焊接工藝基礎(chǔ)

1、焊接工藝基礎(chǔ)第一部分：焊接工藝常識第二部分：焊接結(jié)構(gòu)學(xué)第三部分：鎢極氬弧焊焊接工藝機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接工藝常識焊接工藝永久性連接起源于一次世界大戰(zhàn)后（凡爾賽公約）現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)工藝造船、航空、鍋爐、化工、機(jī)械、汽車基本焊接方法電弧焊：屬于熔化焊其他焊接方法：壓力焊、釬焊機(jī)械制造基礎(chǔ)本講內(nèi)容一、電弧焊工藝常識二、焊條電弧焊三、特種焊接工藝方法四、金屬材料的焊接性五、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)六、連接技術(shù)機(jī)械制造基礎(chǔ)一、電弧焊工藝常識1、焊接電弧氣體介質(zhì)中導(dǎo)電現(xiàn)象機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接電弧的熱量熱量來源于陽極43陰極36弧柱21熱量擴(kuò)散6585加熱熔化金屬其余散失在電弧周圍飛濺的金屬液機(jī)械制造基礎(chǔ)2、正接和反接溫度：陽極

2、：2600K陰極：2400K電弧中心：6000K 8000K直流焊接正接法：工件溫度高反接法交流焊接：兩極溫度均為2500K引弧電壓：5090V電弧電壓：1635V機(jī)械制造基礎(chǔ)3、焊接接頭的組織與性能焊接工件上溫度的變化與分布機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接接頭組織低碳鋼焊縫焊接熱影響區(qū)機(jī)械制造基礎(chǔ)4、焊縫從熔池底向中心凝固各個方向凝固速度不同柱狀鑄態(tài)組織鐵素體少量珠光體雜質(zhì)集中在焊縫中心，影響焊縫質(zhì)量機(jī)械制造基礎(chǔ)焊縫的熱影響區(qū)1融合區(qū)0.11mm，關(guān)鍵2過熱區(qū)脆性比融合區(qū)更大3正火區(qū)力學(xué)性能優(yōu)于母材4部分相變區(qū)比正火區(qū)稍差不同焊接方法熱影響區(qū)寬度不同焊后正火改善接頭性能機(jī)械制造基礎(chǔ)5、焊接應(yīng)力與變形極不平衡

3、的熱循環(huán)過程應(yīng)力分布規(guī)律先冷受壓，后冷受拉機(jī)械制造基礎(chǔ)消除焊接應(yīng)力提高母材塑性避免焊縫交叉避免焊縫過寬過長合理焊接順序先焊短焊縫后焊長焊縫預(yù)熱焊件、振動焊縫焊后退火機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接變形收縮變形角變形彎曲變形扭曲變形波浪變形機(jī)械制造基礎(chǔ)防止焊接變形減小焊接應(yīng)力提高結(jié)構(gòu)剛度對稱焊縫分布焊前反變形機(jī)械制造基礎(chǔ)防止焊接變形合理焊接操作平衡溫度分布利用變形機(jī)械制造基礎(chǔ)防止焊接變形焊后校正機(jī)械制造基礎(chǔ)二、焊條電弧焊焊條電弧焊過程藥皮燃燒：電弧周圍氣體：CO2、CO、H2熔池中熔渣，冷卻形成渣殼保護(hù)熔池中的熔化金屬機(jī)械制造基礎(chǔ)1、電焊條焊芯導(dǎo)電和填充焊縫焊接用鋼絲低碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼藥皮焊接過程順利進(jìn)

4、行焊縫化學(xué)成分、力學(xué)性能機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條藥皮作用提高電弧燃燒的穩(wěn)定性防止空氣對熔化金屬的有害作用對熔池脫氧、加入合金元素保證焊縫金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能穩(wěn)弧、造氣、造渣、脫氧、合金、稀渣、粘接原料種類原料名稱作用穩(wěn)弧劑碳酸鉀、碳酸鈉、長石、大理石、鈦白粉、鈉水玻璃、鉀水玻璃改善引弧性能、提高電弧燃燒的穩(wěn)定性造氣劑淀粉、木屑、纖維素、大理石造成一定量的氣體，隔絕空氣，保護(hù)焊接熔滴與熔池造渣劑大理石、長石、螢石、菱苦石、錳礦、鈦鐵礦、粘土、鈦白粉、金紅石造成具有一定物理化學(xué)性能的熔渣，保護(hù)焊縫，堿性渣中的CaO可脫硫、磷機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條藥皮的作用機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條種類按化學(xué)成分分成七大類碳鋼、低合金

5、鋼、不銹鋼、堆焊、鑄鐵、銅及銅合金、鋁及鋁合金焊條型號E4303：E碳鋼焊條43：焊縫抗拉43 kgf/mm20：(0/1)全位置焊接、(2)平焊、(4)向下立焊03：3、4為組合表示焊接電流種類和藥皮類型，03為鈦鈣型藥皮、交流或直流機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條種類焊條牌號J422、J507J：結(jié)構(gòu)鋼焊條（奧氏體不銹鋼A、鑄鐵Z）42：抗拉強(qiáng)度等級MPa（50、55、60、70、80）2：藥皮和電流種類機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條種類按熔渣性質(zhì)酸性焊條酸性氧化物比堿性氧化物多適合各種電源、易操作、電弧穩(wěn)定、成本低焊縫塑性韌性差、不宜用于重要構(gòu)件堿性焊條焊縫塑性韌性好、抗沖擊能力強(qiáng)要求直流電源、操作性差、電弧不夠穩(wěn)定

6、、價格高，適于重要構(gòu)件機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條選用原則選擇依據(jù)：根據(jù)焊件化學(xué)成分、力學(xué)性能、抗裂性、耐腐蝕耐高溫性能結(jié)構(gòu)形狀、受力情況、焊接設(shè)備條件低碳鋼和低合金鋼構(gòu)件：根據(jù)強(qiáng)度（兩構(gòu)件強(qiáng)度較低者為準(zhǔn)）酸性/堿性：根據(jù)重要性鑄鐵：堿性焊條和適當(dāng)工藝（預(yù)熱）不銹鋼和耐熱鋼：特殊、專用焊條機(jī)械制造基礎(chǔ)2、埋弧焊埋弧焊演示機(jī)械制造基礎(chǔ)埋弧焊特點(diǎn)大電流（1000A）、生產(chǎn)率高焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定節(jié)約金屬熱量集中、可無坡口、無焊條頭、飛濺少改善勞動條件無弧光、煙霧自動化程度高工藝裝備復(fù)雜，適合批量生產(chǎn)機(jī)械制造基礎(chǔ)焊絲與焊劑焊絲焊劑決定焊縫化學(xué)成分、力學(xué)性能熔煉焊劑、陶質(zhì)焊劑機(jī)械制造基礎(chǔ)埋弧焊工藝仔細(xì)下料、準(zhǔn)備（清理

