1、 314182430目錄摘要、關(guān)鍵字一、緒論二、閃光對(duì)焊焊接工藝研究與分析三、第三章閃光對(duì)焊焊接溫度場(chǎng)測(cè)定及其有限元分析四、閃光對(duì)焊焊接熱影響區(qū)組織研究五、參考文獻(xiàn)摘要利用較優(yōu)的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)研究其焊接溫度場(chǎng)分布。 通過(guò)溫度檢測(cè)系統(tǒng) 實(shí)測(cè)了45鋼軸對(duì)稱件閃光對(duì)焊焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)分布， 確定了軸向溫度 T(x) 與軸 向距離X之間的關(guān)系為InT(x)：尉口 +k+彩+彬)；同一橫截面上的徑向溫度由表及 里逐漸升高，呈拋物線規(guī)律變化；以焊接熱循環(huán)過(guò)程中的峰值溫度TP為基準(zhǔn)，將 焊接熱循環(huán)曲線分為升溫段和降溫段分別進(jìn)行擬合處理， 得到了不同測(cè)溫點(diǎn)的焊 接熱循環(huán)曲線。基于有限元分析建立了閃光對(duì)焊

2、焊接過(guò)程熱電耦合的二維軸對(duì)稱 簡(jiǎn)化模型， 該模型中結(jié)合閃光對(duì)焊的實(shí)際及材料物性參數(shù)隨溫度變化的特性， 考 慮了接觸電阻及相變潛熱對(duì)產(chǎn)熱過(guò)程的影響， 模擬得到了閃光對(duì)焊焊接加熱過(guò)程 任一時(shí)刻溫度分布及任一位置焊接熱循環(huán)。 模擬與實(shí)測(cè)兩者比較驗(yàn)證了所建熱電 耦合二維簡(jiǎn)化模型的合理性。 基于45鋼軸對(duì)稱件閃光對(duì)焊焊接溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)， 采 用MC模擬與理論分析結(jié)合的方法研究了焊接 HAZ奧氏體晶粒長(zhǎng)大，考慮了晶粒長(zhǎng) 大動(dòng)力學(xué)及溫度對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響。根據(jù) ED模型確定了奧氏體晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué) 方程，確定了模擬時(shí)間MC與實(shí)際時(shí)間t、實(shí)測(cè)溫度T(t)之間的關(guān)系方程，以VB 為運(yùn)行環(huán)境，再現(xiàn)了焊接HAZ晶粒長(zhǎng)大的

3、動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，模擬和實(shí)測(cè)的晶粒大小 結(jié)果基本相吻合。M(模擬指出溫度梯度使焊接HAZ中晶粒長(zhǎng)大尺寸僅為整體受熱 時(shí)的 70左右，焊接加熱階段對(duì)晶粒長(zhǎng)大的貢獻(xiàn)為 25%30%左右。關(guān)鍵詞：閃光對(duì)焊；正交試驗(yàn)；溫度場(chǎng)；有限元模擬：MC方法；焊接HAZ晶粒長(zhǎng)大that ofthe matrix The analysis ofmicrostructureis as follows ： the grain size is finer graduallyfrom the weldto the overheated zone to the phase change Zone with the peak te

4、mperature fallalong with thedistance going up away from the weld ，the austenitic grain size of theoverheated zoneis large and Widmanstaten structure is formed，which is the cause of thetoughness feltThe microstrucmre transformationand the grainsize distribution wereanalyzed indifferent zones of weldi

5、ng HAZ And the interactionsofthe temperature ，microstructureand performance were discussedThe flash butt welding temperature distributionsof axisymmetric45 steel based on theABSTRACTjoint was worse thanThe three point bending test indicated that the plasticity of welding凼3) ，theand assumedoptimized

6、parameters were measured by the temperature test system The relation between the axial temperature T(x)and the distance x Was described as tnr(x)=K(a+bx+cx2+radial temperature ofthe same cross section rose from the exterior to the interiorparabola regularityThe weld thermal cycle curve offlash butt

7、welding HAZWas divided intocalefaction and refrigerationphases by peak temperature Tp， and Wasfitted A simplified thermoelectriccoupling 2-D axial symmetry model of flash butt weldingWas founded based on finiteelement analysis With the fact of flash buttwelding and thecharacteristic of material prop

8、ertiesvaried wim temperature the influences of thecontactresistance and the phase change latent heat on heat generation process wereconsideredin thismodelThe temperature distribution of each timeand the weld thermal cycle of each positionin the heating process were obtained inthe simulation The comp

9、arison of thesimulatedresults and the measured valnes proved the rationality ofthesimplifiedmodelBased on the measurement of temperature distributions ofaxisymmetric45 steel in flashbutt welding ，it studied the austenite graingrowth 州 thMC simulationand theoretical analysisthe influences of the grai

10、n growth kinetics andthe temperature 011 grain growth wereconsidered The austenite graingrowth kinetics Was deduced in flash butt welding HAZ witllEDB， and the relationship ofMCstep ， actual timeand actual temperature was determined Under the background ofVB，the dynamic evolutionaryprocedure of grai

11、n growth in flashbutt welding HAZ Was reappearedand the MCsimulated resultWas inagreement witll themeasured value The temperature gradient in the simulationmakes the grain size in thewelding HAZ as 70%ofthat in bulk heatingand the welding heating processmakes the graingrow only 25% 30% or so ofthe f

12、inalgrain size Keywords： flash butt welding， orthogonaltest ，temperature field ， finite element simulation,MC method，welding heat affectedzone，grain growth第一章緒論焊接作為制造業(yè)的基礎(chǔ)加工工藝與技術(shù)為工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。它廣泛地應(yīng)用于石油化工、航空航天、核動(dòng)力工程、微電子工程、橋梁、船舶， 以及各種金屬結(jié)構(gòu)等工業(yè)部門。 焊接技術(shù)在推動(dòng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展方面起著 重要的作用。電阻焊的加熱溫度比熔焊低、加熱時(shí)間短，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)(

13、HeatAffected Zone,簡(jiǎn)稱HAz)小，許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用這種方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接。 閃光對(duì)焊作為電阻焊的一種， 具有高速高效、 無(wú)須對(duì)被焊工件進(jìn)行預(yù)處理、焊縫強(qiáng)度高、焊接過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于汽車、 航天和其他工程領(lǐng)域中。 同時(shí)閃光對(duì)焊在異種金屬及新型材料焊接中也有一定的 應(yīng)用。由于閃光對(duì)焊與熔化焊有著本質(zhì)的區(qū)別， 有必要對(duì)其熱傳導(dǎo)及組織變化等 方面進(jìn)行深入研究。11閃光對(duì)焊技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用及特點(diǎn)111閃光對(duì)焊技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用閃光對(duì)焊是電阻焊工藝的一種， 電阻對(duì)焊主要適用于小截面工件的焊接， 如 小截面線材、管材、鏈環(huán)及截面積小于200mm的低碳鋼棒材等。

14、對(duì)于大截面工件 的對(duì)焊，如鋼軌、輸油輸氣管道、電站鍋爐、石油鉆桿等要用閃光對(duì)焊。從焊接 物理本質(zhì)來(lái)看， 閃光對(duì)焊時(shí)雖然也產(chǎn)生液態(tài)會(huì)屬， 但在接頭中不存在由液相凝固 而形成的鑄造組織， 因此不能歸入熔化焊一類， 屬于固相焊接， 這是閃光對(duì)焊的 突出特點(diǎn)， 是其與熔化焊最主要的區(qū)別。 有些利用熔化焊很難實(shí)現(xiàn)焊接的材料如 高速鋼、球墨鑄鐵和灰鑄鐵等都可成功的采用閃光對(duì)焊。某些異種金屬的焊接， 如銅和鋁等， 采用熔化焊幾乎是不可能的， 卻能以閃光對(duì)焊解決。 國(guó)內(nèi)外閃光對(duì) 焊典型的應(yīng)用有鋼軌和管道的焊接，航空航天工業(yè)中如航空發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的焊 接，汽車制造業(yè)中如汽車輪輞的焊接， 另外如錨鏈、 鋼窗以及刀具

