二章-焊接熱過程課件

1、第一章 緒 論Introduction材料成型及控制工程2012.9第一章 緒 論Introduction材料成型及控制工本 章 內(nèi) 容2.1 基本概念及原理2.2 焊接溫度場2.3 焊接熱循環(huán)2.4 熔化區(qū)域的熱作用本 章 內(nèi) 容2.1 基本概念及原理2.1 基本概念與原理2.1.1 電弧焊熱過程概述（1）焊接熱過程的特點：局部性加熱和冷卻過程極不均勻瞬時性1800K/s熱源是運動的焊接傳熱過程的復合性2.1 基本概念與原理（2）產(chǎn)熱機構(gòu)電弧熱：焊接過程中熱量的最主要的來源，利用氣體介質(zhì)中的放電過程來產(chǎn)生熱量，來熔化焊絲和加熱工件；電阻熱：焊接電流過焊絲和工件時，將產(chǎn)生熱量；相變潛熱：母材和

2、焊絲發(fā)生熔化時將產(chǎn)生相變潛熱；變形熱：構(gòu)件變形時將產(chǎn)生變形熱（2）產(chǎn)熱機構(gòu)（3）散熱機構(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，同時也伴有熱量損失。 （3）散熱機構(gòu)（4）熱量傳遞方式熱傳導：工件和焊絲中高溫區(qū)域的熱量將向低溫區(qū)域傳導；對流換熱：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)生強迫對流，工件表面處，周圍氣體介質(zhì)流過時帶走熱量；輻射換熱：電弧本身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發(fā)生輻射，并傳遞熱量； （4）熱量傳遞方式 從上述分析可以看出，要分析焊接熱過程，我們要處理幾方面的問題：熱源：即熱量的來源；其產(chǎn)熱的機構(gòu)，性質(zhì)、分布、效

3、率等。熱量傳輸方式：涉及到傳導、對流、輻射等等傳質(zhì)問題：流體流動（在熔池內(nèi)、環(huán)境氣體、飛濺）相變問題：潛熱、熱物理參數(shù)變化位移問題：熱源與工件相對位置變化、工件變形等。力學問題：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，可見焊接熱過程是一個十分復雜的問題，涉及到多學科的知識，因此，在求解這一問題將要對各方面的知識加以綜合利用。 從上述分析可以看出，要分析焊接熱過程，我們要處理幾2.1.2 傳熱基本定律（1） 熱傳導定律2.1.2 傳熱基本定律第二章-焊接熱過程課件第二章-焊接熱過程課件第二章-焊接熱過程課件第二章-焊接熱過程課件2.1.3 焊接熱源（1）實現(xiàn)金屬焊接所需要的

4、能量從基本性質(zhì)來看，包括有電能，機械能、光輻射能和化學能等。 電弧焊熱源、氣體火焰焊接熱源、電阻焊熱源 、摩擦焊 、電子束熱源等（2）焊接熱源的有效熱功率（熱效率）：1。 熱輸入 瞬時熱源：采用熱量QJ 連續(xù)熱源：采用熱流量qJ/S 2.1.3 焊接熱源（1）實現(xiàn)金屬焊接所需要的能量從基本性質(zhì)（3）集中熱源模型的簡化 Rosenthal根據(jù)構(gòu)件的幾何形狀及其傳熱的特點將焊接傳熱的問題分為了三類： （3）集中熱源模型的簡化 三維傳熱的問題指的是對于非常大的厚大焊件，熱源的作用體積相對總體積非常小，因此焊接熱源的熱量將產(chǎn)生三個方向的傳導，又稱為厚板點熱源模型二維傳熱問題指的是對于無限大薄板，焊接熱

5、源直接作用于整個厚度，因此在厚度方向沒有熱傳導，而只存在板面內(nèi)的兩維熱傳導，又稱為薄板線熱源模型一維傳熱問題指的是對于無限長的桿，焊接熱源直接作用于整個截面，因此傳熱只有長度方向，又稱為面熱源模型 三維傳熱的問題指的是對于非常大的厚大焊件，熱源的作用體積相對（4）分布熱源模型分布熱源適合于采用有限元法求解溫度場時熱源的描述。 1）Gauss模型Gauss熱源模型是最早的分布熱源模型，該模型用高斯函數(shù)描述電弧覆蓋區(qū)域內(nèi)的熱流密度，即K 為能量集中系數(shù)，主要取決于焊接速度、焊接規(guī)范等。（4）分布熱源模型K 為能量集中系數(shù)，主要取決于焊接速度、焊2）雙橢球熱源 Goldak在Gauss 的基礎(chǔ)上改進

