焊接結(jié)構(gòu)學(xué)課件

1、關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)學(xué)第一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 緒論焊接技術(shù)在工業(yè)部門中應(yīng)用的歷史并不長(zhǎng)，但其發(fā)展卻非常迅速。短短的幾十年中，焊接已在許多工業(yè)部門的金屬結(jié)構(gòu)中，如建筑鋼結(jié)構(gòu)，船體，鐵道車輛、壓力容器等幾乎全部取代了鉚接。此外，在機(jī)械制造業(yè)中，以往由整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛坯改成了焊接結(jié)構(gòu)，目前，世界主要工業(yè)國(guó)家生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)占到鋼產(chǎn)量的45%。第二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 與鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)相比較，或者與鑄造鍛造的結(jié)構(gòu)相比較，焊接結(jié)構(gòu)有下列特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：1、焊接接頭強(qiáng)度高 鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)，要在母材上鉆孔，削弱了工作

2、截面，強(qiáng)度下降約20% 焊接；接頭強(qiáng)度可達(dá)到與母材等強(qiáng)度甚至高于母材強(qiáng)度。第三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性大，主要表現(xiàn)在：焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀不受限制：如鉚、鑄、鍛等方法無(wú)法制造空心結(jié)構(gòu)，焊接則可以；結(jié)構(gòu)的壁厚不受限制：兩被連接構(gòu)件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；結(jié)構(gòu)的外形尺寸不受限制：對(duì)大型結(jié)構(gòu)可分段制成部件，現(xiàn)場(chǎng)組焊、鍛、鑄、工藝則不允許；可利用標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)型材組焊接成所需要結(jié)構(gòu)，段結(jié)構(gòu)重量減輕。焊縫減少；可與其它工藝方法聯(lián)合使用：鑄焊 鍛焊 栓焊 沖壓焊接等聯(lián)合的金屬結(jié)構(gòu)；可實(shí)現(xiàn)異種材料的連接：同一結(jié)構(gòu)的不同部位可按需要配置不同性能

3、的材料，做到物盡其用。第四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)3、焊接接頭密封性好 氣密性，水密性均優(yōu)于其它方法，特別是在高溫，高壓容器上，只有焊接接頭才是最理想的連接形式。4、焊前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單 由于近年來(lái)數(shù)控精密氣割設(shè)備的發(fā)展，對(duì)于各種厚度或形式狀復(fù)雜的待焊接，不必預(yù)劃線就能直接從板料上切割出來(lái)，一般不用再機(jī)械加工就可投入裝配焊接。第五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)5、易于結(jié)構(gòu)的變更和改型 鑄造鑄型（木型） 鍛造開(kāi)模具 周期長(zhǎng)、成本高 焊接、則快速、簡(jiǎn)便、投資少6、適用于制作大型或重型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且是單件小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

4、結(jié)構(gòu) 大 簡(jiǎn)單 批量小 焊接占優(yōu)勢(shì) 結(jié)構(gòu) 小 復(fù)雜 批量大 鑄鍛占優(yōu)勢(shì)7、成品率高 一旦出現(xiàn)缺陷，可以修復(fù)、很少產(chǎn)生廢品。第六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題（缺點(diǎn)）：1、存在較大的焊接應(yīng)力和變形 焊接（局部加熱）內(nèi)應(yīng)力變形工藝缺欠承載能力（剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性）下降尺寸精度，尺寸穩(wěn)定性下降校形增加工作量增加成本第七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題（缺點(diǎn)）：2、對(duì)應(yīng)力集中敏感 焊接結(jié)構(gòu)具有整體性，其剛度大，焊縫的布置、數(shù)量和次序等都會(huì)影響到應(yīng)力分布，對(duì)應(yīng)力集中敏感，而應(yīng)力集中是疲勞，脆斷等

5、破壞的起源，因此在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要妥善處理。第八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題（缺點(diǎn)）：3、焊接接頭的性能不均勻 焊接金屬是由母材料和填充金屬在焊接熱作用下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材（近縫區(qū)）受焊接熱的影響，組織和性能發(fā)生變化（謂之熱影響區(qū)），因此，焊接接頭在成分，組織和性能上都是一個(gè)不均勻體，其不均勻程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鑄、鍛件，這種不均勻性對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，特別是斷裂行為有重要影響。第九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 緒論二、焊接性分析焊接作為一種制造技術(shù)或生產(chǎn)手段，其目的是要獲得具有優(yōu)異的連接質(zhì)量和優(yōu)

6、秀的使用性能的產(chǎn)品（或構(gòu)件）。但是由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性和眾多的影響因素、非線性問(wèn)題，瞬時(shí)作用以及溫度的相關(guān)性效應(yīng)等等，使得要正確描述在各種情況下產(chǎn)生的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，準(zhǔn)確把握產(chǎn)品質(zhì)量變得非常困難。在實(shí)際工作中，人們采用焊接性的概念。作為一個(gè)分類系統(tǒng)，它在考慮焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的影響方面有一定的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)有可能將焊接性分解為熱學(xué)、力學(xué)，顯微結(jié)構(gòu)等過(guò)程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復(fù)雜性。 第十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接性分析 1、構(gòu)件焊接性 與焊接冶金課程中介紹的，“材料焊接性”的概念相比，構(gòu)件焊接性含義更廣泛，它可以包含

7、以下幾方面內(nèi)容：“材料的焊接適應(yīng)性”、“設(shè)計(jì)的焊接可靠性”和“制造的焊接可行性”。 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形是焊接性的多要組成部分，它影響到冷、熱裂紋、影響使用性能并妨礙制造過(guò)程。 焊接性的定義第十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接性分析2、影響焊接性的因素 根據(jù)上述分類，可將影響焊接的因素按下面的方式分類：影響焊接性的因素與材料有關(guān)的因素與制造有關(guān)的因素與設(shè)計(jì)有關(guān)的因素母材和填充材料的類型(化學(xué))成分和顯微組織結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐條件和負(fù)載，焊縫類型，厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形狀，焊接順序，多層焊，定位焊。夾緊、預(yù)熱和焊后熱處理。第十二張，PPT共一百

8、九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接性分析 從狹義上來(lái)說(shuō)，焊接性可理解為所需求的強(qiáng)度性能、焊接接頭的強(qiáng)度受到化學(xué)分成或溫度循環(huán)等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型，或預(yù)熱溫度等的影響，強(qiáng)度行為可用一些主要的或物理特征值來(lái)描述，而這些特征值又可能涉及另一些次要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影響強(qiáng)度性能的不完全的可變因素圖，由此，可看出“焊接性”的復(fù)雜性。 第十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接性分析主要影響因素主要特征值合金元素含量相、顯微組織、晶粒尺寸冷卻時(shí)間、奧氏體化時(shí)間退火時(shí)間和溫度板厚、焊縫類型等效應(yīng)力、三軸度焊條藥皮、水分次要特征值碳當(dāng)量焊接

