第二章焊接熱過程

第二章焊接熱過程第1頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月1.焊接熱過程的特點焊接熱過程：被焊金屬中存在的熱輸入、傳播以及分布，稱之為焊接熱過程。焊接熱過程對焊接質(zhì)量和焊接生產(chǎn)率的影響：施加到被焊金屬上的熱能大小與分布狀態(tài)決定了溶池的形狀和尺寸；焊接溶池進行冶金反應(yīng)的程度與熱的作用及溶池的存在時間有密切關(guān)系；在加熱和冷卻過程中，溶池內(nèi)部各部位的金屬分別凝固、再結(jié)晶，熱影響區(qū)的金屬還會發(fā)生顯微組織的轉(zhuǎn)變。焊縫和熱影響區(qū)的組織與性能也與熱的作用有關(guān)；由于焊接各部位經(jīng)歷不均勻的加熱和冷卻，從而造成不均勻的應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力和應(yīng)變；在焊接熱作用下，受冶金、應(yīng)力因素和被焊金屬組織的共同影響，可能產(chǎn)生各種形態(tài)的裂紋；母材和焊條（焊絲）的熔化速度決定于焊接熱效率，影響到焊接生產(chǎn)率。第2頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月焊接過程的主要特點：焊接熱過程的局部集中性；焊接熱過程的瞬時性；焊接熱源的運動性；焊接熱過程的復(fù)合性，對流、熱傳導(dǎo)、輻射的復(fù)合傳熱。第3頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月2.焊接熱源對焊接熱源的要求：熱量高度集中，焊縫高質(zhì)量，HAZ小。種類和特點電弧熱—利用氣體介質(zhì)中的放電過程所產(chǎn)生的熱能，應(yīng)用廣泛?；瘜W(xué)熱—利用可燃氣體（液化氣、乙炔）或鋁、鎂熱劑發(fā)生強烈反應(yīng)產(chǎn)生的熱（主要是氣焊、熱劑焊所用的熱源）。電阻熱—電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的電阻熱（電阻焊、電渣焊）。摩擦焊—機械高速摩擦產(chǎn)生的熱能（摩擦焊）。等離子焰—電弧放電或高頻放電產(chǎn)生高度電離的氣體，利用它本身攜帶的大量熱能和動能（等離子焊接與切割）。電子束—在真空中利用高壓下高速運動的電子猛烈轟擊金屬局部表面，使其動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；激光束—利用受激輻射而使放射增強的光（即激光），?jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源（激光焊接與切割）

第4頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月表各種熱源的主要特征第5頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱效率電弧功率：V—電弧電壓（V），I—焊接電流（A），q0—電弧功率，電弧單位時間內(nèi)放出的能量（W）

用于加熱焊件的功率為：

焊接電弧熱功率有效利用率，簡稱焊接熱效率。第6頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月q分為兩部分：q1—單位時間內(nèi)熔化焊縫金屬所需要的熱量（包括熔化潛熱）q2—單位時間內(nèi)使焊縫金屬處于過熱狀態(tài)的熱量和向焊縫周圍傳導(dǎo)熱量的總和。

焊縫金屬熔化的熱用有效利用率

m表示，定義為，

表示單位時間內(nèi)熔化的母材金屬的熱量與電弧有效熱功率的比值。第7頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月焊件上的熱能分布加熱斑點：電弧傳給焊件的熱能有95%落在半徑為rH的區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域稱為加熱斑點。

熱流密度：單位時間內(nèi)通過單位面積提供給焊件的熱能稱為熱流密度。

一般地用高斯曲線描述加熱斑點上熱流密度的分布：第8頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月美國學(xué)者一般用高斯函數(shù)表示熱流分布：

q為焊接熱源分布參數(shù)。rH、K、

q以不同的概念表示電弧熱能在加熱斑點的分布情況，它們具有如下關(guān)系：第9頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月3.焊接傳熱的基本公式19世紀(jì)初，傅立葉根據(jù)下述的假定條件，推導(dǎo)出單向傳熱的熱傳導(dǎo)公式。所研究的傳熱載體是致密的，沒有不連續(xù)的地方；通過某截面的熱量任何時間都是相同的。那么在截面積為F的細棒上，沿S軸向流過的熱量（Q）與溫度梯度的（）截面積（F）和傳熱時間（t）正比，即實際上許多材質(zhì)并不是完全致密的，所以上式應(yīng)改為微分式，即在dt時間內(nèi)流過的熱能為dQ.設(shè)則式中

q------熱流密度，即法線方向單位面積、單位時間內(nèi)流過的熱能。

第10頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月焊接傳熱的基本定律熱傳導(dǎo)定律（傅立葉定律）