6、了熱源模型，他提出熱流不僅作用在表面，而是在一定深度上都有熱流，即體積熱源。而且熱流密度在寬度、長度、深度方向均為高斯分布。 2）雙橢球熱源 2.2 焊接溫度場分瞬時固定熱源、移動熱源兩種類型。每一種熱源類型中根據(jù)焊件的尺寸又分為三維點熱源溫度場、二維線熱源溫度場、一維面熱源溫度場。在整個焊接過程中，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；焊件的幾何尺寸認為是無限的；熱源集中作用在焊件上是按點狀，線狀或面狀假定的；點熱源不考慮散熱。溫度場分析假設(shè)：2.2 焊接溫度場分瞬時固定熱源、移動熱源兩種類型。在整個焊2.2.1 瞬時固定熱源（1） 瞬時固定點熱源（不考慮散熱）熱

7、傳導導致的能量變化溫度變化導致的能量變化+2.2.1 瞬時固定熱源（1） 瞬時固定點熱源（不考慮散熱）方程中假設(shè)初始條件為0，不考慮表面散熱，則方程的特解為 一般熔化焊熱量是通過焊件表面?zhèn)鬟f的，因此焊件上的熱量實際上集中在半個橢球內(nèi)，因此上式需修正為: 焊件表面上等溫線的形狀？方程中假設(shè)初始條件為0，不考慮表面散熱，則方程的特解為 一溫度場是半徑為r的等溫半球面 在固定的位置r處，T與t的關(guān)系 當t0時，T 當t時，T 0在固定的時間t時，T與r的關(guān)系溫度場是半徑為r的等溫半球面在固定的位置r處，T與t的關(guān)系在(2) 瞬時線狀熱源（考慮散熱）取微元hdxdy分析，上下兩個表面的散熱遵循Newt

8、on、Stefan-Boltzmann定律，單位時間內(nèi)損失的熱量為: 微元體由于降溫產(chǎn)生的熱量損失為 兩個能量相等，整理得 其中，稱為散溫系數(shù)，s-1. (2) 瞬時線狀熱源（考慮散熱）取微元hdxdy分析，上下兩瞬時線熱源為二維傳熱，其導熱微分方程及特解為： 結(jié)合表面散熱方程，瞬時線熱源導熱微分方程及特解為： 焊件上溫度場的分布形態(tài)？等溫線是以r為半徑的圓環(huán)瞬時線熱源為二維傳熱，其導熱微分方程及特解為： 結(jié)合表面散熱SymbolDefinition an unitValuerDistance from weld (mm)lThermal conductivity (J/(s mmC)0.05

9、aThermal diffusivity (mm2/s)13.94Surface heat transfer coefficient (J/(s mm2C)CSpecific heat (J/(kgC)460rDensity (kg/mm3)7.8010-6溫度場分析中常用符號及、含義及常用值（低碳低合金鋼） SymbolDefinition an unitValuer（3）瞬時面狀熱源（考慮散熱）導熱微分方程及特解：考慮散熱后為：其中為細桿散溫系數(shù)。焊件上溫度場的分布形態(tài)？等溫線是以x為距離的平面（3）瞬時面狀熱源（考慮散熱）導熱微分方程及特解：考慮散熱后2.2.2 連續(xù)移動集中熱源的溫度場

10、 連續(xù)移動熱源及多熱源的溫度場可以采用疊加原理進行分析，即某點的溫度等于每一個熱源單獨作用后產(chǎn)生的溫度之和。連續(xù)熱源可以看成是多個固定熱源連續(xù)作用的結(jié)果。 （1）連續(xù)移動點熱源移動熱源在每一個瞬時dt內(nèi)對某點溫度的貢獻為： 連續(xù)移動點熱源的溫度場：2.2.2 連續(xù)移動集中熱源的溫度場 連續(xù)移動熱源及多熱源的由于x=x0-vt，y=y0，z=z0，令 ，則連續(xù)移動點熱源溫度場為 其達到極限狀態(tài)時溫度場為 由于x=x0-vt，y=y0，z=z0，令 厚大焊件上點狀移動熱源的溫度場TT厚大焊件上點狀移動熱源的溫度場TT移動熱源溫度場與固定熱源溫度場的比較移動點熱源固定點熱源前沿陡降前后沿一致移動熱源

11、溫度場與固定熱源溫度場的比較移動點熱源固定點熱源前沿（2）連續(xù)移動線狀熱源同點熱源的分析可得：其達到極限狀態(tài)時溫度場為 K0為貝瑟爾函數(shù)散溫系數(shù)（2）連續(xù)移動線狀熱源同點熱源的分析可得：其達到極限狀態(tài)時溫線狀移動熱源的溫度場分布線狀移動熱源的溫度場分布（3）連續(xù)移動面狀熱源采用與點熱源的分析相同的方法，利用疊加原理可得：采用移動式坐標，經(jīng)整理后可得 極限飽和面狀熱源的傳熱公式為 （3）連續(xù)移動面狀熱源采用與點熱源的分析相同的方法，利用疊加（1）熱源的性質(zhì)（熱源能量的集中性）瞬時點狀、線狀、面狀熱源的溫度梯度熱源Qeqnr備注點熱源Q=2qt3線熱源Q= qt/h2h-厚度面熱源Q= qt/A1