15、的焊接也大都 采用閃光對(duì)焊的方法。 閃光對(duì)焊是將焊件裝配成對(duì)接接頭， 接通電源并使焊件被 焊端面緩緩移近到局部接觸，利用產(chǎn)生的電阻熱使接觸點(diǎn)迅速被加熱至高溫熔 化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的金屬飛濺， 形成閃光(即燒化過(guò)程 )，然后繼續(xù)移近焊件被焊接端面，使之進(jìn)一步閃光和加熱直至整個(gè)焊接端面在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度，最終迅速施加項(xiàng)鍛力完成焊接的過(guò)程。 閃光焊技術(shù)幾乎是和電阻焊技術(shù)同時(shí)出現(xiàn) 的。1885年美國(guó)人E. Thomson教授取得了電阻對(duì)焊的專利，這是有關(guān)電阻焊的最 早記錄。 1886年第一臺(tái)電阻對(duì)焊機(jī)誕生。 1903年德國(guó)人首先使用了閃光對(duì)焊技術(shù) 20世紀(jì)5070年代，前蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)、日本、瑞

16、士以及其他一些國(guó)家，對(duì)閃光對(duì)焊的基本理論及閃光焊機(jī)的研制進(jìn)行了大量的工作， 使閃光焊技術(shù)得到了迅 速的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面l 、在工件的送進(jìn)控制上，由最早的手動(dòng)杠桿、電動(dòng)凸輪逐漸過(guò)渡到液壓系 統(tǒng)控制；2、在控制電壓的方式上，由搭片式、插刀式的級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換器，發(fā)展到水銀引 燃管，再發(fā)展到晶閘管：3、在閃光焊接的供電波形上，由傳統(tǒng)的單相交流，發(fā)展到三相次級(jí)整流；4、在焊機(jī)容量方面，一些大容量的可以焊接大截面工件的閃光焊機(jī)也被研 制出來(lái)。上世紀(jì)6070年代，原西德公司生產(chǎn)的大型閃光焊機(jī)，功率達(dá)4Xl03kVV頂 鍛力達(dá)700t，可焊接截面積為Ixl05mm2的工件；日本生產(chǎn)的3X 103kW薄板

17、閃光對(duì)焊機(jī)，可焊接寬度為1800mm厚度為6. 5mr1的鋼板。隨著工業(yè)的發(fā)展，需焊接工件的截面也越來(lái)越大， 對(duì)焊機(jī)需用容量的要求也增大。 為了節(jié)省功率并滿足大截 面工件閃光焊接的需要， 國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都對(duì)閃光焊的工藝過(guò)程進(jìn)行了一系 列的研究， 并取得了顯著成果， 研究成功了程序控制降低電壓閃光對(duì)焊、 脈沖閃 光對(duì)焊和有限自適應(yīng)閃光對(duì)焊等新工藝。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)也開(kāi)始 應(yīng)用到閃光對(duì)焊過(guò)程的控制與參數(shù)檢測(cè)中。 這些措施都大大擴(kuò)大了閃光對(duì)焊的應(yīng) 用范圍，提高了閃光焊焊接接頭的質(zhì)量。 我國(guó)對(duì)閃光對(duì)焊的研究起步晚， 且跟國(guó) 外有一定的差距。 在焊機(jī)的研制生產(chǎn)方面， 上世紀(jì)50年代

18、我國(guó)生產(chǎn)了凸輪預(yù)熱交 流閃光焊機(jī)LMH180,其額定功率為150kW送進(jìn)速度由凸輪曲線決定，不能改變, 無(wú)法適應(yīng)不同工件的需要。之后成都電焊機(jī)廠陸續(xù)研制了 ur系列閃光對(duì)焊機(jī)，如用于m16-25n鋼筋對(duì)焊的UNH 150T光焊機(jī)，用于焊接截面積為450mm的摩托車輪圈的UNQ 125型閃光焊機(jī)等。上海電焊機(jī)廠生產(chǎn)了容量為 250kW勺帶鋼閃光對(duì)焊機(jī)，該機(jī)采用液壓傳動(dòng)，焊接截面積達(dá)到了 l , 350mm2在閃光焊技術(shù)理論研究方面， 國(guó)內(nèi)一些研究單位也做了一些工作， 取得了一定的成績(jī)。 如鐵道部鐵 道科學(xué)研究院通過(guò)對(duì)自適應(yīng)連續(xù)閃光焊焊接過(guò)程的原理研究， 提出了建立閃光焊 最佳參數(shù)的方法； 武漢鍋

19、爐廠的科技工作者根據(jù) 1976年國(guó)際焊接年會(huì)提出的 “能 量控制法”，對(duì)鍋爐鋼管的閃光焊進(jìn)行了研究。 1998年清華大學(xué)機(jī)械系研制成功了 500kW次級(jí)整流式大型拖車軸頭閃光焊機(jī)，該焊機(jī)用工控機(jī)作為控制核心，同時(shí)備有手動(dòng)控制系統(tǒng)， 采用位移傳感器和液壓系統(tǒng)， 利用預(yù)熱閃光焊工藝成功焊 接了截面為6,488mm2勺工件，該項(xiàng)目1999年被教育部鑒定為“總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn) 水平，部分技術(shù)位于國(guó)際領(lǐng)先地位”，其研制成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白 Ill 。雖然進(jìn) 行了上述的一些研究工作， 但就目前情況來(lái)看， 與國(guó)外先進(jìn)閃光焊技術(shù)相比， 我 國(guó)的整體技術(shù)水平還很落后，國(guó)內(nèi)在應(yīng)用閃光焊焊接大型構(gòu)件 （如鋼軌、汽車輪輞

20、）時(shí)，閃光焊機(jī)還主要依靠進(jìn)口。由上述閃光對(duì)焊機(jī)的發(fā)展可以看出，設(shè)備取 決于工藝，因此為了制造出滿足特定焊接要求勺閃光對(duì)焊機(jī)需要對(duì)其焊接工藝進(jìn) 行研究。112閃光對(duì)焊勺工藝特點(diǎn)根據(jù)工藝不同， 可將閃光對(duì)焊分為連續(xù)閃光對(duì)焊和預(yù)熱閃光對(duì)焊兩種。 連續(xù)閃光對(duì)焊焊接循環(huán)由閃光、頂鍛、保持、休止等程序組成。其中閃光、頂鍛兩個(gè) 連續(xù)階段組成連續(xù)閃光對(duì)焊接頭形成過(guò)程， 保持、休止等是對(duì)焊操作中為形成牢 固接頭所必須勺程序預(yù)熱閃光對(duì)焊與連續(xù)閃光焊不同之處是在閃光階段前增加 了預(yù)熱程序。 閃光階段是閃光對(duì)焊加熱過(guò)程的核心。 閃光開(kāi)始時(shí)， 由于焊件端面 上存在微小勺凹凸不平， 只有小部分區(qū)域相接觸， 電流沿接觸點(diǎn)流

