闪光对焊数值模拟技术探究

焊接的数值模拟主要集中在焊接过程的数值模拟，焊接热影响区组织及性能数值模拟两方面，闪光对焊也不例外。

（1）闪光对焊焊接过程的数值模拟方法 影响闪光对焊温度场分布的因素很多。Nippes和Kuchuk研究表明，焊件厚度、进给速度、二次空载电压、焊件截面面积和伸出长度是影响温度场的主要因素。常见的电阻温度场测定方法有热电偶测温法、金相分析法、温度测定剂加高速摄像联合测定法（FH法）、电视图像法，但这些方法大多具有自身难以克服的缺陷和设备昂贵的缺点，限制了其使用范围。因此，首先通过理论研究确定电阻温度场，再以试验结果进行验证。

温度场的理论研究方法主要有解析法和数值解法。解析法物理概念清晰、逻辑性强，但对于物理性质随温度变化、复杂边界的问题，难以很好地应用。数值解法求解温度场主要使用差分法和有限元法，其中差分法解决了大量工程实际问题，但在复杂几何形状、非稳态与多维问题、导数边界条件处理等方面的计算时易不稳定和不收敛；而有限元法很好地解决了这一问题，并在焊接模拟中得到了快速发展。由于闪光对焊为电阻焊的一种，但电阻焊的数值模拟研究工作主要集中在电阻点焊，现以电阻点焊为切入点，引出闪光对焊的数值模拟方法。

Nied较早采用有限元模型模拟电阻点焊，通过建立完整的电、热、力耦合模型，用于预测电位分布、温度分布、应力分布等，特别是分析了电极与焊件界面间力的分布、电流密度分布和接触面面积动态变化过程，加深了人们对点焊过程的认识。1989年，吴水海采用了电热耦和有限元法对点焊时电位分布和温度分布进行了分析。1995年，曹彪建立了点焊过程的电、热、力耦合模型，并使用有限元软件ADI-NA模拟了点焊过程，得到的温度场723℃和1495℃等温线，其结果与实测基本相符。1999年，王春生等对异质材料点焊过程进行了模拟。2001年，林忠欣等利用了1／2轴对称模型的有限元法对电极力作用下的接触、零件变形和点焊电热过程进行了数值分析。

相对于电阻点焊，电阻对焊在顶锻阶段具有较大的塑性变形，增加了问题的复杂性。Dawson、Eggert分别对不锈钢的电阻对焊过程进行了电、热、力耦合研究，预测了变形过程中的温度分布。1998年，吴丰顺采用刚粘塑性有限元法建立了直流电阻对焊过程模型，其综合考虑了应变速率、应变和温度对材料变形的影响。

电阻焊的热源主要为焊件的内阻热和接触电阻热，热源集中但温度场分布不均匀，连续闪光对焊的温度场也可看作2个热源叠加的结果。与电阻对焊不同的是闪光对焊过程中接触电阻对加热起主要作用，其热量占总热量的85％～90％。闪光对焊的热源主要集中在焊件对口处，所以沿焊件轴向温度分布的特点是温度梯度大。2003年，王维斌针对超细晶粒钢的闪光对焊过程，使用有限元法模拟了其焊接过程，建立了电热耦合模型。模型中不仅考虑了电、热、力的耦合和材料的热物理参数，还考虑了接触电阻与闪光烧损对热过程的影响，以及刚粘塑性接触。该模型能够对闪光模式、进给速度、伸出长度等参数进行定量分析，从而揭示不同焊接规范下产热规律和温度分布规律，为焊接参数选择提供有效手段，具有一定的工程意义。2005年，戴虹采用Gleeble-2000热模拟试验机，模拟了U71Mn钢轨压焊顶锻行为，模拟过程考虑了加热温度、顶锻量、顶锻力、顶锻速度等参数，得出了焊瘤形貌特征与顶锻参数的对应关系，为合理地制定钢轨的焊接工艺提供了依据。夏青顺、陈洪莲分别利用有限元分析软件ANSYS对钢轨闪光对焊的过程和钢棒焊接传热过程进行了二维动态模拟，并与实际测量结果较吻合。2008年，徐小帆通过建立三维实体有限元模型，研究了钢轨闪光对焊的温度场分布，特别是运用“生死”单元技术模拟了闪光对焊过程中液体过梁爆破产生的物质烧损，为后续闪光对焊过程顶锻阶段热力耦合过程的模拟奠定了基础。

