焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)第一、二章

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁第一、二章1.

簡述構(gòu)件焊接性的含義，哪些因素影響構(gòu)件焊接性？答：構(gòu)件的焊接性包括材料的適應(yīng)焊接性、設(shè)計(jì)的焊接可靠性、發(fā)明的焊接可行性。影響構(gòu)件焊接性的因素包括：與材料有關(guān)的因素：母材和填充材料的類型（化學(xué)）成分和顯微組織與設(shè)計(jì)有關(guān)的因素：結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐條件和負(fù)載、焊縫類型、厚度和配置與發(fā)明有關(guān)的因素：焊接主意、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2.

比較電弧焊（MIG）與電阻焊（點(diǎn)焊）過程中產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)、散熱機(jī)構(gòu)和熱量傳遞方式方面的差異。答：產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)：電弧焊利用氣體介質(zhì)中的放電過程來產(chǎn)生熱量，來熔化焊絲和加熱工件，MIG采用直接弧，陽極斑點(diǎn)和陰極斑點(diǎn)直接加熱母材和焊絲，電弧柱產(chǎn)生的輻射和對(duì)流傳熱和電極斑點(diǎn)產(chǎn)生的輻射傳熱也起輔助作用；電阻焊以電阻熱為主要熱源，電阻點(diǎn)焊最初起主要作用的是被焊構(gòu)件間的接觸區(qū)域存在接觸電阻，電流流過時(shí)導(dǎo)致表面被加熱，并使表面局部熔化，此后接觸電阻削弱甚至出現(xiàn)，熱量的產(chǎn)生主要取決于電流密度和被加熱的體積散熱機(jī)構(gòu)：電弧焊環(huán)境散熱，即處于高溫的工件和焊絲向周圍介質(zhì)散失熱量，和飛濺散熱，即飛濺造成熱量損失電阻焊環(huán)境散熱，即處于高溫的工件和焊絲向周圍介質(zhì)散失熱量熱量傳遞：電弧焊熱傳導(dǎo)，即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，即焊接熔池內(nèi)部，因?yàn)楦魈帨囟炔煌?，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)流過時(shí)帶走熱量；輻射換熱，即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；熱焓遷移，即（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）飛濺從熔池向四面飛散，同時(shí)傳質(zhì)傳熱。電阻焊熱傳導(dǎo)；對(duì)流換熱3.

哪些因素會(huì)影響MIG過程產(chǎn)熱及散熱？答：4.

舉例說明焊接結(jié)構(gòu)過程中涉及到幾種熱量傳遞方式。答：5.

比較交流TIG焊與電阻焊的有效熱功率的差異。答：6.

請(qǐng)給出描述焊接熔池的三維數(shù)學(xué)模型（控制方程組及邊界、體積力初始條件）答：電弧以恒定的速度u0沿X方向移動(dòng)。按照溫度分布，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)生凝結(jié)。在熔池內(nèi)部則因天然對(duì)流、電磁力和表面張力等的驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生流體對(duì)流?？刂品匠探M：在固定坐標(biāo)系（，y，z）中，熱能方程為--密度；c—比熱容；—導(dǎo)熱系數(shù)；T——溫度；t—時(shí)光；u、v、w—分離為x、y、z，方向上的速度分量?？紤]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，在此舉行坐標(biāo)變換，將x=-u0t代入上式，就可以將固定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以熱源中央為坐標(biāo)原點(diǎn)的移動(dòng)坐標(biāo)。此式為熱能方程，滿意能量守恒定律。對(duì)于熔池中的流體應(yīng)滿意動(dòng)量守恒，即滿意動(dòng)量方程μ—流體黏度；P—流體壓力；X、Y、Z—體積力在x、y、z方向上的分量此式為延續(xù)性方程邊界條件熱能方程的邊界條件為：當(dāng)z=0（電弧籠罩區(qū)域），有熱流q(r)向工件輸入熱量I—焊接電流；U—焊接電壓；q--熱流分布函數(shù)；r—距電弧中央的距離；h—熱效率當(dāng)z=L、z=0(上下表面的其它部分），通過對(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關(guān)于中央平面(x-y)對(duì)稱，則動(dòng)量方程和延續(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，體積力：動(dòng)量方程中浮上了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天然對(duì)流項(xiàng)，體積力為：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)方面的分量分離為：***7.

如何理解焊接熔池流場計(jì)算模型中控制方程組得以成立的物理基礎(chǔ)答：控制方程組包括三個(gè)方程：熱能方程（能量守恒）、動(dòng)量方程（動(dòng)量守恒）、延續(xù)性方程（流體是延續(xù)和不可壓縮的）8.

