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第1章 绪论1

1.1焊接热过程的特点1

1.2焊接熔池形态2

1.3焊接热过程解析法的发展历史与现状3

1.4焊接热传导的数值分析4

1.5TIG焊熔池形态及其热过程的数值分析5

1.6MIG／MAG焊熔池形态及其热过程的数值分析9

1.7PAW焊接热过程数值分析模型的研究现状11

1.8GMAW焊接熔滴过渡动态过程的数值分析11

1.8.1静力平衡理论和不稳定收缩理论12

1.8.2能量最小原理13

1.8.3流体动力学理论13

1.8.4“质量一弹簧”理论13

1.9激光焊熔池的数值分析14

第2章 焊接热源模型16

2.1焊接热效率和焊接熔化效率16

2.1.1电弧物理分析法17

2.1.2计算-测试法19

2.1.3量热计测量法19

2.1.4理论模型与温度测试相结合确定η值21

2.2焊接热源的作用模式22

2.3集中热源22

2.4平面分布热源22

2.4.1高斯分布热源22

2.4.2双椭圆分布热源24

2.5体积分布热源25

2.5.1半椭球体分布热源25

2.5.2双椭球体分布热源26

2.5.3其他体积热源模型27

第3章 焊接热过程计算的解析法28

3.1热传导问题的数学描述28

3.2无限大物体内的热传导31

3.2.1瞬时集中热源作用下的热过程31

3.2.2叠加原理33

3.3电弧焊热过程计算的解析法——Rosenthal-Rykalin公式34

3.3.1电弧加热金属的计算方式34

3.3.2电弧作为瞬时集中热源时的计算公式35

3.3.3电弧作为功率恒定的运动集中热源时的热过程计算36

3.3.4传热过程的准稳定状态37

3.3.5物体尺寸的局限性对于热传播过程的影响39

3.3.6大功率高速移动热源的温度场计算公式40

3.4Rosenthal-Rykalin公式的无因次形式42

3.4.1厚大焊件的情况42

3.4.2薄板的情况47

3.5Rosenthal-Rykalin公式的局限性50

3.6Rosenthal-Rykalin公式的改进51

第4章 焊接热传导的有限差分计算54

4.1均匀网格中函数的导数54

4.1.1直观法54

4.1.2泰勒级数法55

4.2非均匀网格中函数的导数56

4.2.1直观法56

4.2.2泰勒级数法57

4.3稳定态热传导问题的有限差分方程57

4.3.1偏微分方程替代法57

4.3.2能量平衡法58

4.4瞬态热传导问题的有限差分方程60

4.4.1显式差分格式60

4.4.2隐式差分格式61

4.4.3C-N格式61

4.4.4加权差分格式62

4.5边界、界面、复合传热焊件和非均匀物性的焊件62

4.5.1边界点62

4.5.2表面放热边界条件（稳定态）63

4.5.3表面放热边界条件（瞬态）64

4.5.4界面64

4.5.5非均匀物性65

4.6热传导差分解法的精确性、稳定性和收敛性65

4.6.1误差65

4.6.2稳定性65

4.6.3精确度67

4.7非直角坐标系的热传导有限差分方程67

4.8有限差分方程的计算机解法69

4.8.1简单迭代法69

4.8.2高斯—塞德尔迭代法70

4.8.3超松弛迭代法71

4.9焊接瞬态温度场的有限差分计算实例71

4.9.1瞬态焊接热传导模型72

4.9.2动态非均匀网格73

4.9.3控制方程的离散化77

4.9.4计算结果79

第5章 焊接热传导的有限单元法计算83

5.1焊接热传导的变分问题83

5.2单元划分和温度场的离散86

5.3温度插值函数的选择87

5.4有限单元法的单元分析88

5.4.1边界单元变分计算88

5.4.2内部单元的变分计算91

5.5有限单元法的总体合成92

5.6单元节点温度的求解94

5.7三维有限单元法95

5.7.1三维热传导的变分问题95

5.7.2八节点六面体等参数单元96

5.8MIG焊接温度场的有限单元法计算实例98

5.8.1余高的处理98

5.8.2网格划分及热源的处理99

5.8.3计算结果100

第6章 瞬态TIG焊熔池流场和热场的数值分析102

6.1焊接熔池形态的数学描述102

6.1.1直角坐标系下的控制方程组102

6.1.2熔池的自由表面变形103

6.1.3贴体坐标下控制方程组的形式106

6.1.4贴体坐标下控制方程组的定解条件108

6.2数值模拟的方法111

6.2.1采用的算法111

6.2.2离散化方程的建立112

6.2.3边界条件的离散化118

6.3计算过程和程序编制120

6.3.1三维瞬态数值计算的主程序120

6.3.2表面变形子程序122

6.3.3熔池热场和流场的计算122

6.4算例用到的试件材料、尺寸和物性参数122

6.5熔池形状和流场的瞬态演变124

6.6熔池表面变形的瞬态演变128

6.7熄弧后熔池形状及流场的动态演变130

6.8实验验证133

6.8.1熔池上表面形状的比较134

