Unit 焊接傳熱學基礎PPT課件

1、1傳熱學 傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學。傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學。 熱傳遞：熱傳導、對流和熱輻射熱傳遞：熱傳導、對流和熱輻射 許多學科都涉及到傳熱學的問題！許多學科都涉及到傳熱學的問題！p焊接傳熱焊接傳熱對焊接接頭形成過程中冶金過程、固態(tài)相變、組織性能和對焊接接頭形成過程中冶金過程、固態(tài)相變、組織性能和應力變形等均有重要影響！應力變形等均有重要影響！p焊接傳熱的形式：熱傳導為主，考慮輻射和對流的作用。焊接傳熱的形式：熱傳導為主，考慮輻射和對流的作用。p焊接傳熱過程研究內容：主要是焊件上的溫度分布及其隨時間的溫焊接傳熱過程研究內容：主要是焊件上的溫度分布及其隨時間的溫度變化問題。

2、度變化問題。第1頁/共30頁21.1 焊接過程分析焊接過程焊接過程熱源加熱熱源加熱熔化熔化冶金反應冶金反應 結晶結晶固態(tài)相變固態(tài)相變接頭（冷卻而形成）接頭（冷卻而形成）焊接熱過程的特點焊接熱過程的特點1.1.局部性局部性加熱和冷卻過程極不均勻加熱和冷卻過程極不均勻2.2.瞬時性瞬時性1800K1800K/s/s3.3.熱源是運動的熱源是運動的4.4.焊接傳熱過程的復合性焊接傳熱過程的復合性加熱過程加熱過程冷卻過程冷卻過程第2頁/共30頁31.2 焊接熱源 welding heat source 實現(xiàn)金屬焊接所需的能量實現(xiàn)金屬焊接所需的能量 熱能熱能 機械能機械能 焊接熱源的特點：焊接熱源的特點

3、： 能量密度高度集中；能量密度高度集中； 快速實現(xiàn)焊接過程；快速實現(xiàn)焊接過程； 保證得到高質量的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。保證得到高質量的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。熔焊第3頁/共30頁41.2 焊接熱源 welding heat source 焊接熱源的種類焊接熱源的種類 - -電弧熱電弧熱 氣體介質中的電弧放電氣體介質中的電弧放電 化學熱化學熱 可燃氣體可燃氣體 電阻熱電阻熱 電阻焊、電渣焊電阻焊、電渣焊 高頻感應熱高頻感應熱 磁性的金屬高頻感應產生二磁性的金屬高頻感應產生二次電流作為熱源次電流作為熱源 摩擦熱摩擦熱 機械高速摩擦機械高速摩擦 電子束電子束l高速運動的電子轟擊高速運動的電子轟

4、擊 等離子焰等離子焰 電弧或高頻放電電弧或高頻放電離子流離子流 激光束激光束 激光聚焦激光聚焦? ?新焊接能源？！新焊接能源？！第4頁/共30頁51.2 焊接熱源 welding heat source 點熱源（三維）點熱源（三維）point heat sourcepoint heat source 厚大焊件焊接厚大焊件焊接 線熱源（二維）線熱源（二維） linear heat sourcelinear heat source 薄板焊接薄板焊接 面熱源（一維）面熱源（一維）plane heat sourceplane heat source 細棒磨擦焊細棒磨擦焊第5頁/共30頁61.2 焊接熱

5、源 welding heat source 熱源在焊件上的分布熱源在焊件上的分布 熱流密度的分布熱流密度的分布q:q:電弧的有效功率電弧的有效功率q qmm: :加熱斑點中心的最大比熱流加熱斑點中心的最大比熱流d dH H: :回執(zhí)斑點直徑回執(zhí)斑點直徑加熱斑點的比熱流分布加熱斑點的比熱流分布-立體高斯錐體立體高斯錐體第6頁/共30頁71.2 焊接熱源 welding heat source 焊接熱效率焊接熱效率 電弧功率電弧功率 電弧有效熱功率電弧有效熱功率 熱效率熱效率UIq 00qq0qq焊接方法焊接方法焊條電弧焊焊條電弧焊0.770.770.870.87埋弧焊埋弧焊0.770.770.9

