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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