6.8.2熔池表面下塌变形的比较134

6.9焊接参数阶跃变化时TIG焊接熔池的动态响应136

6.9.1计算程序的调整136

6.9.2焊接电流发生阶跃变化时熔池动态响应的数值模拟136

6.9.3焊接速度发生阶跃变化时熔池动态响应的数值模拟139

6.9.4实验验证142

第7章 GMAW焊接熔滴过渡动态过程的分析144

7.1GMAW熔滴过渡的数理模型144

7.1.1控制方程144

7.1.2自由表面的跟踪——VOF法145

7.1.3熔滴的受力分析145

7.1.4定解条件147

7.2算法及编程147

7.3数值分析结果151

7.3.1熔滴形状的动态变化151

7.3.2熔滴中的速度场152

7.3.3残留熔滴及脱离熔滴的形状变化153

7.3.4焊接电流对过渡熔滴尺寸的影响154

7.4基于“质量—弹簧”理论的熔滴过渡动态模型155

7.4.1数学模型的建立155

7.4.2力学模型的描述156

7.4.3关键技术问题的处理157

7.4.4分析方法及材料物性参数的选择161

7.4.5不同焊接电流条件下熔滴的振荡和脱离162

7.4.6熔滴过渡动态过程的分析164

7.4.7熔滴尺寸的预测167

7.4.8计算值与实验结果的比较169

第8章 MIG／MAG焊接熔池形态的数值模拟171

8.1MIG／MAG焊接熔池模型的建立171

8.1.1直角坐标系下描述MIG／MAG焊接熔池行为的控制方程172

8.1.2MIG／MAG焊接熔池表面形状及焊缝余高173

8.1.3贴体坐标系下的控制方程174

8.1.4MIG／MAG焊接熔池行为控制方程的边界条件176

8.1.5控制方程的离散化176

8.2电弧电流密度在变形的MIG／MAG熔池表面上的分布177

8.3体积力和电弧压力的计算183

8.3.1熔池中的体积力183

8.3.2焊接电弧压力在变形熔池表面的分布184

8.4MIG／MAG焊接电弧热流在变形熔池表面上的分布185

8.5熔滴焓量在MIG／MAG熔池内部的分布188

8.5.1熔滴过渡过程的动量和能量分析188

8.5.2熔滴焓量在MIG／MAG焊接熔池内部的分布区域190

8.5.3熔滴焓量在熔池内部分布的计算结果190

8.6MIG／MAG焊接熔池行为的数值分析结果191

8.6.1程序设计和计算所需参数的确定191

8.6.2焊接参数对熔池表面变形的影响194

8.6.3焊接参数对电弧热流密度分布的影响196

8.6.4焊接温度场的计算结果197

8.6.5焊接熔池流场的计算结果198

8.7模型的实验验证201

8.7.1试验方法及试验材料202

8.7.2焊缝几何尺寸的实验验证202

8.7.3焊件上温度分布的实验验证206

第9章 等离子弧焊的熔池与小孔形态207

9.1小孔等离子弧焊准稳态热场的数值分析208

9.1.1PAW焊接的体积热源模型208

9.1.2小孔等离子弧准稳态热源模式（QPAW：Quasi-steadystatePAWheatsource）212

9.1.3单元划分212

9.1.4有限元分析结果213

9.2小孔等离子弧焊热场瞬时演变过程的数值分析216

9.2.1瞬态小孔PAW焊接热源模式（TPAW：TransientPAWheatsource）216

9.2.2瞬态小孔PAW焊接温度场的有限元计算结果217

9.3PAW+TIG电弧双面焊接过程的数值模拟223

9.3.1数值分析模型的建立224

9.3.2数值分析结果225

9.4小孔形状的描述228

9.4.1轴对称形状的小孔228

9.4.2任意形状的小孔229

9.4.3熔池形状及温度场计算230

第10章 焊接熔池几何形状参数的视觉检测231

10.1TIG焊熔池几何形状参数的视觉检测系统231

10.1.1试验系统组成231

10.1.2熔池图像标定233

10.1.3焊接熔池图像特点的分析233

10.1.4图像处理235

10.1.5正面熔池几何参数的定义236

10.2低碳钢薄板TIG熔池形状参数的检测结果236

10.2.1焊接电流变化时熔池形状参数的检测结果237

10.2.2焊接速度变化时熔池形状参数的检测结果239

10.3不锈钢薄板TIG焊熔池形状参数的检测结果240

10.4基于激光频闪视觉检测的试验系统242

10.5GMAW焊接熔池图像的激光频闪视觉检测结果245

10.5.1CO2焊接熔池图像检测结果245

10.5.2MAG焊接熔池图像检测结果245

第11章 焊接电弧物理传输机制的数值分析247

11.1TIG焊接电弧的数学模型247

11.1.1控制方程组247

11.1.2边界条件249

11.1.3传向阳极的热量249

11.1.4计算结果250

11.2电弧阳极边界层的数值分析模型253

11.2.1电弧阳极边界层的微观分析253

11.2.2控制方程组253

11.2.3边界条件255

11.2.4求解方法255

11.3电弧阳极边界层的主要计算结果256

参考文献261