7、）坡口、裝配引弧板與引出板焊后去掉機(jī)械制造基礎(chǔ)防止燒穿焊劑墊、墊板機(jī)械制造基礎(chǔ)環(huán)縫焊接機(jī)械制造基礎(chǔ)3、氣體保護(hù)焊氬弧焊機(jī)械制造基礎(chǔ)氣體保護(hù)焊CO2保護(hù)焊機(jī)械制造基礎(chǔ)4、等離子弧焊接與切割電弧壓縮機(jī)械壓縮熱壓縮電磁收縮中心區(qū)域溫度極高16000K焊接/切割熔點(diǎn)很高的金屬不銹鋼鈦、鎢機(jī)械制造基礎(chǔ)5、焊接自動化數(shù)控軌跡控制焊接質(zhì)量監(jiān)控機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接機(jī)器人焊接機(jī)器人演示機(jī)械制造基礎(chǔ)用電弧焊焊接鋼板的問題如圖拼焊一張大鋼板焊縫布置合理嗎？如何改進(jìn)？對稱，錯開如何合理安排焊縫順序？先短后長12345678機(jī)械制造基礎(chǔ)三、特種焊接工藝方法簡略了解其它焊接方法電阻焊、摩擦焊、釬焊、電渣焊真空電子束焊接、激光

8、焊接討論可以用于焊接的能源形式機(jī)械制造基礎(chǔ)1、電阻焊電阻熱Q=I2Rt特點(diǎn)生產(chǎn)率高、焊接變形小操作簡便、易實(shí)現(xiàn)自動（汽車外殼焊接）設(shè)備復(fù)雜、耗電量大接頭形式、工件厚度受到限制點(diǎn)焊、縫焊、對焊機(jī)械制造基礎(chǔ)點(diǎn)焊局部高溫焊合分流現(xiàn)象焊點(diǎn)的分布最小距離限制機(jī)械制造基礎(chǔ)點(diǎn)焊的接頭形式硬規(guī)范軟規(guī)范電極壓力表面清洗接頭形式機(jī)械制造基礎(chǔ)縫焊機(jī)械制造基礎(chǔ)對焊機(jī)械制造基礎(chǔ)對焊接頭形式機(jī)械制造基礎(chǔ)討論這個問題銅及銅合金可以采用電阻焊嗎？機(jī)械制造基礎(chǔ)2、摩擦焊機(jī)械制造基礎(chǔ)摩擦焊的接頭形式機(jī)械制造基礎(chǔ)3、釬焊焊接過程示意圖毛細(xì)管作用機(jī)械制造基礎(chǔ)釬焊硬釬焊450以上、接頭強(qiáng)度200MPa以上自行車架、工具、刀具軟釬焊45

9、0以下、接頭強(qiáng)度70MPa以下儀表、導(dǎo)電元件、各種低載荷構(gòu)件加熱方式烙鐵、火焰、電阻、感應(yīng)機(jī)械制造基礎(chǔ)釬焊的常見接頭形式機(jī)械制造基礎(chǔ)釬焊接頭的比較機(jī)械制造基礎(chǔ)4、電渣焊機(jī)械制造基礎(chǔ)5、真空電子束焊接機(jī)械制造基礎(chǔ)6、激光焊接機(jī)械制造基礎(chǔ)題外話：關(guān)于鋁熱劑什么是鋁熱劑通常把鋁粉和氧化鐵的混合物叫鋁熱劑用某些金屬氧化物(如V2O5，Cr2O3，MnO2等)代替氧化鐵也可以做鋁熱劑有什么特性難熔的金屬氧化物與混合物中的鋁反應(yīng)時放出大量熱有什么用？機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接鋼軌原理鋁熱反應(yīng)公式示例：使用鋁粉可還原氧化鐵Fe2O3 + 2 Al = 2Fe + Al2O3 還原反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱能，無需外部的能源，就

10、能熔化金屬，可以用來焊接鋼軌優(yōu)點(diǎn)這些原料完全徹底地和合金元素混合在一起形成鋁熱劑，它可以組成與鋼軌化學(xué)、冶金、和機(jī)械方面相匹配的焊接接頭機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接鋼軌過程鋁熱劑被投入到一個耐火坩堝中，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃，開始鋁熱反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，液態(tài)鋼自動從坩堝底部釋放到耐火模具，從而連接鋼軌的兩端。模具帶有幾何形狀特征，能控制鑄造和固化的過程。當(dāng)鋁熱鋼冷卻下來后，進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理來提高它的機(jī)械特性。 機(jī)械制造基礎(chǔ)鋁熱焊設(shè)備機(jī)械制造基礎(chǔ)其它用途冶煉難熔金屬軍事用途在炮彈導(dǎo)彈彈頭一但裝進(jìn)鋁熱劑成分，可極大地提高殺傷力。在前蘇聯(lián)科學(xué)家編寫的火箭炮一書中，談到火箭炮彈頭裝藥就有鋁熱劑的成分。在中國人民革命軍事博物

11、館里，展品中就有美軍的鋼盔、卡賓槍、被燒熔在一起，除了火箭彈以外，其它炸彈沒有如此大的能量。機(jī)械制造基礎(chǔ)選擇焊接方法自行車車架鋼窗家用液化氣罐主縫自行車圈電子線路板鍋爐殼體鋼軌對接不銹鋼儲罐硬釬焊（鹽?。┯测F焊、對焊、電弧焊縫焊縫焊外邊、閃光對焊軟釬焊埋弧焊、電渣焊閃光對焊、鋁熱焊等離子弧焊接、氬弧焊機(jī)械制造基礎(chǔ)四、金屬材料的焊接性焊接性概念設(shè)定相同（焊接方法、材料、參數(shù)、結(jié)構(gòu)）易焊、難焊：獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度焊接性并非一定焊接方法、焊接材料、焊接工藝評定方法工藝焊接性：出現(xiàn)工藝缺陷的傾向使用焊接性：使用中的可靠性（力學(xué)、特殊性能要求）機(jī)械制造基礎(chǔ)鋼材焊接性的估算碳當(dāng)量計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果0

