第二章 焊接力學(xué)分析(1)

1、 第二章第二章 焊接力學(xué)分析焊接力學(xué)分析 l 焊接焊接熱熱過程過程l 焊接焊接應(yīng)力應(yīng)變的基本概念、產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變的基本概念、產(chǎn)生原因原因l 焊接焊接應(yīng)力（分布應(yīng)力（分布、對、對結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的影響、調(diào)節(jié)和影響、調(diào)節(jié)和 控制控制措施措施）l 焊接焊接變形（計算、減小和控制措施）變形（計算、減小和控制措施）l 焊接焊接殘余應(yīng)力的測量方法殘余應(yīng)力的測量方法2.1 2.1 焊接熱源與熱功率焊接熱源與熱功率2.1.12.1.1焊接熱源焊接熱源一、焊接對熱源的主要要求一、焊接對熱源的主要要求二、常用焊接熱源二、常用焊接熱源（1 1）電?。╇娀?焊條電弧焊、埋弧焊、焊條電弧焊、埋弧焊、COCO2 2氣體保護焊、惰

2、性氣體保護焊、惰性氣體保護焊（氣體保護焊（TIGTIG、MIGMIG）等）等（2 2）電阻熱）電阻熱 電阻點焊（如凸焊，縫焊、點焊等）、電阻電阻點焊（如凸焊，縫焊、點焊等）、電阻對焊（壓力對焊、閃光對焊）及電渣焊對焊（壓力對焊、閃光對焊）及電渣焊（3 3）電磁感應(yīng)）電磁感應(yīng) （4 4）等離子束）等離子束 （5 5）激光束）激光束 CO CO2 2激光、激光、YAGYAG激光激光（6 6）電子束）電子束 （7 7）化學(xué)熱）化學(xué)熱 氧氧乙炔氣焊乙炔氣焊/切割、鋁熱劑焊、鎂熱劑焊等切割、鋁熱劑焊、鎂熱劑焊等（8 8）摩擦熱）摩擦熱 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊各種焊接熱源的主要各種焊接熱源的主要特性特性熱源

3、最小加熱面積（cm2）最大功率密度（W/cm2）正常焊接規(guī)范下的溫度（K）乙炔火焰金屬極電弧鎢極電弧(T1G)埋弧焊電渣焊10-210-310-310-310-321031041.5104210410432006000800064002000熔化極氬弧焊CO2氣體保護焊10-4104 105等離子電子束激光10-510-710-81.5105107 10918000240002.1.2 2.1.2 焊接熱源的熱功率焊接熱源的熱功率一、焊接電弧的熱效率一、焊接電弧的熱效率一般可將電弧看成是純電阻，其總功率或熱流量一般可將電弧看成是純電阻，其總功率或熱流量 為為 有效功率有效功率 （W）為）為 式

4、中，式中， 為功率系數(shù)，為功率系數(shù)， I為焊接電流（為焊接電流（A），）， U為電為電弧電壓（弧電壓（V）。）。0IU IU 焊接工藝制定中，常用焊接線能量（即單位長度焊焊接工藝制定中，常用焊接線能量（即單位長度焊縫的熱輸入縫的熱輸入 ）作為焊接規(guī)范（焊接電流、焊接電壓、）作為焊接規(guī)范（焊接電流、焊接電壓、焊接速度）的一個綜合指標(biāo)，表示為焊接速度）的一個綜合指標(biāo)，表示為 式中，式中， qW為焊接線能量（為焊接線能量（J/mm）, v為焊接速度。為焊接速度。qW對焊縫成形、熱影響區(qū)組織和焊接生產(chǎn)率等有較對焊縫成形、熱影響區(qū)組織和焊接生產(chǎn)率等有較大影響。大影響。WIUqv鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率

5、數(shù)據(jù)鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率數(shù)據(jù)焊接方法有效熱功率kJ/s焊接速度vmm/s焊接線能量qwkJ/mm熱效率焊條電弧焊氣保護金屬極弧焊氣何護鎢極電弧焊埋弧焊電子束焊激光焊氧乙炔焊1 205 1001 155 2500.5 101 51 10 515152515015010 3.52110100.051 0.650.900.650.900.200.500.850.950.950.970.800.950.250.85二、焊接電弧的能量密度二、焊接電弧的能量密度2( )krmq rq e2 3dk02dk三、焊接熔池三、焊接熔池2.2 2.2 焊接傳熱分析焊接傳熱分析2.2.1 2.2.1 熱傳導(dǎo)基