12、xA-截面積2.2.3 影響焊接溫度場的因素（1）熱源的性質(zhì)（熱源能量的集中性）熱源Qeqnr備注點熱源（2）焊接規(guī)范即焊接熱輸入（2）焊接規(guī)范（3）被焊金屬的熱物理性質(zhì)（熱導率，體積熱容，熱擴散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等）（3）被焊金屬的熱物理性質(zhì)（4）焊件的板厚及形狀（4）焊件的板厚及形狀2.2.4 快速移動大功率熱源的溫度場 （1）厚板快速移動熱源相當于線熱源的作用結(jié)果。在整個長度方向熱源熱量分布是均勻的，某點的溫度相當于若干個dx上的線熱源作用的總和。 2.2.4 快速移動大功率熱源的溫度場 （1）厚板快速移動熱（2）薄板快速移動熱源相當于面熱源 （2）薄板快速移動熱源相當于面熱源 2.

13、3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)：在焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度隨時間由低而高，達到最大值后又由高而低的變化描述焊接熱源對被焊金屬的熱作用過程2.3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)：2.3.1 焊接熱循環(huán)主要參數(shù)加熱速度加熱的最高溫度在相變溫度以上的停留時間冷卻速度或冷卻時間2.3.1 焊接熱循環(huán)主要參數(shù)加熱速度加熱速度加熱速度受許多因素影響：不同的焊接方法不同的被焊金屬不同厚度不同焊接熱輸入等加熱速度方面的研究還不夠充分特別是新工藝、如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏加熱速度加熱的最高溫度據(jù)焊縫遠近不同的各點，加熱的最高溫度不同加熱的最高溫度在相變溫度以上的停留時間在相變溫度以上的停留時間冷卻速度或

14、冷卻時間決定熱影響區(qū)組織性能指焊件上某點熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時溫度的冷卻速度為了便于測量和分析比較，采用800500的冷卻時間來代替瞬時冷卻速度，因為這一溫度區(qū)間是相變的主要溫度范圍冷卻速度或冷卻時間決定熱影響區(qū)組織性能冷卻時間從800oC冷卻到500oC時所用時間碳鋼、不易淬火的低合金鋼從800oC冷卻到300oC時所用時間易淬火的低合金鋼(馬氏體相變點300oC左右)從高溫冷卻到100oC時所用時間擴散氫冷卻時間2.3.2 焊接熱循環(huán)的影響因素（1）距離2.3.2 焊接熱循環(huán)的影響因素（2）焊接方法不同焊接方法的焊接熱循環(huán)1-手弧焊 2-埋弧焊 3-電渣焊（2）焊接方法不同焊接方法的焊

15、接熱循環(huán)短道多層焊接熱循環(huán)多層焊（3）焊接工藝的影響多層焊短道多層焊接熱循環(huán)多層焊（3）焊接工藝的影響多層焊 長段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時，第一層焊縫基本上冷卻到100-200以下。 長段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二焊件尺寸形狀的影響焊件尺寸形狀的影響接頭形式的影響接頭形式的影響焊道長度的影響焊道長度的影響預熱溫度的影響預熱溫度- t8/5 預熱溫度的影響預熱溫度- t8/5 2.3.3 焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算（1）Tmax根據(jù)溫度場函數(shù)求導數(shù)dT/dt=0的點的溫度。 線熱源2.3.3 焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算（1）Tmax根據(jù)溫度場函數(shù)同樣，線熱源的Tma

16、x：從理論上講，當r0和y0=0時，Tmax=，這當然是不可能的。因此應(yīng)考慮金屬熔點的限制更為合理，所以根據(jù)傳熱學的理論推導，可得經(jīng)驗公式。同樣，線熱源的Tmax：從理論上講，當r0和y0=0時，Tm厚板 薄板 式中 T0- 初始溫度； TM- 熔點溫度 Tm-焊件上某點的最高溫度 E 線能量 H thickness r0，y0-某點距熔化邊界的垂直距離 c-容積比熱容厚板 薄板 式中 T0- 初始溫度；（2）相變溫度以上停留時間tHtH的計算非常復雜，可以采用計算法和圖解法求解。厚板 薄板 （2）相變溫度以上停留時間tHtH的計算非常復雜，可以采用計（3）瞬時冷卻速度vc可通過對溫度場函數(shù)進行微分獲得。在r=0處厚板 （3）瞬時冷卻速度vc可通過對溫度場函數(shù)進行微分獲得。在r=同樣道理利用薄板高速熱源的溫度場公式 同樣道理利用薄板高速熱源的溫度場公式 當板厚發(fā)生變化時，由于散熱條件不同冷卻速度也會發(fā)生變化，產(chǎn)生了薄板與厚板的區(qū)分。當熱輸入相同時，隨著板厚增大到一定程度，冷卻速度將不再發(fā)生變化，此時即為厚板。若定義冷卻速度不再發(fā)生變化的板厚為臨界板厚，則根據(jù)厚板冷卻速度與薄板冷卻速度相等得： 當板厚發(fā)生變化時，由于散熱條件不同冷卻速度也會發(fā)生變化，產(chǎn)生（4）t8/5 當