6、00.90電渣焊電渣焊0.830.83電子束及激光束電子束及激光束0.90.9TIGTIG焊焊0.680.680.850.85MIGMIG焊焊鋼鋼0.660.660.690.69鋁鋁0.700.700.850.85第7頁/共30頁81.3 焊接溫度場 field of weld temperature 狹義定義：某瞬時工件上各點的溫度分布狹義定義：某瞬時工件上各點的溫度分布 某個熱流密度的熱源以恒定的速度沿某個熱流密度的熱源以恒定的速度沿x x軸移動，軸移動，熱源周圍的溫度分布熱源周圍的溫度分布即即“焊接溫度焊接溫度場場”vtOOy yz zx( , , )tTf x y z 焊件上各焊件上各

7、點瞬時溫度點瞬時溫度分布的溫度分布的溫度場對分析場對分析焊焊接傳熱過程接傳熱過程, ,焊接物理冶焊接物理冶金過程金過程和和焊焊接化學冶金接化學冶金過程過程至關重至關重要。要。第8頁/共30頁91.3 焊接溫度場 field of weld temperature 焊條電弧焊時，焊接電弧做為熱源，焊條電弧焊時，焊接電弧做為熱源，對焊條和母材進行加熱對焊條和母材進行加熱 在焊接熱源作用下，母材上所形成的在焊接熱源作用下，母材上所形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分稱具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分稱為為熔池熔池焊接熔池形狀示意圖焊接熔池形狀示意圖第9頁/共30頁101.3 焊接溫度場 field o

8、f weld temperature焊接熔池表面積內部的流體流動模式焊接熔池表面積內部的流體流動模式第10頁/共30頁11商業(yè)軟件：商業(yè)軟件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT, MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,.第11頁/共30頁121.3 焊接溫度場 field of weld temperature 等溫線等溫線 等溫線不可能相交等溫線不可能相交 等溫線、等溫面之間有溫差等溫線、等溫面之間有溫差 大?。簻囟忍荻却笮。簻囟忍荻?方向：垂直于等溫面方向：垂直于等溫面焊縫STTT21第12頁/共30頁131.3 焊接溫度場 field of weld temperat

9、ure 隨著熱源的移動，熔池沿焊接方向作隨著熱源的移動，熔池沿焊接方向作同步移動同步移動 熔池前部熔池前部 母材不斷地熔化母材不斷地熔化 熔池尾部熔池尾部 熔池金屬不斷凝固，溫度逐漸降熔池金屬不斷凝固，溫度逐漸降低低熔池溫度分布熔池溫度分布1-1-熔池中部熔池中部 2-2-熔池前部熔池前部 3-3-熔池尾部熔池尾部第13頁/共30頁141.3 焊接溫度場 field of weld temperaturea.a. 坐標示意圖坐標示意圖b.b. xoyxoy面上沿面上沿x x軸的溫度軸的溫度分布分布c.c. xoyxoy面上的等溫線面上的等溫線d.d. yozyoz面上沿面上沿y y軸的溫度軸的

10、溫度分布分布e.e. yozyoz面上的等溫線面上的等溫線板厚板厚25mm25mm低碳鋼焊件低碳鋼焊件厚大焊件上點狀厚大焊件上點狀移動熱源的溫度移動熱源的溫度場場第14頁/共30頁151.3 焊接溫度場 field of weld temperature 典型焊接溫度場典型焊接溫度場 穩(wěn)定溫度場穩(wěn)定溫度場 不穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場常態(tài)常態(tài) 一維溫度場一維溫度場 二維溫度場二維溫度場 三維溫度場三維溫度場 焊接溫度場的影響因素焊接溫度場的影響因素 熱源的性質熱源的性質 焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù) 被焊金屬的熱物理性質被焊金屬的熱物理性質 焊件的板厚及形狀焊件的板厚及形狀第15頁/共30頁161.3

11、 焊接溫度場 field of weld temperature熱輸入量熱輸入量q q= =常數(shù)，常數(shù)，熱源移動速度熱源移動速度v v對溫度場的影響對溫度場的影響熱源移動速度熱源移動速度v v增加增加熱源功率熱源功率q q保持為常數(shù)時保持為常數(shù)時隨焊接速度隨焊接速度v v的增加的增加等溫線的范圍變小等溫線的范圍變小溫度場的寬度和長度均變小溫度場的寬度和長度均變小寬度顯著變小寬度顯著變小所以，等溫線的形狀變得細長所以，等溫線的形狀變得細長第16頁/共30頁171.3 焊接溫度場 field of weld temperature熱源移動速度v=常數(shù)，熱輸入量q對溫度場的影響熱源功率熱源功率q增加