6、本概念熱傳導(dǎo)基本概念一、溫度場一、溫度場 物體內(nèi)各點溫度的分布情況，可表示為空間坐物體內(nèi)各點溫度的分布情況，可表示為空間坐標(biāo)（位置）和時間的函數(shù)，即標(biāo)（位置）和時間的函數(shù)，即式中，式中，x x，y y，z z為空間直角坐標(biāo)；為空間直角坐標(biāo)；t t為時間坐標(biāo)。為時間坐標(biāo)。不穩(wěn)定溫度場：溫度場內(nèi)各點的溫度隨時間而變化。不穩(wěn)定溫度場：溫度場內(nèi)各點的溫度隨時間而變化。反之，為穩(wěn)定溫度場反之，為穩(wěn)定溫度場等溫面：在某個時刻相同溫度的各點所組成的平面。等溫面：在某個時刻相同溫度的各點所組成的平面。( , , , )Tf x y z t溫度梯度溫度梯度gradTgradT：溫度場中任意一點的溫度沿等溫：溫度

7、場中任意一點的溫度沿等溫面法線方向的變化率面法線方向的變化率式中，式中，n n為單位法向矢量，為單位法向矢量， 為溫度在為溫度在n n方向上的偏方向上的偏導(dǎo)數(shù)。導(dǎo)數(shù)。溫度梯度是一個向量，垂直于等溫面，以溫度增加溫度梯度是一個向量，垂直于等溫面，以溫度增加的方向為正。的方向為正。熱量傳輸方向指向溫度降低的方向，與溫度梯度方熱量傳輸方向指向溫度降低的方向，與溫度梯度方向相反。向相反。0limnTTgradTnn nTn二、傅里葉定律（熱傳導(dǎo)定律）二、傅里葉定律（熱傳導(dǎo)定律）單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流密度單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流密度q q（J/(sJ/(smmmm2 2) )或

8、或 W/mmW/mm2 2）。）。物體等溫面上的熱流密度與該處等溫面的負溫度梯物體等溫面上的熱流密度與該處等溫面的負溫度梯度成正比，即度成正比，即 式中，式中，為導(dǎo)熱系數(shù)（為導(dǎo)熱系數(shù)（J/(sJ/(s mmmm K)K)） T/T/n n為溫度梯度（為溫度梯度（K/mmK/mm）一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，其余依次為固體一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，其余依次為固體非金屬、液體、氣體。非金屬、液體、氣體。Tqn n三、對流傳熱定律三、對流傳熱定律由牛頓定律，對于與流動的氣體或液體接觸的固體由牛頓定律，對于與流動的氣體或液體接觸的固體表面，其熱流密度表面，其熱流密度q qc c與對流換熱系數(shù)與對

9、流換熱系數(shù)c c（J/mmJ/mms s K K）和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（T-TT-T0 0）成正比，即成正比，即 其中：其中：TT固體表面溫度；固體表面溫度； T T0 0氣體或液體溫度。氣體或液體溫度。0()ccqTT四、輻射傳熱定律四、輻射傳熱定律根據(jù)斯蒂芬根據(jù)斯蒂芬波爾茲曼定律：受熱物體單位時間內(nèi)波爾茲曼定律：受熱物體單位時間內(nèi)單位面積上的輻射熱量，即其熱流密度單位面積上的輻射熱量，即其熱流密度q qr r與其表面與其表面溫度為溫度為4 4次方成正比次方成正比: : 其中：其中：C C0 0=5.67=5.671010-14-14（J