焊接熱源有幾種簡化方式？其適用條件如何（舉例說明）答：擴(kuò)散熱源簡化模型點(diǎn)熱源：作用于半無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)方向傳揚(yáng)。配合半無限體幾何模型使用。線熱源：將熱源看成是沿板厚方向一條線，在厚度方向上，熱能勻稱分布，垂直作用于板平面，可模擬對(duì)接焊，一次熔透的薄板，熱量二維傳揚(yáng)。配合無限大板幾何模型使用。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)為熱量在桿截面上勻稱分布，此時(shí)只沿一個(gè)方向傳熱。配合無限長桿幾何模型使用。分布熱源簡化模型正態(tài)分布熱源（高斯熱源）：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)分布函數(shù)來分布：卵形熱源（雙橢球熱源）：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央有最大值，從中央向邊緣呈指數(shù)下降，卵形尺寸的挑選約比熔池小10%，總功率應(yīng)等于焊接過程的有效熱功率，在比較計(jì)算的和測(cè)量焊的焊接熔池和溫度場的基礎(chǔ)上，對(duì)參數(shù)舉行最后的校準(zhǔn)。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9.

熱源空間尺寸的簡化會(huì)造成何種偏差？其使用范圍如何？答：10.

給出高斯分布熱源的表達(dá)式，并說明式中各參數(shù)的含義及決定主意。答：高斯分布熱源的表達(dá)式：其中為最大熱流密度；為熱源擴(kuò)散系數(shù)，表示熱源擴(kuò)散程度的系數(shù)；為電弧籠罩區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)到熱源中央的距離。由積分式：可得：電弧籠罩區(qū)域是有限的，其大小可以通過實(shí)驗(yàn)來決定。通常，取電弧籠罩區(qū)域的直徑為，并假定在此區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散力電弧絕大部分（95%以上）的熱量。11.

證實(shí)瞬時(shí)點(diǎn)熱源作用于半無限體時(shí)，溫度場的準(zhǔn)確性。答：瞬時(shí)點(diǎn)熱源作用于半無限體情況可理解為，熱量在時(shí)光的瞬時(shí)作用于半無限大立方體表面的中央處，熱量呈三維傳揚(yáng)。其熱量的傳揚(yáng)滿意導(dǎo)熱微分方程（*）。要證實(shí)其溫度場的準(zhǔn)確性，只需證實(shí)此溫度場表達(dá)式為導(dǎo)熱微分方程的一個(gè)特解即可。在此設(shè)：則而因?yàn)樗詣t同理將上面各式代入微分方程式（*），得因?yàn)?，所以，微分方程兩端相等，即說明確實(shí)是微分方程的特解。12.瞬時(shí)點(diǎn)熱源作用于半無限體t=0時(shí)，熱源作用點(diǎn)的溫度為多少？為什么？答：瞬時(shí)點(diǎn)熱源作用于半無限體，熱源作用點(diǎn)的溫度為當(dāng)時(shí)，。這與實(shí)際情況不符，這是點(diǎn)熱源模型簡化的結(jié)果。13.說明瞬時(shí)點(diǎn)熱源、線熱源及面熱源作用時(shí)的溫度場特征及彼此的差異。答：瞬時(shí)點(diǎn)熱源作用于半無限體：瞬時(shí)線熱源作用于無限大板：瞬時(shí)面熱源作用于無限長桿：14.

薄板上A熱源作用5秒鐘后，B熱源開始作用，B熱源作用5秒鐘后，A熱源停止作用。求板上任一點(diǎn)P在A熱源開始作用15秒鐘后的溫度表達(dá)式。答：15.移動(dòng)點(diǎn)熱源作用下，構(gòu)件上哪點(diǎn)的溫度與熱源移動(dòng)速度無關(guān)？答：在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下看見，溫度場為：考慮極限狀態(tài)，，并設(shè)，代入上式中的定積分部分，因?yàn)樗源思礊橐院愣ㄋ俣妊匕霟o限體表面運(yùn)動(dòng)、不變功率的點(diǎn)熱源的熱傳揚(yáng)狀態(tài)方程式。當(dāng)時(shí)，，此處的溫度值與熱源移動(dòng)速度無關(guān)。16.迅速移動(dòng)熱源作用下的溫度場有何特征，為什么？答：17.高斯熱源作用于厚板上的溫度場表達(dá)式。分析其與線熱源和面熱源的關(guān)系？答：18.什么是熱飽和？熱飽和時(shí)光的含義是什么？如何決定？答：熱飽和：熱源長時(shí)光作用后可導(dǎo)致極限狀態(tài)，在固定熱源的情況下，其相應(yīng)的溫度場是穩(wěn)定溫度場，即各點(diǎn)的溫度與時(shí)光無關(guān)，在移動(dòng)熱源情況下，其相應(yīng)的溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)定的溫度場，即在一相同的移動(dòng)坐標(biāo)中，各點(diǎn)的溫度與時(shí)光無關(guān)。從開始熱輸入起，至獲得局部溫度的極限狀態(tài)的時(shí)光稱為熱飽和時(shí)光。19.什么是溫度勻稱化？溫度勻稱化時(shí)光的含義是什么？如何決定？答：當(dāng)熱源停止加熱后，將開始一個(gè)與熱飽和相反的過程，由熱源造成的溫度的不勻稱性逐漸被平衡，直至物體達(dá)到某一恒定的溫度，因?yàn)榍捌跓嵩醋饔?，此溫度比原始溫度略有升高，此過程即為溫度勻稱化，與此過程有關(guān)的時(shí)光間隔被稱為溫度的勻稱化時(shí)光。決定主意：引入一個(gè)等效熱沉（具有負(fù)的熱功率），此熱沉與“延續(xù)并且未停止作用”的熱源（具有正的熱功率，）相迭加，以模擬熱源終止之后的情況。在熱源停止加熱時(shí)熱沉開始作用，負(fù)熱飽和曲線與正的熱飽和曲線相減，得到熱源終止后的情況。勻稱化時(shí)光內(nèi)的溫度如下計(jì)算：20.

