二章焊接热过程课件.ppt

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1、第一章 绪 论Introduction,材料成型及控制工程2012.9,第一章 绪 论Introduction材料成型及控制工,本 章 内 容,2.1 基本概念及原理2.2 焊接温度场2.3 焊接热循环2.4 熔化区域的热作用,本 章 内 容2.1 基本概念及原理,2.1 基本概念与原理2.1.1 电弧焊热过程概述（1）焊接热过程的特点：局部性加热和冷却过程极不均匀瞬时性1800K/s热源是运动的焊接传热过程的复合性,2.1 基本概念与原理,（2）产热机构电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量；

2、相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；变形热：构件变形时将产生变形热,（2）产热机构,（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损失。,（3）散热机构,（4）热量传递方式热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导；对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带走热量；辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生辐射，并传递热量；,（4）热量传递方式,从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题：热源：即热量的来源；其产热

3、的机构，性质、分布、效率等。热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅）相变问题：潜热、热物理参数变化位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力等。 综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识，因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。,从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几,2.1.2 传热基本定律（1） 热传导定律,2.1.2 传热基本定律,第二章-焊接热过程课件,第二章-焊接热过程课件,第二章-焊接热过程课件,第二章-焊接热过程课件,2.1.3

4、 焊接热源,（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机械能、光辐射能和化学能等。 电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子束热源等（2）焊接热源的有效热功率（热效率）：1。,热输入 瞬时热源：采用热量QJ 连续热源：采用热流量qJ/S,2.1.3 焊接热源（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质,（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的问题分为了三类：,（3）集中热源模型的简化,三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的传导，又称为厚板点热源模型

5、二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维热传导，又称为薄板线热源模型一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型,三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体积相对,（4）分布热源模型分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描述电弧覆盖区域内的热流密度，即,K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。,（4）分布热源模型K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊,2）双

6、椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。,2）双椭球热源,2.2 焊接温度场,分瞬时固定热源、移动热源两种类型。每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、二维线热源温度场、一维面热源温度场。,在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热；焊件的几何尺寸认为是无限的；热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；点热源不考虑散热。,温度场分析假设：,2.2 焊接温度场分瞬时固定热源、移动热源两种类型。在整个焊,2.

7、2.1 瞬时固定热源,（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）,热传导导致的能量变化,温度变化导致的能量变化,+,2.2.1 瞬时固定热源（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）,方程中假设初始条件为0，不考虑表面散热，则方程的特解为,一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:,焊件表面上等温线的形状？,方程中假设初始条件为0，不考虑表面散热，则方程的特解为 一,温度场是半径为r的等温半球面,在固定的位置r处，T与t的关系 当t0时，T 当t时，T 0,在固定的时间t时，T与r的关系,温度场是半径为r的等温半球面在固定的位置r处，T与t的关系在,(2

8、) 瞬时线状热源（考虑散热）,取微元hdxdy分析，上下两个表面的散热遵循Newton、Stefan-Boltzmann定律，单位时间内损失的热量为:,微元体由于降温产生的热量损失为,两个能量相等，整理得,其中,，称为散温系数，s-1.,(2) 瞬时线状热源（考虑散热）取微元hdxdy分析，上下两,瞬时线热源为二维传热，其导热微分方程及特解为：,结合表面散热方程，瞬时线热源导热微分方程及特解为：,焊件上温度场的分布形态？等温线是以r为半径的圆环,瞬时线热源为二维传热，其导热微分方程及特解为： 结合表面散热,温度场分析中常用符号及、含义及常用值（低碳低合金钢）,SymbolDefinition

9、an unitValuer,（3）瞬时面状热源（考虑散热）,导热微分方程及特解：,考虑散热后为：,其中,为细杆散温系数。,焊件上温度场的分布形态？等温线是以x为距离的平面,（3）瞬时面状热源（考虑散热）导热微分方程及特解：考虑散热后,2.2.2 连续移动集中热源的温度场,连续移动热源及多热源的温度场可以采用叠加原理进行分析，即某点的温度等于每一个热源单独作用后产生的温度之和。连续热源可以看成是多个固定热源连续作用的结果。,（1）连续移动点热源,移动热源在每一个瞬时dt内对某点温度的贡献为：,连续移动点热源的温度场：,2.2.2 连续移动集中热源的温度场 连续移动热源及多热源的,由于x=x0-v

10、t，y=y0，z=z0，令 ，则连续移动点热源温度场为,其达到极限状态时温度场为,由于x=x0-vt，y=y0，z=z0，令,厚大焊件上点状移动热源的温度场,T,T,厚大焊件上点状移动热源的温度场TT,移动热源温度场与固定热源温度场的比较,移动点热源,固定点热源,前沿陡降,前后沿一致,移动热源温度场与固定热源温度场的比较移动点热源固定点热源前沿,（2）连续移动线状热源,同点热源的分析可得：,其达到极限状态时温度场为,K0为贝瑟尔函数,散温系数,（2）连续移动线状热源同点热源的分析可得：其达到极限状态时温,线状移动热源的温度场分布,线状移动热源的温度场分布,（3）连续移动面状热源,采用与点热源的