9、性指數(shù)脆性指數(shù)裂紋敏感性指數(shù)（脆性）轉(zhuǎn)變溫度目標(biāo)參數(shù)硬度強(qiáng)度延展性冷列敏感性熱烈敏感性層狀撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蝕性次要影響因素焊條類型焊接方法焊接參數(shù)焊縫類型預(yù)熱溫度層數(shù)稀釋率燒穿，夾雜物化學(xué)成分 相變、顯微組織 焊接溫度循環(huán) 焊后熱處理 構(gòu)件形狀 負(fù)載條件 氫含量影響焊接接頭強(qiáng)度的主要因素第十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接性分析 焊接過(guò)程涉及到熱學(xué)、力學(xué)、金相學(xué)等多方面知識(shí)，將焊接性分解成溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形場(chǎng)、顯微組織狀態(tài)場(chǎng)，這對(duì)焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的數(shù)值分析處理很有價(jià)值。溫度場(chǎng)、應(yīng)力與變形場(chǎng)及顯微組織狀態(tài)場(chǎng)的分解和相互影響第十五張，PPT共一百九十一

10、頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 焊接性分析 “焊接性”是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，以往對(duì)焊接性的描述多數(shù)為定性的語(yǔ)言描述，已經(jīng)發(fā)展了一些實(shí)驗(yàn)方法，可以針對(duì)某一具體情況或特定的性能參數(shù)來(lái)定量描述，但全面，宏觀上對(duì)焊接性進(jìn)行定量描述卻十分復(fù)雜，也十分困難。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，將焊接性分解成溫度場(chǎng)，應(yīng)力和變形場(chǎng)和顯微組織狀態(tài)場(chǎng)、這對(duì)于定量分析焊接問(wèn)題具有重要意義。 顯微組織轉(zhuǎn)變的影響第十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論本課程的內(nèi)容和范圍從前述內(nèi)容可以看出，焊接結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量問(wèn)題涉及到三個(gè)主要方面，即熱場(chǎng)（溫度場(chǎng)），應(yīng)力和變形場(chǎng)以及顯微組織狀態(tài)場(chǎng)，其對(duì)應(yīng)的基

11、本理論分別為熱學(xué)（傳熱學(xué)、）、力學(xué)（流體力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)）和金相學(xué)（金屬學(xué)、冶金學(xué)、金屬力學(xué)性能等）。關(guān)于顯微組織狀態(tài)場(chǎng)的問(wèn)題，重點(diǎn)在焊接冶金學(xué)中解決，關(guān)于應(yīng)力和變形場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等問(wèn)題則是本課程的主要內(nèi)容。而熱場(chǎng)問(wèn)題，由于沒(méi)有安排專門的課程來(lái)介紹，而其又是焊接過(guò)程的重要基礎(chǔ)，因此，在本學(xué)課程中一并解決，因此，本課程的主體思路為： 焊接過(guò)程加熱應(yīng)力變形接頭性能結(jié)構(gòu)特征焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品（實(shí)例分析）第十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程 第十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程除冷壓焊等極個(gè)別的特例之外，其它焊接過(guò)程都需

12、要加熱，即熱過(guò)程是伴隨焊接過(guò)程始終的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在熱過(guò)程的問(wèn)題，如：工件在焊前進(jìn)行預(yù)熱和焊接之后進(jìn)行的冷卻和熱處理等過(guò)程。因此，熱過(guò)程在決定焊接質(zhì)量和提高焊接生產(chǎn)率等方面具有重要意義。焊接的熱過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，從30年代由羅塞舍爾和雷卡林開(kāi)始進(jìn)行了系統(tǒng)研究，到目前，已取得很大進(jìn)展，但尚未得到圓滿解決。這一問(wèn)題的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第十九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程焊接熱過(guò)程的局部性或不均勻性與熱處理工藝不同，多數(shù)焊接過(guò)程都是局部進(jìn)行加熱的，只有在熱源直接作用下的區(qū)域受到加熱，有熱量輸入，其它區(qū)域則存在熱量損耗，（舉例：電弧焊

13、、電阻焊等），受熱區(qū)域的金屬熔化，形成焊接熔池，這正是引起殘余應(yīng)力和變形的根源。焊接熱源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由于焊接熱源相對(duì)于工件的位置在不斷發(fā)生變化，這就造成了焊接熱過(guò)程的不穩(wěn)定性。第二十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程焊接熱過(guò)程的瞬時(shí)性（非穩(wěn)態(tài)性）由于金屬材料中熱的傳播速度很快，焊接將必到用高度集中的熱源，這種熱源可以在極短的瞬間內(nèi)將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過(guò)程的時(shí)變性和非穩(wěn)態(tài)特性，例如，在最不利的情況下，構(gòu)件的初始溫度可達(dá)到-40，（在哈爾濱冬天的室外），而焊接熔池的最高溫度可以達(dá)到金屬汽化的溫度（鋼的沸點(diǎn)為3000），而熔池的形成是在很短時(shí)間內(nèi)

14、完成的，因此其加熱速度之快，?？梢赃_(dá)到1500/S以上。第二十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程由以上幾點(diǎn)可以看出焊接的熱過(guò)程是十分復(fù)雜的問(wèn)題，這給分析研究工作帶來(lái)了許多困難，但是如果我們能夠了解和掌握焊接熱過(guò)程的基本規(guī)律，能夠準(zhǔn)確知道工件任一位置在任一時(shí)刻的狀態(tài)和溫度，則對(duì)控制焊接質(zhì)量，調(diào)整焊接工藝參數(shù)，清除焊接應(yīng)力，減小焊接變形，預(yù)測(cè)接頭性能等方面均具有重的意義。第二十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程到目前為止，世界上許多國(guó)家的焊接工作者對(duì)焊接熱過(guò)程進(jìn)行了大量的系統(tǒng)的研究工作，但距離上述要求還存在著差距，這主要是因?yàn)樵诮鉀Q一

15、些復(fù)雜的焊接傳熱問(wèn)題時(shí)間不得不提出一些數(shù)學(xué)上的假設(shè)和推導(dǎo)，這一方面的經(jīng)典工作是由前蘇聯(lián)的雷卡林完成的，雷卡林的工作對(duì)一些相對(duì)簡(jiǎn)單的情況給出一些解析解，但其結(jié)果常存在很大偏差，有時(shí)偏差量常?？梢赃_(dá)到100%，近期有限元理論和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，使一些復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算得以進(jìn)行，因而使計(jì)算模型的建立可以更接近實(shí)際情況，準(zhǔn)確程度也明顯提高，但仍沒(méi)有達(dá)到完全實(shí)用化的程度，并且許多復(fù)雜的理論問(wèn)題也未得到很好的解決，因此，焊接熱過(guò)程目前仍然是國(guó)際焊接界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。 第二十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程本章以最常規(guī)的MIG焊為例來(lái)討論焊接熱源，熱場(chǎng)、流場(chǎng)的基本規(guī)律和焊