什么是焊接熱循環(huán)？描述焊接熱循環(huán)的參數(shù)有哪些？答：在焊接過程中，工件的溫度隨著瞬時(shí)熱源或移動(dòng)熱源的作用而發(fā)生變化，溫度隨時(shí)光由低而高，達(dá)到最大值后，又由高而低的變化被稱為焊接熱循環(huán)。描述焊接熱循環(huán)的參數(shù)：加熱速度（）焊接加熱速度要比熱處理時(shí)的加熱速度快得多，這種迅速加熱使體系處于非平衡狀態(tài)，因而在其冷卻過程中必然影響熱影響區(qū)的組織和性能；加熱最高溫度()指工件上某一點(diǎn)在焊接過程中所經(jīng)歷的最高溫度，即該點(diǎn)熱循環(huán)曲線上的峰值溫度?？疾煳恢貌煌罡邷囟炔煌鋮s速度不同焊接組織不同性能不同。在相變溫度以上停歇時(shí)光()在相變溫度以上停歇的時(shí)光越長，就會(huì)有利于奧氏體的勻稱化過程。倘若溫度很高時(shí)（如1100℃以上），即使時(shí)光不長，對(duì)某些金屬來說，也會(huì)造成嚴(yán)重的晶粒長大。普通將分成兩部分。即—加熱過程停歇時(shí)光：—冷卻過程停歇時(shí)光：冷卻速度(或冷卻時(shí)光)()冷卻速度是決定熱影響區(qū)組織和性能的最重要參數(shù)之一，是研究熱過程的重要內(nèi)容。通常我們說冷卻速度，可以是指一定溫度范圍內(nèi)的平均冷卻速度（或冷卻時(shí)光）也可以是指某一瞬時(shí)的冷卻速度。對(duì)于低碳鋼和低合復(fù)鋼來說，我們比較協(xié)助的熔合線附近在冷卻過程中經(jīng)過540℃時(shí)的瞬時(shí)速度，或者是從800℃降溫到500℃21.請(qǐng)?jiān)诘湫秃附訜嵫h(huán)曲線上標(biāo)出各熱循環(huán)參數(shù)并解釋其意義。答：22.

如何計(jì)算迅速移動(dòng)點(diǎn)熱源作用下的熱循環(huán)最高溫度？23.

在20mm厚的鋼板上堆焊焊道已知熱源功率q=1000卡/秒，移動(dòng)速度V=1mm/秒，熱物理系數(shù)：λ=0.1卡/厘米秒℃，Cρ=1.0卡/cm,a=0.1cm2/秒。計(jì)算沿縱向平面XOY，位置在上表面和下表面上并在熱源后方20mm處的A點(diǎn)和B點(diǎn)的極限狀態(tài)溫度。以及在熱源正下方C點(diǎn)的溫度。（A點(diǎn)坐標(biāo)：x=-20mm,y=0,z=0;B點(diǎn)坐標(biāo)：x=-20mm,y=o,z=20mm;c點(diǎn)坐標(biāo)：x=0,y=0,z=20mm）24.

如何計(jì)算迅速移動(dòng)線熱源作用下的最高溫度？25.

巨型鋼件表面堆焊，電流I=200A，電弧電壓V=20v,電弧移動(dòng)溫度V=2mm/s,求最高溫度為500℃處離堆焊軸線的距離，（η=0.7526.

如何計(jì)算相變溫度以上的停歇時(shí)光？27.

比較長段多層焊與短段多層焊的特點(diǎn)和使用范圍。28.

對(duì)15mm厚的14MnMoNbB鋼采用手工短段多層對(duì)接焊。已知：Ms=400℃λ=0.4J/cm??s?℃,cρ=5.25J/cm3?℃,T0=25℃,用φ4的結(jié)857焊條，I=200AU=25V,γ=0.2cm/s,η=0.7,求合適的焊縫長度。29.

分析：明弧、埋弧和潛弧焊時(shí)哪種熱效率高？30.

分析熔化極和非熔化極焊接哪種的熱效率高。31.

焊條上的電阻加熱如何計(jì)算？32.

焊條上的電弧加熱升溫如何計(jì)算？33.

焊絲上的溫度分布如何計(jì)算？34.

一電弧作固定用于一巨型工件表