材料参数，推导出热源模型，高度还原了焊接过程中熔池形貌。
关键词：电子束焊接;热源模型;材料参数
0 引言
用数值模拟的方法来分析焊接过程关键在于获取精确的温度场，而热源模型是否选取适当，对瞬态焊接温度场的计算精度，特别是在靠近热源的位置，有很大的影响。电子束焊接和激光焊接属于具有小孔穿透效应的高能束焊接方法，由于焊接过程中伴有匙孔效应，束流可以沿深度方向对工件进行加热，焊后形成深宽比较大的“钉头”焊缝，在数值模拟中大多采用体热源模型描述其焊接过程，已采用的热源有双椭球热源，高斯分布的柱状热源，以及高斯旋转体热源等。与面热源相比，体热源考虑了深度方向上的热源分布，因此可以得到更为准确的模拟结果。在焊接过程中，由于工件与高能束有一定的相对运动，使得小孔形状不再具有旋转对称性，而已有的体热源模型，除了双椭球热源模型外，其它的热源模型都是基于熔池前后对称求得的，都没有考虑熔池前后能量分布不均的问题，双椭球热源模型虽能体现出小孔的不对称现象，但是它不能够模拟深熔穿透效应[1-3]。因此，建立一个基于高能束焊接深熔穿透及熔池的不对称等特点的热源模型对于该类焊接方法的准确数值模拟具有重要的理论与实际意义。
1 材料参数的确定
由于焊接过程是一个高度非线性的热力耦合过程，材料参数对于计算结果有着重要的影响。本研究所有材料包括6061-T651和5A06铝合金，而材料的参数尤其是材料参数随温度的变化关系对于焊接结构的焊接变形的影响尤为显著的，本研究在查阅相关文献的条件下，并结合一定的实验验证，获得了与数值模拟相关的热膨胀系数与温度的关系曲线、弹性模量与温度的关系曲线、屈服强度与温度的关系曲线、热传导系数与温度的关系曲线及比热与温度的关系曲线，见表1-5。
应该指出的是本研究把已有材料参数输入到有限元分析程序中来，对于没有数据的点采用线性插值的方法来获得，从而使得所有温度的材料参数均可获得，从而保证有限元计算的顺利进行。
由于目前对于材料在高温段的数据还十分不健全，国际上通用的处理有限元问题的方法是通过低温段的材料参数进行适当外推，以获得高温段的材料参数，本研究中也采用了这种通用做法，对于高温阶段的材料性能进行外推，使有限元分析能够顺利进行并使得计算结果收敛。
温度对于材料的某些性能参数影响不是十分明显，这里对于这些参数在各温度下选择相同的数值即这些参数取定值，5A06铝合金密度2700Kg/m3、6061-T651铝合金密度2680Kg/m3;泊松比取0.33。
2 热源模型推导
本研究从电子束焊接的机理出发，基于电子束热源模型的构建思想，调整了以往热源模型的热流分布，使热源的热流主要集中于指状熔深周围，得到與实际熔池形貌相似度很高的电子束热源模型。改进的电子束热源模型采用高斯状分布的面热源下面复合高斯旋转体热源，如图1所示。
面热源和体热源的热流密度分布函数分别为qs（x，y）和qv（x，y，z），在x-y平面上均符合高斯分布，为方便计算，将直角坐标系转换为极坐标系：
通过热流密度函数在各自作用区域求积分，求解出热源中心qvmax（z）为体热源中心热流密度最大值沿着z方向的变化关系，国内外的研究文献中对此定义各有不同，有线性变化和非线性变化两种，对比发现，两类变化导致热源模型的形貌稍有差异。本研究根据电子束焊接热源特点，选用线性变化趋势，一则焊接熔池内部热流密度集中分布符合电子束热源特征，二则大大降低解析公式的复杂程度，便于热源程序的实现。通过推到上面公式可得，体热源公式为：
将热源模型公式离散化，编译电子束热源子程序，在有限元计算软件中建立模型，调用子程序进行计算，计算结果如图2所示，通过与实验结果比发现，所建立的电子束热源模型高度还原了焊接过程中熔池形貌。
3 结论
本研究在分析电子束熔池尺寸特点的基础上，根据具体的电子束焊接熔池形貌以及焊缝截面尺寸，首先进行热源模型的理论推导，从电子束能量分布特征和能量守恒定律及基本的数学假设着手，建立电子束焊接的理论模型，提出适用于平台典型结构电子束焊接热源模型，高度还原了焊接过程中熔池形貌。
参考文献：
[1]Goldark J.A New Finite Model for Welding Heat Source[J].Me tallurgical Transactions，1984，15B（2）：299-305.
[2]薛忠明，贾兰，张彦华.激光焊接温度场数值模拟[J].焊接学报，2004，25（1）：91-94.
[3]杨建国，陈绪辉，张学秋.高能束焊接数值模拟可变新型热源模型的建立[J].焊接学报，2010，31（2）：25-28.
（作者单位：中国电子科技集团公司第二十九研究所）