16、接熱過(guò)程的計(jì)算方法，以及焊接熱循環(huán)的有關(guān)問(wèn)題，目的是為討論焊接冶金、應(yīng)力、變形、熱影響區(qū)等建立基礎(chǔ)。 第二十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 焊接熱過(guò)程第一節(jié) 基本概念和基本原理第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第三節(jié) 焊接熱循環(huán)第四節(jié) 對(duì)熔化區(qū)域的局部熱作用第二十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過(guò)程概述 首先，我們來(lái)分析一下最典型的焊接過(guò)程-MIG焊接時(shí)都有哪些因素會(huì)影響到熱過(guò)程。1、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)電弧熱：焊接過(guò)程中熱量的最主要的來(lái)源，利用氣體介質(zhì)中的放電過(guò)程來(lái)產(chǎn)生熱量，來(lái)熔化焊絲和加熱工件；電阻熱：焊接電流過(guò)焊絲和工件時(shí)，將產(chǎn)生熱量；相

17、變潛熱：母材和焊絲發(fā)生熔化時(shí)將產(chǎn)生相變潛熱；變形熱：構(gòu)件變形時(shí)將產(chǎn)生變形熱第二十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過(guò)程概述 2、散熱機(jī)構(gòu) 環(huán)境散熱：處于高溫的工件和焊絲向周圍介質(zhì)散失熱量； 飛濺散熱：飛濺除發(fā)生質(zhì)量損失之外，同時(shí)也伴有熱量損失。第二十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過(guò)程概述3、熱量傳遞方式 熱傳導(dǎo)：工件和焊絲中高溫區(qū)域的熱量將向低溫區(qū)域傳導(dǎo)； 對(duì)流換熱：焊接熔池內(nèi)部，由于各處溫度不同，加上電弧的沖擊作用產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流，工件表面處，周圍氣體介質(zhì)流過(guò)時(shí)帶走熱量； 輻射換熱：電弧本

18、身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發(fā)生輻射，并傳遞熱量； 熱焓遷移：（1）具有高溫的熔滴從焊絲向母材遷移，在傳質(zhì)同時(shí)傳熱；（2）飛濺從熔池向四周飛散，同時(shí)傳質(zhì)傳熱。 第二十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理 從上述分析可以看出，要分析焊接熱過(guò)程，我們要處理幾方面的問(wèn)題：熱源：即熱量的來(lái)源；其產(chǎn)熱的機(jī)構(gòu)，性質(zhì)、分布、效率等。熱量傳輸方式：涉及到傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等等傳質(zhì)問(wèn)題：流體流動(dòng)（在熔池內(nèi)、環(huán)境氣體、飛濺）相變問(wèn)題：潛熱、熱物理參數(shù)變化位移問(wèn)題：熱源與工件相對(duì)位置變化、工件變形等。力學(xué)問(wèn)題；電弧力、重力、等離子流力、熱應(yīng)力、拘束力、相變應(yīng)力等。 綜上，可

19、見(jiàn)焊接熱過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到多學(xué)科的知識(shí)，因此，在求解這一問(wèn)題將要對(duì)各方面的知識(shí)加以綜合利用。第二十九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理二、焊接熱源 一般來(lái)說(shuō)，必須由外界提供相應(yīng)的能量才能實(shí)現(xiàn)基本的焊接過(guò)程，也就是說(shuō)有能源的存在是實(shí)現(xiàn)焊接的基本條件。到目前為止，實(shí)現(xiàn)金屬焊接所需要的能量從基本性質(zhì)來(lái)看，包括有電能，機(jī)械能、光輻射能和化學(xué)能等。第三十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（1）電弧焊熱源 電弧焊時(shí)，熱量產(chǎn)生于陽(yáng)極與陰極斑點(diǎn)之間氣體柱（弧柱、熱等離子體）的放電過(guò)程。焊

20、接過(guò)程采用的是直接弧，陽(yáng)極斑點(diǎn)和陰極斑點(diǎn)直接加熱母材和焊絲（或電極材料）。電弧柱產(chǎn)生的輻射和對(duì)流（氣流效應(yīng)）傳熱和電極斑點(diǎn)產(chǎn)生的輻射傳熱也起輔助作用。 等離子弧焊時(shí)，應(yīng)用非直接弧，也就是電弧是間接加熱被焊工件。直接?。褐饕饔茫宏?、陽(yáng)極斑點(diǎn)直接加熱母材和焊絲； 輔助作用：弧柱產(chǎn)生的輻射、對(duì)流，電極斑點(diǎn)產(chǎn)生的輻射等。 間接?。褐饕揽枯椛浜蛯?duì)流加熱。 第三十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（2）氣體火焰焊接熱源 氣焊時(shí)，乙炔C2H2在純氧O2中部分燃燒，在環(huán)繞焰心的還原區(qū)形成一氧化碳CO和氫H2，然后在外焰區(qū)與空中的氧作

21、用，完全燃燒形成二氧化碳CO2和水H2O蒸氣，焰流以高速?zèng)_擊焊接區(qū)表面，通過(guò)對(duì)流和輻射加熱工件。第三十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（3）電阻焊熱源 包括電阻點(diǎn)焊（如凸焊，縫焊、點(diǎn)焊等）、電阻對(duì)焊（壓力對(duì)焊、閃光對(duì)焊）及電渣焊。 電阻點(diǎn)焊和電阻對(duì)焊時(shí)，最初起主要作用的是被焊構(gòu)件間（和與電極表面間）接觸區(qū)域的接觸電阻，導(dǎo)致表面加熱，表面局部熔化后，接觸電阻減弱甚至消失，（閃光對(duì)焊時(shí)，由于工件反復(fù)分離，使接觸電阻得以保持），此后，起主要產(chǎn)熱作用的是取決于電流密度的體積加熱。在通過(guò)傳導(dǎo)或感應(yīng)傳遞能量的高頻電阻焊時(shí)，由于集膚

22、效應(yīng)和傳輸電阻，首先使極薄的表面層被加熱；電渣焊時(shí)，熔融而導(dǎo)電的渣池被電阻熱加熱，并熔化母材和連續(xù)給進(jìn)的焊絲。 第三十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（4）摩擦焊 磨擦焊時(shí)，相對(duì)旋轉(zhuǎn)的表面被摩擦加熱，去除不純材料層，最后在軸向加壓及焊件在略低于熔點(diǎn)的溫度下連接起來(lái)。 攪拌摩擦焊是由于摩擦熱和變形熱來(lái)提高工件的溫度和塑性變形能力，并在壓力下形成接頭。 振動(dòng)焊接（超聲波）時(shí)，利用了高頻率的摩擦效應(yīng)，但其溫度遠(yuǎn)低于材料熔化溫度。第三十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接

