第二章 焊接力学分析(1)

1、 第二章第二章 焊接力学分析焊接力学分析 l 焊接焊接热热过程过程 l 焊接焊接应力应变的基本概念、产生应力应变的基本概念、产生原因原因 l 焊接焊接应力（分布应力（分布、对、对结构的结构的影响、调节和影响、调节和 控制控制措施措施） l 焊接焊接变形（计算、减小和控制措施）变形（计算、减小和控制措施） l 焊接焊接残余应力的测量方法残余应力的测量方法 2.1 2.1 焊接热源与热功率焊接热源与热功率 2.1.12.1.1焊接热源焊接热源 一、焊接对热源的主要要求一、焊接对热源的主要要求 二、常用焊接热源二、常用焊接热源 （1 1）电弧）电弧 焊条电弧焊、埋弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊、COCO2

2、 2气体保护焊、惰性气体保护焊、惰性 气体保护焊（气体保护焊（TIGTIG、MIGMIG）等）等 （2 2）电阻热）电阻热 电阻点焊（如凸焊，缝焊、点焊等）、电阻电阻点焊（如凸焊，缝焊、点焊等）、电阻 对焊（压力对焊、闪光对焊）及电渣焊对焊（压力对焊、闪光对焊）及电渣焊 （3 3）电磁感应）电磁感应 （4 4）等离子束）等离子束 （5 5）激光束）激光束 CO CO2 2激光、激光、YAGYAG激光激光 （6 6）电子束）电子束 （7 7）化学热）化学热 氧氧乙炔气焊乙炔气焊/切割、铝热剂焊、镁热剂焊等切割、铝热剂焊、镁热剂焊等 （8 8）摩擦热）摩擦热 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 各种焊接热源的主

3、要各种焊接热源的主要特性特性 热源最小加热面 积（cm2） 最大功率密 度（W/cm2） 正常焊接规范 下的温度（K） 乙炔火焰 金属极电弧 钨极电弧(T1G) 埋弧焊 电渣焊 10-2 10-3 10-3 10-3 10-3 2103 104 1.5104 2104 104 3200 6000 8000 6400 2000 熔化极氩弧焊 CO2气体保护焊 10-4104 105 等离子 电子束 激光 10-5 10-7 10-8 1.5105 107 109 1800024000 2.1.2 2.1.2 焊接热源的热功率焊接热源的热功率 一、焊接电弧的热效率一、焊接电弧的热效率 一般可将电弧

4、看成是纯电阻，其总功率或热流量一般可将电弧看成是纯电阻，其总功率或热流量 为为 有效功率有效功率 （W）为）为 式中，式中， 为功率系数，为功率系数， I为焊接电流（为焊接电流（A），）， U为电为电 弧电压（弧电压（V）。）。 0 IU IU 焊接工艺制定中，常用焊接线能量（即单位长度焊焊接工艺制定中，常用焊接线能量（即单位长度焊 缝的热输入缝的热输入 ）作为焊接规范（焊接电流、焊接电压、）作为焊接规范（焊接电流、焊接电压、 焊接速度）的一个综合指标，表示为焊接速度）的一个综合指标，表示为 式中，式中， qW为焊接线能量（为焊接线能量（J/mm）, v为焊接速度。为焊接速度。 qW对焊缝成形

5、、热影响区组织和焊接生产率等有较对焊缝成形、热影响区组织和焊接生产率等有较 大影响。大影响。 W IU q v 钢和铝常用熔焊方法的热功率数据钢和铝常用熔焊方法的热功率数据 焊接方法有效热功率 kJ/s 焊接速度 vmm/s 焊接线能量 qwkJ/mm 热效率 焊条电弧焊 气保护金属极弧焊 气何护钨极电弧焊 埋弧焊 电子束焊 激光焊 氧乙炔焊 1 20 5 100 1 15 5 250 0.5 10 1 5 1 10 5 15 15 25 150 150 10 3.5 2 1 10 10 0.05 1 0.650.90 0.650.90 0.200.50 0.850.95 0.950.97 0