為熱導(dǎo)率（W/mK）。

對流換熱定律（牛頓冷卻公式）

T為流體溫度與壁面溫度的差值（K），k為對流放熱系數(shù)（W/m2K）。輻射換熱定律

T是物體表面的溫度（K）。C0=5.67(W/m2K4)。

焊接溫度場的數(shù)學(xué)描述第11頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月全部放熱綜合考慮對流和輻射引入一個總的表面放熱系數(shù)

，它是對流和輻射換熱系數(shù)之和。熱傳導(dǎo)微分方程

為密度（kg/m3），Cp為定壓比熱容（J/kgK），T（K）為溫度，t（s）為時間，

（W/mK）為熱導(dǎo)率，坐標(biāo)是x、y、z（m）。對于各向同性的材料，且其材料熱物理性能參數(shù)值與溫度無關(guān)時，熱傳導(dǎo)微分方程簡化為，為熱擴散率（導(dǎo)溫系數(shù)）（m2/s）第12頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月

在穩(wěn)態(tài)溫度場中，溫度不隨時間變化，熱傳導(dǎo)微分方程進一步簡化為，移動熱源的熱傳導(dǎo)微分方程，

v為焊接速度（m/s）。第13頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月熱傳導(dǎo)微分方程的數(shù)學(xué)推導(dǎo)熱傳導(dǎo)微分方程式時根據(jù)傅立葉公式和能量守恒定律建立的。

體積元（dxdydz）同時由三個方向（X、Y、Z）輸入熱能?QX、

?QY和?QZ，同時又向X、Y、Z三個方向傳出熱能?Qx+dx

、?Qy+dy

和?Qz+dz

。

在X方向瞬時所積累的熱能：

(dx)2為高階無窮小，忽略

同理，在Y和Z方向積累的熱能：

第14頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月小立方體內(nèi)總共所積累的熱能：

由

根據(jù)同理第15頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月已知容積比熱【單位體積的物質(zhì)溫度升高1℃所需要的熱能】。則可得

由于dQ的變化，在dt時間內(nèi)必使微元體dxdydz的溫度發(fā)生相應(yīng)的變化，其值為

為溫度變化的瞬時速度。能量守恒（輸入熱量的積累＝溫度變化dT所需能量）

第16頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月幾個特例＝const

導(dǎo)溫系數(shù)代表溫度傳播的速度，單位（cm2/s）定義：熱傳導(dǎo)微分方程：

式中▽2－拉普拉斯算符

①

二維溫度場導(dǎo)熱方程：

熱傳導(dǎo)方程②

一維溫度場的導(dǎo)熱方程：

熱傳導(dǎo)方程③穩(wěn)定溫度場：

熱傳導(dǎo)方程第17頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月熱傳導(dǎo)微分方程的初始條件和邊界條件初始條件：是初始時刻物體上的溫度分布。邊界條件：是物體邊界上的熱損失條件。對于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，沒有初始條件，僅有邊界條件。熱傳導(dǎo)的邊界條件規(guī)定了邊界上的溫度值，稱為第一類邊界條件：特殊情況是，等溫邊界條件，即物體邊界上的溫度相等。規(guī)定邊界上的熱流密度值，稱為第二類邊界條件：

特殊情況是，絕熱邊界條件，

規(guī)定了邊界上的物體與周圍介質(zhì)間的換熱系數(shù)及周圍介質(zhì)的溫度Tf，稱為第三類邊界條件：

第18頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月材料熱物理性質(zhì)的特征材料熱物理性質(zhì)的特征值是隨溫度變化的。第24頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月熱物理參數(shù)單位焊接條件下選取的平均值低碳鋼不銹鋼鋁紫銅

W/(cm

℃)0.378~0.5040.168~0.3362.653.78CpJ/（g

℃）0.652~0.7560.42~0.501.01.22

CpJ/(cm3

℃)4.83~5.463.36~4.22.633.99

=

/

Cpcm2/s0.07~0.100.05~0.071.000.95

J/(cm2

s

℃)(0.63~37.8)×10-3（0~1500℃）———某些金屬熱物理性能參數(shù)的平均值

第25頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月焊件幾何尺寸和熱輸入的簡化模型雷卡林（前蘇聯(lián)）、羅森塞爾（美）的假設(shè)如下：材料熱物理性能參數(shù)不隨溫度而變化；材料無論在什么溫度下都是固體，不發(fā)生相變，即忽略焊接熔池中的復(fù)雜過程。焊件的幾何形狀是無限的。根據(jù)焊件幾何形狀的大小，將其分為半無限體（三維傳熱）、無限大板（二維傳熱）和無限長桿（一維傳熱）。熱源集中于一點、一線或一面。雷卡林的解析計算模型歸納為三類問題厚大焊件焊接—點熱源薄板焊接—線熱源細棒焊接—面熱源

第26頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度第27頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月4.瞬時集中熱源的溫度場瞬時集中點狀熱源