在金属塑性变形方面，变形-传热耦合分析方法（热力耦合分析方法），同时考虑传热和塑性问题，从而更真实地模拟金属塑性成形过程。特别是在1980年，Kobayashi提出利用迭代法求解热力耦合问题的解法，在不均匀变形过程中，在每一加载步中，先用粘塑性有限元方法计算出速度场，然后用传热基本方程计算出初始温度场，再根据求得的温度场重新确定应力和速度场，从而求出另一温度场，如此反复迭代，直至收敛为止。闪光对焊焊接温度场有限元分析过程如下：

①建立方程包括电势方程、传热方程等。

②利用有限元模拟软件，建立电热耦合的有限元模型，并进行网格的划分。

③简化热源加载和边界条件、基础电阻、相变焓热问题，处理非线性问题。

④模拟计算结果及处理。

（2）焊接热影响区组织及性能数值模拟方法 焊接热影响区组织及性能模拟的主要研究内容有奥氏体晶粒的长大、相变过程连续冷却组织变化、焊接接头HAZ的性能预测。目前的主要研究方法有SHCCT图法和统计数学法。SHCCT图法不需要大量的试验，而是充分利用了SHCCT图本身，但由于SHCCT图需要精密的仪器和大量的试验工作来建立，不仅复杂而且昂贵，实用价值范围窄。而统计数学法是在大量试验数据的基础上，得出材料在不同焊接工艺下热影响区组织和性能变化的规律，从而建立预测软件系统，此方法越来越受到重视。

1）奥氏体晶粒长大。奥氏体晶粒大小是影响金属材料强度和韧性的重要因素。钢材的焊接热影响区经焊接热循环作用，易造成晶粒长大，从而导致HAZ韧性恶化。

Ashby、Esterling和Ion将一组相变动力学方程应用于焊接过程，计算了奥氏体晶粒的长大，并且考虑了析出相质点对HAZ晶粒长大的“钉扎”作用，建立起了一套计算微合金钢焊接热影响区内组织与硬度变化的解析公式。

Radhakrishnan、Zacharia和Debroy等将模拟晶粒长大的MonteCarlo（MC）方法引入焊接领域来研究焊接HAZ的晶粒长大过程。MC方法的一个主要优点是能够轻易地将温度梯度的影响考虑进来。王维斌针对超细晶粒钢的闪光对焊过程，使用有限元法计算获得了焊接温度场，并利用蒙特卡罗（MC）模型模拟晶粒长大过程，该过程考虑的晶界主要由两个不同位向的网格点确定，晶界处格点晶向转变的最终结果表现为晶粒长大。但将蒙特卡罗（MC）模型应用于焊接过程，还必须推导出与实际时间t、温度T和模拟时间t_MCS的关系式，其中，Gao根据EDB（experimental data based model）推导得出公式（4-45）：

式中 K、Q———材料的晶粒长大特征参数；

T_i———时间段Δt_i所对应的绝对温度。(www.xing528.com)

通过模拟不同焊接规范下奥氏体晶粒的长大，试验模拟结果与实际的奥氏体长大过程保持了一致性。因此，应用MC方法来计算出每个时间步晶粒长大的平均尺寸和拓扑学变化，不仅可模拟晶粒长大的微观组织演变过程，还可揭示HAZ晶粒尺寸分布状况。2008年，张根元拟合了45钢交流闪光对焊过程的实际温度场和焊接热循环曲线，并结合MC法建立了数值模拟模型，也推导出t_MCS、t、T之间的关系式，从而直观地表达了焊接热影响区的晶粒长大。结果表明：在同一t_MCS下，MC热循环后晶粒平均尺寸为等温加热转变后晶粒尺寸的70％左右，焊接热循环加热阶段后的晶粒尺寸仅为最终晶粒尺寸的25％～30％。奥氏体晶粒长大的数值模拟如下：

①晶粒长大动力学、奥氏体晶粒变化公式的建立。

②利用MC模型建立晶粒长大的模型，需考虑“热钉扎”效应。

③模拟计算结果及处理，推测出焊缝性能，并与实际结果对比。

2）相变过程连续冷却组织变化及性能。冷却组织数值模拟以往多基于解析参数方程，方法简单，可用于在线控制，但该方法仅考虑了主要的参数。另一种模拟方法是以物理化学冶金为基础，该方法不仅考虑了物理方程，还引入了分子热力学和动力学的概念来计算冷却组织的演化。Watt和Henwood提出的Watt-Coon预测模型，并对焊接热影响区热力场和组织变化进行了耦合。热影响区的硬度取决于冷却相及其含量，Johnson-Mehe和Blondean提出预测钢种各相硬度的经验公式。