12、.6% ：焊接性不好機(jī)械制造基礎(chǔ)小型抗裂實(shí)驗(yàn)法機(jī)械制造基礎(chǔ)碳鋼焊接低碳鋼（C% 應(yīng)力、變形開裂焊條電弧焊、埋弧焊、電渣焊、氣體保護(hù)焊電阻焊保證焊接接頭與母材等強(qiáng)度焊條：E4313(J421) E4303(J422) E4315(J427)等埋弧焊絲/焊劑：H08A(H08MnA) / 431機(jī)械制造基礎(chǔ)碳鋼焊接中碳鋼：C% （0.25% 0.6%）焊接性變差、淬硬傾向變大工藝特點(diǎn)：容易開裂：冷裂紋、熱裂紋必須預(yù)熱，減小工件各個部分的溫差細(xì)焊條、小電流、開坡口多層焊接焊條電弧焊、電渣焊（厚件）選擇抗裂能力較強(qiáng)的低氫型焊條、等強(qiáng)度焊條：E5016(J506)、 E6015D1(J607)機(jī)械制造基

13、礎(chǔ)合金鋼焊接合金結(jié)構(gòu)鋼焊接件較少工藝與中碳鋼近似低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝特點(diǎn)熱影響區(qū)的淬硬傾向：合金含量大小焊接接頭的裂紋傾向：冷裂紋傾向大小：含氫量、淬硬程度、應(yīng)力熱裂紋傾向不大（我國合金都含Mn）強(qiáng)度級別決定工藝低：同低碳鋼低溫大厚度高剛度構(gòu)件：大電流、慢速、低氫焊條、退火高：焊前預(yù)熱、焊后先消氫處理，再退火處理機(jī)械制造基礎(chǔ)鑄鐵補(bǔ)焊鑄鐵焊接性很差，只能進(jìn)行補(bǔ)焊焊接特點(diǎn)焊縫易形成白口、難以切削加工易開裂、易產(chǎn)生氣孔流動性好，只能進(jìn)行平焊熱焊法（600700）：防止開裂，補(bǔ)焊后可切削加工冷焊法（450以下）機(jī)械制造基礎(chǔ)非鐵金屬及其合金的焊接銅及銅合金困難導(dǎo)熱性太好，容易焊不透易氧化、易開裂、易形成

14、氣孔電阻很小，難以采用電阻焊銅合金比純銅更難焊接氬弧焊（紫銅、青銅）氣焊（黃銅）、碳弧焊、釬焊機(jī)械制造基礎(chǔ)非鐵金屬及其合金的焊接鋁及鋁合金也比較困難極易氧化、Al2O3阻礙金屬熔和、易夾渣導(dǎo)熱性較好，需預(yù)熱、使用大功率熱源容易產(chǎn)生氣孔（易吸收H2）高溫下強(qiáng)度塑性很低，焊縫塌陷氬弧焊、氣焊、點(diǎn)焊、縫焊、釬焊機(jī)械制造基礎(chǔ)選擇焊接方法圓筒低壓容器Q235鋼板20mm批量生產(chǎn)埋弧自動焊20鋼板2mm批量生產(chǎn)縫焊45鋼板6mm單件生產(chǎn)焊條電弧焊紫銅板4mm單件生產(chǎn)氬弧焊鋁合金板20mm單件生產(chǎn)氬弧焊不銹鋼板10mm小批生產(chǎn)氬弧焊機(jī)械制造基礎(chǔ)討論焊接工藝問題如圖鑄件補(bǔ)焊后還是開裂，怎么樣補(bǔ)焊才能既不開裂，

15、又能切削加工？機(jī)械制造基礎(chǔ)五、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)件材料的選擇應(yīng)選碳當(dāng)量小于0.4的金屬材料優(yōu)選強(qiáng)度等級低的低合金結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)選鎮(zhèn)靜鋼（脫氧完全）異種金屬間焊接以焊接性較差的金屬材料設(shè)計(jì)焊接工藝各種金屬材料的焊接性能可查表機(jī)械制造基礎(chǔ)1、合理選用型材減少焊縫數(shù)量機(jī)械制造基礎(chǔ)2、焊接接頭設(shè)計(jì)分散布置焊縫機(jī)械制造基礎(chǔ)3、對稱布置焊縫機(jī)械制造基礎(chǔ)對稱布置焊縫機(jī)械制造基礎(chǔ)對稱布置焊縫機(jī)械制造基礎(chǔ)4、避開應(yīng)力集中的位置機(jī)械制造基礎(chǔ)避開應(yīng)力集中的位置機(jī)械制造基礎(chǔ)避開應(yīng)力集中的位置機(jī)械制造基礎(chǔ)5、避開機(jī)械加工位置機(jī)械制造基礎(chǔ)6、便于電弧焊的設(shè)計(jì)機(jī)械制造基礎(chǔ)便于電弧焊的設(shè)計(jì)機(jī)械制造基礎(chǔ)便于電弧焊的設(shè)計(jì)機(jī)械制造基礎(chǔ)

16、7、便于埋弧焊的設(shè)計(jì)機(jī)械制造基礎(chǔ)8、便于點(diǎn)焊及縫焊的設(shè)計(jì)機(jī)械制造基礎(chǔ)其他布置原則盡可能平焊避免仰焊減少橫焊一次裝配，盡可能完成大部分焊接機(jī)械制造基礎(chǔ)9、焊條電弧焊接頭形式對接接頭機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條電弧焊接頭形式T型接頭機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條電弧焊接頭形式角接接頭機(jī)械制造基礎(chǔ)焊條電弧焊接頭形式搭接接頭機(jī)械制造基礎(chǔ)接頭過渡形式機(jī)械制造基礎(chǔ)接頭過渡形式機(jī)械制造基礎(chǔ)電渣焊接頭形式機(jī)械制造基礎(chǔ)討論如圖三個焊件這三個焊件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有問題機(jī)械制造基礎(chǔ)六、連接技術(shù)綜述通過機(jī)械、物理和化學(xué)方法，以及冶金方式，將多個零件連接成一個整體，并保持相互位置的工藝方法機(jī)械連接可拆卸連接/不可拆卸連接物理化學(xué)方法釬焊/粘接冶金方式

