1、材料焊接冶金原理与工艺材料焊接冶金原理与工艺主主 讲：陈树海讲：陈树海E-mail: 电电 话：话：010-62334859第第2章章 焊接热过程焊接热过程2.1 焊接传热学基础焊接传热学基础1.2 焊接温度场焊接温度场1.3 焊接熔池对流传热焊接熔池对流传热1.4焊接热循环焊接热循环焊接热过程的特点焊接热过程的特点焊接热源的集中性焊接热源的集中性局部加热，焊接热源需要能量高度的集中，确保被加热区域温度迅速升高使之熔化。焊接热源的运动性焊接热源的运动性热源相对于工件是运动的，焊接区某点温度快速上升与下降。除了焊件的导热特性之外，焊接热源的运动性是决定焊件某点温度时变特性的主要因素。焊接热过程的
2、瞬时性焊接热过程的瞬时性一般的电弧焊大约在十几至数十秒内完成焊接过程；而激光焊和电子束等焊接方法在几秒内即可完成焊接过程。焊接热过程的复合性焊接热过程的复合性热传导、热对流和热辐射是热传递的三种基本方式。在焊接过程中，这三种热传递方式往往同时存在。2.1焊接传热学基础焊接传热学基础2.1.1傅立叶定律傅立叶定律热流密度：热流密度：可把单位时间单位面积上传递的热量定义为热流密度，记作q，单位为W/m2。热流密度是一个向量，其方向是某点最大的热流方向。傅立叶定律：傅立叶定律：在热传导过程中，通过给定截面的热流密度正比于该截面法线方向上的温度梯度。傅立叶定律的数学表达式为：式中 为热导率W/(mK)
3、；T是温度(K)；gradT是温度梯度(K/m)；n表示单位法向矢量； 表示在温度在n方向上的热导率。式中的负号表示热量传递方向指向温度降低的方向。热导率表征材料的导热能力，其值与温度有关，且不同的材料的热导热导率表征材料的导热能力，其值与温度有关，且不同的材料的热导率随温度变化的特性也不尽相同率随温度变化的特性也不尽相同在dt时间内，沿x方向进入微元体的热量为：沿x方向流出微元体的热量为：沿x方向在微元体内积蓄的热量为：2.1.2导热微分方程导热微分方程2.1焊接传热学基础焊接传热学基础微元体中热传导示意图同理可得：因此，在微元体中总积蓄的热量为：将傅立叶定律代入上式，得：2.1焊接传热学基
4、础焊接传热学基础根据热力学第一定律有：以上两式联立可得一般情况下， 和 都是x，y，z，T的函数。如果认为二者均为常数，则可化简为式中 ， 为导温系数或热扩散系数，单位是m2/s2.1焊接传热学基础焊接传热学基础在不稳定导热过程中，各点温度受到了两个方面的制约：1、热量的热传输过程，在一定的温度梯度条件下取决于导热系数 ，反应了材料的散热能力，其本质遵循傅立叶定律；2、温度的变化过程，在吸收一定热量的条件下主要取决于体积热熔 ，反应了材料存储热量的能力，其本质是遵循热力学第一定律。 热扩散系数 正是把这两个因素，即材料的热散失与存储热量的能力，联系起来，使我们可以获得温度在空间与时间领域的变化
5、。导热微分方程的理解导热微分方程的理解2.1焊接传热学基础焊接传热学基础思考：含有内热源的导热微分方程表达式？思考：含有内热源的导热微分方程表达式？2.1.3边值条件边值条件1）给定了边界上的温度值，称为第一类边界条件第一类边界条件：2）给定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件第二类边界条件：3）给定了边界上物体与周围介质间的换热系数及周围介质的温度 ，称为第三第三类边界条件类边界条件：当 或者 ，即 时， ，即为等温边界条件，此时换热系数很大，而导热系数很小，以致表面温度接近于周围介质的温度；当 或者 ，即 时， ，极为绝热边界情况，此时换热系数十分小而导热系数非常大，通过边界表面热流趋
6、近于零。2.1焊接传热学基础焊接传热学基础2.1.3叠加原理叠加原理当一系列热源共同作用时，热传播过程中的温度就可以看作为每一热源单独作用时的温度总和，被称为叠加原理叠加原理。叠加原理的意义：叠加原理的意义：在时间域上，可以从瞬时热源作用下的温度场计算公式，来推导连续热源作用下的温度场计算公式，因为连续作用的热源可以看成是无数个瞬时热源作用在不同瞬间的共同作用；在空间域上，可以从集中热源作用下的温度场计算公式，来推导分布热源作用下的温度场计算公式，因为分布作用的热源可以看成是无数个集中作用的热源在不同的位置的共同作用。2.1焊接传热学基础焊接传热学基础但是，叠加原里的应用是有限制的，在下列情况