11、分析相同的方法，利用叠加原理可得：,采用移动式坐标，经整理后可得,极限饱和面状热源的传热公式为,（3）连续移动面状热源采用与点热源的分析相同的方法，利用叠加,（1）热源的性质（热源能量的集中性）瞬时点状、线状、面状热源的温度梯度,2.2.3 影响焊接温度场的因素,（1）热源的性质（热源能量的集中性）热源Qeqnr备注点热源,（2）焊接规范即焊接热输入,（2）焊接规范,（3）被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）,（3）被焊金属的热物理性质,（4）焊件的板厚及形状,（4）焊件的板厚及形状,2.2.4 快速移动大功率热源的温度场,（1）厚板快速移动热源相当于线热源

12、的作用结果。在整个长度方向热源热量分布是均匀的，某点的温度相当于若干个dx上的线热源作用的总和。,2.2.4 快速移动大功率热源的温度场 （1）厚板快速移动热,（2）薄板快速移动热源相当于面热源,（2）薄板快速移动热源相当于面热源,2.3 焊接热循环,焊接热循环：在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由低而高，达到最大值后又由高而低的变化描述焊接热源对被焊金属的热作用过程,2.3 焊接热循环焊接热循环：,2.3.1 焊接热循环主要参数,加热速度加热的最高温度在相变温度以上的停留时间冷却速度或冷却时间,2.3.1 焊接热循环主要参数加热速度,加热速度加热速度受许多因素影响：不同的焊

13、接方法不同的被焊金属不同厚度不同焊接热输入等加热速度方面的研究还不够充分特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏,加热速度,加热的最高温度据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同,加热的最高温度,在相变温度以上的停留时间,在相变温度以上的停留时间,冷却速度或冷却时间决定热影响区组织性能指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度的冷却速度为了便于测量和分析比较，采用800500的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因为这一温度区间是相变的主要温度范围,冷却速度或冷却时间决定热影响区组织性能,冷却时间从800oC冷却到500oC时所用时间碳钢、不易淬火的低合金钢从800oC冷却到300oC时所用时间易淬

14、火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右)从高温冷却到100oC时所用时间扩散氢,冷却时间,2.3.2 焊接热循环的影响因素,（1）距离,2.3.2 焊接热循环的影响因素,（2）焊接方法,不同焊接方法的焊接热循环1-手弧焊 2-埋弧焊 3-电渣焊,（2）焊接方法不同焊接方法的焊接热循环,短道多层焊接热循环,多层焊,（3）焊接工艺的影响,多层焊,短道多层焊接热循环多层焊（3）焊接工艺的影响多层焊,长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊缝基本上冷却到100-200以下。,长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二,焊件尺寸形状的影响,焊件尺寸形状的影响,接头形式的影响

15、,接头形式的影响,焊道长度的影响,焊道长度的影响,预热温度的影响,预热温度- t8/5 ,预热温度的影响预热温度- t8/5 ,2.3.3 焊接热循环参数的计算,（1）Tmax,根据温度场函数求导数dT/dt=0的点的温度。,线热源,2.3.3 焊接热循环参数的计算（1）Tmax根据温度场函数,同样，线热源的Tmax：,从理论上讲，当r0和y0=0时，Tmax=，这当然是不可能的。因此应考虑金属熔点的限制更为合理，所以根据传热学的理论推导，可得经验公式。,同样，线热源的Tmax：从理论上讲，当r0和y0=0时，Tm,厚板,薄板,式中 T0- 初始温度； TM- 熔点温度 Tm-焊件上某点的最高

16、温度 E 线能量 H thickness r0，y0-某点距熔化边界的垂直距离 c-容积比热容,厚板 薄板 式中 T0- 初始温度；,（2）相变温度以上停留时间tH,tH的计算非常复杂，可以采用计算法和图解法求解。,厚板,薄板,（2）相变温度以上停留时间tHtH的计算非常复杂，可以采用计,（3）瞬时冷却速度vc,可通过对温度场函数进行微分获得。在r=0处,厚板,（3）瞬时冷却速度vc可通过对温度场函数进行微分获得。在r=,同样道理利用薄板高速热源的温度场公式,同样道理利用薄板高速热源的温度场公式,当板厚发生变化时，由于散热条件不同冷却速度也会发生变化，产生了薄板与厚板的区分。当热输入相同时，随

17、着板厚增大到一定程度，冷却速度将不再发生变化，此时即为厚板。若定义冷却速度不再发生变化的板厚为临界板厚，则根据厚板冷却速度与薄板冷却速度相等得：,当板厚发生变化时，由于散热条件不同冷却速度也会发生变化，产生,（4）t8/5,当r0=0，y0=0时，只要t0，就是冷却阶段，整理后即可得出热影响区熔合线附近冷却到某一温度Tc时的冷却时间tc。,厚板,薄板,（4）t8/5 当r0=0，y0=0时，只要t0，就是冷却,薄板,薄板,临界板厚：,引入电弧热效率和接头形式参数，以上公式变为,式中F3、F2分别接头形状系数,临界板厚：引入电弧热效率和接头形式参数，以上公式变为式中F3,2.4 熔化区域的局部热作用,2.4 熔化区域的局部热作用,2.5 焊接热循环测试,2.5 焊接热循环测试,作业：综述焊接热源的描述方法。针对埋弧焊的热循环，分析其主要热循环参数及其影响因素。,作业：,