焊接物理冶金-第二章 焊接传热

焊接传热学基础

2传热学传热学是研究热量传递规律的一门科学。热传递：热传导、对流和热辐射许多学科都涉及到传热学的问题！焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力变形等均有重要影响！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化问题。

31.1焊接过程分析焊接过程热源加热→熔化→冶金反应→结晶→固态相变→接头（冷却而形成）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加热过程冷却过程41.2焊接热源weldingheatsource

实现金属焊接所需的能量热能机械能焊接热源的特点：能量密度高度集中；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。熔焊焊接热效率

电弧功率：q0=UI

电弧有效热功率：q=ηq0

焊接热效率：η=q/

q0=（q1＋q2）/

q0

熔化焊缝的热效率：ηm=

q1/（q1＋q2）加热斑点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。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weldingheatsource表1-1不同焊接方法的η值

图1-1电弧焊时的热量分布a)厚皮焊条（I=150~250A，U=35V）分布b)埋弧焊（I=1000A，U=36V，v=36m/h）81.2焊接热源weldingheatsource点热源（三维）pointheatsource厚大焊件焊接线热源（二维）linearheatsource薄板焊接面热源（一维）planeheatsource细棒磨擦焊

91.2焊接热源weldingheatsource热源在焊件上的分布热流密度的分布q:电弧的有效功率qm:加热斑点中心的最大比热流dH:回执斑点直径加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体双椭圆分布热源示意图半椭球体分布热源示意图双椭球体分布热源示意图131.3焊接温度场

fieldofweldtemperature狭义定义：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x轴移动，热源周围的温度分布即“焊接温度场”vtO’Oy’yz’zx

焊件上各点瞬时温度分布的温度场对分析焊接传热过程,焊接物理冶金过程和焊接化学冶金过程至关重要。141.3焊接温度场

fieldofweldtemperature焊条电弧焊时，焊接电弧做为热源，对焊条和母材进行加热在焊接热源作用下，母材上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分称为熔池焊接熔池形状示意图151.3焊接温度场

fieldofweldtemperature焊接熔池表面积内部的流体流动模式16…商业软件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT,MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,…..171.3焊接温度场

fieldofweldtemperature等温线等温线不可能相交等温线、等温面之间有温差大小：温度梯度方向：垂直于等温面焊缝181.3焊接温度场

fieldofweldtemperature随着热源的移动，熔池沿焊接方向作同步移动熔池前部母材不断地熔化熔池尾部熔池金属不断凝固，温度逐渐降低熔池温度分布1-熔池中部2-熔池前部3-熔池尾部191.3焊接温度场

fieldofweldtemperature坐标示意图xoy面上沿x轴的温度分布xoy面上的等温线yoz面上沿y轴的温度分布yoz面上的等温线板厚25mm低碳钢焊件厚大焊件上点状移动热源的温度场图1-9薄板焊接时的温度场a)xOy面上平行x轴的温度分布b)xOy面上的等温线c)xOy面上平行y轴的温度分布图1-8薄板焊接时x轴上各点的温度分布图1-10中厚焊件焊接时的温度场a)中厚件上表面不同y值时x方向上的温度分布曲线b)xOz平面上的等温线c)中厚焊件的上表面温度场d)中厚焊件的下表面温度场e)yOz平面，x=0时的温度分布f)yOz平面，x=0时的热流分布I区相当厚大焊件，III区相当于薄板，II区为无定型传热区231.3焊接温度场

fieldofweldtemperature典型焊接温度场稳定温度场不稳定温度场——常态一维温度场二维温度场三维温度场焊接温度场的影响因素热源的性质焊接工艺参数被焊金属的热物理性质焊件的板厚及形状241.3焊接温度场

fieldofweldtemperature热输入量q=常数，热源移动速度v对温度场的影响热源移动速度v增加热源功率q保持为常数时随焊接速度v的增加等温线的范围变小温度场的宽度和长度均变小宽度显著变小所以，等温线的形状变得细长影响因素251.3焊接温度场

fieldofweldtemperature热源移动速度v=常数，热输入量q对温度场的影响热源功率q增加热源移动速度v保持为常数时随热源功率q的增加等温线在焊缝横向变窄等温线在焊缝方向伸长影响因素26热源移动速度v热源功率q增加1.3焊接温度场

fieldofweldtemperatureq/v=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q/v保持为常数时同比例改变q和v等温线拉长温度场范围拉长影响因素271.3焊接温度场

fieldofweldtemperature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影响因素281.4焊接热循环

weldthermalcycle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。29301.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的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焊接热循环的参数311.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的主要参数加热速度加热速度受许多因素影响：不同的焊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321.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的主要参数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331.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的主要参数在相变温度以上的停留时间341.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的主要参数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800～500oC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351.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的主要参数冷却时间从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361.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的影响因素距离焊接方法多层焊距焊缝距离变近371.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的影响因素距离焊接方法多层焊不同焊接方法的焊接热循环1-手弧焊 2-埋弧焊3-电渣焊381.4焊接热循环

weldthermalcycle焊接热循环的影响因素距离焊接方法多层焊短道多层焊接热循环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，