17、：焊接機(jī)械制造基礎(chǔ)機(jī)械連接可拆卸連接機(jī)械制造基礎(chǔ)機(jī)械連接不可拆卸連接機(jī)械制造基礎(chǔ)物理化學(xué)方法釬焊機(jī)械制造基礎(chǔ)物理化學(xué)方法粘接機(jī)械制造基礎(chǔ)討論：汽車中的連接舉例說明汽車中的連接可拆卸連接不可拆卸連接粘接焊接機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 緒論焊接技術(shù)在工業(yè)部門中應(yīng)用的歷史并不長，但其發(fā)展卻非常迅速。短短的幾十年中，焊接已在許多工業(yè)部門的金屬結(jié)構(gòu)中，如建筑鋼結(jié)構(gòu)，船體，鐵道車輛、壓力容器等幾乎全部取代了鉚接。此外，在機(jī)械制造業(yè)中，以往由整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛坯改成了焊接結(jié)構(gòu)，目前，世界主要工業(yè)國家生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)占到鋼產(chǎn)量的45%。機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 與鉚接、螺栓連接

18、的結(jié)構(gòu)相比較，或者與鑄造鍛造的結(jié)構(gòu)相比較，焊接結(jié)構(gòu)有下列特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：1、焊接接頭強(qiáng)度高 鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)，要在母材上鉆孔，削弱了工作截面，強(qiáng)度下降約20% 焊接；接頭強(qiáng)度可達(dá)到與母材等強(qiáng)度甚至高于母材強(qiáng)度。機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性大，主要表現(xiàn)在：焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀不受限制：如鉚、鑄、鍛等方法無法制造空心結(jié)構(gòu)，焊接則可以；結(jié)構(gòu)的壁厚不受限制：兩被連接構(gòu)件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；結(jié)構(gòu)的外形尺寸不受限制：對大型結(jié)構(gòu)可分段制成部件，現(xiàn)場組焊、鍛、鑄、工藝則不允許；可利用標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)型材組焊接成所需要結(jié)構(gòu)，段結(jié)構(gòu)重量減輕。焊縫減少；可與其它工藝方法聯(lián)合使用：鑄焊

19、 鍛焊 栓焊 沖壓焊接等聯(lián)合的金屬結(jié)構(gòu)；可實(shí)現(xiàn)異種材料的連接：同一結(jié)構(gòu)的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物盡其用。機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)3、焊接接頭密封性好 氣密性，水密性均優(yōu)于其它方法，特別是在高溫，高壓容器上，只有焊接接頭才是最理想的連接形式。4、焊前準(zhǔn)備工作簡單 由于近年來數(shù)控精密氣割設(shè)備的發(fā)展，對于各種厚度或形式狀復(fù)雜的待焊接，不必預(yù)劃線就能直接從板料上切割出來，一般不用再機(jī)械加工就可投入裝配焊接。機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)5、易于結(jié)構(gòu)的變更和改型 鑄造鑄型（木型） 鍛造開模具 周期長、成本高 焊接、則快速、簡便、投資少6、適用于制作大型或重型、結(jié)構(gòu)簡單而且是單

20、件小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu) 大 簡單 批量小 焊接占優(yōu)勢 結(jié)構(gòu) 小 復(fù)雜 批量大 鑄鍛占優(yōu)勢7、成品率高 一旦出現(xiàn)缺陷，可以修復(fù)、很少產(chǎn)生廢品。機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點(diǎn)）：1、存在較大的焊接應(yīng)力和變形 焊接（局部加熱）內(nèi)應(yīng)力變形工藝缺欠承載能力（剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性）下降尺寸精度，尺寸穩(wěn)定性下降校形增加工作量增加成本機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點(diǎn)）：2、對應(yīng)力集中敏感 焊接結(jié)構(gòu)具有整體性，其剛度大，焊縫的布置、數(shù)量和次序等都會影響到應(yīng)力分布，對應(yīng)力集中敏感，而應(yīng)力集中是疲勞，脆斷等破壞的起源，因此在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要妥善處理。機(jī)械制造

21、基礎(chǔ)緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點(diǎn)）：3、焊接接頭的性能不均勻 焊接金屬是由母材料和填充金屬在焊接熱作用下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材（近縫區(qū)）受焊接熱的影響，組織和性能發(fā)生變化（謂之熱影響區(qū)），因此，焊接接頭在成分，組織和性能上都是一個不均勻體，其不均勻程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鑄、鍛件，這種不均勻性對結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，特別是斷裂行為有重要影響。機(jī)械制造基礎(chǔ)焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 緒論二、焊接性分析焊接作為一種制造技術(shù)或生產(chǎn)手段，其目的是要獲得具有優(yōu)異的連接質(zhì)量和優(yōu)秀的使用性能的產(chǎn)品（或構(gòu)件）。但是由于焊接過程的復(fù)雜性和眾多的影響因素、非線性問題，瞬時作用以及溫度的相關(guān)性效應(yīng)等等，使得要正確

22、描述在各種情況下產(chǎn)生的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，準(zhǔn)確把握產(chǎn)品質(zhì)量變得非常困難。在實(shí)際工作中，人們采用焊接性的概念。作為一個分類系統(tǒng)，它在考慮焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的影響方面有一定的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)有可能將焊接性分解為熱學(xué)、力學(xué)，顯微結(jié)構(gòu)等過程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復(fù)雜性。 機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接性分析 1、構(gòu)件焊接性 與焊接冶金課程中介紹的，“材料焊接性”的概念相比，構(gòu)件焊接性含義更廣泛，它可以包含以下幾方面內(nèi)容：“材料的焊接適應(yīng)性”、“設(shè)計(jì)的焊接可靠性”和“制造的焊接可行性”。 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形是焊接性的多要組成部分，它影響到冷、熱裂紋、影響使用性能并妨

23、礙制造過程。 焊接性的定義機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接性分析2、影響焊接性的因素 根據(jù)上述分類，可將影響焊接的因素按下面的方式分類：影響焊接性的因素與材料有關(guān)的因素與制造有關(guān)的因素與設(shè)計(jì)有關(guān)的因素母材和填充材料的類型(化學(xué))成分和顯微組織結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐條件和負(fù)載，焊縫類型，厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形狀，焊接順序，多層焊，定位焊。夾緊、預(yù)熱和焊后熱處理。機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接性分析 從狹義上來說，焊接性可理解為所需求的強(qiáng)度性能、焊接接頭的強(qiáng)度受到化學(xué)分成或溫度循環(huán)等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型，或預(yù)熱溫度等的影響，強(qiáng)度行為可用一些主要的或物理特征值來描述，而這