6、.800.95 0.250.85 二、焊接电弧的能量密度二、焊接电弧的能量密度 2 ( ) kr m q rq e 2 3 d k 0 2 d k 三、焊接熔池三、焊接熔池 2.2 2.2 焊接传热分析焊接传热分析 2.2.1 2.2.1 热传导基本概念热传导基本概念 一、温度场一、温度场 物体内各点温度的分布情况，可表示为空间坐物体内各点温度的分布情况，可表示为空间坐 标（位置）和时间的函数，即标（位置）和时间的函数，即 式中，式中，x x，y y，z z为空间直角坐标；为空间直角坐标；t t为时间坐标。为时间坐标。 不稳定温度场：温度场内各点的温度随时间而变化。不稳定温度场：温度场内各点的

7、温度随时间而变化。 反之，为稳定温度场反之，为稳定温度场 等温面：在某个时刻相同温度的各点所组成的平面。等温面：在某个时刻相同温度的各点所组成的平面。 ( , , , )Tf x y z t 温度梯度温度梯度gradTgradT：温度场中任意一点的温度沿等温：温度场中任意一点的温度沿等温 面法线方向的变化率面法线方向的变化率 式中，式中，n n为单位法向矢量，为单位法向矢量， 为温度在为温度在n n方向上的偏方向上的偏 导数。导数。 温度梯度是一个向量，垂直于等温面，以温度增加温度梯度是一个向量，垂直于等温面，以温度增加 的方向为正。的方向为正。 热量传输方向指向温度降低的方向，与温度梯度方热

8、量传输方向指向温度降低的方向，与温度梯度方 向相反。向相反。 0 lim n TT gradT nn n T n 二、傅里叶定律（热传导定律）二、傅里叶定律（热传导定律） 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度q q （J/(sJ/(smmmm2 2) )或或 W/mmW/mm2 2）。）。 物体等温面上的热流密度与该处等温面的负温度梯物体等温面上的热流密度与该处等温面的负温度梯 度成正比，即度成正比，即 式中，式中，为导热系数（为导热系数（J/(sJ/(s mmmm K)K)） T/T/n n为温度梯度（为温度梯度（K/mmK/mm） 一般来说，金属

9、的导热系数最大，其余依次为固体一般来说，金属的导热系数最大，其余依次为固体 非金属、液体、气体。非金属、液体、气体。 T q n n 三、对流传热定律三、对流传热定律 由牛顿定律，对于与流动的气体或液体接触的固体由牛顿定律，对于与流动的气体或液体接触的固体 表面，其热流密度表面，其热流密度q qc c与对流换热系数与对流换热系数c c（J/J/mmmms s K K） 和固体表面温度与气体或液体的温度之差（和固体表面温度与气体或液体的温度之差（T-TT-T0 0） 成正比，即成正比，即 其中：其中：TT固体表面温度；固体表面温度； T T0 0气体或液体温度。气体或液体温度。 0 () cc

10、qTT 四、辐射传热定律四、辐射传热定律 根据斯蒂芬根据斯蒂芬波尔兹曼定律：受热物体单位时间内波尔兹曼定律：受热物体单位时间内 单位面积上的辐射热量，即其热流密度单位面积上的辐射热量，即其热流密度q qr r与其表面与其表面 温度为温度为4 4次方成正比次方成正比: : 其中：其中：C C0 0=5.67=5.671010-14 -14（ （J/mmJ/mm2 2 s s K K），适用于绝对），适用于绝对 黑体；黑体； 1 1为黑度系数（吸收率）。为黑度系数（吸收率）。 对于抛光后的金属表面，对于抛光后的金属表面， = 0.2 - 0.4= 0.2 - 0.4， 对于粗糙、被氧化的钢材表面，