10、/mmJ/mm2 2 s s K K），適用于絕對），適用于絕對黑體；黑體； 1 1為黑度系數(shù)（吸收率）。為黑度系數(shù)（吸收率）。對于拋光后的金屬表面，對于拋光后的金屬表面， = 0.2 - 0.4= 0.2 - 0.4，對于粗糙、被氧化的鋼材表面，對于粗糙、被氧化的鋼材表面， = 0.6 - 0.9= 0.6 - 0.9，黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內(nèi)，黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內(nèi)， = 0.90 -0.95= 0.90 -0.95。40rqC T四、輻射傳熱定律四、輻射傳熱定律在焊接在焊接條件下，相對比較小的物體（溫度為條件下，相對比較小的物體（溫度為T T）在相）

11、在相對較寬闊的環(huán)境中（溫度為對較寬闊的環(huán)境中（溫度為T T0 0）冷卻，通過熱輻射）冷卻，通過熱輻射（和對流相比，高溫下熱輻射占主要地位）發(fā)生的（和對流相比，高溫下熱輻射占主要地位）發(fā)生的熱量損失按下式計算：熱量損失按下式計算： 作為上式的線性化近似：作為上式的線性化近似：其中其中：r r為輻射換熱為輻射換熱系數(shù)系數(shù)（J/mmJ/mm2 2 s s K K），），其其在很在很大程度上取決于大程度上取決于T T和和T T0 0 200-300 200-300，對流為主；，對流為主；800800時，輻射占時，輻射占80%80%4400()rqC TT0()rrqTT五、導(dǎo)熱微分方程五、導(dǎo)熱微分方程

12、對于均勻且各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，并且其材料特對于均勻且各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，并且其材料特征值與溫度無關(guān)時，在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，可征值與溫度無關(guān)時，在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，可得到下面的熱傳導(dǎo)微分方程式：得到下面的熱傳導(dǎo)微分方程式：其中：其中： -熱傳導(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)J/mmJ/mms s KK；c-c-質(zhì)量比熱容質(zhì)量比熱容J/gJ/g KK；-密度密度g/mm3g/mm3；Qv-Qv-單位體積逸出或單位體積逸出或消耗的熱能；消耗的熱能；Qv/Qv/ tt內(nèi)熱源強度。內(nèi)熱源強度。定義熱擴散系數(shù)定義熱擴散系數(shù)a=a=/c/c，并引入拉普拉斯算子，則，并引入拉普拉斯算子，則上式簡化為上式簡化為 2

13、222221()vQTTTTtcxyzct21vQTaTtct0( , , )TT x y z( , , , )ssTT x y z t( , , , )sTq x y z tn()asTTTncr2.2.2 2.2.2 焊接溫度場的解析分析焊接溫度場的解析分析正態(tài)分布熱源（高斯熱源）正態(tài)分布熱源（高斯熱源）：實踐證明，在電弧，束：實踐證明，在電弧，束流和火焰接焊時，更有效的方法是采用熱源密度流和火焰接焊時，更有效的方法是采用熱源密度q q* *為正態(tài)度分布的表面熱源，即假設(shè)熱量按概率分析為正態(tài)度分布的表面熱源，即假設(shè)熱量按概率分析中的高斯正態(tài)分布函數(shù)來分布中的高斯正態(tài)分布函數(shù)來分布：積分得：

14、積分得：其中：其中：qq熱熱源有效功率源有效功率 J/sJ/s； kk表表示熱源集中程度的系數(shù)示熱源集中程度的系數(shù)1/1/mmmm2 2 ； rr圓圓形熱源內(nèi)某點與中心的距離。形熱源內(nèi)某點與中心的距離。2*2max*max0*maxmaxexp()( )2,krFqqkrqq r dFqerdrkqqqqk2122222/3/3/3136),(czbyaxfeeeabcQfzyxq2222222/3/3/3236),(czbyaxreeeabcQfzyxq前半部分橢球內(nèi)熱源分布為前半部分橢球內(nèi)熱源分布為后半部分橢球內(nèi)熱源分布為后半部分橢球內(nèi)熱源分布為雙橢球形熱源形態(tài)雙橢球形熱源形態(tài)雙橢球雙橢球熱源熱源xvt222222()TTTTTvtcyz222222()TTTTvcyz0()exp22vRTTRa222Ryz02TTR0exp2vRTTRa0exp22vRTTRa2002exp224vvbTTKrhaaa2()