1焊接物理冶金 概论.ppt

焊接物理冶金概论,第1章,焊接物理冶金研究的内容及方法焊接温度场与热循环焊接应力与应变学习本课程的目的和要求,本章内容,一、焊接物理冶金研究的内容及方法,焊接冶金所研究的内容包括焊接所经历的各个过程：焊接传热过程、焊接化学冶金过程、金属的结晶和相变过程。,焊接化学冶金焊接物理冶金,焊接冶金,1.研究内容,焊接物理冶金：研究焊接加热和冷却过程中所发生的物理冶金现象及其变化规律，如熔化、凝固、相变、扩散、偏析、夹杂、气孔、裂纹、脆化、断裂等。,焊接化学冶金：研究熔化金属、熔渣、气相之间的化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱氧、脱硫、脱磷、掺合金、除氢等,焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终，可以说一切焊接冶金过程都是在热过程中发生和发展的。,2.研究方法,实验方法：实验条件、设备、目的，检测手段等理论方法：解析法（简化、假设）数值分析：差分法、有限元法等,数学：数据处理、数学模型关注和运用新成果，如分形理论计算机：数据、图表、图片的分析与处理,二、焊接温度场与热循环,温度场基本概念热传导过程基本方程温度场的求解方法焊接温度场的一般特征影响焊接温度场的因素,1.焊接温度场,温度场基本概念,不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场：,稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：,等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。,上式表示给定点的温度变化速度同拉普拉斯运算符成比例，换言之，在某时刻t，物体上给定点（x,y,z）附近的温度分布越不均匀，则该点的温度变化越快。导热的结果，温度不均匀性将逐渐减小，温度变化速度也要降低。,热传导基本方程,三维傅里叶热传导微分方程为：,式中:导温系数，；拉普拉斯运算符号。,二维传热：一维传热：,对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。,初始条件：初始条件是指物体开始导热时（即t=0时）的瞬时温度分布。边界条件：边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。,第三类边界条件：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数,第二类边界条件：给出通过物体表面的比热流随时间的变化关系,第一类边界条件：给定物体表面温度随时间的变化关系,常见的边界条件有三类：,第三类边界条件最为常见。,温度场的求解方法,解析法数值方法,解析法,解析法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。优点：物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。,数值方法,数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解），又称为数值模拟或计算机模拟。,差分法:差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转化为求在时间域和空间域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。,数值方法,有限元法：根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。解题步骤：先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。,焊接温度场的一般特征,若建立与热源移动速度相同并取热源作用点为坐标原点的动坐标系，则动坐标系中各点的温度不随时间而变,移动热源焊接过程中，焊件上各点温度随时间及空间而变化（不稳定温度场），但经过一段时间后，达到准稳定状态（移动热源周围的温度场不随时间改变）。,为了研究方便，一般按照焊件的几何特征将焊件温度场简化为三种类型。,无限大长杆，面状热源,半无限大物体，点状热源,无限大薄板，线状热源,半无限大物体表面受瞬时、固定热源作用时温度场的解析解为：,厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场,以热源作用点为动坐标原点建立三维移动坐标系，在达到极限饱和状态后，焊接温度场,极限饱和状态下的焊接温度场,影响焊接温度场的因素,焊件尺寸焊件热物理性能焊接规范多层焊,当固定热源分别作用在厚大件、薄板和细长杆上时，假设焊件从热源获得的瞬时热能相等，可以比较三种情况下焊件的温度变化速率。,厚大件对电弧加热部位的冷却作用最强，接头温度下降速度最快。其次是薄板，而细杆的散热速度最慢。,异种钢接头的有限元模型,温度场的计算结果,2焊接热循环,研究焊接热循环的意义焊接热循环的特征参数焊接热循环参数的计算,研究焊接热循环的意义,在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。焊件上距离热源不同的点，所经历的热循环不同，从而发生不同的组织与性能变化。研究焊接热循环的意义找出最佳的焊接热循环；用工艺手段改善焊接热循环；预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。,焊接热循环的特征参数,加热速度H最高加热温度m相变温度以上的停留时间tH冷却速度c(或冷却时间t8/5),离焊缝越近的点其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大，并且加热速度比冷却速度大得多。,焊接热循环参数的计算,主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板热循环参数的计算（推导过程略）：峰值温度m的计算相变温度以上的停留时间tH的计算冷却速度C和冷却时间的计算,（1）加热最高温度Tm,点热源（厚板）,线热源（薄板）,当焊接热输入E一定，焊件上某点离开热源轴心距离越远，最高温度m越低；而对焊件上某一定点，随着热输入E的提高，其m增高，焊接热影响区的宽度增大。峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。,E=IU/v,（2）高温停留时间tH,点热源（厚板）,线热源（薄板）,其它条件不变时，提高热输入E，高温停留时间tH延长，也就是说晶粒粗化程度增加。提高初始温度T0（预热温度），也会在一定程度上延长高温停留时间tH。,冷却速度c随着热输入E和初始温度T0的提高而降低，冷却时间t8/5随着热输入E和初始温度T0的提高而延长。母材的热物理性质、焊件的形状尺寸、接头型式、焊道长度及层数都会影响焊接热循环参数。,（3）冷却速度和冷却时间,冷却速度：,冷却时间:,厚板,薄板,(4)相变温度以上停留时间tH,f2,f3修正系数，fi=f()，i=2,3;,fi。,厚板,薄板,tH随热输入E和初始温度T0的提高而延长。,上述公式是在许多假设条件下导出的，计算误差较大。,焊接热输入E的影响E增大时，Tm升高，tH增加，而c减小（t8/5增大）。预热温度T0的影响T0升高时，Tm不变，tH增加，c减小(t8/5增大)。板厚的影响增大时，Tm和tH减小，c增大(t8/5变短)。但增大到一定程度时，参数不再变化。,母材的热物理性质、接头