12、增加熱源移動速度熱源移動速度v保持為常數(shù)時保持為常數(shù)時隨熱源功率隨熱源功率q的增加的增加等溫線在焊縫橫向變窄等溫線在焊縫橫向變窄等溫線在焊縫方向伸長等溫線在焊縫方向伸長第17頁/共30頁18熱源移動速度熱源移動速度v熱源功率熱源功率q增加增加1.3 焊接溫度場 field of weld temperatureq/v=常數(shù)，熱輸入量及熱源移動速度等比例變化時對溫度場的影響q/v保持為常數(shù)時保持為常數(shù)時同比例改變同比例改變q和和v等溫線拉長等溫線拉長溫度場范圍拉長溫度場范圍拉長第18頁/共30頁191.3 焊接溫度場 field of weld temperature在相同熱功率、熱源移動速度和

13、相同板厚條件下在相同熱功率、熱源移動速度和相同板厚條件下不同材料板上移動線熱源周圍的溫度場不同材料板上移動線熱源周圍的溫度場第19頁/共30頁201.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán) 在焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度隨時間由低而高，達到在焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度隨時間由低而高，達到最大值后又由高而低的變化最大值后又由高而低的變化 描述焊接熱源對被焊金屬的熱作用過程描述焊接熱源對被焊金屬的熱作用過程)(tfTiiizyx第20頁/共30頁211.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle 焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)

14、加熱速度加熱速度 加熱的最高溫度加熱的最高溫度 在相變溫度以上的停留時間在相變溫度以上的停留時間 冷卻速度或冷卻時間冷卻速度或冷卻時間焊接熱循環(huán)的參數(shù)HwMTHtCv8/5tMTHtCv第21頁/共30頁221.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱速度加熱速度加熱速度受許多因素影響：加熱速度受許多因素影響：不同的焊接方法不同的焊接方法不同的被焊金屬不同的被焊金屬不同厚度不同厚度不同焊接熱輸入等不同焊接熱輸入等加熱速度方面的研究還不夠充分加熱速度方面的研究還不夠充分特別是新工藝、如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏特別是新工藝、如真空電子束焊接

15、等數(shù)據(jù)很缺乏Hw第22頁/共30頁231.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱的最高溫度加熱的最高溫度據(jù)焊縫遠近不同的各點，加熱的最高溫度不同據(jù)焊縫遠近不同的各點，加熱的最高溫度不同MT第23頁/共30頁241.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)在相變溫度以上的停留時間在相變溫度以上的停留時間Htttt Htt加熱過程的停留時間冷卻過程的停留時間第24頁/共30頁251.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻速度或冷卻時

16、間冷卻速度或冷卻時間決定熱影響區(qū)組織性能決定熱影響區(qū)組織性能指焊件上某點熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時溫度的冷卻速度指焊件上某點熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時溫度的冷卻速度為了便于測量和分析比較，采用為了便于測量和分析比較，采用800800500500o oCC的冷卻時間來的冷卻時間來代替瞬時冷卻速度，因為這一溫度區(qū)間是相變的主要溫度范代替瞬時冷卻速度，因為這一溫度區(qū)間是相變的主要溫度范圍圍Cv8/5t第25頁/共30頁261.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻時間冷卻時間從從800800o oCC冷卻到冷卻到500500o oCC時所用時間時所用時間碳鋼、不易淬火的低合金鋼碳鋼、不易淬火的低合金鋼從從800800o oCC冷卻到冷卻到300300o oCC時所用時間時所用時間易淬火的低合金鋼易淬火的低合金鋼( (馬氏體相變點馬氏體相變點300300o oCC左右左右) )從從高溫高溫冷卻到冷卻到100100o oCC時所用時間時所用時間擴散氫擴散氫58t100t8 3t第26頁/共30頁271.4 焊接熱循環(huán) weld thermal cycle焊接熱循環(huán)的影響因素焊接熱循環(huán)的影響因素距離距離焊接方法焊接方法多層焊多層焊距焊縫距