焊接物理冶金_第二章 焊接传热

1、焊接传热学基础焊接传热学基础2 2传热学传热学 传热学是研究热量传递规律的一门科学。传热学是研究热量传递规律的一门科学。 热传递：热传导、对流和热辐射热传递：热传导、对流和热辐射 许多学科都涉及到传热学的问题！许多学科都涉及到传热学的问题！p 焊接传热焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力变形等均有重要影响！变形等均有重要影响！p 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。p 焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变焊接传热过程研究内容：

2、主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题。化问题。3 31.1 焊接过程分析焊接过程分析 焊接过程焊接过程 热源加热热源加热熔化熔化冶金反应冶金反应 结晶结晶固态相变固态相变接头（冷却而形成）接头（冷却而形成） 焊接热过程的特点焊接热过程的特点 局部性局部性加热和冷却过程极不均匀加热和冷却过程极不均匀 瞬时性瞬时性1800K1800K/s/s 热源是运动的热源是运动的1.1. 焊接传热过程的复合性焊接传热过程的复合性加热过程加热过程冷却过程冷却过程4 41.2 焊接热源焊接热源 welding heat source 实现金属焊接所需的能量实现金属焊接所需的能量热能热能机械能机械能焊接热

3、源的特点：焊接热源的特点：能量密度高度集中；能量密度高度集中；快速实现焊接过程；快速实现焊接过程；保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。熔焊焊接热效率焊接热效率 电弧功率电弧功率 ： q q0 0 = U I= U I 电弧有效热功率：电弧有效热功率： q = q = q q0 0 焊接热效率：焊接热效率： = = q/ q/ q q0 0 = =（ q q1 1q q2 2 ）/ / q q0 0 熔化焊缝的热效率：熔化焊缝的热效率： m m = = q q1 1 / / （ q q1 1q q2 2 ）加热斑点加热斑点 热源把热量传给焊件是通过

4、焊件上一定的加热面积进行热源把热量传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行的，对于电弧焊而言该面积称为加热斑点。的，对于电弧焊而言该面积称为加热斑点。 热流密度在热斑点上的分布可用高斯曲面来描述。热流密度在热斑点上的分布可用高斯曲面来描述。1.2 焊接热源焊接热源 welding heat source8 81.2 焊接热源焊接热源 welding heat source点热源（三维）点热源（三维）point heat sourcepoint heat source厚大焊件焊接厚大焊件焊接线热源（二维）线热源（二维） linear heat sourcelinear heat source薄板焊

5、接薄板焊接面热源（一维）面热源（一维）plane heat sourceplane heat source细棒磨擦焊细棒磨擦焊9 91.2 焊接热源焊接热源 welding heat source 热源在焊件上的分布热源在焊件上的分布 热流密度的分布热流密度的分布q:q:电弧的有效功率电弧的有效功率q qmm: :加热斑点中心的最大比热流加热斑点中心的最大比热流d dH H: :回执斑点直径回执斑点直径加热斑点的比热流分布加热斑点的比热流分布-立体高斯锥体立体高斯锥体13131.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布狭义

6、定义：某瞬时工件上各点的温度分布某个热流密度的热源以恒定的速度沿某个热流密度的热源以恒定的速度沿x x轴移动，轴移动，热热源周围的温度分布源周围的温度分布即即“焊接温度场焊接温度场”vtOOy yz zx( , , )tTf x y z 焊件上各焊件上各点瞬时温度点瞬时温度分布的温度分布的温度场对分析场对分析焊焊接传热过程接传热过程, ,焊接物理冶焊接物理冶金过程金过程和和焊焊接化学冶金接化学冶金过程过程至关重至关重要。要。14141.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature焊条电弧焊时，焊接焊条电弧焊时，焊接电弧做为热源，对焊电弧做为热源，对焊条和母材进行

7、加热条和母材进行加热在焊接热源作用下，在焊接热源作用下，母材上所形成的具有母材上所形成的具有一定几何形状的液态一定几何形状的液态金属部分称为金属部分称为熔池熔池焊接熔池形状示意图焊接熔池形状示意图15151.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature焊接熔池表面积内部的流体流动模式焊接熔池表面积内部的流体流动模式1616商业软件：商业软件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT, MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,.17171.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature等温线等温线等温线不可能相交等温线不可

8、能相交等温线、等温面之间有温差等温线、等温面之间有温差大小：温度梯度大小：温度梯度方向：垂直于等温面方向：垂直于等温面焊缝STTT2118181.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature随着热源的移动，熔随着热源的移动，熔池沿焊接方向作同步池沿焊接方向作同步移动移动熔池前部熔池前部母材不断地熔化母材不断地熔化熔池尾部熔池尾部熔池金属不断凝固，温熔池金属不断凝固，温度逐渐降低度逐渐降低熔池温度分布熔池温度分布1-1-熔池中部熔池中部 2-2-熔池前部熔池前部 3-3-熔池尾部熔池尾部19191.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temper

9、ature坐标示意图坐标示意图xoyxoy面上沿面上沿x x轴的温度分轴的温度分布布xoyxoy面上的等温线面上的等温线yozyoz面上沿面上沿y y轴的温度分轴的温度分布布yozyoz面上的等温线面上的等温线板厚板厚25mm25mm低碳钢焊件低碳钢焊件厚大焊件上点状厚大焊件上点状移动热源的温度移动热源的温度场场scmCcmWWq/1 . 0),/(42. 0,42002cmsb1,/102840scmCcmWWq/1 . 0),/(42. 0,42002cmsb1,/10284023231.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature典型焊接温度场典型焊接温度