熱源作用在無限大焊件的某點上，即相當(dāng)于點狀熱源。假如在瞬時把熱源的熱能Q作用在厚大焊件的某點上，則距熱源為R的某點經(jīng)t秒后，該點的溫度可利用式下式求解，并且假定焊件的初始溫度均為0℃,邊界條件不考慮表面散熱問題。式中：Q－焊件在瞬時所獲得的熱能（J）R－距熱源的坐標(biāo)距離，t－傳熱時間，工件獲得Q熱能的瞬時定為0并開始計時。

CP－被焊材料的容積比熱(J/cm3·℃)

a－被焊材料的導(dǎo)溫系數(shù)（cm2/s）

假定作用在無限大體O點的熱源，能把熱量Q在瞬時傳給O點，求經(jīng)t后，距O點為R的點的溫度？

即：求解方程：

可以證明：

OxyzP第28頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（1）等溫面的方程傳熱時間為t，溫度為T

1的等溫面

令

則

（2）時，T＝0，即無限遠點T＝0R＝0時，

T按規(guī)律而降低，開始較快，隨后逐步變慢

（3）R＝const，

令，得T取最大值Tm時時間可見：

第29頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月在熔焊的條件下，熱源傳給焊件的熱能是通過焊件表面進行的，因此熱能在被焊金屬中的傳播是半球狀，故常稱之為半無限大體。

第30頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，r=(x2+y2)1/2。

瞬時集中線狀熱源

在厚度為h的無限大薄板上，當(dāng)熱源集中作用于某點時，即相當(dāng)于線狀熱源（沿板厚方向熱能均勻分布）。假如在瞬時把熱能Q作用在焊件某點上，則距熱源為r的某點，經(jīng)t秒后，該點的溫度可由二維熱傳導(dǎo)微分方程式求解。為簡化計算，可假設(shè)焊件的初始溫度為0℃，暫不考慮焊件與周圍介質(zhì)的換熱問題。第31頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月瞬時集中面狀熱源

假設(shè)有無限長的細棒，斷面為F處有熱源作用時，即相當(dāng)于面狀熱源傳熱。如在瞬時之內(nèi)把熱能Q作用在細棒的某點上（或某斷面），求距熱源中心為x的某點，經(jīng)t秒后該點的溫度可由一維熱傳導(dǎo)微分方程式求解。為簡化計算，同樣也假設(shè)焊件的初始溫度為0℃，邊界條件暫不考慮散熱。

第34頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月累積原理（或疊加原理）

焊接時常遇到各種情況，如有數(shù)個熱源同時作用或先后作用，或斷續(xù)作用。在這種情況下，某點溫度的變化是否與單獨熱源作用一樣的求解呢？這個問題要用累積原理來解決。它的基本原理如下：假如有若干不相干的獨立熱源，作用在同一焊件上，則焊件上某點的溫度等于各獨立熱源對該點產(chǎn)生溫度的總和，即：

式中ri－第i個熱源與計算點之間的距離；ti－第i個熱源相應(yīng)的傳熱時間。

第37頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月5.焊接溫度場的解析解第40頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月在厚大焊件上高速熱源的溫度場

第42頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：1.焊接速度v大于36m/h可以用上述公式計算實際焊接傳熱,焊速越大精度越高.2.只能用于熱源作用點后方的區(qū)域,距焊縫較遠的點和熱源作用的前方區(qū)域不能使用.第44頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月厚大焊件點狀連續(xù)移動熱源的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場第46頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月在薄板上高速熱源的溫度場

第47頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月細棒焊接時的溫度場

（s-1），為細棒表面散溫系數(shù)，L為細棒的周長。第51頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月焊接傳熱計算局限性及其發(fā)展

第52頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第54頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月焊接熱循環(huán)（WeldThermalCycle）

焊接熱循環(huán)：焊接過程中焊件上的某點的溫度隨時間變化的曲線，叫做焊接熱循環(huán)曲線。描述焊接過程中熱源對用材金屬的熱作用。在焊縫兩側(cè)距焊縫遠近不同的各點，所經(jīng)歷的熱循環(huán)是不同。距焊縫越近的各點，加熱的最高溫度越高。

第55頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第56頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第58頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第60頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第61頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第62頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第63頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第64頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第65頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第66頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第67頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第68頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第69頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第70頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第71頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第72頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第73頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第74頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第75頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第76頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月m2第77頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第78頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第79頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月冷卻時間與焊接熱影響區(qū)組織、硬度的關(guān)系

冷卻時間與組織的關(guān)系第80頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第81頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第82頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月JG590鋼第83頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月JB800鋼第84頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月冷卻時間與硬度的關(guān)系第85頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第86頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第87頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月第88頁，課件共93頁，創(chuàng)作于2023年2月SHCCT圖的應(yīng)用第89頁，課件共93頁，創(chuàng)作于