24、些特征值又可能涉及另一些次要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影響強(qiáng)度性能的不完全的可變因素圖，由此，可看出“焊接性”的復(fù)雜性。 機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接性分析主要影響因素主要特征值合金元素含量相、顯微組織、晶粒尺寸冷卻時間、奧氏體化時間退火時間和溫度板厚、焊縫類型等效應(yīng)力、三軸度焊條藥皮、水分次要特征值碳當(dāng)量焊接性指數(shù)脆性指數(shù)裂紋敏感性指數(shù)（脆性）轉(zhuǎn)變溫度目標(biāo)參數(shù)硬度強(qiáng)度延展性冷列敏感性熱烈敏感性層狀撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蝕性次要影響因素焊條類型焊接方法焊接參數(shù)焊縫類型預(yù)熱溫度層數(shù)稀釋率燒穿，夾雜物化學(xué)成分 相變、顯微組織 焊接溫度循環(huán) 焊后熱處理 構(gòu)件形狀 負(fù)載條件 氫含量影響焊接接

25、頭強(qiáng)度的主要因素機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接性分析 焊接過程涉及到熱學(xué)、力學(xué)、金相學(xué)等多方面知識，將焊接性分解成溫度場、應(yīng)力和變形場、顯微組織狀態(tài)場，這對焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的數(shù)值分析處理很有價值。溫度場、應(yīng)力與變形場及顯微組織狀態(tài)場的分解和相互影響機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論 焊接性分析 “焊接性”是一個復(fù)雜的問題，以往對焊接性的描述多數(shù)為定性的語言描述，已經(jīng)發(fā)展了一些實(shí)驗(yàn)方法，可以針對某一具體情況或特定的性能參數(shù)來定量描述，但全面，宏觀上對焊接性進(jìn)行定量描述卻十分復(fù)雜，也十分困難。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，將焊接性分解成溫度場，應(yīng)力和變形場和顯微組織狀態(tài)場、這對于定量分析焊接問

26、題具有重要意義。 顯微組織轉(zhuǎn)變的影響機(jī)械制造基礎(chǔ)緒論本課程的內(nèi)容和范圍從前述內(nèi)容可以看出，焊接結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量問題涉及到三個主要方面，即熱場（溫度場），應(yīng)力和變形場以及顯微組織狀態(tài)場，其對應(yīng)的基本理論分別為熱學(xué)（傳熱學(xué)、）、力學(xué)（流體力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)）和金相學(xué)（金屬學(xué)、冶金學(xué)、金屬力學(xué)性能等）。關(guān)于顯微組織狀態(tài)場的問題，重點(diǎn)在焊接冶金學(xué)中解決，關(guān)于應(yīng)力和變形場以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等問題則是本課程的主要內(nèi)容。而熱場問題，由于沒有安排專門的課程來介紹，而其又是焊接過程的重要基礎(chǔ)，因此，在本學(xué)課程中一并解決，因此，本課程的主體思路為： 焊接過程加熱應(yīng)力變形接頭性能結(jié)構(gòu)特征焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品（實(shí)

27、例分析）機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程除冷壓焊等極個別的特例之外，其它焊接過程都需要加熱，即熱過程是伴隨焊接過程始終的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在熱過程的問題，如：工件在焊前進(jìn)行預(yù)熱和焊接之后進(jìn)行的冷卻和熱處理等過程。因此，熱過程在決定焊接質(zhì)量和提高焊接生產(chǎn)率等方面具有重要意義。焊接的熱過程是一個十分復(fù)雜的問題，從30年代由羅塞舍爾和雷卡林開始進(jìn)行了系統(tǒng)研究，到目前，已取得很大進(jìn)展，但尚未得到圓滿解決。這一問題的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程焊接熱過程的局部性或不均勻性與熱處理工藝不同，多數(shù)焊接過程都是局部進(jìn)行加熱的，只有在熱源直

28、接作用下的區(qū)域受到加熱，有熱量輸入，其它區(qū)域則存在熱量損耗，（舉例：電弧焊、電阻焊等），受熱區(qū)域的金屬熔化，形成焊接熔池，這正是引起殘余應(yīng)力和變形的根源。焊接熱源的相對運(yùn)動由于焊接熱源相對于工件的位置在不斷發(fā)生變化，這就造成了焊接熱過程的不穩(wěn)定性。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程焊接熱過程的瞬時性（非穩(wěn)態(tài)性）由于金屬材料中熱的傳播速度很快，焊接將必到用高度集中的熱源，這種熱源可以在極短的瞬間內(nèi)將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過程的時變性和非穩(wěn)態(tài)特性，例如，在最不利的情況下，構(gòu)件的初始溫度可達(dá)到-40，（在哈爾濱冬天的室外），而焊接熔池的最高溫度可以達(dá)到金屬汽化的溫度（鋼的沸點(diǎn)為30

29、00），而熔池的形成是在很短時間內(nèi)完成的，因此其加熱速度之快，?？梢赃_(dá)到1500/S以上。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程由以上幾點(diǎn)可以看出焊接的熱過程是十分復(fù)雜的問題，這給分析研究工作帶來了許多困難，但是如果我們能夠了解和掌握焊接熱過程的基本規(guī)律，能夠準(zhǔn)確知道工件任一位置在任一時刻的狀態(tài)和溫度，則對控制焊接質(zhì)量，調(diào)整焊接工藝參數(shù)，清除焊接應(yīng)力，減小焊接變形，預(yù)測接頭性能等方面均具有重的意義。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程到目前為止，世界上許多國家的焊接工作者對焊接熱過程進(jìn)行了大量的系統(tǒng)的研究工作，但距離上述要求還存在著差距，這主要是因?yàn)樵诮鉀Q一些復(fù)雜的焊接傳熱問題時間不得不提出一些數(shù)學(xué)上的假設(shè)

30、和推導(dǎo)，這一方面的經(jīng)典工作是由前蘇聯(lián)的雷卡林完成的，雷卡林的工作對一些相對簡單的情況給出一些解析解，但其結(jié)果常存在很大偏差，有時偏差量常?？梢赃_(dá)到100%，近期有限元理論和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，使一些復(fù)雜問題的計(jì)算得以進(jìn)行，因而使計(jì)算模型的建立可以更接近實(shí)際情況，準(zhǔn)確程度也明顯提高，但仍沒有達(dá)到完全實(shí)用化的程度，并且許多復(fù)雜的理論問題也未得到很好的解決，因此，焊接熱過程目前仍然是國際焊接界研究的熱點(diǎn)問題之一。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程本章以最常規(guī)的MIG焊為例來討論焊接熱源，熱場、流場的基本規(guī)律和焊接熱過程的計(jì)算方法，以及焊接熱循環(huán)的有關(guān)問題，目的是為討論焊接冶金、應(yīng)力、變形、熱影響區(qū)等建