23、熱源的類型及特征（5）電子束焊接 在電子束焊時(shí)，電子（由熱陰極發(fā)射，電子透鏡聚焦）被大約10M厚的表面層吸收，并產(chǎn)生熱量。當(dāng)電子束功率密度足夠大時(shí)，焊件表面被熔化，最后導(dǎo)致形成很深的穿透型蒸氣毛細(xì)孔，其周圍是熔化的金屬，并由此進(jìn)行加熱焊接。第三十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（6）激光焊接 聚焦的激光束直接照射焊接區(qū)域，并被大約0.5M厚的表面層吸收。如果功率密度足夠大，可以象電子束一樣形成毛化毛細(xì)管。作為實(shí)際焊接熱源，激光散焦時(shí)，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞熱量到焊件內(nèi)部。第三十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第

24、一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（7）鋁熱劑焊接 這種方未能主要用于鋼軌焊接，熔池通過(guò)鋁粉和金屬氧化物的化學(xué)（放熱）反應(yīng)而使工件被加熱并形成熔池，反應(yīng)后形成鋁的氧化物（熔渣），填充金屬和熱量都是在反應(yīng)區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的。 從上述各種焊接熱源來(lái)看，有些熱量產(chǎn)生于表面（必須通過(guò)傳導(dǎo)將其傳送至工件內(nèi)部），有些產(chǎn)生于材料內(nèi)部。由于構(gòu)件及其坡口的幾何尺寸不同，和焊接熱源的可調(diào)節(jié)將性等方面的差異，在實(shí)際應(yīng)用中有各種變化。第三十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源各種焊接熱源的主要特征熱源最小加熱面積（cm2）最大功率密度（W/cm2）正

25、常焊接規(guī)范下的溫度（K）乙缺火焰金屬極電弧鎢極電弧(T1G)埋弧自動(dòng)焊電渣焊10-210-310-310-310-321031041510421041043200K6000K8000K6400K2000K熔化極氬弧焊CO2氣體保護(hù)焊10-4104 105等離子電子束激光10-510-710-81.5105107 1091800024000第三十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 焊接熱源對(duì)焊接溫度場(chǎng)（熱場(chǎng)、流場(chǎng)）的影響主要表現(xiàn)在熱輸入?yún)?shù)上：熱輸入 瞬時(shí)熱源：采用熱量QJ 連續(xù)熱源：采用熱流量qJ/S 由于在焊

26、接過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量并非全部用于加熱工件，而是有一部分熱量損失于周同介質(zhì)和飛濺，因此，熱源也存在一個(gè)熱效率問(wèn)題。 熱效率（或稱功率系數(shù)量）h1第三十九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 電弧焊時(shí)，一般可將電弧看成是無(wú)感的純電阻，則全部電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，其有效熱功率為：其中：q為電弧的有效熱功率J/S U為電弧電壓V I為電弧電流A h為功率系數(shù) R為電弧的歐姆電阻 Ieff為有效電流A（交流情況下，用瞬時(shí) 積分得出的有效值）第四十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、

27、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 氣焊時(shí)，以乙炔的消耗量VAc為基本參數(shù)，有效熱功率為： 電阻焊（點(diǎn)焊和壓焊）時(shí)，其有效能量為其歐姆電阻R、有效電流Ieff和電流持續(xù)時(shí)間tc的乘積。 縫焊時(shí)(焊縫速度vmm/s),常用單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入qwJ/mm來(lái)替代單位時(shí)間的熱輸入q，這樣比較方便。 此外，根據(jù)不同的焊接方法，還可以用單位質(zhì)量熔敷金屬的熱量qm代替q和qw。第四十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 在一定條件下，h是常數(shù)，其主要取決于焊接方法，焊接規(guī)范和焊接材料的種類。下表給出了鋼和鋁常用焊接方法的熱功率數(shù)

28、據(jù)。鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率數(shù)據(jù)焊接方法熱力率qkJ/s焊接速度vmm/s單位長(zhǎng)度熱功率qwkJ/mm熱效率h藥皮焊條電弧焊氣保護(hù)金屬數(shù)弧焊氣何護(hù)鍋極電弧焊電弧焊激光焊氧乙炔1205100115525015110 515152515010 3.521100.051 0.650.900.650.900.200.500.950.950.900.950.250.85第四十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理三、傳熱基本定律熱傳導(dǎo)定律 金屬材料焊接時(shí)，局部集中的隨時(shí)間變化的熱輸入，以高速度傳播到構(gòu)件的邊遠(yuǎn)部分。在多數(shù)情況下，輸入和對(duì)流在熱輸入過(guò)程中，也起著重要的

29、作用，因而也是構(gòu)件表面熱熱損失的主要因素。 熱傳導(dǎo)問(wèn)題由傅立葉定律來(lái)描述：物體等溫面上的熱流密度q*J/mm2s與垂直于該處等溫面的負(fù)溫度梯度成正比，與熱導(dǎo)率成正比：其中： -熱導(dǎo)率J/mmsK T/n溫度梯度K/mm第四十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-傳熱定律對(duì)流傳熱定律 在氣體和流體中熱的傳播主要借助于物質(zhì)微粒，的運(yùn)動(dòng)，如果這種運(yùn)動(dòng)僅僅由于溫度差引起的密度差而造成的，則產(chǎn)生自然對(duì)流，如果依靠外力來(lái)維持這種運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)行強(qiáng)迫對(duì)流（如電弧和火焰的吹力效應(yīng)）。 由牛頓定律，某一與流動(dòng)的氣體或液體接觸的固體的表面微元，其熱流密度q*c與對(duì)流換熱系數(shù)cJ/

30、mmsK和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（T-T0）成正比:其中：T固體表面強(qiáng)度； T0氣體或液體溫度。第四十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-傳熱定律輻射傳熱定律 加熱體的輻射傳熱是一種空間的電磁波輻射過(guò)程，可以穿過(guò)透明體，被不透光的物體吸收后又轉(zhuǎn)變成熱能，因此，任何物體間均處于相互熱交換狀態(tài)。 根據(jù)斯蒂芬波爾茲曼定律：受熱物體單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的輻射熱量，即其熱流密度q*r與其表面溫度為4次方成正比:其中:C0=5.6710-14J/mm2sK,適用于絕對(duì)黑體; 1為黑度系數(shù)(吸收率)。對(duì)于拋光后的金屬表面， =0.20.4,對(duì)于粗糙、被氧化