21、過(guò)， 這些點(diǎn)上 很大勺電阻和電流密度使金屬迅速升溫熔化，熔化金屬形成連接兩個(gè)端面勺過(guò) 梁，由于過(guò)梁中部電流密度最大，不容易散熱，使金屬快速升溫到沸騰溫度，過(guò)梁內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽使其與表面之間形成巨大勺壓力差和溫度差，有勺過(guò)梁爆破飛 出，形成絢麗勺火花，閃光對(duì)焊由此得名。端面燒損勺微區(qū)脫離接觸，但工件仍在緩慢移近中，又在新勺接觸點(diǎn)上產(chǎn)生過(guò)梁并爆發(fā)閃光。由此可見(jiàn)閃光過(guò)程即是液體過(guò)梁不斷形成和爆破的過(guò)程。 另外閃光過(guò)程還可 以燒掉焊接端面上勺臟物和不平， 降低焊前對(duì)焊件端面勺準(zhǔn)備要求； 液體過(guò)梁爆 破時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽和其他氣氛（如CO C02等）排擠大氣，減少了端面氧化，形成自保護(hù)；閃光后期焊件端面上形成

22、勺液體金屬層， 為頂鍛時(shí)排除氧化物和污染 了勺金屬提供有利條件。當(dāng)焊件對(duì)口及其附近區(qū)域獲得合適勺溫度分布時(shí)即可進(jìn) 入頂鍛階段， 此過(guò)程為一快速勺鍛擊過(guò)程。 開(kāi)始時(shí)， 動(dòng)夾具突然加速使對(duì)口間隙迅速減小， 過(guò)梁斷面增大而不再爆破， 閃光驟然停止， 對(duì)口及鄰近區(qū)域開(kāi)始承受 愈來(lái)愈大的擠壓力。 這一過(guò)程中焊件端口的液態(tài)金屬被徹底排出， 使焊縫中不殘 留由液態(tài)金屬凝固而產(chǎn)生的鑄造組織： 排除了過(guò)熱金屬及氧化雜質(zhì)， 造成潔凈金 屬的緊密貼合， 提高焊縫接頭的純凈度： 對(duì)口和鄰近區(qū)域在擠壓力的作用下獲得 適當(dāng)?shù)乃苄宰冃?，促進(jìn)焊縫高溫金屬的再結(jié)晶過(guò)程，從而形成牢固的焊接接頭。預(yù)熱階段是預(yù)熱閃光對(duì)焊工藝特有的，

23、 是閃光前期對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱升溫而使焊件 達(dá)到良好焊接狀況的步驟。 預(yù)熱可以提高焊件的端面溫度， 以便在較高的起始頂 鍛速度或較低的設(shè)備功率下順利地丌始閃光， 并可減少閃光留量， 節(jié)約材料； 預(yù) 熱時(shí)加熱區(qū)域較寬， 使頂鍛時(shí)易于產(chǎn)生塑性變形， 并能降低焊后的冷卻速度， 有 利于可淬硬金屬材料的對(duì)焊X, 5, 61。閃光對(duì)焊焊接工藝的主要規(guī)范參數(shù)有:是指焊件伸出夾鉗電極1、調(diào)伸長(zhǎng)度L調(diào)伸長(zhǎng)度是閃光對(duì)焊的一個(gè)主要參數(shù)，端面的長(zhǎng)度。2、閃光留量 f閃光留量隨截面積的增大而增加,一般選擇略大于臨界閃光保證頂鍛前溫度分布的留量,這樣實(shí)際閃光留量稍有波動(dòng)也不會(huì)影響溫度分布,致性。3、閃光速度vf除少量小截面

24、焊接性良好的焊件外，一般均采用加速閃光。4、閃光電流密度 Jf（ 或次級(jí)空載電壓 U20） 對(duì)焊件的加熱有重要的影響。它 與焊接方法、 材料性質(zhì)和焊件端面尺寸等有關(guān)， 通常在較寬的范圍內(nèi)變化。 連續(xù)閃光對(duì)焊、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的金屬材料、展開(kāi)形端面的焊件，Jf應(yīng)取高值；預(yù)熱閃光對(duì)焊、大斷面的焊件，Jf取低值。例如，在額定功率情況下，低碳鋼閃光時(shí)的Jf平均值為5-15A/ram2,最大值為2030AZmm2頂鍛時(shí)J。（頂鍛電流密度）為40-、-60A/mm2在實(shí)際生產(chǎn)中，常常是給出次級(jí)空載電壓U20, 般取在1.514V之間。選擇原則是在保證穩(wěn)定閃光的條件下，盡量選用較低的U2（X5、頂鍛留量。由封閉

25、間隙所需的距離、排除端面液體金屬層所需的距離、補(bǔ)償凹坑不平所需的距離和保證材料獲得必要的塑性變形所需的距離等四部分組成。過(guò)小的頂鍛留量將導(dǎo)致材料塑性變形不足而引起局部不能形成共同晶粒， 導(dǎo)致力學(xué)性能下降。過(guò)大的頂鍛留量將導(dǎo)致軋制纖維的嚴(yán)重扭曲而影響力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)產(chǎn)生裂紋。6頂鍛速度V。頂鍛的目的之一是將氧化物擠出接頭， 氧化物必須在接頭冷卻到某溫度之前被擠出。通常V。略大些對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)接頭有利。7、頂鍛壓力F。頂鍛壓力是為了達(dá)到預(yù)定的塑性變形量而施加的力， 其值隨 材料的熱強(qiáng)性能和加熱溫度分布而異。8、夾緊力Fc夾緊力Fc是為防止焊件在夾鉗電極中打滑而施加的力。9、預(yù)熱溫度T,和預(yù)熱時(shí)

26、間h等。一般認(rèn)為預(yù)熱次數(shù)多些、每次短接時(shí)間短些有利于材料的均勻加熱， 但次數(shù)過(guò)多、 短接時(shí)間過(guò)短則會(huì)導(dǎo)致預(yù)熱過(guò)慢。 基于所選擇的焊接規(guī)范參數(shù)，預(yù)熱階段結(jié)束時(shí)要求沿整個(gè)焊件端面(尤其是展開(kāi)形焊件,如板材等 ) 得到均勻的預(yù)熱, 并達(dá)到所要求的溫度值 13,61。閃光階段 結(jié)束時(shí)必須滿足對(duì)口處會(huì)屬盡量不被氧化；對(duì)VI端面加熱均勻；沿零件長(zhǎng)度方向 獲得合適的溫度分布： 端面上有一層較厚的液態(tài)金屬層等。 頂鍛階段結(jié)束時(shí)對(duì) 121及其鄰近區(qū)域要獲得足夠且適當(dāng)?shù)乃苄宰冃巍?閃光對(duì)焊焊接工藝的規(guī)范參數(shù)選擇 適當(dāng)時(shí)，可以獲得幾乎與母材等性能的優(yōu)質(zhì)接頭。 化央渣及魏氏組織等缺陷影響 焊接接頭的拉伸及彎曲性能,