7、下将不再适用：1）材料的热物性参数和以及传热系数 随温度的变化而改变；2）要考虑联系到吸热或放热的物态变化（熔化、凝固和相变等等）这是因为，此时的导热微分方程及边界条件都是非线性的。2.2焊接温度场焊接温度场 焊接工件内各个点上温度的集合称为焊接温度场焊接温度场。温度场通常是空间坐标（x，y，z)和时间变量的函数，即T=(x，y，z，t)。不随时间而变的温度场称为稳态温度场，即T=(x，y，z)。焊接温度场示意图2.2.1焊接热源焊接热源 对焊接热源的要求是：热源高度集中、快速实现焊接过程，保证得到高质量焊缝和最小的热影响区。热源最小加热面积/cm2最大功率密度/（W.cm-2）正常焊接规范下
8、温度乙炔火焰10-221033200金属极电弧10-31046000钨极氩弧焊10-31.51048000埋弧自动焊10-321046400电渣焊10-31042000熔化极氩弧焊10-4104105-CO2气体保护焊等离子弧焊10-51.51051800024000K电子束10-7107109-激光10-8-2.2焊接温度场焊接温度场1、焊接热效率、焊接热效率在电弧焊过程中，电弧功率可由下式表示：式中 P电弧的有效功率，即电弧在单位时间内提供的有效能量； U电弧电压； I焊接电流。 加热过程中的功率有效系数或称热效率。焊接方法厚皮焊条手工电弧焊埋弧自动焊电渣焊电子束及激光焊TIGMIG钢铝0
9、.770.870.770.900.830.90.680.69 0.660.690.70.85不同焊接方法的热效率2.2焊接温度场焊接温度场2、焊接热源模型、焊接热源模型按照热源作用方式：集中热源集中热源、平面分布热源平面分布热源和和体积分布热源体积分布热源。1）集中热源）集中热源所谓集中热源集中热源，就是把焊接电弧的热能看作是集中作用在某一点（点热源）、某条线（线热源）或某个面（面热源）。条件：条件：当关心的焊件部位离焊缝中心线比较远时，可近似将焊接热源当当关心的焊件部位离焊缝中心线比较远时，可近似将焊接热源当作集中热源来处理。作集中热源来处理。厚大焊件表面上的焊接，可以把热源看成是集中在电弧
10、加热斑点中心的点热源。薄板对接焊，可以把电弧热看作是施加在焊件厚度上的线热源。某些杆件对接焊，可以认为是把电弧热施加在杆件断面上的面热源。2.2焊接温度场焊接温度场2）平面分布热源）平面分布热源 热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行的。通常，电弧加热斑点上的比热流分布，可以近似地用高斯曲线来描述。距斑点中心为r的点A的热流密度可用下式计算：条件：条件：对于一般的小电流电弧焊，热流分布在焊件上一定的作用面积对于一般的小电流电弧焊，热流分布在焊件上一定的作用面积内，可以将其作为平面分布热源内，可以将其作为平面分布热源加热斑点上热流密度分布2.2焊接温度场焊接温度场一般可以认为高斯曲线下
11、覆盖的全部热能为电弧有效功率P，且加热半径范围rH内大约占据热源总量的95%，焊接热源高斯分布公式可表示为：K值说明热流集中的程度，它主要决定于焊接方法、从今后发展的趋势来看，应采用K值较大的焊接方法，如真空电子束和激光焊接等等。焊接方法K/cm-2手工电弧焊1.21.4埋弧自动焊6.0TIG焊3.07.0气焊0.170.39实际上，由于电弧沿焊接方向运动，电弧热流围绕加热斑点中心不对称分布的。由于焊接速度的影响，电弧前方的加热区域要比电弧后方小；加热斑点不是圆形的，而是椭圆形的，并且电弧前、后的椭圆形状也不相同，因此人们又提出了双椭圆热源分布模型。不同焊接方法的热源集中系数2.2焊接温度场焊
