第二章焊接热过程

《第二章焊接热过程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章焊接热过程（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 焊 接 结 构第二章 焊接热过程 Welding thermal cycle材料成型及控制工程 2012.9焊接结构本 章 内 容2.1 基本概念及原理 2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的热作用焊接结构2.1 基本概念与原理 2.1.1 电弧焊热过程概述 （1）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焊接结构（2）产热机构电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放 电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量；相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜

2、热；变形热：构件变形时将产生变形热焊接结构（3）散热机构环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热 量；飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热 量损失。 焊接结构（4）热量传递方式l热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导； l对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的冲 击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带走 热量； l辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生 辐射，并传递热量； 焊接结构从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题：l 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。l 热量传输方式：涉及到

3、传导、对流、辐射等等l 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅）l 相变问题：潜热、热物理参数变化l 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。l 力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变 应力等。综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识，因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用 。 焊接结构2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律焊接结构焊接结构焊接结构焊接结构焊接结构2.1.3 焊接热源（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机械能、光辐射能和化学能等。 电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子

4、束热源等 （2）焊接热源的有效热功率（热效率）：1。 热输入 瞬时热源：采用热量QJ连续热源：采用热流量qJ/S 焊接结构（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接 传热的问题分为了三类： 焊接结构三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的传导，又称为厚板点热源模型二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维热传导，又称为薄板线热源模型一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整个截面，因此传热只有长度方向，又称为面

5、热源模型 焊接结构（4）分布热源模型 分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型 Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函 数描述电弧覆盖区域内的热流密度，即K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。焊接结构2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度 在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。 焊接结构2.2 焊接温度场分瞬时固定热源、移动热源两种类型。每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、二维线热源温度场、一维面热源温度场。 在整个

6、焊接过程中，热物理常数不随温度而改变； 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； 焊件的几何尺寸认为是无限的； 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的； 点热源不考虑散热。温度场分析假设：焊接结构2.2.1 瞬时固定热源（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）热传 导导 致的 能量 变化温度 变化 导致 的能 量变 化+焊接结构l 方程中假设初始条件为0，不考虑表面散热，则方程的特 解为 l 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为: 焊件表面上等温线的形状？焊接结构l温度场是半径为r的等温半球面l在固定的位置r处，T与t的关系当t0时

7、，T 当t时，T 0l在固定的时间t时，T与r的关系焊接结构(2) 瞬时线状热源（考虑散热）取微元hdxdy分析，上下两个表面的散热遵循 Newton、Stefan-Boltzmann定律，单位时 间内损失的热量为: 微元体由于降温产生的热量损失为 两个能量相等，整理得 其中，称为为散温系数，s-1. 焊接结构瞬时线热源为二维传热，其导热微分方程及特解为： 结合表面散热方程，瞬时线热源导热微分方程及特解为： 焊件上温度场的分布形态？等温线是以r为半径的圆环焊接结构SymbolDefinition an unitValuerDistance from weld (mm)lThermal cond

8、uctivity (J/(s mmC)0.05aThermal diffusivity (mm2/s)13.94Surface heat transfer coefficient (J/(s mm2C)CSpecific heat (J/(kgC)460rDensity (kg/mm3)7.8010-6温度场分析中常用符号及、含义及常用值（低碳低合金钢） 焊接结构（3）瞬时面状热源（考虑 散热）导热导热 微分方程及特解：考虑虑散热热后为为：其中为细为细 杆散温系数。焊件上温度场的分布形态？等温线是以x为距离的平面焊接结构2.2.2 连续移动集中热源的温度场 连续移动热源及多热源的温度场可以采用

9、叠加原理进行分析，即某点的温度等于每一个热源单独作用后产生的温度之和。连续热源可以看成是多个固定热源连续作用的结果。 （1）连续移动点热源移动热源在每一个瞬时dt内对某点温度的贡 献为： 连续移动点热源的温度场：焊接结构由于x=x0-vt，y=y0，z=z0，令 ，则连续移动点热源温 度场为 其达到极限状态时温度场为 焊接结构厚大焊件上点状移动热源的温度场TT焊接结构移动热源温度场与固定热源温度场的比较移动点热源固定点热源前沿陡降前后沿一致焊接结构（2）连续移动线状热源同点热源的分析可得：其达到极限状态时温度场为 K0为贝瑟尔函数散温系数焊接结构线状移动热源的温度场分布焊接结构（3）连续移动面

