焊接热过程全套

第二章焊接热过程1.焊接热过程的特点焊接热过程：被焊金属中存在的热输入、传播以及分布，称之为焊接热过程。焊接热过程对焊接质量和焊接生产率的影响：施加到被焊金属上的热能大小与分布状态决定了溶池的形状和尺寸；焊接溶池进行冶金反应的程度与热的作用及溶池的存在时间有密切关系；在加热和冷却过程中，溶池内部各部位的金属分别凝固、再结晶，热影响区的金属还会发生显微组织的转变。焊缝和热影响区的组织与性能也与热的作用有关；由于焊接各部位经历不均匀的加热和冷却，从而造成不均匀的应力状态，产生不同程度的应力和应变；在焊接热作用下，受冶金、应力因素和被焊金属组织的共同影响，可能产生各种形态的裂纹；母材和焊条（焊丝）的熔化速度决定于焊接热效率，影响到焊接生产率。焊接过程的主要特点：焊接热过程的局部集中性；焊接热过程的瞬时性；焊接热源的运动性；焊接热过程的复合性，对流、热传导、辐射的复合传热。2.焊接热源对焊接热源的要求：热量高度集中，焊缝高质量，HAZ小。种类和特点电弧热—利用气体介质中的放电过程所产生的热能，应用广泛。化学热—利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂发生强烈反应产生的热（主要是气焊、热剂焊所用的热源）。电阻热—电流通过导体产生的电阻热（电阻焊、电渣焊）。摩擦焊—机械高速摩擦产生的热能（摩擦焊）。等离子焰—电弧放电或高频放电产生高度电离的气体，利用它本身携带的大量热能和动能（等离子焊接与切割）。电子束—在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使其动能转变为热能；激光束—利用受激辐射而使放射增强的光（即激光），经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）

表各种热源的主要特征焊接热效率电弧功率：V—电弧电压（V），I—焊接电流（A），q0—电弧功率，电弧单位时间内放出的能量（W）

用于加热焊件的功率为：

焊接电弧热功率有效利用率，简称焊接热效率。q分为两部分：q1—单位时间内熔化焊缝金属所需要的热量（包括熔化潜热）q2—单位时间内使焊缝金属处于过热状态的热量和向焊缝周围传导热量的总和。

焊缝金属熔化的热用有效利用率

m表示，定义为，

表示单位时间内熔化的母材金属的热量与电弧有效热功率的比值。焊件上的热能分布加热斑点：电弧传给焊件的热能有95%落在半径为rH的区域内，这个区域称为加热斑点。

热流密度：单位时间内通过单位面积提供给焊件的热能称为热流密度。

一般地用高斯曲线描述加热斑点上热流密度的分布：学者一般用高斯函数表示热流分布：q为焊接热源分布参数。rH、K、q以不同的概念表示电弧热能在加热斑点的分布情况，它们具有如下关系：3.焊接传热的基本公式19世纪初，傅立叶根据下述的假定条件，推导出单向传热的热传导公式。所研究的传热载体是致密的，没有不连续的地方；通过某截面的热量任何时间都是相同的。那么在截面积为F的细棒上，沿S轴向流过的热量（Q）与温度梯度的（）截面积（F）和传热时间（t）正比，即实际上许多材质并不是完全致密的，所以上式应改为微分式，即在dt时间内流过的热能为dQ.设则式中