31、立基礎(chǔ)。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章 焊接熱過程第一節(jié) 基本概念和基本原理第二節(jié) 整體溫度場第三節(jié) 焊接熱循環(huán)第四節(jié) 對熔化區(qū)域的局部熱作用機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過程概述 首先，我們來分析一下最典型的焊接過程-MIG焊接時都有哪些因素會影響到熱過程。1、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)電弧熱：焊接過程中熱量的最主要的來源，利用氣體介質(zhì)中的放電過程來產(chǎn)生熱量，來熔化焊絲和加熱工件；電阻熱：焊接電流過焊絲和工件時，將產(chǎn)生熱量；相變潛熱：母材和焊絲發(fā)生熔化時將產(chǎn)生相變潛熱；變形熱：構(gòu)件變形時將產(chǎn)生變形熱機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過程概述 2、散熱機(jī)構(gòu) 環(huán)境散熱：處于高溫的工件和焊

32、絲向周圍介質(zhì)散失熱量； 飛濺散熱：飛濺除發(fā)生質(zhì)量損失之外，同時也伴有熱量損失。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過程概述3、熱量傳遞方式 熱傳導(dǎo)：工件和焊絲中高溫區(qū)域的熱量將向低溫區(qū)域傳導(dǎo)； 對流換熱：焊接熔池內(nèi)部，由于各處溫度不同，加上電弧的沖擊作用產(chǎn)生強(qiáng)迫對流，工件表面處，周圍氣體介質(zhì)流過時帶走熱量； 輻射換熱：電弧本身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發(fā)生輻射，并傳遞熱量； 熱焓遷移：（1）具有高溫的熔滴從焊絲向母材遷移，在傳質(zhì)同時傳熱；（2）飛濺從熔池向四周飛散，同時傳質(zhì)傳熱。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理 從上述分析可以看出，要分析焊接熱過程，我們要處理幾方面

33、的問題：熱源：即熱量的來源；其產(chǎn)熱的機(jī)構(gòu)，性質(zhì)、分布、效率等。熱量傳輸方式：涉及到傳導(dǎo)、對流、輻射等等傳質(zhì)問題：流體流動（在熔池內(nèi)、環(huán)境氣體、飛濺）相變問題：潛熱、熱物理參數(shù)變化位移問題：熱源與工件相對位置變化、工件變形等。力學(xué)問題；電弧力、重力、等離子流力、熱應(yīng)力、拘束力、相變應(yīng)力等。 綜上，可見焊接熱過程是一個十分復(fù)雜的問題，涉及到多學(xué)科的知識，因此，在求解這一問題將要對各方面的知識加以綜合利用。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理二、焊接熱源 一般來說，必須由外界提供相應(yīng)的能量才能實(shí)現(xiàn)基本的焊接過程，也就是說有能源的存在是實(shí)現(xiàn)焊接的基本條件。到目前為止，實(shí)現(xiàn)金屬焊接所需要的能量從基本性

34、質(zhì)來看，包括有電能，機(jī)械能、光輻射能和化學(xué)能等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（1）電弧焊熱源 電弧焊時，熱量產(chǎn)生于陽極與陰極斑點(diǎn)之間氣體柱（弧柱、熱等離子體）的放電過程。焊接過程采用的是直接弧，陽極斑點(diǎn)和陰極斑點(diǎn)直接加熱母材和焊絲（或電極材料）。電弧柱產(chǎn)生的輻射和對流（氣流效應(yīng)）傳熱和電極斑點(diǎn)產(chǎn)生的輻射傳熱也起輔助作用。 等離子弧焊時，應(yīng)用非直接弧，也就是電弧是間接加熱被焊工件。直接?。褐饕饔茫宏?、陽極斑點(diǎn)直接加熱母材和焊絲； 輔助作用：弧柱產(chǎn)生的輻射、對流，電極斑點(diǎn)產(chǎn)生的輻射等。 間接?。褐饕揽枯椛浜蛯α骷訜帷?機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基

35、本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（2）氣體火焰焊接熱源 氣焊時，乙炔C2H2在純氧O2中部分燃燒，在環(huán)繞焰心的還原區(qū)形成一氧化碳CO和氫H2，然后在外焰區(qū)與空中的氧作用，完全燃燒形成二氧化碳CO2和水H2O蒸氣，焰流以高速沖擊焊接區(qū)表面，通過對流和輻射加熱工件。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（3）電阻焊熱源 包括電阻點(diǎn)焊（如凸焊，縫焊、點(diǎn)焊等）、電阻對焊（壓力對焊、閃光對焊）及電渣焊。 電阻點(diǎn)焊和電阻對焊時，最初起主要作用的是被焊構(gòu)件間（和與電極表面間）接觸區(qū)域的接觸電阻，導(dǎo)致表面加熱，表面局部熔化后，接觸電阻減弱甚至消失，（閃光對焊時，由于工

36、件反復(fù)分離，使接觸電阻得以保持），此后，起主要產(chǎn)熱作用的是取決于電流密度的體積加熱。在通過傳導(dǎo)或感應(yīng)傳遞能量的高頻電阻焊時，由于集膚效應(yīng)和傳輸電阻，首先使極薄的表面層被加熱；電渣焊時，熔融而導(dǎo)電的渣池被電阻熱加熱，并熔化母材和連續(xù)給進(jìn)的焊絲。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（4）摩擦焊 磨擦焊時，相對旋轉(zhuǎn)的表面被摩擦加熱，去除不純材料層，最后在軸向加壓及焊件在略低于熔點(diǎn)的溫度下連接起來。 攪拌摩擦焊是由于摩擦熱和變形熱來提高工件的溫度和塑性變形能力，并在壓力下形成接頭。 振動焊接（超聲波）時，利用了高頻率的摩擦效應(yīng)，但其溫度遠(yuǎn)低于材料熔化溫度。機(jī)械制造

37、基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（5）電子束焊接 在電子束焊時，電子（由熱陰極發(fā)射，電子透鏡聚焦）被大約10M厚的表面層吸收，并產(chǎn)生熱量。當(dāng)電子束功率密度足夠大時，焊件表面被熔化，最后導(dǎo)致形成很深的穿透型蒸氣毛細(xì)孔，其周圍是熔化的金屬，并由此進(jìn)行加熱焊接。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（6）激光焊接 聚焦的激光束直接照射焊接區(qū)域，并被大約0.5M厚的表面層吸收。如果功率密度足夠大，可以象電子束一樣形成毛化毛細(xì)管。作為實(shí)際焊接熱源，激光散焦時，通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量到焊件內(nèi)部。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源1