10、场稳定温度场稳定温度场不稳定温度场不稳定温度场常态常态一维温度场一维温度场二维温度场二维温度场三维温度场三维温度场焊接温度场的影响因素焊接温度场的影响因素热源的性质热源的性质焊接工艺参数焊接工艺参数被焊金属的热物理性质被焊金属的热物理性质焊件的板厚及形状焊件的板厚及形状24241.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature热输入量热输入量q q= =常数，常数，热源移动速度热源移动速度v v对温度场的影响对温度场的影响热源移动速度热源移动速度v v增加增加热源功率热源功率q q保持为常数时保持为常数时随焊接速度随焊接速度v v的增加的增加等温线的范围变小等温线

11、的范围变小温度场的宽度和长度均变小温度场的宽度和长度均变小宽度显著变小宽度显著变小所以，等温线的形状变得细长所以，等温线的形状变得细长25251.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature热源移动速度热源移动速度v=常数，常数，热输入量热输入量q对温度场的影响对温度场的影响热源功率热源功率q增加增加热源移动速度热源移动速度v保持为常数时保持为常数时随热源功率随热源功率q的增加的增加等温线在焊缝横向变窄等温线在焊缝横向变窄等温线在焊缝方向伸长等温线在焊缝方向伸长2626热源移动速度热源移动速度v热源功率热源功率q增加增加1.3 焊接温度场焊接温度场 field

12、of weld temperatureq/v=常数，热输入量及热源移动速度常数，热输入量及热源移动速度等比例变化时对温度场的影响等比例变化时对温度场的影响q/v保持为常数时保持为常数时同比例改变同比例改变q和和v等温线拉长等温线拉长温度场范围拉长温度场范围拉长27271.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下不同材料板上移动线热源周围的温度场不同材料板上移动线热源周围的温度场28281.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环焊接热循环在焊接

13、过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随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描述焊接热源对被焊金属的热作用过程)(tfTiiizyx距热源位置不同，所受到热循环的加热参距热源位置不同，所受到热循环的加热参数不同发生不同的组织与性能变化数不同发生不同的组织与性能变化。 292930301.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的主要参数 加热速度加热速度 加热的最高温度加热的最高温度 在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间

14、 冷却速度或冷却时间冷却速度或冷却时间焊接热循环的参数焊接热循环的参数HwMTHtCv8/5tMTHtCv31311.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数 加热速度加热速度 加热速度受许多因素影响：加热速度受许多因素影响： 不同的焊接方法不同的焊接方法 不同的被焊金属不同的被焊金属 不同厚度不同厚度 不同焊接热输入等不同焊接热输入等 加热速度方面的研究还不够充分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特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏Hw32321.4 焊接热循环焊接热循环 weld t

15、hermal cycle 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数 加热的最高温度加热的最高温度 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同MT33331.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数 在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间Htttt Htt加热过程的停留时间冷却过程的停留时间34341.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数 冷却速度或冷却时间冷却速度或冷却时间决定热影响区组决定热影响区组织性能织性能 指

16、焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时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温度的冷却速度 为了便于测量和分析比较，采用为了便于测量和分析比较，采用800800500500o oCC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因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为这一温度区间是相变的主要温度范围Cv8/5t35351.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数 冷却时间冷却时间 从从800800o oCC冷却到冷却到500500o oCC时所用时间时所用时间 碳钢、不易淬火的低合金钢碳钢、不易淬火的低合

17、金钢 从从800800o oCC冷却到冷却到300300o oCC时所用时间时所用时间 易淬火的低合金钢易淬火的低合金钢( (马氏体相变点马氏体相变点300300o oCC左右左右) ) 从从高温高温冷却到冷却到100100o oCC时所用时间时所用时间 扩散氢扩散氢58t100t8 3t36361.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle 焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素 距离距离 焊接方法焊接方法 多层焊多层焊距焊缝距离变近距焊缝距离变近37371.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle 焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素 距离距

18、离 焊接方法焊接方法 多层焊多层焊不同焊接方法的焊接热循环不同焊接方法的焊接热循环1-1-手弧焊手弧焊 2-2-埋弧焊埋弧焊 3-3-电渣焊电渣焊38381.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle 焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素 距离距离 焊接方法焊接方法 多层焊多层焊短道多层焊接热循环短道多层焊接热循环温度场基本概念温度场基本概念不稳定温度场不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场并且也随时间变化的温度场：tzyxfT,zyxfT,等温面等温面：空间具有相同温度点的组合面。：空间具有相同温度点的组合面。等温线等温

19、线：某个特殊平面与等温面相截的交线。：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温：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，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。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。热传导基本方程热传导基本方程三维三维傅里叶傅里叶热传导热传导微分方程为微分方程为：TazTy

20、TxTctT2222222caa22222yTxTatT22xTatT 对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要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根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。件。常见的边界条件有三类：常见的边界条件有三类：nTfwTTtzyxqnT,)(tfTw温度场的求解方法温度场的求解方法解析法解析法数值方法数值方法解析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），得到用演绎数学方程（或模型），得到用函数形式函数形式表示的表示的解，也就是解析解。解，也就是

21、解析解。优点优点：物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式：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。观分析各参数变化对温度高低的影响。缺点缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往：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。同程度的影响。数值方法数值方法数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求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解数学模型的近似解（数值解）近似解（数值解），又称为，又称为数值模数值模拟拟或计算机模拟。或计算机模拟。数值方法数值方法有限元法：根据变分原理来求解热传导问题微有限元法：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。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解题步骤：先将连续求解域分割为有