焊接热源模型

焊接热源模型焊接热源的物理模型，涉及两个问题。一是热源的热能有多少作用在工件之章针对上述两个问题开放争论。焊接热效率和焊接熔化效率(2-1)丝〔或焊条〕化．母材只利用一局部电弧的热量。弧焊时，电弧功率可由下式表示(2-1)式中，是电弧电压(V),I是焊接电流(A)，式中，是电弧电压(V),I是焊接电流(A)，是电弧功率(W),即电弧在单位由于能量不是全部用在加热焊件，故真正有效用于加热焊件的功率为(2-2)式中，为电弧功率有效利用系数或称为焊接热效率，它与焊接方法、焊接工艺工艺参数下的热效率见表2-1。式中，为电弧功率有效利用系数或称为焊接热效率，它与焊接方法、焊接工艺工艺参数下的热效率见表2-1。弧焊方法药皮焊条手工焊0.65-0.85埋弧自动焊弧焊方法药皮焊条手工焊0.65-0.85埋弧自动焊0.80-0.90C020.75-0.90熔化板氩弧焊(MIG)0.70-0.80钨极氩弧焊(TIG)0.65-0.70〔2-4〕〔2-5〕式中，〔2-4〕〔2-5〕式中，—单位时间内熔化焊缝金属〔处于液态时，为熔点〕所需的热量〔包括熔化潜热〕；—单位时间内使焊缝金属处于过热状态〔〕的热量和向焊缝四周传导热量的总和。式〔2-5〕说明，已进入焊件的热量也不是全部用来熔化焊缝金属。因此，定义焊缝金属熔化的热有效利用率〔简称为焊接熔化热效率〕为单位时间内被熔化的母材金属在时〔处于液态〕的热量与电弧有效热功率的比值在其他条件不变的状况下，值随着弧长的增加、电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。应当指出，这里所说的热效率，焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区。值并没有反映出这两局部热量在其他条件不变的状况下，值随着弧长的增加、电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。应当指出，这里所说的热效率，焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区。值并没有反映出这两局部热量依据定义，电弧加热工件的热效率是电弧在单位时间内输入到工件内部的热量与电弧总功率的比值，即〔依据定义，电弧加热工件的热效率是电弧在单位时间内输入到工件内部的热量与电弧总功率的比值，即〔2-3〕〔2-6〕〔2-6〕〔2-7〕式中，为焊接速度，为焊缝横截面积，为被焊材料密度，为液态金式中，为焊接速度，为焊缝横截面积，为被焊材料密度，为液态金〔2-8〕其中， 为比热， 为熔点， 。将〔2-7〕和〔2-8〕式代入〔2-6〕式，得〔2-9〕〔2-9〕值可由下式求出其中，为弧柱温度的等效电压，即〔2-10〕从焊接热过程计算的角度来看，焊接热效率的准确选取是提高计算精度的先决条件。关于值确实定方法，国内外的很多争论者从不同的角度进展了争论[109-112]。概括来说，主要有测试法、计算—测试法和电弧物理分析法。但不同的争论者给出的值差异较大。下面分别介绍一下这三种方法。〔2-10〕从焊接热过程计算的角度来看，焊接热效率的准确选取是提高计算精度的电弧物理分析法Quigley等人[109]TIG电弧传给工件TIG2mm，100A16V，试件为低碳钢。