31、的鋼材表面， =0.60.9,黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內(nèi)， =0.900.95。第四十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理-傳熱定律輻射傳熱定律 在重要的焊接條件下，相對(duì)比較小的物體（溫度為T）在相對(duì)較寬闊的環(huán)境中（溫度為T0）冷卻，通過(guò)熱輻射（和對(duì)流相比，高溫下熱輻射占主要地位）發(fā)生的熱量損失按下式計(jì)算：作為上式的線性化近似：其中：r為輻射換熱系數(shù)J/mm2sK，其在很大程度上取決于T和T0。第四十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理四、導(dǎo)熱微分方程 對(duì)于均勻且各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，并且其材料特征值與

32、溫度無(wú)關(guān)時(shí)，在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，可得到下面的熱傳導(dǎo)微分方程式：其中：-熱傳導(dǎo)系數(shù)J/mmsK； c-質(zhì)量比熱容J/gK； -密度g/mm3 ； Qv-單位體積逸出或消耗的熱能； Qv/t內(nèi)熱源強(qiáng)度。 定義熱擴(kuò)散系數(shù)a=/c，并引入拉普拉斯算子2，則上式簡(jiǎn)化為第四十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程的邊界條件常分為三類：（1）已知邊界上的強(qiáng)度值：即：（2）已知邊界上的熱流密度分布，即：（3）已知邊界上物體與周圍介質(zhì)間的熱交換，即：當(dāng)邊界與外界無(wú)熱交換(即絕熱條件)時(shí)，T/n=0.其中：n-邊界表面外法線方向； qs-單位面積上的

33、外部輸入熱流; -表面換熱系數(shù)(=c+r,包括輻射和對(duì)流換熱）； T周圍介質(zhì)溫度。第四十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理 五、焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型 在此，建立運(yùn)動(dòng)電弧用下三維TIG焊接池件的流體力學(xué)狀態(tài)和傳熱過(guò)程的數(shù)值分析的模型，電弧熱量使被焊金屬熔化并形成熔池，電弧以恒定的速度u0沿X方向移動(dòng)。根據(jù)溫度分布，熔池分為前后兩部分，在熔池前部，輸入熱量大于散失的熱量，所以，隨著電弧的移動(dòng)，金屬不斷熔化；在熔池后部，散失的熱量大于輸入的熱量，所以發(fā)生凝固。在熔池內(nèi)部則因自然對(duì)流、電磁力和表面張力等的驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生流體對(duì)流。第四十九張，PPT共一百九十一頁(yè)

34、，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 在固定坐標(biāo)系（，y，z）中，熱能方程為其中:-密度；c比熱容；導(dǎo)熱系數(shù)；T溫度；t時(shí)間；u、v、w分別為x、y、z，方向上的速度分量。 上式的求解區(qū)域包括液態(tài)熔池和其周圍的固態(tài)金屬，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)，是一個(gè)對(duì)流與導(dǎo)熱的問(wèn)題，由于在固體中流體的流速為零，所以在實(shí)際固體中就轉(zhuǎn)化為純導(dǎo)熱問(wèn)題，上式就還原成導(dǎo)熱微分方程。第五十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 考慮到熱源是一個(gè)熱流密度為q(r)且以恒速運(yùn)動(dòng)的電弧，在此進(jìn)行坐標(biāo)變換，將x=-u0

35、t代入上式，就可以將固定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以熱源中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的移動(dòng)坐標(biāo)。其中，x為電弧移動(dòng)方向上的點(diǎn)到熱源中心的距離。此時(shí)：上式為熱能方程，表示系統(tǒng)滿足能量守恒。第五十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 對(duì)于熔池中的流體應(yīng)滿足動(dòng)量守恒，即滿足動(dòng)量方程；其中:流體黏度；P流體壓力； X、Y、Z 體積力在x、y、z方向上的分量。 第五十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 此外，流場(chǎng)還應(yīng)滿足一個(gè)附加的約束條件，即流體是連續(xù)和不可壓續(xù)的，也就是說(shuō)需滿足連續(xù)性

36、方程： 上述熱能方程，動(dòng)量方程和連續(xù)性方程的就構(gòu)成了焊接熔池問(wèn)題求解的控制方程組，求解的結(jié)果應(yīng)同時(shí)滿足上述方程。 第五十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型體積力 動(dòng)量方程中出現(xiàn)了X、Y、Z三個(gè)體積力分量，電弧焊接熔池中的體積力包括電磁力和自然對(duì)流項(xiàng)，體積力為：其中：j電流強(qiáng)度：B磁感應(yīng)強(qiáng)度；體積膨脹系數(shù)；g重力加速度；T溫差。 在x、y、z三個(gè)方面的分量分別為： 第五十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型邊界條件熱能方程的邊界條件為：當(dāng)z=0（電弧覆蓋區(qū)域），有熱流

37、q(r)向工件輸入熱量其中：I焊接電流；U焊接電壓；q-熱流分布函數(shù)；r距電弧中心的距離；h熱效率。當(dāng)z=L、z=0(上下表面的其它部分），通過(guò)對(duì)流和輻射向環(huán)境放熱，此時(shí)在固液界面上，T=Tm，Tm為材料熔點(diǎn)。 當(dāng)y=0，表示要求解的溫度場(chǎng)關(guān)于中心平面(x-y)對(duì)稱，則第五十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型邊界條件動(dòng)量方程和連續(xù)性方程的邊界條件在固體中和固液相界面上，在熔池表面上，第五十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型 由上述控制方程組和邊界條件就構(gòu)成了描述焊

38、接熔池的數(shù)學(xué)模型，求解此模型，就可以確定工件上各點(diǎn)的溫度和熔池中流體的狀態(tài)。但由于方程的復(fù)雜性，沒(méi)有辦法求出解析解，所以只能用數(shù)值方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得這種復(fù)雜問(wèn)題的求解已成為可能。 第五十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理構(gòu)件幾何尺寸的簡(jiǎn)化 在進(jìn)行函數(shù)解析求解時(shí)，將有關(guān)的幾何尺寸和熱輸入方式簡(jiǎn)化，作為分析模型的一部分，是絕對(duì)必要的，這可以使最后的公式更為簡(jiǎn)單。而在有限元求解時(shí)，原則上允許考點(diǎn)幾乎任何復(fù)雜的情況，但實(shí)際上要受到問(wèn)題的復(fù)雜程度和計(jì)算資源的限制。 根據(jù)構(gòu)件的幾何形狀，引入三種基本的幾何形體，半無(wú)限擴(kuò)展的立方體（半無(wú)限體），無(wú)限擴(kuò)展的

39、板（無(wú)限大板），和無(wú)限擴(kuò)展的桿（無(wú)限長(zhǎng)桿）。第五十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡(jiǎn)化半無(wú)限體熱源作用于立方體表面的中心，為三維傳熱，半無(wú)限體可以作為厚板的模型。板厚度越大越得合這種模型。第五十九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡(jiǎn)化無(wú)限大板認(rèn)為沿板厚度方向上沒(méi)有溫度梯度，即認(rèn)為是二維傳熱，熱流密度在板厚度上為常數(shù)，作用于板中心的熱源功率在板厚度方向上也是常數(shù)，這一模型適用于薄板，板越薄吻合的越好。無(wú)限長(zhǎng)桿 可將其看成是一維傳熱,在桿的橫截面上的熱功率為常數(shù)，這種假設(shè)可用于求解焊絲上的熱場(chǎng)。 第

