热输入分布特点的一种数学表达。到目前为止，用于焊接数值模拟中的所有焊接热源模型大都不随时间而发生变化，也就是认为在焊接进行过程中热源模型是不发生变化的，即静态焊接热源模型。而动态焊接热源模型，其热输入是随着焊接的进行而发生变化的。例如，在短路过渡二氧化碳气体保护焊中，电弧有熄灭的过程。此熄灭阶段的热流密度分布显然不同于电弧燃烧阶段的热流密度分布特点，如果根据这种“短路”的实际工程特点而建立一个电弧。

2、焊接热源模型参数

热源模型参数如有效加热半径、电弧功率有效利用系数等缺乏比较系统和准确的资料，参数的选择会使模拟结果产生较大的误差。静态热源模型有两个要素，即“以何种分布模式分布”和“以何种空间形式分布”，动态热源模型还需要考虑“时间”要素，即上述中的一个要素或两个要素随时间变化的规律。焊机热源模型可通过三种参数即形状参数、热源分布参数和热输入参数来完整描述。

三、焊接过程数值模拟的难点

1、热源模型及参数的确定

目前应用最广泛的热源模型是高斯热源模型和双椭球热源模型。对于一些特殊的焊接方法，如激光焊，等离子束焊、电子束焊，搅拌摩擦焊等，尚无公认的比较理想的热源模型。对于角焊缝、坡口焊缝、多层多道焊缝等的热流分布模式也需要进行深层分析。在动态焊接过程，如脉冲焊的热源模型等研究的较少。热源模型参数如有效加热半径、电弧功率有效利用系数等缺乏比较系统和准确的资料，参数的选择会使模拟结果产生较大的误差。

2、材料的热物理性能参数

材料的热物理性能参数随温度而呈高度非线性化的特点，很多材料的热物理性能参数例如比热容、热导率、密度、对流换热系数和辐射率等数据不完备或不准确，尤其是超过材料熔点或温度比较高时的数据非常少，给数值模拟工作带来了困难。因为材料热物理性能参数随温度高度非线性化，可能导致一些计算求解很难收敛，无法得到计算结果。

3、计算量大，对计算机要求较高

焊接是一个瞬时、动态、高温的过程，焊接温度场也是随时间变化的动态场，在数值分析中需将连续焊接过程离散为若干时间步，在每一个时间步中把动态当作为静态进行瞬态分析。在焊缝附近的温度场随焊接过程瞬间发生急剧变化，为了保证计算精度不得不将时间步缩小来体现这种迅速变化的特点。时间越小，则相应的计算量越大，对计算机的要求越高。

四、动态焊接热源模型

现有的所有焊接热源模型，几乎只规定了热源以“何种分布模式”和“何种空间模式”的整个焊接过程中保持不变的“静态热源模型”。就本质而言，在实际焊接过程中，热源模型并不是恒定不变的，而是随着时间而发生动态变化的。例如短路过渡的二氧化碳气体保护焊、脉冲焊等。

大部分焊接热源模型围绕着热源在空间方面的特点而不断发展，但没有考虑热源模型在时间域的变化。表征静态热源模型的两个要素，即“何种分布模式”和“何种空间模式”，其中的一项或两项在“时间域”内发生变化，称这样的热源模型为“动态热源模型”。对于某些动态焊接过程，动态焊接热源模型的研究将会使焊接温度场模拟更加准确，加深对焊接过程尤其是动态过程的理解，会大大促进焊接数值模拟技术的发展。

五、焊接热源模型的发展趋势

1、模型的空间维数方面已经发展到三维

以经典的热源模型为例，从上个世纪40年代开始的一维点热源模型，到二维的高斯圆形热源模型，再到三维的双椭球热源模型，焊接热源模型经历了空间维数渐进的过程。二维模型，很难描述像电子束和激光束等那样高能量密度的焊接过程，因此建立一个三维的“体热源”是非常必要的。三维焊接热源模型已经可以十分充分地描述焊接热流在空间的分布特点，在此方面不大可能再有发展。

2、模型的空间形状方面的发展已经接近极至

根据不同的具体焊接情况，国内外的焊接工作者已经建立了多种标准几何形状的焊接热源模型。可以说，焊接热源模型在空间形状方面几乎囊括了所有的标准几何形状。由于热源模型应符合具体的焊接方法，因此在此方面较难再有大的突破。

3、模型的热流分布模式种类较少

目前最为流行的热流分布模式为高斯分布，上述的各种空间形状的热源模型的热流分布模式大都为高斯分布。基本上有四种焊接热流分布模式，即均匀分布、高斯分布、衰减分布和结合型分布。均匀分布与实际焊接过程中的热流分布特征不太相符，而衰减分布仅见于激光焊的数值模拟中且应用不广。其中应用最广泛的是高斯分布，但高斯分布模式本身是从对TIG焊电弧热分布的实验结果总结而来的，没有考虑熔滴效果。结合型分布是一种结合了电弧和热流分布特点的一种热流分布模式，对于有熔滴过渡行为的焊接方法具有一定的理论上的严密性。结合型分布可以有很多种类，其中之一是将电弧热流高斯分布和热流的锥形分布相结合的焊接热流分布模式，比较适用于有熔滴过渡行为且热流密度比较集中的焊接方法，如MIG焊、二氧化碳气体保护焊等。

4、向复合热源模型的方向发展

随着YAG—TIG焊等复合焊接方法的发展，以及为了模拟某些特殊的焊接现象如激光焊中的“钉头”状焊缝等，出现了复合热源模型。例如，为了模拟出MIG焊的“指状”熔深，采用双高斯圆形热源模型来模拟。再如，建立一个结合了电弧的表面高斯热源和圆柱体热源的复合热源模型来进行V形坡口对接焊温度场的数值模拟等等。

5、动态焊接热源模型有待于深入研究

静态焊接热源模型的研究已经比较充分，而动态焊接热源模型的研究尚处于空白。由于焊接过程的时变特点，动态焊接热源模型的深入研究将进一步提高数值模拟焊接温度场的精度，更加准确地把握焊接的动态特点，加深对焊接传质传热问题的认识，并从根本上推进焊接数值模拟技术的发展。

六、结束语

所谓的焊接热源模型可以认为是对作用于焊件上的、在时间域和空间域上的热输入分布特点的一种数学表达，可分为静态焊接热源模型和动态焊接热源模型。建立一个静态焊接热源模型需要两个要素，即“以何种空间形式分布”和“以何种分布模式分布”。而动态焊接热源模型还需要确定上述两要素中的一个或两个要素随时可变化的规律。热源模型可以形状参数、热流分布参数和热输入参数来完整描述。焊接热源模型一直以来围绕着热源的空间特点在发展，而忽略了热源的时变特点。由于动态焊接热源模型更符合焊接的某些实际情况，将是今后焊接热源模型发展的重要方向之一。随着复合焊接方法的出现，结合两种以上热源模型或热流分布模式的复合型热源模型也是今后焊接热源模型发展的重要方向之一。

参考文献

[1]郑振太，吕会敏，张凯，单平.熔化焊焊接热源模型及其发展趋势[J].焊接

[2]张通.动态焊接热源模型的建立及数值模拟研究[D].河北工業大学