通过全面考虑全部的加热TIG电弧传给阳极的能量。逸出功当电子进入阳极时，会将电子放射时从阴极吸取的逸出功传给阳极。对大多数金属来说逸出功 在4V左右钢的比较合理的逸出功数值是4.2V 0.3V。对100A的电弧来说电子逸出功投射在阳〔钢材上的热量为420W 30W。应当留意，假设电弧极性变了，工件为阴极，那么电子逸出功会使得工件不TIG焊接方法正是利用电子放射使得钨极〔为阴极〕冷却，从而可在较大的电流范围内应用。电子热能温度相对应的热能，电子离开弧柱时所具有的自由能时，是玻尔兹曼常数， J/K温度相对应的热能，电子离开弧柱时所具有的自由能时，是玻尔兹曼常数， J/K，是弧柱温度。当电子到达阳极时，温度为。每秒钟到达阳极的电子数量为，为电子电量，因此，电子带给阳极的热量一般状况下，K，一般状况下，K，K，因此，0.58V。当电子通过阳极压降区时，将被加速而获得动能，为阳极压降。假设电子与中性离子的平均自由程远远大于阳极压降区的厚度，电子与中性离2V左右，μm，μm。所以(W)的热量根本上全部传给阳极。当电子通过阳极压降区时，将被加速而获得动能，为阳极压降。假设传导通过气体传导给阳极的热量为W式中，是气体的导热系数， 是在阳极上的弧柱面积， 极处的电弧中的温度梯度。 W/(mW)， m2，K/m，将这些数据代入上式，就得到气体通过导热方式传向阳极的热量为W对流W弧柱区域的等离子流与阳极通过对流方式传递的热量可估算为W辐射2020W，即W。途径都会使阳极损失热量。经估算，这两局部热量分别为W途径都会使阳极损失热量。经估算，这两局部热量分别为W和W。即，W，W，W。〔2-11〕各局部的数值见表2-2。可以看到，电弧总功率〔2-11〕各局部的数值见表2-2。可以看到，电弧总功率1600W中，只有710 120表2-1 阳极上的热平衡总的电弧热功率1600总的电弧热功率1600〔W〕100.0〔%〕逸出功420 3026.2电子热能60 253.8150 509.4阳极压降704.4传导33 152.1对流201.2辐射-332.1蒸发-100.6熔池辐射总的功率转换710 120W36.6~52.2关桥等人[111]关桥等人[111]何尺寸与理论计算 值相结合的一种确定焊接热效率值的方法，这种方法使料得出的值分别为：LF6铝合金：LF6铝合金：；1Cr18Ni9Ti不锈钢：；TA2工业纯钛：TG4钛合金：；A3低碳钢：Giedt等人[112] 用图2-1所示的试验装置测量焊接热效率量热器是一个立上的总热量。15015075mm。它依据梯度层原理工作。将热电偶的度差〔2-2〕。将这些热电偶电路串联起来就形成温差电堆，它放大所输出的Seebeck热电效应为SeebeckEnvelope量热器。将热率表串联起来，量热器输出的是直流信号。将〔侧面积有关〕，并对时间积分，就得到电弧传向工件的热量。2-12-2梯度层量热器的工作原理示意图12.7mm304L不锈钢。施焊时，量热器的盖子翻开，用直流正TIG75mm长的堆焊焊缝。焊接过程完毕时，马上将盖子合上，常数，就得试件承受到的总热量〔2-3〕。15l/min3.2mm2.4mm直径的电极分别焊四条焊缝，来考察电极直径大小的影响。电极尖角902%3.0mm。〔电弧热功率〕。〔电弧热功率〕。表2-2 TIG焊接热效率测试结果电弧 电流