40、六十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡(jiǎn)化 用簡(jiǎn)化的無(wú)限擴(kuò)展體來(lái)代替有限尺寸，在許多情況下是合理的。特別是在構(gòu)件相應(yīng)方向上的尺寸越大，熱傳播周期（加熱和冷卻）越短，熱擴(kuò)散率越低，研究的區(qū)域離熱源越遠(yuǎn)，及傳熱系數(shù)越大時(shí)，效果越好。但當(dāng)構(gòu)件的幾何尺寸與這種無(wú)限擴(kuò)展體存在較大偏差時(shí)，將會(huì)帶來(lái)很大偏差，甚至產(chǎn)生不可解決的矛盾。 第六十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型熱源空間尺寸形狀的簡(jiǎn)化點(diǎn)熱源：作用于半無(wú)限體或立方體表面層,可模擬立方體或厚板的堆焊,熱量向X、Y、Z三個(gè)方向傳播。線熱源：將熱源看成是沿板最

41、方向一條線，在厚度方向上，熱能均勻分布，垂直作用于板平面，可模擬對(duì)接焊，一次熔透的薄板，熱量二維傳播。面熱源：作用于桿的橫截面上，可橫擬電極端面或磨擦焊接時(shí)的加熱，認(rèn)為熱量在桿截面上均勻分布，此時(shí)只沿一個(gè)方向傳熱。 當(dāng)計(jì)算點(diǎn)遠(yuǎn)離熱源時(shí)，用集中熱源的簡(jiǎn)化是成功的，但在接近熱源區(qū)域則很難模擬，特別是熱源中心處，成為數(shù)學(xué)處理上的一個(gè)奇異點(diǎn)，溫度將會(huì)開(kāi)高至無(wú)限大。 第六十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型正態(tài)分布熱源（高斯熱源）：實(shí)踐證明，在電弧，束流和火焰接焊時(shí)，更有效的方法是采用熱源密度q*為正態(tài)度分布的表面熱源，即假設(shè)熱量按概率分析中的高斯正態(tài)分布

42、函數(shù)來(lái)分布：積分得：其中：q熱源有效功率J/s； k表示熱源集中程度的系數(shù)1/mm2； r圓形熱源內(nèi)某點(diǎn)與中心的距離。第六十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型 當(dāng)q*max相同而k不同時(shí)，熱流密度的集中程度不同，k值，熱源集中程度，熱量就更集中，所以一般電子束、激光熱度的k值大，電弧的k值適中，火焰的k值小。 按照高斯分布曲線，熱源在無(wú)限遠(yuǎn)處才趨近于零。因此，要對(duì)熱源作用區(qū)域有個(gè)限制，即要確定加熱斑點(diǎn)的大小，一般取即認(rèn)為加熱斑點(diǎn)內(nèi)集中了95%以上的熱量，按此條件，正態(tài)分布熱源加熱斑點(diǎn)的外徑dn為： 有關(guān)文獻(xiàn)介紹，電極斑點(diǎn)直徑大約為5的電弧測(cè)量出的

43、dn=1435，而氣體火焰的dn=5584，決定于其焊矩的尺寸。 第六十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月卵形熱源（雙橢球熱源）有文獻(xiàn)介紹用一個(gè)近似于焊接熔池形狀和尺寸的半卵形分布的體積熱源可以描述深熔表面堆焊或?qū)雍缚p時(shí)的移動(dòng)熱源。 假設(shè)在卵形面內(nèi)，其容積比熱源密度q*按高度斯正態(tài)分布，熱源密度在卵形面的中心有最大值，從中心向邊緣呈指數(shù)下降，卵形尺寸的選擇約比熔池小10%，總功率應(yīng)等于焊接過(guò)程的有效熱功率，在比較計(jì)算的和測(cè)量焊的焊接熔池和溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)參數(shù)進(jìn)行最后的校準(zhǔn)。 第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型第六十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概

44、念和基本原理熱源模型前半部分橢球內(nèi)熱源分布為后半部分橢球內(nèi)熱源分布為雙橢球形熱源形態(tài)雙橢球熱源分布函數(shù) 第六十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源作用時(shí)間因素的簡(jiǎn)化瞬時(shí)熱源認(rèn)為熱源作用時(shí)間非常短（t0）。即在某一瞬間就向構(gòu)件導(dǎo)入了熱量QJ，點(diǎn)焊，點(diǎn)固焊，栓塞焊及爆炸焊等接近于這種情況。連續(xù)作用熱源認(rèn)為在熱源作用期間內(nèi)，熱源以恒定的熱流密度QJ/S導(dǎo)入構(gòu)件，對(duì)于各種連續(xù)焊接，符合這種情況。第六十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)一、瞬時(shí)固定熱源溫度場(chǎng) 瞬時(shí)固定熱源可作為具有短暫加熱及隨后冷卻的焊接過(guò)程（如點(diǎn)焊）的簡(jiǎn)化模型，

45、其相應(yīng)的數(shù)學(xué)解還可以作為分析連續(xù)移動(dòng)熱源焊接過(guò)程的基礎(chǔ)，因此具有重要意義。為獲得簡(jiǎn)化的溫度場(chǎng)計(jì)算分式，需要做一些假設(shè)：在整個(gè)焊接過(guò)程中，熱物理常數(shù)不隨溫度而改變；焊件的初始溫度分布均勻，并忽略相變潛熱；二維或三維傳熱時(shí)，認(rèn)為彼此無(wú)關(guān)，互不影響；焊件的幾何尺寸認(rèn)為是無(wú)限的；熱源集中作用在焊件上是按點(diǎn)狀，線狀或面狀假定的。第六十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)作用于半無(wú)限體的瞬時(shí)點(diǎn)熱源 在這種情況下，熱量Q在時(shí)間t=0的瞬間作用于半無(wú)限大立方體表面的中心處，熱量呈三維傳播，在任意方向距點(diǎn)熱源為R處的點(diǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)間t時(shí)，溫度增加為T-T0。 求解導(dǎo)熱微分方程，可有特解：

46、式中；Q焊件瞬時(shí)所獲得的能量J； R距熱源的距離，R2=X2+Y2+Z2； t傳熱時(shí)間s； c焊件的容積J/mm2； a導(dǎo)溫系數(shù)mm2/s。第六十九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)特解的證明： 由導(dǎo)熱微分方程式 我們只要證明 是上面微分方程一個(gè)特解即可。 在此令 則第七十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)特解的證明： 同樣，求 ，即在ox方向上的溫度梯度： 則 同理第七十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)特解的證明： 將上面?zhèn)€式代入導(dǎo)熱微分方程： 等式兩端完全相等，說(shuō)明特解正確。因此，只要確定常數(shù)項(xiàng)，