27、使接頭強(qiáng)度降低, 脆性增大； 而焊縫區(qū)的金相組織 變化與焊縫區(qū)域的溫度場(chǎng)、 焊接工藝參數(shù)及焊縫區(qū)域出現(xiàn)的缺陷組織等多種因素 密切相關(guān),如果沒(méi)有正常合格的金相組織,閃光對(duì)焊焊接接頭的性能將受影響。鋼鐵研究總院瞵J對(duì)400M P級(jí)超細(xì)晶粒Q23熱軋帶肋鋼筋閃光對(duì)焊焊接接頭的組織和性能研究發(fā)現(xiàn)其焊縫有輕微脫碳現(xiàn)象， 組織以粗大針狀鐵素體和塊狀鐵素體為主，只有少量珠光體存在，熔合線附近的晶粒也較粗大；焊縫硬度偏低，靠 近熔合線的粗晶區(qū)硬度最高。對(duì)閃光對(duì)焊的系統(tǒng)性研究鮮見(jiàn)報(bào)道，本文擬對(duì) 45熱軋鋼的閃光對(duì)焊焊接工藝及焊接溫度場(chǎng)與接頭組織、 性能之間的關(guān)系進(jìn)行綜合 研究。12焊接過(guò)程數(shù)值模擬概述焊接過(guò)程的

28、研究主要體現(xiàn)在焊接熱過(guò)程、 冶金過(guò)程及焊接接頭組織情況等幾 個(gè)方面，以往研究主要以試驗(yàn)手段為基本方法， 其模式為“理論試驗(yàn)生產(chǎn)”， 但大量的焊接試驗(yàn)增加了生產(chǎn)成本, 且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速 發(fā)展，引發(fā)了虛擬制造技術(shù)的熱潮， 這其中就包括對(duì)焊接過(guò)程的數(shù)值模擬。 焊接 數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)， 為焊接生產(chǎn)朝 “理論數(shù)值模擬生產(chǎn)” 模式的發(fā)展創(chuàng)造 了條件,使焊接技術(shù)正在發(fā)生著由經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)、由定性到定量的飛躍。焊接數(shù)值模擬是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)并采用一組控制方程束描述一個(gè)焊接過(guò)程或 一個(gè)焊接過(guò)程的某一個(gè)方面， 采用分析或數(shù)值方法求解以獲得對(duì)該過(guò)程的定量認(rèn) 識(shí)，如焊接溫度場(chǎng)、焊接熱循環(huán)、焊接HAZ

29、勺硬度、焊接區(qū)的強(qiáng)度、斷裂韌性等。焊接數(shù)值模擬的關(guān)鍵是確定被研究對(duì)象的物理模型及其控制方程。1、焊接熱過(guò)程的數(shù)值模擬；2、焊接熔池液體流動(dòng)及形狀尺寸的數(shù)值模擬：3、電弧物理；4、焊縫金屬凝固和焊接接頭相變過(guò)程的數(shù)值模擬；5、焊接應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)展過(guò)程的數(shù)值模擬；6、非均勻焊接接頭力學(xué)行為的數(shù)值模擬；7、焊接接頭組織變化和熱影響區(qū)氫擴(kuò)散的數(shù)值模擬；8、特種焊接過(guò)程的數(shù)值分析，如電阻點(diǎn)焊、陶瓷金屬連接、激光焊接、摩擦焊接和瞬態(tài)液相焊接等；9、焊接結(jié)構(gòu)斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬等。焊接作為現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的工藝，在材料加工領(lǐng)域一直占有重要地位。近二十幾年來(lái)， 很多學(xué)者都對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)

30、用進(jìn)行了研究， 取得了 不少成果。 國(guó)際上比較著名的學(xué)者， 如日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授長(zhǎng)期從事焊接熱彈塑性理論的研究，創(chuàng)建了“計(jì)算焊接力學(xué)”的新興學(xué)科。美國(guó)MIT的K. Masubuchi教授在焊接殘余應(yīng)力和變形以及焊接結(jié)構(gòu)分析方面有深入地研究。瑞典的L. Karlsson教授和加拿大的A. Goldak教授等在焊接熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析以及焊接接頭組織性能預(yù)測(cè)方面作了許多研究并取得了不少成果。奧地利的H. Cerjac教授在計(jì)算機(jī)輔助焊接性方面進(jìn)行了研究。日本的A. Matsunawa教授和M Ushio教授分別在焊接熔池和電弧物理方面進(jìn)行了深入地分析等，國(guó)際上有關(guān)焊接數(shù)值模擬技術(shù)的交流也十分

31、活躍。 國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始焊接數(shù)值 模擬的研究工作， 近些年來(lái)也取得了不少成果。 西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)較 早在焊接傳熱和熱彈塑性應(yīng)力分析方面作了許多工作近十年來(lái)焊接數(shù)值模擬技術(shù)不斷向深度、 廣度發(fā)展， 研究工作已普遍由建立在溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)基礎(chǔ)上的宏觀尺度的模擬進(jìn)入到以研究組織、 結(jié)構(gòu)、 性能為目的的中觀尺度及微觀尺度的模擬階段；由單一的溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、流場(chǎng)、 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、 組織模擬進(jìn)入到耦合集成階段； 由共性通用問(wèn)題轉(zhuǎn)向難度更大的特 定問(wèn)題，包括解決特種焊接模擬及工藝優(yōu)化問(wèn)題， 解決焊接缺陷消除等問(wèn)題； 由 孤立研究轉(zhuǎn)向與生產(chǎn)系統(tǒng)及其它技術(shù)環(huán)節(jié)集成等。13焊接溫度場(chǎng)數(shù)

32、值模擬的意義及研究狀況焊接熱過(guò)程貫穿整個(gè)焊接過(guò)程的始終， 可以說(shuō)一切焊接物理化學(xué)過(guò)程都是在 熱過(guò)程中發(fā)生和發(fā)展的， 例如焊接溫度場(chǎng)決定了焊接應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)， 還與冶金、 結(jié)晶、相變過(guò)程有著不可分割的聯(lián)系， 成為影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之，因此焊接熱過(guò)程的準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算是進(jìn)行焊接冶金分析、 焊接應(yīng)力應(yīng)變分析 和對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制的前提。 國(guó)內(nèi) 1981年西安交通大學(xué)唐慕堯等人首先編制了有限元熱傳導(dǎo)分析程序， 計(jì)算了薄板焊接二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)， 計(jì)算中未計(jì)及材料 熱物性的非線性及工件表面的熱損失。 之后上海交通大學(xué)在焊接熱傳導(dǎo)數(shù)值分析 方面作了許多工作， 陳楚等人提出了求解非線性熱傳導(dǎo)問(wèn)題的變

33、步長(zhǎng)外推法， 建 立了焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序， 程序中考慮了材料熱物理性能 參數(shù)隨溫度的變化以及表面散熱的情況， 能進(jìn)行固定熱源或移動(dòng)熱源、 薄板或厚板、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或非準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)二維溫度場(chǎng)的有限元分析，并在脈沖TIG焊接溫度場(chǎng)以及局部干法水下焊接溫度場(chǎng)等方面進(jìn)行了實(shí)例分析。 對(duì)于三維問(wèn)題， 國(guó)內(nèi)外也是近 十年來(lái)才剛開(kāi)始研究， 上海交通大學(xué)汪建華等人和日本大阪大學(xué)合作對(duì)三維焊接 溫度場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行了一系列的有限元研究， 探究了焊接溫度場(chǎng)的特點(diǎn)和提高精度的 若干途徑， 并對(duì)幾個(gè)實(shí)際焊接問(wèn)題進(jìn)行了三維焊接熱傳導(dǎo)的有限元分析。 蔡洪能 等人建立了運(yùn)動(dòng)電弧作用下的表面雙橢圓分布模型， 并在此基礎(chǔ)上研