12、接温度场（3）体积分布热源）体积分布热源对于熔化极气体保护电弧焊或高能束流焊，焊接热源的热流密度不仅作用在焊件表面上，也沿焊件厚度方向上作用。此时应该将焊接热源作为体积分布热源。为了考虑电弧热流沿焊件厚度方向上的分布，可以用椭球体模式来描述。热流密度的体积分布可表示为：式中，A、B、C是热流的体积分布函数。假设有95%的热能集中在半个椭球体内，可以推导获得半椭球体内的热流分布公式：除了半椭球体热源模型之外，还有考虑到热流密度不对称分布的双椭球体热源模型、高能束焊接的锥体、曲面衰减型体热源模型等。半个椭球体热源分布示意图2.2焊接温度场焊接温度场2.2.2焊接温度场的解析解法焊接温度场的解析解法
13、1、理想化处理、理想化处理考虑到热源的尺寸，并方便数学处理，可将热源分为：点热源点热源，是将热源看成是集中在加热斑点中心的一点，如果焊件尺寸很大可近似看成是半无限体时，可以将热源看作是点热源处理；线热源线热源，是将加热看作为施加在垂直于板面的一条线上，如果工件很薄，并且在长宽很大时可以将加热看作线热源处理；面热源面热源，是将加热看作为施加在一个平面上，在杆件对焊时可以将加热看作面热源处理。2.2焊接温度场焊接温度场准稳态温度场：准稳态温度场：当热源移动时，位于热源中心的观察者不会注意到在他周围的温度变化。从理论上来讲，当恒定功率热源作用时间无限长时，热传播趋于准稳态。运动点热源准稳态过程：1）
14、瞬时点热源）瞬时点热源2、半无限体点热源过程、半无限体点热源过程2）运动点热源过程）运动点热源过程2.2焊接温度场焊接温度场半无限体点热源示意图实例实例1：在低合金钢厚板进行MIG电弧堆焊，工艺条件为：I=240A，Ua=28V， =10mm/s，T0=20。对于低合金钢，物性参数为：=5mm2/s， =0.005J/mm3，Tm=1520。对于MIG焊， =0.7。画出准稳态焊接温度场。2.2焊接温度场焊接温度场2、无限大薄板线热源过程、无限大薄板线热源过程1）瞬时线热源）瞬时线热源2）运动线热源）运动线热源3）准稳态线热源）准稳态线热源函数 是第二类零阶改进型贝塞尔函数2.2焊接温度场焊接
15、温度场实例实例2：2mm厚铝镁合金薄板的TIG焊接，工艺条件为：I=110A，Ua=15V， =4mm/s， =0.6，T0=20。对于铝镁合金， =55mm2/s， =0.0027 J/mm3，Tm=650。忽略表面散热时，画出准稳态焊接温度场。2.2焊接温度场焊接温度场3、面热源、面热源一般对细杆状工件进行对接时，可以假设热源是一个平面，一般可认为是瞬时平面热源问题，其计算公式为：温度场解析公式是在如下一些假设条件的基础上推导出来的：1）热源集中于一点、一线或一面；2）材料无论在什么温度下都是固体，不发生相变；3）材料的热物理性能参数不随温度变化；4）焊件的几何尺寸是无限的（对应于点热源和
16、线热源，焊件分别为半无限大体和无限大薄板）。4、温度场解析法局限性、温度场解析法局限性2.2焊接温度场焊接温度场2.2.3 焊接温度场的有限差分法焊接温度场的有限差分法1、有限差商基础、有限差商基础向前差商：向前差商：向后差商：向后差商：中心差商：中心差商：二价差商：二价差商：有限差商示意图2.2焊接温度场焊接温度场2、非稳态导热问题的有限差分法、非稳态导热问题的有限差分法 对于一般的热传导问题，其温度场不随时间发生变化我们称为稳态热传导问题稳态热传导问题。而对于温度场随时间变化的热传导我们成为非稳非稳态热传导问题态热传导问题。对于一般的焊接过程，其温度场基本都是随着时间变化的。内部节点P，在该图中还表示了它的6个邻点，先暂不考虑内热源，则基本偏微分方程：空间中某节点P及周围6个邻点2.2焊接温度场焊接温度场方程的左边取时间t时的值，方程的右端用前向差分表示，它只包含在P点的 与T(t)。当在P点附近没有内热源时，其有限差分方程为：式中， , ，其余不带（）的项都在时间t取值。上式整理后，得：式中，F0为傅立叶数，可以根据它本身及其相邻六个点在时刻t时的温度来计算，而它们在时刻t的温度