q------热流密度，即法线方向单位面积、单位时间内流过的热能。

焊接传热的基本定律热传导定律（傅立叶定律）

为热导率（W/mK）。

对流换热定律（牛顿冷却公式）

T为流体温度与壁面温度的差值（K），k为对流放热系数（W/m2K）。辐射换热定律

T是物体表面的温度（K）。C0=5.67(W/m2K4)。

焊接温度场的数学描述全部放热综合考虑对流和辐射引入一个总的表面放热系数

，它是对流和辐射换热系数之和。热传导微分方程

为密度（kg/m3），Cp为定压比热容（J/kgK），T（K）为温度，t（s）为时间，

（W/mK）为热导率，坐标是x、y、z（m）。对于各向同性的材料，且其材料热物理性能参数值与温度无关时，热传导微分方程简化为，为热扩散率（导温系数）（m2/s）

在稳态温度场中，温度不随时间变化，热传导微分方程进一步简化为，移动热源的热传导微分方程，

v为焊接速度（m/s）。热传导微分方程的数学推导热传导微分方程式时根据傅立叶公式和能量守恒定律建立的。

体积元（dxdydz）同时由三个方向（X、Y、Z）输入热能∆QX、

∆QY和∆QZ，同时又向X、Y、Z三个方向传出热能∆Qx+dx

、∆Qy+dy

和∆Qz+dz

。

在X方向瞬时所积累的热能：

(dx)2为高阶无穷小，忽略

同理，在Y和Z方向积累的热能：

小立方体内总共所积累的热能：

由

根据同理已知容积比热【单位体积的物质温度升高1℃所需要的热能】。则可得

由于dQ的变化，在dt时间内必使微元体dxdydz的温度发生相应的变化，其值为

为温度变化的瞬时速度。能量守恒（输入热量的积累＝温度变化dT所需能量）

几个特例＝const

导温系数代表温度传播的速度，单位（cm2/s）定义：热传导微分方程：

式中▽2－拉普拉斯算符

①

二维温度场导热方程：

热传导方程②

一维温度场的导热方程：

热传导方程③稳定温度场：

热传导方程热传导微分方程的初始条件和边界条件初始条件：是初始时刻物体上的温度分布。边界条件：是物体边界上的热损失条件。对于稳态热传导，没有初始条件，仅有边界条件。热传导的边界条件规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件：特殊情况是，等温边界条件，即物体边界上的温度相等。规定边界上的热流密度值，称为第二类边界条件：

特殊情况是，绝热边界条件，

规定了边界上的物体与周围介质间的换热系数及周围介质的温度Tf，称为第三类边界条件：材料热物理性质的特征材料热物理性质的特征值是随温度变化的。热物理参数单位焊接条件下选取的平均值低碳钢不锈钢铝紫铜

W/(cm

℃)0.378~0.5040.168~0.3362.653.78CpJ/（g

℃）0.652~0.7560.42~0.501.01.22

CpJ/(cm3

℃)4.83~5.463.36~4.22.633.99

=

/

Cpcm2/s0.07~0.100.05~0.071.000.95

J/(cm2

s

℃)(0.63~37.8)×10-3（0~1500℃）———某些金属热物理性能参数的平均值

焊件几何尺寸和热输入的简化模型雷卡林（前苏联）、罗森塞尔（美）的假设如下：材料热物理性能参数不随温度而变化；材料无论在什么温度下都是固体，不发生相变，即忽略焊接熔池中的复杂过程。焊件的几何形状是无限的。根据焊件几何形状的大小，将其分为半无限体（三维传热）、无限大板（二维传热）和无限长杆（一维传热）。热源集中于一点、一线或一面。雷卡林的解析计算模型归纳为三类问题厚大焊件焊接—点热源薄板焊接—线热源细棒焊接—面热源

温度4.瞬时集中热源的温度场瞬时集中点状热源

热源作用在无限大焊件的某点上，即相当于点状热源。假如在瞬时把热源的热能Q作用在厚大焊件的某点上，则距热源为R的某点经t秒后，该点的温度可利用式下式求解，并且假定焊件的初始温度均为0℃,边界条件不考虑表面散热问题。式中：Q－焊件在瞬时所获得的热能（J）R－距热源的坐标距离，t－传热时间，工件获得Q热能的瞬时定为0并开始计时。