王维斌通过综合考虑闪光对焊温度场变化、焊接HAZ奥氏体晶粒大小、冷却速度和相变动力学对组织和硬度的作用，利用MC模拟与有限元计算的结果，计算了冷却过程奥氏体扩散反应产物分解，并与试验数据相结合，计算出奥氏体向铁素体和珠光体转变的体积分数，进而对焊接HAZ粗晶区的显微组织和硬度进行预测。

1996年，李晓非运用Gleeble模拟技术研究了耐磨合金重轨钢74SiMnV和U71Mn钢轨的闪光对焊焊接性能。由于闪光对焊在800～500℃时的冷却速度为1.2℃／s，此时74SiMnV钢冷却后形成珠光体、贝氏体和马氏体，而U71Mn钢仅产生珠光体，因此U71Mn钢的淬透性高于74SiMnV钢，只有在采用焊后缓冷等冷却速率较低的工艺才能适应闪光对焊。模拟结果还表明U71Mn钢的焊接热影响区塑性和冲击韧度都优于74SiMnV钢。

式中 K、Q———材料的晶粒长大特征参数；

T_i———时间段Δt_i所对应的绝对温度。

通过模拟不同焊接规范下奥氏体晶粒的长大，试验模拟结果与实际的奥氏体长大过程保持了一致性。因此，应用MC方法来计算出每个时间步晶粒长大的平均尺寸和拓扑学变化，不仅可模拟晶粒长大的微观组织演变过程，还可揭示HAZ晶粒尺寸分布状况。2008年，张根元拟合了45钢交流闪光对焊过程的实际温度场和焊接热循环曲线，并结合MC法建立了数值模拟模型，也推导出t_MCS、t、T之间的关系式，从而直观地表达了焊接热影响区的晶粒长大。结果表明：在同一t_MCS下，MC热循环后晶粒平均尺寸为等温加热转变后晶粒尺寸的70％左右，焊接热循环加热阶段后的晶粒尺寸仅为最终晶粒尺寸的25％～30％。奥氏体晶粒长大的数值模拟如下：

①晶粒长大动力学、奥氏体晶粒变化公式的建立。

②利用MC模型建立晶粒长大的模型，需考虑“热钉扎”效应。

③模拟计算结果及处理，推测出焊缝性能，并与实际结果对比。

2）相变过程连续冷却组织变化及性能。冷却组织数值模拟以往多基于解析参数方程，方法简单，可用于在线控制，但该方法仅考虑了主要的参数。另一种模拟方法是以物理化学冶金为基础，该方法不仅考虑了物理方程，还引入了分子热力学和动力学的概念来计算冷却组织的演化。Watt和Henwood提出的Watt-Coon预测模型，并对焊接热影响区热力场和组织变化进行了耦合。热影响区的硬度取决于冷却相及其含量，Johnson-Mehe和Blondean提出预测钢种各相硬度的经验公式。

王维斌通过综合考虑闪光对焊温度场变化、焊接HAZ奥氏体晶粒大小、冷却速度和相变动力学对组织和硬度的作用，利用MC模拟与有限元计算的结果，计算了冷却过程奥氏体扩散反应产物分解，并与试验数据相结合，计算出奥氏体向铁素体和珠光体转变的体积分数，进而对焊接HAZ粗晶区的显微组织和硬度进行预测。

1996年，李晓非运用Gleeble模拟技术研究了耐磨合金重轨钢74SiMnV和U71Mn钢轨的闪光对焊焊接性能。由于闪光对焊在800～500℃时的冷却速度为1.2℃／s，此时74SiMnV钢冷却后形成珠光体、贝氏体和马氏体，而U71Mn钢仅产生珠光体，因此U71Mn钢的淬透性高于74SiMnV钢，只有在采用焊后缓冷等冷却速率较低的工艺才能适应闪光对焊。模拟结果还表明U71Mn钢的焊接热影响区塑性和冲击韧度都优于74SiMnV钢。