34、制了三維瞬 態(tài)非線性熱傳導(dǎo)問(wèn)題的有限元程序，程序中利用分析節(jié)點(diǎn)熱焓的方法對(duì)低碳鋼（A3鋼）板的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值吻合得很好。西安交通大學(xué)的段權(quán)、張新國(guó)等人習(xí)利用有限元方法對(duì)焊接接頭的非線性熱傳導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行研 究，得出焊接熱循環(huán)曲線， 非線性數(shù)值分析表明在金屬相變溫度附近采用經(jīng)典線 性方法的結(jié)果偏差較大， 并指出在模擬焊接接頭溫度場(chǎng)分布時(shí)必須考慮材料熱傳 導(dǎo)參數(shù)的非線性特征。132電阻焊焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的研究進(jìn)展由于閃光對(duì)焊的熱過(guò)程很復(fù)雜， 目前這方面的文獻(xiàn)較少， 相關(guān)方面對(duì)于點(diǎn)焊 及電阻對(duì)焊的研究較多，同樣作為電阻焊方法，它們有一些共同點(diǎn)。 Greenwood早在1961年

35、運(yùn)用有限差分方法建立了第一個(gè)描述點(diǎn)焊過(guò)程的軸對(duì)稱熱傳導(dǎo)模型。該模型考慮了溫度對(duì)材料物性參數(shù)的影響和工件內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱， 并預(yù)測(cè)出快速加熱時(shí)將在電極周邊下方形成環(huán)狀熔核， 指出早期階段高溫區(qū)集中于電極與工 件接觸區(qū)域的邊緣，這一結(jié)論在后來(lái)得到了 Kmse等人的試驗(yàn)驗(yàn)證，但該模型沒(méi)有考慮接觸電阻和熔化潛熱等因素。ES. Myers等人認(rèn)為這樣的簡(jiǎn)化將帶來(lái)很大 的誤差，并指出任何準(zhǔn)確的點(diǎn)焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬都要在充分了解接觸電阻行為的 基礎(chǔ)上才能成為可能。后來(lái)，J. Ruge也發(fā)表了類似的數(shù)值模型。BenRIy和 Gree nwoo（等人研究了中碳鋼點(diǎn)焊過(guò)程中接觸電阻對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，指出接觸電阻僅

36、在加熱初期起作用， 并且隨著加熱的進(jìn)行， 接觸電阻很快穩(wěn)定下來(lái)。 1967 年，W Rice等人建立了一維差分模型對(duì)碳鋼點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行研究，指出接觸電阻對(duì)點(diǎn)焊的熱行為影響不大，它在焊接過(guò)程中很快達(dá)到恒定值 f矧。H. A Nied在 1984年提出了一個(gè)電阻點(diǎn)焊過(guò)程的有限元模型， 對(duì)電阻焊作了開(kāi)創(chuàng)性的工作。 他 建立了完整的電熱力三者耦合的數(shù)學(xué)模型， 該模型可以用來(lái)分析壓力和焊接 循環(huán)，預(yù)測(cè)溫度分布、 熱膨脹及其應(yīng)力和熔核的幾何尺寸等， 加深了對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程 的認(rèn)識(shí)。此后 Tsai ， Browne， Zajac 等都采用有限元的方法對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程作了進(jìn) 步的研究。1989年國(guó)內(nèi)吳水海采用了電熱耦合有限

37、元法對(duì)點(diǎn)焊時(shí)電位分布和溫度 分布進(jìn)行了研究。 1991年哈爾濱工業(yè)大學(xué)曹彪建立了低碳鋼點(diǎn)焊的有限元模型，考慮了點(diǎn)焊過(guò)程中接觸面的變化和接觸壓力對(duì)接觸電阻的影響， 但未考慮變形對(duì)熱、電分析的影響。 吉林工業(yè)大學(xué)王春生等人建立三維有限差分模型分析了異質(zhì) 材料點(diǎn)焊的熱、 電耦合行為及點(diǎn)焊熔核的形成過(guò)程。 2001年上海交通大學(xué)龍昕等人建立了鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊的軸對(duì)稱有限元模型模擬了電阻點(diǎn)焊過(guò)程中電極與 工件的溫度場(chǎng)分布， 模型中采用標(biāo)定法來(lái)解決接觸電阻產(chǎn)熱的問(wèn)題， 運(yùn)用生死單元技術(shù)解決鍍鋅鋼板焊接時(shí)鍍鋅層熔化的模擬問(wèn)題。2004年清華大學(xué)常保華采用基于顯微接觸理論的接觸電阻模型對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行了模擬。

38、天津大學(xué)吳志生等用 數(shù)值模擬的方法研究了鋁合金點(diǎn)焊溫度場(chǎng)及電極導(dǎo)電導(dǎo)熱性能對(duì)電極端面溫度 的影響。吉林大學(xué)楊黎峰P”對(duì)鋁合金點(diǎn)焊熔核流場(chǎng)及熱場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析。相對(duì)于電阻點(diǎn)焊而言， 電阻對(duì)焊的研究起步較晚， 電阻對(duì)焊在頂鍛階段具有較大 的塑性變形，所以增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。為此Dawso率先采用有限元對(duì)不銹鋼棒 的電阻對(duì)焊過(guò)程進(jìn)行了模擬，隨后Eggert對(duì)不銹鋼棒、Nied對(duì)鈦合會(huì)板的電阻對(duì) 焊進(jìn)行了模擬， 選用的都是六節(jié)點(diǎn)三角形單元、 純粘塑性材料模型。 模型中忽略 了應(yīng)變對(duì)材料強(qiáng)度的影響。 1998年西安交通大學(xué)吳豐順等人采用電、 熱、塑性變 形耦合的有限元法， 模擬了直流電阻對(duì)焊過(guò)程， 探

39、討了變形過(guò)程中電場(chǎng)、 溫度場(chǎng)、 變形之間以及變形過(guò)程中界面夾雜物消除率和變形之間的相互關(guān)系。 閃光對(duì)焊盡 管與點(diǎn)焊和電阻對(duì)焊有相似之處， 但其焊接過(guò)程中有電弧現(xiàn)象、 材料的熔化、 物 質(zhì)的燒損及較大的塑性變形等增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。 目前關(guān)于閃光對(duì)焊溫度場(chǎng)數(shù) 值模擬的文獻(xiàn)較少。 基于其在鐵軌接長(zhǎng)方面的應(yīng)用， 2005年中鐵山海關(guān)大橋集團(tuán)有限公司P3J對(duì)高錳鋼閃光對(duì)焊的溫度場(chǎng)進(jìn)了數(shù)值模擬，建立了軸對(duì)稱的有限元 模型，考慮了隨溫度變化的熱物理性能參數(shù)及接觸電阻， 利用單元生死技術(shù)模擬 了物質(zhì)燒損過(guò)程，提出了熱電耦合的模擬方法。西南交通大學(xué)的焊接研究所J對(duì)U,IMn鋼軌對(duì)焊頂鍛階段的熱、力行為進(jìn)行了模

40、擬。北京工業(yè)大學(xué)的王維斌對(duì)超細(xì)晶粒鋼直流閃光對(duì)焊過(guò)程進(jìn)行了研究， 他根據(jù)直流電阻陽(yáng)光對(duì)焊的焊接特點(diǎn)， 以 連續(xù)介質(zhì)電熱原理為基礎(chǔ)， 建立了可以表示閃光對(duì)焊的物質(zhì)燒損和傳熱的電熱耦 合模型，該模型可以準(zhǔn)確的分析閃光對(duì)焊過(guò)程溫度場(chǎng)與分布特征， 并最終實(shí)現(xiàn)了 整個(gè)焊接過(guò)程的電、熱、力順序耦合分析。從目前發(fā)表的資料而言，國(guó)外對(duì)閃光 對(duì)焊溫度場(chǎng)的模擬基本無(wú)紀(jì)錄。1。 4焊接接頭微觀組織的研究方法及研究狀況焊接熱影響區(qū)平均晶粒尺寸和晶粒大小的分布情況是焊接接頭極為重要的 微觀特征，這一特征直接決定著焊接件的焊接接頭諸如強(qiáng)度、韌性、硬度、抗腐 蝕性及沖擊韌性等許多性能。 因此對(duì)焊接熱影響區(qū)晶粒大小的分布情況