11、对于粗糙、被氧化的钢材表面， = 0.6 - 0.9= 0.6 - 0.9， 黑度随温度的增加而增加，在熔化温度的范围内，黑度随温度的增加而增加，在熔化温度的范围内， = 0.90 -0.95= 0.90 -0.95。 4 0r qC T 四、辐射传热定律四、辐射传热定律 在焊接在焊接条件下，相对比较小的物体（温度为条件下，相对比较小的物体（温度为T T）在相）在相 对较宽阔的环境中（温度为对较宽阔的环境中（温度为T T0 0）冷却，通过热辐射）冷却，通过热辐射 （和对流相比，高温下热辐射占主要地位）发生的（和对流相比，高温下热辐射占主要地位）发生的 热量损失按下式计算：热量损失按下式计算：

12、作为上式的线性化近似：作为上式的线性化近似： 其中其中：r r为辐射换热为辐射换热系数系数（J/mmJ/mm2 2 s s K K），），其其在很在很 大程度上取决于大程度上取决于T T和和T T0 0 200-300 200-300，对流为主；，对流为主；800800时，辐射占时，辐射占80%80% 44 00 () r qC TT 0 () rr qTT 五、导热微分方程五、导热微分方程 对于均匀且各向同性的连续体介质，并且其材料特对于均匀且各向同性的连续体介质，并且其材料特 征值与温度无关时，在能量守恒原理的基础上，可征值与温度无关时，在能量守恒原理的基础上，可 得到下面的热传导微分方程

13、式：得到下面的热传导微分方程式： 其中：其中： -热传导系数热传导系数J/J/mmmms s KK；c-c-质量比热容质量比热容 J/gJ/g KK；-密度密度g/mm3g/mm3；Qv-Qv-单位体积逸出或单位体积逸出或 消耗的热能；消耗的热能；Qv/Qv/ tt内热源强度。内热源强度。 定义热扩散系数定义热扩散系数a=a=/c/c，并引入拉普拉斯算子，则，并引入拉普拉斯算子，则 上式简化为上式简化为 222 222 1 () v QTTTT tcxyzct 2 1 v QT aT tct 0 ( , , )TT x y z ( , , , ) ss TT x y z t ( , , , )

14、 s T q x y z t n () as T TT n cr 2.2.2 2.2.2 焊接温度场的解析分析焊接温度场的解析分析 正态分布热源（高斯热源）正态分布热源（高斯热源）：实践证明，在电弧，束：实践证明，在电弧，束 流和火焰接焊时，更有效的方法是采用热源密度流和火焰接焊时，更有效的方法是采用热源密度q q* * 为正态度分布的表面热源，即假设热量按概率分析为正态度分布的表面热源，即假设热量按概率分析 中的高斯正态分布函数来分布中的高斯正态分布函数来分布： 积分得：积分得： 其中：其中：qq热热源有效功率源有效功率 J/sJ/s； kk表表示热源集中程度的系数示热源集中程度的系数1/1

15、/mmmm2 2 ； rr圆圆形热源内某点与中心的距离。形热源内某点与中心的距离。 2 *2 max * max 0 * maxmax exp() ( )2 , kr F qqkr qq r dFqerdr k qqqq k 2 1 22222 /3/3/3 1 36 ),( czbyaxf eee abc Qf zyxq 2 2 22222 /3/3/3 2 36 ),( czbyax r eee abc Qf zyxq 前半部分椭球内热源分布为前半部分椭球内热源分布为 后半部分椭球内热源分布为后半部分椭球内热源分布为 双椭球形热源形态双椭球形热源形态 双椭球双椭球热源热源 xvt 222 222 () TTTTT v tcyz 222 222 () TTTT v cyz 0 () exp 22 vR TT Ra 222 Ryz 0 2 TT R 0 exp 2 vR TT Ra 0 exp 22 vR TT Ra 2 00 2 exp 224 vvb TTKr haaa 2() / cr bc h 22 ry 2 0 2 2 0 2 () exp(0) 42 () exp(0) 42 cr cr Pvv TTxx