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航空航天焊接中的数值模拟技术
北京航空航天大学张彦华

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焊接过程是一个包括热力耦合、热流耦合和热冶金耦合等多种热作用的复杂过程。焊接热作用贯穿于整个焊接结构的制造过程中，焊接热过程直接决定了焊后的显微组织、应力、应变和变形。因此，准确分析焊接热过程对于指导焊接工艺的制定、焊接接头显微组织分析、焊接残余应力分析以及焊接变形分析具有非常重要的意义。当使用普通电弧焊还是激光或电子束等高能束流的方法进行焊接时，都使用高度集中的热源加热，在热源中心作用点的附近会产生较小的焊接熔池，整个熔池和热影响区分布着非均匀大梯度的温度场，这种温度场对焊接结构的制造过程和使用性都会产生极为重要的影响。随着计算机软件与数值模拟技术的发展，在焊接制造过程中预测焊接工艺的可行性，并与焊接产品的设计、开发与制造实现集成变成了可能。数字化制造的出现也要求设计人员借助于信息技术完成焊接建模，快速开发产品与工艺，以减少在实际生产过程中不协调因素的影响。通过数值模拟可以研究焊接引起的热、力和冶金变化，预测焊接变形和残余应力的能力，有助于产品开发人员选择最合适的焊接方法并更准确地预测焊接性能。将焊接热力模拟过程集成到产品设计系统，可以减少从产品设计到投入生产所需的时间，降低生产成本、减少返修，提高生产效率。焊接热力数值模拟能够对产品质量有重要影响的工艺行为进行验证，将有助于改进焊接产品的设计，加深对焊接工艺的了解，从而选择优化的工艺。数值模拟的研究焊接时的温度分布、组织转变以及焊接残余应力和变形都与热过程有关，因此要得到一个高质量的焊接结构必须控制这些因素，而准确地预测和控制焊接温度、显微组织和残余应力的变化过程，对焊接质量的控制尤为重要。目前，焊接过程数值模拟主要有以下几个方面： 1.焊接温度场的数值模拟，包括焊接热传导、电弧物理现象、焊接熔池的传热和传质行为等。 2.焊接应力与变形的数值模拟，包括焊接过程中瞬态热应力应变和残余应力应变等。 3.焊接化学冶金与物理冶金过程模拟，包括化学元素过渡、凝固、晶粒长大、偏析、固态相变、热影响区脆化和氢扩散等。 4.焊接接头的力学行为和性能的数值模拟，包括断裂、疲劳、力学不均匀性，几何不均匀性及组织、结构和力学性能等。 5.焊接质量评估的数值模拟，如裂纹、气孔等各种缺陷的评估及预测。 6.特殊焊接过程的数值分析，如电阻焊、激光焊、电子束焊、扩散焊、陶瓷与金属连接等。焊接热力过程常用的数值模拟方法有差分法、有限元法和边界元法。目前已有不少成熟的计算分析软件可供焊接过程分析选用。这些软件可以进行二维、三维的电、磁、热以及力等问题的线性和非线性的有限元分析，并且具有自动划分有限元网格和自动整理计算结果并使之形成可视化图形的前后处理功能。因此，应用者已经无需自己从头编制模拟软件，可以利用商品化软件，必要时加上二次开发，即可以得到需要的结果。尽管如此，数值模拟前也必须对有关的基础理论、建模方法、初始条件和边界条件、数据准备以及求解原理等进行全面了解，才能得到正确的模拟结果。在焊接过程数值模拟中，对焊接温度场和应力应变场的模拟数量最多，起步也较早，积累的经验也较丰富，在实际生产中得到了一定的应用。（图片）图1 焊接熔池温度场的模拟是对焊接应力应变场及焊接过程其他现象进行模拟的基础，这就需要根据焊接工艺情况和数值模拟的要求构建热源模型。建立热源模型的主要目标是寻找符合相应焊接参数条件下的热流分布形式，使模拟的熔池（见图1）边界线与实验观测的焊缝熔合线相符。焊接应力及变形与焊接过程中产生的塑性变形有关，一般情况下，发生塑性变形的区域远大于金属熔化的区域。由于力学松弛，导致焊接应力及变形对焊接过程中熔池内发生的传热传质过程反映并不敏感，因此对于焊接力学分析而言，焊接热过程中发生于熔池内的很多复杂的热传输现象均处于相对次要的地位，这样，就可以使用基于傅立叶定律的固体导热理论求解焊接温度场，可以考虑改变材料的高温热物理特性来简化模型而不计熔池中的对流等复杂热传输过程。在相应热输入条件下，只要热源模型所模拟的熔池区域边界（Fusion Zone Boundary，FZB）与实际焊缝熔合线相符，就可以认为该种焊接热源模型是合理的，将这一准则定义为熔池边界准则。以熔池边界为准则的焊接温度场模拟完全能够满足焊接力学分析的要求（见图2）。（图片）图2 电子束焊接温度场数值模拟结果焊接变形工件内部的塑性变形和传热发生在同一空间域和时间域，但由于变形与传热二者属于不同的物理性质问题，分别由弹塑性问题和瞬态热传导问题描述，因此其对应场量难以采用联立求解的方法分析。一般而言，弹塑性有限元法采用增量法逐步解出工件的有关场量（如速度场、应力场和应变场等），而温度场则用时间差分格式逐步积分得到。这样可以在某一瞬时分别计算变形和温度，通过二者之间的联系，将它们的相互影响作用考虑进去，以达到焊接热力过程的耦合分析（见图3）。（图片）图3 梁板结构焊接变形模拟结果虽然焊接温度场和残余应力应变的数值模拟结果有了一些实际应用，但由于焊接过程的复杂性，大量有关焊接过程的数值模拟研究成果与实际应用仍有较大差距，而且模拟中有不少问题有待解决，对于已经能够解决的问题存在着精度不高或耗费大的问题，因此，需要在模拟技术上进一步开展研究，同时也要继续发展验证数值模拟结果的测试技术。数值模拟的应用在航空航天结构精益生产和并行工程中，焊接性数值分析具有巨大的发展潜力。在欧洲空中客车340飞机的生产中，飞机机身的铝合金蒙皮壁板的纵向加强肋采用激光束焊接可以减轻20%的重量。焊接的主要挑战是保持低的变形(特别是横向变形)和减少残余应力 (特别是纵向拉应力)。要考虑接头类型的变化、焊接顺序、冷却条件、装夹模式以及纵向预载荷等措施以达到低变形和残余应力，决定这些措施及其可能的组合，需要采用焊接热力数值模拟技术。（图片）图4 由数值分析支持的设计过程空中客车340飞机设计过程可以划分成一系列的工作（见图4），工艺过程的数值模拟在设计过程中具有重要作用（见图5）。图6所示为支持焊接过程研究的数值模拟。（图片）图5 设计过程中的制造工艺定义（图片）图6 数值分析支持的焊接工艺开发以工程分析、数值模拟、计算机控制自动化生产为基础的焊接工艺将得到广泛使用，使焊接从以基于经验的工艺向基于物理模型的工艺转变，焊接生产工艺将建立在更严密的科学基础之上。这种转变的核心是以全面的知识体系为基础的模拟，信息技术将起到重要作用；这些知识包括焊接性能、工艺、材料及应用等方面的数据。焊接工艺全面的物理基础模型将涵盖焊接产品的整个寿命周期。数值模拟在航空航天焊接结构完整性评定以及寿命预测、损伤修复等方面也将发挥重要作用。 5/4/2010


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