功率

总的机工件接器输出受的总能量能量

焊接热效 熔深〔kJ〕〔kJ〕〔kJ〕〔kJ〕〔kJ〕1009.770.977(b)81.465.40.801.855.993.980.061048.650.900(a)79.664.70.811.724.543.660.0615210.21.54(b)1291040.812.9717.211.40.111558.871.38(a)1221030.843.0016.911.20.1120010.32.95(b)1731420.824.0933.322.10.152058.871.81(a)1621310.813.7128.619.00.152049.601.96(a)(c)11695.60.823.1027.218.10.19

积

用于熔化的热熔化量效率〔A〕〔V〕

〔kW〕

〔mm2〕(焊接速度mm/s,(a)2.4mm(b3.2mm(c)焊1.27mm/s)25mm50mm处，将焊缝切开，测量熔深和横截面积。在宏观焊缝照金属体积。2.1.4理论模型与温度测试相结合确定值除了以上三种确定值的方法外，还有常用的一种方法，就是首先建立一个在表2-3中总的机器输出能量是示波器记录的电流与电压相乘并对焊接时间积分而得出的结果，这一数值大约是额定机器输出功率的 。没有考虑辐射、对流、蒸发散失热量，这局部热量在1%的数量级。因此，假设量热器的误差为1%，则表中列出的热效率误差为 。从表中列出的数据可以觉察，电极直径对焊接热效率没有影响。2.1.4理论模型与温度测试相结合确定值除了以上三种确定值的方法外，还有常用的一种方法，就是首先建立一个将计算结果与测试结果进展比较，假设不吻合，再另选值，重计算，再将计此时选取的值是实际的焊接热效率。将计算结果与测试结果进展比较，假设不吻合，再另选值，重计算，再将计此时选取的值是实际的焊接热效率。值。由于所建立的温度场计算模型的不同，利用这种方法求出的值也不同。计算模型主要有：Christensen等人[113]Nile等人[114]承受点热源公式，Eagar等人[6]承受分布热源解析模型，Glickstein和Friedman[115-116]用分布热源数值分析值。2-3量热计法和测温法得出的TIG的比较焊接热源的作用模式依据热源作用方式的不同，可以将焊接热源当作集中热源、平面分布热于产生较大的焊缝深宽比，说明焊接热源的热流沿工件厚度方向施加很大的影响，必需按某种恰当的体积分布热源来处理。集中热源〔点热源〕、〔线热源〔面热源Rosenthai-Rykalin接焊，可以认为是把电弧热施加在杆件断面上的面热源。平面分布热源(a)热源在焊件上的作用 (b)热流分布模型2-4加热斑点上的热流分布高斯分布热源讲，这个面积称为加热斑点。如图讲，这个面积称为加热斑点。如图2-4所示，设加热斑点的半径为，它的定义是：电弧传给焊件的热能中，有95%落在以为半径的加热斑点内。在加热斑点上热流的分布，一般近似地用高斯函数来描述，即义是：电弧传给焊件的热能中，有95%落在以为半径的加热斑点内。在加热斑〔2-12〕式中，是距离热源中心处的热流密度，是热源中心处的最大热流密度，式中，是距离热源中心处的热流密度，是热源中心处的最大热流密度，是热能集中系数。由于作用在工件外表上的总热量等于焊接电弧的有效功率，所以有；将〔2-13〕代入〔2-12〕，有〔2-14；将〔2-13〕代入〔2-12〕，有〔2-14〕〔2-15〕〔2-15〕式中，是电弧有效热功率。将〔2-14〕代入上式，有整理，得〔2-16〕〔2-16〕式中，是高斯热源分布参数，是离加热斑点中心的距离r式中，是高斯热源分布参数，是离加热斑点中心的距离r处的热流密度。为了得出和之间的关系，将〔2-18〕代入式〔2-15〕，有因此，、、三者只要知道了其一，就可确定出焊接热源的热能分布模式。〔2-17〕〔2-18〔2-18〕整理，得〔2-19〕、、〔2-19〕、、各自以不同的概念来表示电弧在加热斑点内的热流分布，并且具有〔2-20〕图2-5 双椭圆分布区域示意图双椭圆分布热源而只需一个参数〔、或、或而只需一个参数〔、或、或〕来描述热流的具体分布。实际上，由于电2-5〔2-21〔2-21〕式中，是最大热流值，A和式中，是最大热流值，A和B是椭圆分布参数。〔2-22〕式中，是最大热流值，和式中，是最大热流值，和是椭圆分布参数。利用广义积分，所以，有同理，同理，〔2-23〕如图2-5〔2-23〕如图2-5所示，前半个椭圆的半轴是和。假定电弧传给焊件的热能中，有〔2-24〕〔2-25〕〔2-25〕〔2-26〕〔2-27〔2-27〕〔2-28〔2-28〕假设假设〔2-26〔2-27)〔2-17〕体积分布热源了考虑电弧热流沿工件厚度方向的分布，可以用椭球体模式来描述[120]。====2-6半椭球体分布区域示意图半椭球体分布热源如图2-6如图2-6度最大值为。热流密度的体积分布可表示为〔2-29〕＝〔2-29〕＝4q(x,y,z)dxdydz=〔2-3