CP－被焊材料的容积比热(J/cm3·℃)

a－被焊材料的导温系数（cm2/s）

假定作用在无限大体O点的热源，能把热量Q在瞬时传给O点，求经t后，距O点为R的点的温度？

即：求解方程：

可以证明：

OxyzP讨论：（1）等温面的方程传热时间为t，温度为T

1的等温面

令

则

（2）时，T＝0，即无限远点T＝0R＝0时，

T按规律而降低，开始较快，随后逐步变慢

（3）R＝const，

令，得T取最大值Tm时时间可见：

在熔焊的条件下，热源传给焊件的热能是通过焊件表面进行的，因此热能在被焊金属中的传播是半球状，故常称之为半无限大体。

式中，r=(x2+y2)1/2。

瞬时集中线状热源

在厚度为h的无限大薄板上，当热源集中作用于某点时，即相当于线状热源（沿板厚方向热能均匀分布）。假如在瞬时把热能Q作用在焊件某点上，则距热源为r的某点，经t秒后，该点的温度可由二维热传导微分方程式求解。为简化计算，可假设焊件的初始温度为0℃，暂不考虑焊件与周围介质的换热问题。瞬时集中面状热源

假设有无限长的细棒，断面为F处有热源作用时，即相当于面状热源传热。如在瞬时之内把热能Q作用在细棒的某点上（或某断面），求距热源中心为x的某点，经t秒后该点的温度可由一维热传导微分方程式求解。为简化计算，同样也假设焊件的初始温度为0℃，边界条件暂不考虑散热。

累积原理（或叠加原理）

焊接时常遇到各种情况，如有数个热源同时作用或先后作用，或断续作用。在这种情况下，某点温度的变化是否与单独热源作用一样的求解呢？这个问题要用累积原理来解决。它的基本原理如下：假如有若干不相干的独立热源，作用在同一焊件上，则焊件上某点的温度等于各独立热源对该点产生温度的总和，即：

式中ri－第i个热源与计算点之间的距离；ti－第i个热源相应的传热时间。

5.焊接温度场的解析解在厚大焊件上高速热源的温度场

v大于36m/h可以用上述公式计算实际焊接传热,焊速越大精度越高.2.只能用于热源作用点后方的区域,距焊缝较远的点和热源作用的前方区域不能使用.厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场在薄板上高速热源的温度场

细棒焊接时的温度场

（s-1），为细棒表面散温系数，L为细棒的周长。焊接传热计算局限性及其发展

焊接热循环（WeldThermalCycle）

焊接热循环：焊接过程中焊件上的某点的温度随时间变化的曲线，叫做焊接热循环曲线。描述焊接过程中热源对用材金属的热作用。在焊缝两侧距焊缝远近不同的各点，所经历的热循环是不同。距焊缝越近的各点，加热的最高温度越高。

q为焊接热源分布参数。焊接条件下选取的平均值热源作用在无限大焊件的某点上，即相当于点状热源。①二维温度场导热方程：一般地用高斯曲线描述加热斑点上热流密度的分布：在薄板上高速热源的温度场焊接条件下选取的平均值电阻热—电流通过导体产生的电阻热（电阻焊、电渣焊）。电阻热—电流通过导体产生的电阻热（电阻焊、电渣焊）。那么在截面积为F的细棒上，沿S轴向流过的热量（Q）与温度梯度的（）等离子焰—电弧放电或高频放电产生高度电离的气体，利用它本身携带的大量热能和动能（等离子焊接与切割）。表示单位时间内熔化的母材金属的热量与电弧有rH、K、q以不同的概念表示电弧热能在加热斑点的分布情况，它们具有如下关系：加热斑点：电弧传给焊件的热能有95%落在半径为rH的区域内，这个区域称为加热斑点。4点是在预热的基础上焊接的，如焊缝的长度控制合适，那么AC3以上的停留时间仍可很短，使晶粒不易长大。焊接热循环（WeldThermalCycle）m2冷却时间与焊接热影响区组织、硬度的关系

冷却时间与组织的关系JG590钢JB800钢冷却时间与硬度的关系SHCCT图的应用多层焊接热循环的特点在实际焊接生产中，很少采用单层焊，多数是采用多层多道焊接，特别是厚壁有时需要焊接几十层，研究多层焊接热循环具有更为普遍的意义。多层焊是许多单层热循环交替作用，在相邻焊层之间