38、、焊接熱源的類型及特征（7）鋁熱劑焊接 這種方未能主要用于鋼軌焊接，熔池通過鋁粉和金屬氧化物的化學(xué)（放熱）反應(yīng)而使工件被加熱并形成熔池，反應(yīng)后形成鋁的氧化物（熔渣），填充金屬和熱量都是在反應(yīng)區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的。 從上述各種焊接熱源來看，有些熱量產(chǎn)生于表面（必須通過傳導(dǎo)將其傳送至工件內(nèi)部），有些產(chǎn)生于材料內(nèi)部。由于構(gòu)件及其坡口的幾何尺寸不同，和焊接熱源的可調(diào)節(jié)將性等方面的差異，在實(shí)際應(yīng)用中有各種變化。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源各種焊接熱源的主要特征熱源最小加熱面積（cm2）最大功率密度（W/cm2）正常焊接規(guī)范下的溫度（K）乙缺火焰金屬極電弧鎢極電弧(T1G)埋弧自動焊電渣焊1

39、0-210-310-310-310-321031041510421041043200K6000K8000K6400K2000K熔化極氬弧焊CO2氣體保護(hù)焊10-4104 105等離子電子束激光10-510-710-81.5105107 1091800024000機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 焊接熱源對焊接溫度場（熱場、流場）的影響主要表現(xiàn)在熱輸入?yún)?shù)上：熱輸入 瞬時熱源：采用熱量QJ 連續(xù)熱源：采用熱流量qJ/S 由于在焊接過程中所產(chǎn)生的熱量并非全部用于加熱工件，而是有一部分熱量損失于周同介質(zhì)和飛濺，因此，熱源也存在一個熱效率問題。 熱效率

40、（或稱功率系數(shù)量）h1機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 電弧焊時，一般可將電弧看成是無感的純電阻，則全部電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，其有效熱功率為：其中：q為電弧的有效熱功率J/S U為電弧電壓V I為電弧電流A h為功率系數(shù) R為電弧的歐姆電阻 Ieff為有效電流A（交流情況下，用瞬時 積分得出的有效值）機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 氣焊時，以乙炔的消耗量VAc為基本參數(shù)，有效熱功率為： 電阻焊（點(diǎn)焊和壓焊）時，其有效能量為其歐姆電阻R、有效電流Ieff和電流持續(xù)時間tc的乘積。 縫焊時(焊縫速度vm

41、m/s),常用單位長度焊縫的熱輸入qwJ/mm來替代單位時間的熱輸入q，這樣比較方便。 此外，根據(jù)不同的焊接方法，還可以用單位質(zhì)量熔敷金屬的熱量qm代替q和qw。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 在一定條件下，h是常數(shù)，其主要取決于焊接方法，焊接規(guī)范和焊接材料的種類。下表給出了鋼和鋁常用焊接方法的熱功率數(shù)據(jù)。鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率數(shù)據(jù)焊接方法熱力率qkJ/s焊接速度vmm/s單位長度熱功率qwkJ/mm熱效率h藥皮焊條電弧焊氣保護(hù)金屬數(shù)弧焊氣何護(hù)鍋極電弧焊電弧焊激光焊氧乙炔1205100115525015110 515152515010 3

42、.521100.051 0.650.900.650.900.200.500.950.950.900.950.250.85機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理三、傳熱基本定律熱傳導(dǎo)定律 金屬材料焊接時，局部集中的隨時間變化的熱輸入，以高速度傳播到構(gòu)件的邊遠(yuǎn)部分。在多數(shù)情況下，輸入和對流在熱輸入過程中，也起著重要的作用，因而也是構(gòu)件表面熱熱損失的主要因素。 熱傳導(dǎo)問題由傅立葉定律來描述：物體等溫面上的熱流密度q*J/mm2s與垂直于該處等溫面的負(fù)溫度梯度成正比，與熱導(dǎo)率成正比：其中： -熱導(dǎo)率J/mmsK T/n溫度梯度K/mm機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-傳熱定律對流傳熱定律 在氣體

43、和流體中熱的傳播主要借助于物質(zhì)微粒，的運(yùn)動，如果這種運(yùn)動僅僅由于溫度差引起的密度差而造成的，則產(chǎn)生自然對流，如果依靠外力來維持這種運(yùn)動，則產(chǎn)行強(qiáng)迫對流（如電弧和火焰的吹力效應(yīng)）。 由牛頓定律，某一與流動的氣體或液體接觸的固體的表面微元，其熱流密度q*c與對流換熱系數(shù)cJ/mmsK和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（T-T0）成正比:其中：T固體表面強(qiáng)度； T0氣體或液體溫度。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-傳熱定律輻射傳熱定律 加熱體的輻射傳熱是一種空間的電磁波輻射過程，可以穿過透明體，被不透光的物體吸收后又轉(zhuǎn)變成熱能，因此，任何物體間均處于相互熱交換狀態(tài)。 根據(jù)斯蒂芬波爾茲曼定律：

44、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q*r與其表面溫度為4次方成正比:其中:C0=5.6710-14J/mm2sK,適用于絕對黑體; 1為黑度系數(shù)(吸收率)。對于拋光后的金屬表面， =0.20.4,對于粗糙、被氧化的鋼材表面， =0.60.9,黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內(nèi)， =0.900.95。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理-傳熱定律輻射傳熱定律 在重要的焊接條件下，相對比較小的物體（溫度為T）在相對較寬闊的環(huán)境中（溫度為T0）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)生的熱量損失按下式計(jì)算：作為上式的線性化近似：其中：r為輻射換熱系數(shù)J/m

45、m2sK，其在很大程度上取決于T和T0。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理四、導(dǎo)熱微分方程 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，可得到下面的熱傳導(dǎo)微分方程式：其中：-熱傳導(dǎo)系數(shù)J/mmsK； c-質(zhì)量比熱容J/gK； -密度g/mm3 ； Qv-單位體積逸出或消耗的熱能； Qv/t內(nèi)熱源強(qiáng)度。 定義熱擴(kuò)散系數(shù)a=/c，并引入拉普拉斯算子2，則上式簡化為機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程的邊界條件常分為三類：（1）已知邊界上的強(qiáng)度值：即：（2）已知邊界上的熱流密度分布，即：（3）已知邊界上物體與周圍介質(zhì)間的熱交換，