41、進(jìn)行研究 就顯得非常重要。 為了了解焊接過(guò)程對(duì)材料性能的影響， 利用數(shù)值模擬的方法可 以動(dòng)態(tài)的再現(xiàn)焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程， 隨著人們對(duì)焊接過(guò)程的逐步認(rèn)識(shí)和計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，過(guò)去被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)的焊接接頭組織模擬受到了前所未有的關(guān) 注，并取得了令人振奮的結(jié)果。141焊接接頭微觀組織的研究方法國(guó)內(nèi)外較早普遍采用的方法是利用模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(SimulatingHAZ Continuous Cooling Transformation，簡(jiǎn)稱 SHCCT曲線對(duì)焊接熱影響區(qū)的微觀組織及性能進(jìn)行研究，這種方法充分利用SHCC圖的特點(diǎn)，無(wú)需大量的試驗(yàn)，但其使用面窄，通用程度不夠，而且SHCC圖的

42、建立本身也很復(fù)雜,需要高精度的測(cè)試儀器和大量的試驗(yàn)工作。另外HCerjak 等開(kāi)發(fā)的綜合性計(jì)算 程序“ HAZ CALCULATOR提供了大約50個(gè)冶金計(jì)算法，可用于各種狀態(tài)的低合金鋼的性能研究， 這種方法建立在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 可靠性高， 但費(fèi)用較昂 貴。隨著對(duì)焊接熱動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)的深入， 利用建立數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)焊接熱影響區(qū) 的組織演化進(jìn)行研究變得切實(shí)可行， 并越來(lái)越受到重視。 這種方法使用面廣， 可 在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)， 試驗(yàn)成本低， 而且通過(guò)建模可以在更高的水平上加深對(duì)焊接熱 影響區(qū)物理化學(xué)過(guò)程的理解。 目前模擬焊接接頭微觀組織的方法主要有確定性方 法和概率性方法。 確定性方法是指在給定時(shí)刻

43、， 一定體積熔體內(nèi)晶粒的形核密度 和生長(zhǎng)速率都是確定的函數(shù)， 該函數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得。 運(yùn)用確定性方法建立的模型可成功預(yù)測(cè)微觀組織的特征， 如等軸晶的平均尺寸和柱狀晶的縱向生長(zhǎng)等。 王 永生等人P6J從晶粒長(zhǎng)大的基本理論出發(fā)，考慮了焊接條件下的影響因素，綜合焊縫金屬合金元素對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響， 建立了一個(gè)在連續(xù)冷卻條件下基于 碳原子擴(kuò)散速率的低合會(huì)鋼焊縫金屬奧氏體晶粒尺寸的計(jì)算模型。 華中科技大學(xué) 的張國(guó)棟等人印 l 建立了基于夾雜物惰性界面非擴(kuò)散形成的針狀鐵素體連續(xù)轉(zhuǎn)變 動(dòng)力學(xué)模型， 該模型可以用來(lái)研究焊縫中針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變特征， 包括轉(zhuǎn)變溫度 范圍，轉(zhuǎn)變程度以及與焊縫化學(xué)成分、工藝參數(shù)、

44、相變溫度之間的關(guān)系，相變過(guò) 程中的最大可能轉(zhuǎn)變趨勢(shì)等。 上述方法多是基于相變熱力學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)建立確 定性模型來(lái)實(shí)現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變的模擬， 忽略了與晶體學(xué)相關(guān)的因素， 無(wú)法反應(yīng)晶粒生 長(zhǎng)的幾何和拓?fù)淝闆r。因此有必要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)預(yù)測(cè)焊接熱影響區(qū)晶粒生長(zhǎng)及最終晶粒大小。基于概率性思想提出了隨機(jī)性模擬方法，即蒙特卡洛（MonteCarlo，簡(jiǎn)稱MC方法和元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata ，簡(jiǎn)稱CA）方法避免了上述問(wèn)題。MC法與CAS 模擬晶粒長(zhǎng)大時(shí)， 在能量的計(jì)算方法上均是以晶粒長(zhǎng)大物理原理為基礎(chǔ)， 按照概 率的方法通過(guò)自由能增量進(jìn)行計(jì)算。 在微觀組織模擬時(shí)，M方法是以界面能最小 為原理

45、、概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，并以隨機(jī)抽樣為手段對(duì)晶粒生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行模擬。M（法沒(méi)有分子動(dòng)力學(xué)中的迭代問(wèn)題，也沒(méi)有數(shù)值不穩(wěn)定的情況，確保了其收斂性,M（法的收斂速度與問(wèn)題的維數(shù)無(wú)關(guān)，這是它的優(yōu)點(diǎn)，且其誤差容易確定。另外,M（法的計(jì)算量小，所需機(jī)時(shí)少。CA法最早是由Von Neuman和Ulam作為生物機(jī)體的一種可能的理想模型而提出的， 隨后它們被逐漸引入到數(shù)學(xué)、 物理和材料科學(xué)等更加廣泛的領(lǐng)域。其在材料科學(xué)中的應(yīng)用也是近幾十年才發(fā)展起來(lái)的。CA法是 物理體系的一種理想化， 是一類離散模型的統(tǒng)稱， 或者可以說(shuō)是一種建立模型的 基本思想和方法，該思想是將研究整體離散成有限個(gè)胞，將時(shí)間離散成時(shí)問(wèn)步， 每個(gè)胞的

46、狀態(tài)隨時(shí)J日J(rèn)的變化按一定規(guī)則變化，變化中只受相鄰胞的影響實(shí)現(xiàn) 局部的相互作用。 近年來(lái)發(fā)展了一種新的模擬方法， 即相場(chǎng)法也逐漸成為人們的 研究熱點(diǎn)。 相場(chǎng)法是一種計(jì)算技術(shù)， 通過(guò)引入相場(chǎng)這一新變量而得名。 相場(chǎng)理論 是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上，并以Ginzburg . Landai相交理論為基礎(chǔ)，通過(guò)微分方程 反映擴(kuò)散、 有序化勢(shì)及熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的綜合作用。 相場(chǎng)方程的求解結(jié)果可以描述 金屬系統(tǒng)的固液界面的形態(tài)、 曲率以及界面的移動(dòng)。 目前相場(chǎng)法主要應(yīng)用于模擬 凝固過(guò)程的枝晶生長(zhǎng)情況，還沒(méi)有被用于焊接接頭的組織模擬 Lj ”。1. 4. 2焊接接頭微觀組織MCg擬研究進(jìn)展MC方法在焊接接頭微觀組織模

