焊接热仿真
理论：移动热源与冷却时间
概述
焊接热分析首先要看什么？整个温度分布吗？
钢焊接最重要的是焊缝冷却得有多快。钢在800℃到500℃之间发生组织转变，这段冷却时间t8/5太短会生成硬而脆的组织，容易开裂。t8/5几乎由热输入、板厚和预热温度决定。用移动点热源解析解（Rosenthal解）可求厚板和薄板的情况，实际中也使用经实验修正的公式。我们用两种方法计算。
热输入与冷却时间
$Q$ 为单位长度热输入，$\eta$ 为热效率（MAG焊约0.8），$T_0$ 为预热（初始）温度，$d$ 为板厚。厚板（三维热流）与热输入成正比，薄板（二维）与热输入平方成正比、与板厚平方成反比。SEW 088使用经实验修正的系数。
Rosenthal的移动热源
最早从理论上求解焊接热流的是1930～40年代的Rosenthal，他指出用随焊枪一起移动的坐标，温度分布就成为与时间无关的形式。这一解至今仍是估算熔池尺寸和冷却速度的基础。德国钢铁业界把实际焊接测得的冷却时间整理成SEW 088指南，推广了用t8/5管理焊接条件的方法。
算例：MAG焊（热输入1.12 kJ/mm）
电压28 V、电流250 A、焊接速度5 mm/s、热效率0.8。Rosenthal解物性：导热系数28 W/mK，体积热容4.8 MJ/m³K（500～800℃代表值）。
板厚与预热
| 预热温度 | 板厚 | SEW 088 | Rosenthal |
|---|---|---|---|
| 20 °C | 10 mm | 14.3 秒（薄板） | 20.0 秒（二维） |
| 20 °C | 20 mm | 5.9 秒（厚板） | 5.1 秒（三维） |
| 20 °C | 40 mm | 5.9 秒（厚板） | 5.1 秒（三维） |
| 150 °C | 10 mm | 26.6 秒（薄板） | 43.1 秒（二维） |
| 150 °C | 20 mm | 8.8 秒（厚板） | 8.4 秒（三维） |
SEW 088中厚板与薄板的分界板厚，预热20℃时为15.5 mm，150℃时为17.4 mm。
热输入的影响（厚板，不预热）
| 热输入 | SEW 088 | Rosenthal |
|---|---|---|
| 0.60 kJ/mm | 3.2 秒 | 2.7 秒 |
| 1.12 kJ/mm | 5.9 秒 | 5.1 秒 |
| 2.00 kJ/mm | 10.6 秒 | 9.1 秒 |
厚板时Rosenthal解与SEW相差约15%，薄板时竟相差40%。
Rosenthal解假设物性不随温度变化，且板表面不散热。厚板中热量主要向板内扩散，这些假设相当成立。薄板中热量只能面内散失，表面散热和物性随温度变化的影响相对变大，加上与板厚平方相关，小差异会被放大。所以实际中使用经实验修正的SEW等公式，Rosenthal解用来把握趋势。无论哪种，板越薄、预热越高冷却越慢。预热150℃时，10 mm薄板为26.6秒，是不预热厚板的4倍以上。
分析要点
- 热输入计入热效率（不同焊接方法效率不同）。
- 先确认板厚属于厚板还是薄板区域再选公式。
- 与各钢种推荐的t8/5范围比较，调整预热或热输入。
- 详细分析用计入随温度变化物性、潜热和表面散热的有限元法。
- 多层焊时把前一道的热量（层间温度）作为初始温度考虑。
“只在冬天工地开裂”
某钢结构工地现场焊接，程序相同，却只在冬季施工时发现焊缝开裂。冬天钢材温度降到接近0℃，t8/5变短，热影响区变硬，空气中水分带来的氢也多。在焊接工艺书中加入预热温度和随气温的管理，焊前加热钢材后，裂纹消失。t8/5对钢材初始温度也很敏感，会随季节变化，不能忘记。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 不计热效率 | 高估热输入 | 按焊接方法效率 |
| 薄板用厚板公式 | 低估t8/5 | 按分界板厚判断 |
| 初始温度固定20℃ | 漏掉冬季裂纹 | 用实际钢材温度 |
| 物性设为常数 | 薄板误差大 | 考虑温度依赖 |
| 忽略层间温度 | 多层焊误差 | 考虑前一道 |
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