10、状热源采用与点热源的分析相同的方法，利用叠加原理可得：采用移动式坐标，经整理后可得 极限饱和面状热源的传热公式为 焊接结构（1）热源的性质（热源能量的集中性） 瞬时点状、线状、面状热源的温度梯度热热源Qeqnr备备注点热热源Q=2qt3线热线热 源Q= qt/h2h-厚度面热热源Q= qt/A1xA-截面积积2.2.3 影响焊接温度场的因素焊接结构（2）焊接规范 即焊接热输入焊接结构（3）被焊金属的热物理性质 （热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系 数等）焊接结构（4）焊件的板厚及形状焊接结构2.2.4 快速移动大功率热源的温度场 （1）厚板快速移动热源 相当于线热源的作用结果。在整个

11、长度方向热源热量分布是均匀 的，某点的温度相当于若干个dx上的线热源作用的总和。 焊接结构（2）薄板快速移动热源相当于面热源 焊接结构2.3 焊接热循环焊接热循环： 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焊接结构2.3.1 焊接热循环主要参数 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结构加热速度 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焊接结构加热的最高温

12、度 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同焊接结构 在相变温度以上的停留时间焊接结构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800500 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焊接结构冷却时间从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时所用时间扩散氢焊接结构2.3.2 焊接热循环的影响因素1.（1）距离焊接结构（2）焊接方法不同焊接方法的焊接热循环 1-手弧

13、焊 2-埋弧焊 3-电渣焊焊接结构短道多层焊接热循环 多层焊1. （3）焊接工艺的影响多层焊焊接结构长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊 缝基本上冷却到100-200以下。焊接结构 焊件尺寸形状的影响焊接结构 接头形式的影响焊接结构焊道长度的影响焊接结构预热温度的影响1. 预热温度提高焊接结构2.3.3 焊接热循环参数的计算（1）Tmax根据温度场函数求导数dT/dt=0的点的温度。 线热源焊接结构同样，线热源的Tmax：从理论上讲，当r0和y0=0时，Tmax=，这当然是不可能的。因 此应考虑金属熔点的限制更为合理，所以根据传热学的理论推导，可得 经验公式。焊接结构

14、厚板 薄板 式中 T0- 初始温度；TM- 熔点温度Tm-焊件上某点的最高温度E 线能量H thicknessr0，y0-某点距熔化边界的垂直距离c-容积比热容焊接结构（2）相变温度以上停留时间tHtH的计算非常复杂，可以采用计算法和图解法求解。厚板 薄板 焊接结构（3）瞬时冷却速度vc可通过对温度场函数进行微分获得。在r=0处厚板 焊接结构同样道理利用薄板高速热源的温度场公式 焊接结构当板厚发生变化时，由于散热条件不同冷却速度也会发生变化， 产生了薄板与厚板的区分。当热输入相同时，随着板厚增大到一定 程度，冷却速度将不再发生变化，此时即为厚板。若定义冷却速度 不再发生变化的板厚为临界板厚，则根据厚板冷却速度与薄板冷却速度相等得： 焊接结构（4）t8/5 当r0=0，y0=0时，只要t0，就是冷却阶段，整理后即可得出热影响区熔合线附近冷却到某一温度Tc时的冷却时间tc。 厚板 薄板 焊接结构薄板 焊接结构临临界板厚：引入电电弧热热效率和接头头形式参数，以上公式变为变为式中F3、F2分别别接头头形状系数焊接结构2.4 熔化区域的局部热作用焊接结构2.5 焊接热循环测试焊接结构作业： 综述焊接热源的描述方法。 针对埋弧焊的热循环，分析其主要热循环参数及其影 响因素。