47、擬中的應(yīng)用最廣泛。 該方法適用于研究材料中 的隨機(jī)過(guò)程及現(xiàn)象，是將研究對(duì)象劃分為很多小的單元，每個(gè)單元為一個(gè)單晶， 給每個(gè)單元賦值為其取向數(shù)，通過(guò)計(jì)算與取向值對(duì)應(yīng)的相鄰單元間的能量變化， 確定晶粒的長(zhǎng)大，通過(guò)系統(tǒng)總能量最小化來(lái)完成結(jié)構(gòu)的演化模擬。MCT法是在20世紀(jì)40年代首次作為一種獨(dú)立的科學(xué)方法被提出來(lái)的，并首先應(yīng)用于核武器的研 制、粒子傳輸?shù)阮I(lǐng)域。1983年以Anderson、Srolovitz等為首的美國(guó)EXXO研究組 首先提出了二維M（算法，應(yīng)用于二維的晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)模擬，后又將其應(yīng)用于模 擬晶粒長(zhǎng)大的尺寸分布、拓?fù)鋵W(xué)和局部動(dòng)力學(xué)研究。從此引起了廣大學(xué)者的 重視并進(jìn)一步將其應(yīng)用于再結(jié)

48、晶、 多晶材料的晶粒長(zhǎng)大、 有序一無(wú)序疇轉(zhuǎn)變等多 種金屬學(xué)和物理學(xué)的仿真過(guò)程。Brown和Spittle最先利用MC方法建立了晶粒長(zhǎng)大 的概率模型。后來(lái)的研究者Panping Zhu和Smith考慮了材料的界面能與體積能，并結(jié)合連續(xù)性方程將Brown和Spittle的方法進(jìn)行了改進(jìn)。1994年P(guān)aillard等人應(yīng)用M（技術(shù)在二維網(wǎng)絡(luò)上模擬鐵硅合金的正常和異常晶粒生長(zhǎng)，得出用MC法模擬晶 粒長(zhǎng)大的可行性。同年Radhakrishnan和Zacharia提出了改進(jìn)的M（算法，以獲得M（模擬與晶粒尺寸和時(shí)間之間的關(guān)系。1995年他們使用改進(jìn)的M（模型深入研究焊接熱影響區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)及邊界的釘扎作用，

49、 從此利用MC方法模擬焊接熱影響區(qū)微 觀組織得到了迅速發(fā)展。1996年Gao等人4H提出了 2個(gè)不同的模型，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Experimental dataBasedModel 簡(jiǎn)稱 EDB的模型和晶界遷移（Grain BoundaryMigration Model ，簡(jiǎn)稱GBM的模型來(lái)模擬金屬、合會(huì)的正常晶粒長(zhǎng)大，使 M（模擬能夠應(yīng)用于整個(gè)焊接過(guò)程，并結(jié)合 M（方法將GB模型應(yīng)用于馬口鐵再結(jié)晶區(qū)等溫晶粒長(zhǎng)大的分析，還探討了 ED模型在連續(xù)加熱的鈦合金晶粒長(zhǎng)大中的應(yīng)用,并進(jìn)一步將兩種模型應(yīng)用于實(shí)際工藝生產(chǎn)過(guò)程中， 得出了等溫過(guò)程和連續(xù)加熱過(guò) 程中晶粒長(zhǎng)大的規(guī)律。 此后的學(xué)者對(duì)焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)

50、大模擬的研究均是基于 這兩種模型進(jìn)行的。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)MCT法應(yīng)用于晶粒長(zhǎng)大的模擬也進(jìn)行了不少研究。1994年陳禮清 等利用平面三角形點(diǎn)陣及M（模擬方法較好的重現(xiàn)了二維多晶體晶粒的長(zhǎng)大規(guī)律, 淬態(tài)生長(zhǎng)指數(shù)的模擬值為0.45,基本符合理論預(yù)測(cè)值。鐘曉征，陳偉元等43-451不同以M（法為基礎(chǔ)，使用改進(jìn)的Q. State potts算法對(duì)多晶材料的正常和異常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行可視化模擬， 并對(duì)正常晶粒生長(zhǎng)形貌演化也進(jìn)行了可視化研究， 模擬時(shí)間下正常晶粒的形貌演化圖與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)相符合， 逼真度較好， 且生長(zhǎng)指 數(shù)模擬值達(dá)到 047，且改進(jìn)算法能有效減少仿真計(jì)算時(shí)間，便于在普通的實(shí)驗(yàn)環(huán)境上實(shí)現(xiàn)正常晶粒生長(zhǎng)形

51、貌演化的計(jì)算機(jī)模擬。 宋曉燕等利用三維MC技術(shù)模擬 了較完整的單相材料正常晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程， 獲得了晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)的全 面信息。山東大學(xué)張繼祥等人也對(duì)現(xiàn)有的 MC法乍了進(jìn)一步的改進(jìn)，得出了更加符合實(shí)際物理過(guò)程的擇優(yōu)算法。 近年來(lái)對(duì)焊接組織及熱影響區(qū)的模擬主要集中在純 金屬方面。莫春立等人利用ED模型對(duì)單相鐵素體不銹鋼的焊接HAZ晶粒長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，很好地反映了晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并預(yù)測(cè)了HAZ中晶粒的分布以及溫度梯度對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響。 屈朝霞等結(jié)合大量的焊接熱模擬試驗(yàn)， 建 立并確定了 400MP新一代鋼鐵材料脈沖MA焊的焊接HAz晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上繪制出了新一代

52、鋼鐵材料焊接 HAZ勺奧氏體晶粒長(zhǎng)大圖。陳東等人通過(guò)M（模擬與理論分析相結(jié)合的方法對(duì)超級(jí)鋼 TIG焊HA奧氏體晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程進(jìn)行了研究，綜合考慮了溫度梯度、晶界液化及析出相粒子等因素對(duì)HA2奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響。就已經(jīng)對(duì)高強(qiáng)度合金鋼軌閃光對(duì)焊的顯微組織進(jìn)行了研究15“。國(guó)內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與北京鋼鐵研究總院合作L321對(duì)Q235（超細(xì)晶粒鋼閃光對(duì)焊溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬的基礎(chǔ)上， 考慮了晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)及溫 度梯度的影響，利用ED模型將MC方法應(yīng)用于計(jì)算閃光對(duì)焊接頭焊接HAz晶粒的大 小及分布， 同時(shí)研究了接頭中溫度梯度對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響， 確定了一次奧氏體晶粒度與溫度梯度的關(guān)系

53、。本文擬結(jié)合閃光對(duì)焊焊接HAZ實(shí)際金相組織的測(cè) 量，采用上述方法建立合理的模型模擬閃光對(duì)焊焊接熱影響區(qū)晶粒的長(zhǎng)大及分 布，再現(xiàn)焊接接頭的晶粒演變過(guò)程。第二章閃光對(duì)焊焊接工藝研究與分析閃光對(duì)焊作為一種固相焊接的方法，是在熱機(jī)械（力）聯(lián)合作用下進(jìn)行的，通常比熔化焊的工藝條件好，在交通、建筑等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。合理的焊接工藝參數(shù)是 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接的重要條件。 本章鑒于閃光對(duì)焊技術(shù)的工藝參數(shù)繁多，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)適量的試 驗(yàn)次數(shù)來(lái)確定軸對(duì)稱件 45鋼較優(yōu)的閃光對(duì)焊焊接工藝參數(shù)組合，并反映出各參數(shù)組合 之間的內(nèi)在關(guān)系。利用單一水平正交表 L9（34） 進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)第一章中敘 述