47、即可得到通解。第七十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 此時(shí)溫度場(chǎng)是一個(gè)半徑為R的等溫球面，考慮到焊件為半無(wú)限體，熱量只在半球中傳播，則可對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算公式進(jìn)行修正，即認(rèn)為熱量完全為半無(wú)限體獲得：T0為初始溫度。 在熱源作用點(diǎn)（R=0）處，其溫度為在此點(diǎn)，當(dāng)t=0時(shí)，T-T0，這一實(shí)際情況不符合（電弧焊時(shí)，Tmax約為2500，這是點(diǎn)熱源簡(jiǎn)化的結(jié)果）。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第七十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 隨著時(shí)間t延長(zhǎng)，溫度T隨1/t3/2呈雙曲線趨勢(shì)下降，雙曲線高度與Q成正比。在中心以外的各點(diǎn)，其溫度開(kāi)始時(shí)隨時(shí)間t的增加而升高，達(dá)到最大值以后，逐漸隨t0而下降

48、到環(huán)境強(qiáng)度T0。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第七十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 整體溫度場(chǎng) 作用于無(wú)限大板的瞬時(shí)線熱源 在厚度為h的無(wú)限大板上，熱源集中作用于某點(diǎn)時(shí)，即相當(dāng)于線熱源（即沿板厚方向上熱能均勻分布）。 t=0時(shí)刻，熱量Q作用于焊件，焊接初始強(qiáng)度為T0。求解距熱源為R的某點(diǎn)，經(jīng)過(guò)t妙后的溫度。此時(shí)可用二維導(dǎo)熱微分方程求解，對(duì)于薄板來(lái)說(shuō)，必須考慮與周圍介質(zhì)的換熱問(wèn)題。第七十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限大板的瞬時(shí)線熱源 當(dāng)薄板表面的溫度為T0時(shí)，在板上取一微元體hdxdy，在單位時(shí)間內(nèi)微元體損失的熱能為dQ:式中；2考慮雙面散熱 表面散熱系數(shù)

49、J/mm2sK T板表面溫度 T0周圍介質(zhì)溫度 由于散熱使微元體hdxdys的溫度下降了dT， 則此時(shí)失去的熱能應(yīng)為dQ:第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第七十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限大板的瞬時(shí)線熱源上兩式相等，整理得：式中，b=2/ch被稱為散溫系數(shù)s-1。 因此，焊接薄板時(shí)如考慮表面散熱、則導(dǎo)熱微分方程式中應(yīng)補(bǔ)充這一項(xiàng)，即： 第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第七十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限大板的瞬時(shí)線熱源此微分方程的特解為： 此為薄板瞬時(shí)線熱源傳熱計(jì)算公式，可見(jiàn)，其溫度分布是平面的，以r為半徑的圓環(huán)。在熱源作用處（r=0），其溫度增加為： 溫度以1/t

50、雙曲線趨勢(shì)下降，下降的趨勢(shì)比半無(wú)限體緩慢。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第七十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限長(zhǎng)桿的瞬時(shí)面熱源 熱量Q在t=0時(shí)刻作用于橫截面為A的無(wú)限長(zhǎng)桿上的X=0處的中央截面，Q均布于A面積上，形成與面積有關(guān)系的熱流密度Q/A，熱量呈一維傳播。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng) 同樣考慮散熱的問(wèn)題，求解一維導(dǎo)熱微分方程，可得：式中，b*=L/cA,為細(xì)桿的散溫系數(shù)1/s,=c+r L為細(xì)桿的周長(zhǎng)mm； A為細(xì)桿的截面積mm2 。第七十九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限長(zhǎng)桿的瞬時(shí)面熱源在熱源作用處（X=0），溫度升高為熱流單向，在X=0處，溫度隨1/t1

51、/2沿雙曲線下降，而趨勢(shì)更緩和。 第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第八十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 疊加原理 焊接過(guò)程中常常遇到各種情況，工件上可能有數(shù)個(gè)熱源同時(shí)作用，也可能先后作用或斷續(xù)作用，對(duì)于這種情況，某一點(diǎn)的溫度變化可象單獨(dú)熱源作用那樣分別求解，然后再進(jìn)行疊加。疊加原理：假設(shè)有若干個(gè)不相干的獨(dú)立熱源作用在同一焊件上，則焊件上某一點(diǎn)的溫度等于各獨(dú)立熱源對(duì)該點(diǎn)產(chǎn)生溫度的總和，即其中；ri第i個(gè)熱源與計(jì)算點(diǎn)之間的距離， ti第i個(gè)熱源相應(yīng)的傳熱時(shí)間。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第八十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 疊加原理舉例：薄板上，A熱源作用5秒鐘后， B熱源開(kāi)始作用，求B

52、熱源作用10秒鐘后，P點(diǎn)的瞬時(shí)溫度。由題意可知：tA=15s，tB=10s,則第二節(jié) 整體溫度場(chǎng) 有了迭加原理后，我們就可處理連續(xù)熱源作用的問(wèn)題，即將連接熱源看成是無(wú)數(shù)個(gè)瞬時(shí)熱源迭加的結(jié)果。第八十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月連續(xù)熱源作用下的溫度場(chǎng) 焊接過(guò)程中，熱源一般都是以一定的速度運(yùn)動(dòng)并連續(xù)用于工件上。前面討論的瞬時(shí)熱源傳熱問(wèn)題為討論連續(xù)熱源奠定了理論基礎(chǔ)。 在實(shí)際的焊接條件下，連續(xù)作用熱源由于運(yùn)動(dòng)速度（即焊接速度）不同，對(duì)溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大影響。一般可分為三種情況。 熱源移動(dòng)速度為零，即相當(dāng)于缺陷補(bǔ)焊時(shí)的情況，此時(shí)可以得到穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。 當(dāng)熱源移動(dòng)速度較慢時(shí)，即相當(dāng)于手工

53、電弧焊的條件，此時(shí)溫度分布比較復(fù)雜，處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，理論上雖能得到滿意的數(shù)學(xué)模型，但與實(shí)際焊接條件有較大偏差。 熱源穩(wěn)動(dòng)速度較快時(shí)，即相當(dāng)于快速焊接（如自動(dòng)焊接）的情況，此時(shí)溫度場(chǎng)分布也較復(fù)雜，但可簡(jiǎn)化后建立教學(xué)模型，定性分析實(shí)際條件下的溫度場(chǎng)。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第八十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于半無(wú)限體上的移動(dòng)點(diǎn)熱源 連續(xù)作用的移動(dòng)熱源的溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可從迭加原理獲得，迭加原理的應(yīng)用范圍是線性微分方程式，而線性微分方程式則應(yīng)建立在材料特征值均與溫度無(wú)關(guān)的假設(shè)基礎(chǔ)上，這種線性化在很多情況下是可以被接受的。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第八十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2