54、的閃光對(duì)焊的主要規(guī)范參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)為試驗(yàn)因子，每個(gè)因子選擇三個(gè)位 級(jí)數(shù)進(jìn)行 45鋼的閃光對(duì)焊焊接工藝研究，以焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為考核指標(biāo)，將焊接接 頭的力學(xué)性能符合要求的組合最終確定為其較優(yōu)的焊接土藝參數(shù)。21試驗(yàn)設(shè)計(jì)概述 試驗(yàn)設(shè)計(jì) （Experimental Design） 是以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)科學(xué)地 安排試驗(yàn)的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，其主要內(nèi)容是討論如何合理安排試驗(yàn)和正確分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 從而達(dá)到盡快獲得優(yōu)化試驗(yàn)方案的目的【52】。試驗(yàn)設(shè)計(jì)能從影響試驗(yàn)結(jié)果特征值（指標(biāo) ）的多種因素中判斷出哪些因素顯著與不顯著，并能由此推導(dǎo)出預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，對(duì)設(shè)計(jì)能 達(dá)到的指標(biāo)值及其波動(dòng)范圍給以

55、定量的估計(jì)。常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有：正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、單純形優(yōu)化法、雙水平單純形優(yōu)化法、回歸正交設(shè)計(jì)法、序貫試驗(yàn)設(shè) 計(jì)法等。本章采用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)閃光對(duì)焊焊接工藝進(jìn)行研究分析。 目前在材料研究領(lǐng)域中正交設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)是最主要的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它們分別用 于熱處理、鑄造、焊接、材料開(kāi)發(fā)和表面處理等方面，基本涵蓋了材料研究中的各個(gè)領(lǐng) 域，兩種方法各有所長(zhǎng)，給研究者提供了一定的便利。正交試驗(yàn)法是在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與理論 認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出的一種只需做少數(shù)次試驗(yàn)而又能反映出試驗(yàn)條件完全組合內(nèi)在規(guī) 律的方法，這種方法的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，可用相應(yīng)的級(jí)差分析方法、方差分析方法、回 歸分析方法等對(duì)試

56、驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而引出許多有價(jià)值的結(jié)論。211正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法 正交試驗(yàn)法是研究與處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)方法。它利用規(guī)格化的表格，即正 交表，科學(xué)的挑選試驗(yàn)條件，合理安排試驗(yàn)。其優(yōu)點(diǎn)在于能從很多試驗(yàn)條件中選出代表 性強(qiáng)的少數(shù)次條件，并能通過(guò)對(duì)少數(shù)次試驗(yàn)條件的分析，找出較好的生產(chǎn)條件即最優(yōu)或 較優(yōu)的試驗(yàn)方案。用正交表安排多因素試驗(yàn)的方法就稱為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的基本概念主要有考核指標(biāo)、試驗(yàn)因素及因素位級(jí)數(shù)三個(gè)。1、考核指標(biāo)是在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康亩x定的用來(lái)衡量試驗(yàn)效果的量值 （ 指標(biāo) ） 。定量或定性的考核指標(biāo)均可。考核指標(biāo)可以是一個(gè)或數(shù)個(gè)。本章采用閃光對(duì) 焊焊接接頭的力學(xué)

57、性能作為考核指標(biāo)。值的量，也稱為試2、試驗(yàn)因素指當(dāng)試驗(yàn)條件變化，試驗(yàn)考核指標(biāo)也發(fā)生變化時(shí)，影響考核指標(biāo)取驗(yàn)因子，一般記為A, B, C等，對(duì)應(yīng)于正交表的列標(biāo)號(hào)。本章確定 45鋼閃光對(duì)焊工藝參數(shù)時(shí)選用調(diào)伸長(zhǎng)度、輸出電流百分比（閃光電流密度 ） 、閃光時(shí)間、次級(jí)空載電壓等四個(gè)焊接參數(shù)為試驗(yàn)因素。3，位級(jí)指試驗(yàn)因素所處的狀態(tài)。一般試驗(yàn)方案是由若干個(gè)試驗(yàn)因素所組成的若 干組合，因素在試驗(yàn)方案中變化的狀態(tài)，就稱為位級(jí) （水平） 。本章根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值及試驗(yàn) 條件確定每個(gè)試驗(yàn)因素有 3個(gè)位級(jí)。212正交表原理及其選擇 正交表是運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論在 IF 交拉丁方的基礎(chǔ)上構(gòu)造的種規(guī)格化的表格。正交 表的符號(hào)是：Ln

58、(j1)其中：L為正交表的代號(hào)；n為正交表的行數(shù)(試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)方案數(shù) )；j為正交 表中的數(shù)碼(因素的位級(jí)數(shù));i為正交表的列數(shù)(試驗(yàn)因素的個(gè)數(shù));N=j*i為全部試驗(yàn) 次數(shù) (完全因素位級(jí)組合數(shù) )。常用的正交表有 L4(23) 、L8(27) 、L16(215) 、 L9(34) 、 L16(45) 等。正交表是依 據(jù)正交性原理設(shè)計(jì)的，其正交性主要體現(xiàn)在整齊可比性和均衡分散性兩個(gè)方面。l 、整齊可比性 在同一張正交表中，每個(gè)因素的每個(gè)位級(jí)出現(xiàn)的次數(shù)是完全相同的。由于每個(gè)因素 的每個(gè)位級(jí)試驗(yàn)結(jié)果中與其他因素的每個(gè)位級(jí)參與試驗(yàn)的幾率是完全相同的，這就保證 各個(gè)位級(jí)中最大程度的排除了其他因素位

59、級(jí)的干擾，因而能最有效地進(jìn)行比較和做出展 望，容易找到好的試驗(yàn)條件。2、均衡分散性在同一張J下交表中，任意兩列(兩個(gè)因素)的位級(jí)搭配(橫向形成的數(shù)字對(duì))是完 全相同的。正交表安排的試驗(yàn)條件均衡地分散在因素位級(jí)的完全組合之中，因而具有很 強(qiáng)的代表性，容易找到好的試驗(yàn)條件阮531。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法之所以具有很高的效率，是由于正交表的這蹲個(gè)特性，在應(yīng)用正交表時(shí)必須要用這兩個(gè)性質(zhì)對(duì)所用的正交表進(jìn)行 檢查、驗(yàn)證。選擇合適的正交表是試驗(yàn)?zāi)軌虺晒M(jìn)行的關(guān)鍵一步。正交表的選擇主要考慮以下幾 個(gè)方面：考慮因素的個(gè)數(shù)：一批允許作試驗(yàn)的次數(shù)；有無(wú)重點(diǎn)考察的因素。實(shí)際上選擇 正交表時(shí)也和考慮因素的位級(jí)個(gè)數(shù)有關(guān)，即位級(jí)數(shù)

60、的確定與正交表的選擇這兩個(gè)問(wèn)題是 相互牽連的，經(jīng)常放在一起考慮。22閃光對(duì)焊焊接工藝試驗(yàn)方案的確定 設(shè)計(jì)好正交試驗(yàn)方案是發(fā)揮正交試驗(yàn)優(yōu)越性的首要環(huán)節(jié)。進(jìn)行正交試驗(yàn)首先要明確 試驗(yàn)?zāi)康?，確定考核指標(biāo)，然后挑因素，選位級(jí)，確定因素位級(jí)表，進(jìn)而選擇適宜的正 交表。本章對(duì)直徑為m16mm長(zhǎng)度為100mm勺45鋼閃光對(duì)焊焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，考核指標(biāo)為焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，單位為MPa它越大說(shuō)明焊接效果越好，所選擇的工藝參數(shù)越優(yōu)。針對(duì)第一章中對(duì)閃光對(duì)焊主要焊接工藝參數(shù)的介紹，本章擬選擇調(diào)伸長(zhǎng)度L、輸岀電流百分比Jf(閃光電流密度)、閃光時(shí)間t、次級(jí)空載電壓U20等四個(gè)焊 接參數(shù)為試驗(yàn)因素，不考慮各因素