54、022年6月作用于半無(wú)限體上的移動(dòng)點(diǎn)熱源第二節(jié) 整體溫度場(chǎng) 現(xiàn)假定：有不變功率為 q的連續(xù)作用點(diǎn)熱源沿半無(wú)限體表面勻速直線移動(dòng)，熱源移動(dòng)速度為v。在t=0時(shí)刻熱源處于o0位置，熱源沿著o0 x0坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。從熱源開(kāi)始作用算起，經(jīng)過(guò)t時(shí)刻，熱源運(yùn)動(dòng)到o點(diǎn)，o0o的距離為vt，建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系oxyz，使ox軸與o0 x0重合，o為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，oy軸平行于o0y0,oz軸平行于o0z0。第八十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 整體溫度場(chǎng) 現(xiàn)考察開(kāi)始加熱之后的時(shí)刻t，熱源位于o（vt,0,0）點(diǎn)，在時(shí)間微元dt內(nèi)，熱源在o點(diǎn)發(fā)出熱量dQ=qdt。經(jīng)過(guò)t-t時(shí)期的傳播，到時(shí)間

55、t時(shí)，在A點(diǎn)(x0,y0,z0)引起的溫度變化為dT(t) 。在熱源移動(dòng)的整個(gè)時(shí)間t內(nèi)，把全部路徑o0o上加進(jìn)的瞬將熱源和所引起的在A點(diǎn)的微小溫度變化迭加起來(lái)，就得到A點(diǎn)的溫度變化T(t)第八十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)用瞬時(shí)點(diǎn)熱源的熱傳播方程:此時(shí) 熱源持續(xù)時(shí)間是t-t0，則有第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第八十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 上式屬于固定是坐標(biāo)系(o0,x0,y0,z0)， 對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(o,x,y,z)來(lái)說(shuō)，由于 設(shè)t=t-t,帶入上式，得 如果忽略焊接熱過(guò)程的起始和收尾階段（即不考慮起弧和收?。?，則作用于無(wú)限體上的勻速直線運(yùn)動(dòng)的熱源周圍的

56、溫度場(chǎng)，可認(rèn)為是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)。如果將此溫度場(chǎng)放在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，就呈現(xiàn)為具有固定場(chǎng)參數(shù)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。 第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第八十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 下面，我們考慮極限狀態(tài)t，并設(shè) 由于 經(jīng)一系列變換之后，以等速度沿半無(wú)限體表面運(yùn)動(dòng)的、不變功率的點(diǎn)熱源的熱傳導(dǎo)過(guò)程極限狀態(tài)方程式，在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(oxyz)中，為：其中，R動(dòng)坐標(biāo)系中的空間動(dòng)徑，即所考察點(diǎn)A到坐標(biāo)原點(diǎn)o的距離； xA點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第八十九張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月討論： 當(dāng)v=0,即為固定熱源時(shí)， 等溫面為同心半球，溫度隨呈雙曲線下降; 當(dāng)x=-R(熱源后方)

57、， 該點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)速度v無(wú)關(guān); 當(dāng)x=R(熱源前方)， ，可見(jiàn)，運(yùn)動(dòng)速度v越大，熱源前方的溫度下降就越快，當(dāng)v極大時(shí)，熱量傳播幾乎只沿橫向進(jìn)行。 第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第九十張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 半無(wú)限體上移動(dòng)點(diǎn)熱源前方和后方的溫度分布，準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，移動(dòng)坐標(biāo)系第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)半無(wú)限體上的移動(dòng)點(diǎn)熱源周圍的溫度場(chǎng)，a),b)x、y軸線上的溫度，c),d)表面和橫截面上的等溫線第九十一張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限大板上的移動(dòng)線熱源 無(wú)限擴(kuò)展的平板上作用勻速、直線運(yùn)動(dòng)線狀熱源（速度為v，厚度方向的熱功率為q/h）,距移動(dòng)熱源r處的溫度T為：其中：r2=x

58、2+y2， 第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第九十二張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限大板上的移動(dòng)線熱源為考察準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，取極限狀態(tài)，設(shè)t，并設(shè) 則第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第九十三張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 由于 K0(u)可看作參數(shù)u的函數(shù)，叫做第二類虛自變量零次貝塞爾函數(shù)，其數(shù)值可以查表，u,則K0(u) 。而 由此得極限狀態(tài)方程： 為散溫系數(shù)。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第九十四張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 平板上移動(dòng)線熱源準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如下圖所示。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng) 對(duì)于固定線熱源(v=0)，連續(xù)加熱達(dá)到穩(wěn)定時(shí)(t )此時(shí)，等溫面的為同心圓柱。溫度隨r的下

59、降b比半無(wú)限體時(shí)要緩慢，并取決于即取決于傳熱和熱擴(kuò)散的比例。 作用于板上的移動(dòng)線熱源周圍的溫度場(chǎng)，在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系上的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，a),b)為坐標(biāo)軸x和y上的溫度T分布，c)班平面上的等溫線第九十五張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作用于無(wú)限長(zhǎng)桿上得移動(dòng)面熱源熱源移動(dòng)速度為v，單位面積上的熱功率為q/A，距離熱源x處的溫度為：在x=0處（熱源位置）：T=Tmax=q/Acv。其中，P桿橫截面周長(zhǎng), A桿橫截面積。第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)第九十六張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 作用于半無(wú)限體表面上的瞬時(shí)圓形熱源 第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)高斯分布熱源 有效功率為Q，集中系數(shù)為k的高斯熱

60、源在t=0時(shí)刻瞬時(shí)施加于半無(wú)限體的表面上，此表面不與周圍介質(zhì)換熱，熱源中心與xyz坐標(biāo)系原點(diǎn)o重合，熱源在xoy面上的分布為：第九十七張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 作用于半無(wú)限體表面上的瞬時(shí)圓形熱源將熱源作用的xoy整個(gè)平面劃分為微元平面dF=dxdy,在t=0時(shí)，施加到物體表面的B(x,y)點(diǎn)的微元面積上的熱量dQ=q(r)dxdydt，可視同瞬時(shí)點(diǎn)熱源。這種點(diǎn)熱源在半無(wú)限體內(nèi)的熱傳播過(guò)程可描述為：其中：R物體上任一點(diǎn)到瞬時(shí)點(diǎn)熱源B點(diǎn)的距離;整理得：第二節(jié) 整體溫度場(chǎng)高斯分布熱源第九十八張，PPT共一百九十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 作用于半無(wú)限體表面上的瞬時(shí)圓形熱源 將整