46、即：當(dāng)邊界與外界無熱交換(即絕熱條件)時，T/n=0.其中：n-邊界表面外法線方向； qs-單位面積上的外部輸入熱流; -表面換熱系數(shù)(=c+r,包括輻射和對流換熱）； T周圍介質(zhì)溫度。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理 五、焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型 在此，建立運(yùn)動電弧用下三維TIG焊接池件的流體力學(xué)狀態(tài)和傳熱過程的數(shù)值分析的模型，電弧熱量使被焊金屬熔化并形成熔池，電弧以恒定的速度u0沿X方向移動。根據(jù)溫度分布，熔池分為前后兩部分，在熔池前部，輸入熱量大于散失的熱量，所以，隨著電弧的移動，金屬不斷熔化；在熔池后部，散失的熱量大于輸入的熱量，所以發(fā)生凝固。在熔池內(nèi)部則因自然對流、電磁力和表

47、面張力等的驅(qū)動，產(chǎn)生流體對流。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 在固定坐標(biāo)系（，y，z）中，熱能方程為其中:-密度；c比熱容；導(dǎo)熱系數(shù)；T溫度；t時間；u、v、w分別為x、y、z，方向上的速度分量。 上式的求解區(qū)域包括液態(tài)熔池和其周圍的固態(tài)金屬，在整個計(jì)算區(qū)域內(nèi)，是一個對流與導(dǎo)熱的問題，由于在固體中流體的流速為零，所以在實(shí)際固體中就轉(zhuǎn)化為純導(dǎo)熱問題，上式就還原成導(dǎo)熱微分方程。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 考慮到熱源是一個熱流密度為q(r)且以恒速運(yùn)動的電弧，在此進(jìn)行坐標(biāo)變換，將x=-u0t代入上式，就可以將

48、固定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以熱源中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的移動坐標(biāo)。其中，x為電弧移動方向上的點(diǎn)到熱源中心的距離。此時：上式為熱能方程，表示系統(tǒng)滿足能量守恒。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 對于熔池中的流體應(yīng)滿足動量守恒，即滿足動量方程；其中:流體黏度；P流體壓力； X、Y、Z 體積力在x、y、z方向上的分量。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型控制方程組 此外，流場還應(yīng)滿足一個附加的約束條件，即流體是連續(xù)和不可壓續(xù)的，也就是說需滿足連續(xù)性方程： 上述熱能方程，動量方程和連續(xù)性方程的就構(gòu)成了焊接熔池問題求解的控制方程組，求解的結(jié)果應(yīng)同時滿足上

49、述方程。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型體積力 動量方程中出現(xiàn)了X、Y、Z三個體積力分量，電弧焊接熔池中的體積力包括電磁力和自然對流項(xiàng)，體積力為：其中：j電流強(qiáng)度：B磁感應(yīng)強(qiáng)度；體積膨脹系數(shù)；g重力加速度；T溫差。 在x、y、z三個方面的分量分別為： 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型邊界條件熱能方程的邊界條件為：當(dāng)z=0（電弧覆蓋區(qū)域），有熱流q(r)向工件輸入熱量其中：I焊接電流；U焊接電壓；q-熱流分布函數(shù)；r距電弧中心的距離；h熱效率。當(dāng)z=L、z=0(上下表面的其它部分），通過對流和輻射向環(huán)境放熱，此時在固液界面上，T=

50、Tm，Tm為材料熔點(diǎn)。 當(dāng)y=0，表示要求解的溫度場關(guān)于中心平面(x-y)對稱，則機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型邊界條件動量方程和連續(xù)性方程的邊界條件在固體中和固液相界面上，在熔池表面上，機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型 由上述控制方程組和邊界條件就構(gòu)成了描述焊接熔池的數(shù)學(xué)模型，求解此模型，就可以確定工件上各點(diǎn)的溫度和熔池中流體的狀態(tài)。但由于方程的復(fù)雜性，沒有辦法求出解析解，所以只能用數(shù)值方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得這種復(fù)雜問題的求解已成為可能。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理構(gòu)件幾何尺寸的簡化 在進(jìn)行函數(shù)解析求解時

51、，將有關(guān)的幾何尺寸和熱輸入方式簡化，作為分析模型的一部分，是絕對必要的，這可以使最后的公式更為簡單。而在有限元求解時，原則上允許考點(diǎn)幾乎任何復(fù)雜的情況，但實(shí)際上要受到問題的復(fù)雜程度和計(jì)算資源的限制。 根據(jù)構(gòu)件的幾何形狀，引入三種基本的幾何形體，半無限擴(kuò)展的立方體（半無限體），無限擴(kuò)展的板（無限大板），和無限擴(kuò)展的桿（無限長桿）。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡化半無限體熱源作用于立方體表面的中心，為三維傳熱，半無限體可以作為厚板的模型。板厚度越大越得合這種模型。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡化無限大板認(rèn)為沿板厚度方向上沒有溫度梯度，即認(rèn)為是二維傳熱，熱流密

52、度在板厚度上為常數(shù)，作用于板中心的熱源功率在板厚度方向上也是常數(shù)，這一模型適用于薄板，板越薄吻合的越好。無限長桿 可將其看成是一維傳熱,在桿的橫截面上的熱功率為常數(shù)，這種假設(shè)可用于求解焊絲上的熱場。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡化 用簡化的無限擴(kuò)展體來代替有限尺寸，在許多情況下是合理的。特別是在構(gòu)件相應(yīng)方向上的尺寸越大，熱傳播周期（加熱和冷卻）越短，熱擴(kuò)散率越低，研究的區(qū)域離熱源越遠(yuǎn)，及傳熱系數(shù)越大時，效果越好。但當(dāng)構(gòu)件的幾何尺寸與這種無限擴(kuò)展體存在較大偏差時，將會帶來很大偏差，甚至產(chǎn)生不可解決的矛盾。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型熱源空間尺寸形狀的簡化

53、點(diǎn)熱源：作用于半無限體或立方體表面層,可模擬立方體或厚板的堆焊,熱量向X、Y、Z三個方向傳播。線熱源：將熱源看成是沿板最方向一條線，在厚度方向上，熱能均勻分布，垂直作用于板平面，可模擬對接焊，一次熔透的薄板，熱量二維傳播。面熱源：作用于桿的橫截面上，可橫擬電極端面或磨擦焊接時的加熱，認(rèn)為熱量在桿截面上均勻分布，此時只沿一個方向傳熱。 當(dāng)計(jì)算點(diǎn)遠(yuǎn)離熱源時，用集中熱源的簡化是成功的，但在接近熱源區(qū)域則很難模擬，特別是熱源中心處，成為數(shù)學(xué)處理上的一個奇異點(diǎn)，溫度將會開高至無限大。 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型正態(tài)分布熱源（高斯熱源）：實(shí)踐證明，在電弧，束流和火焰接焊時，更有效的方法

54、是采用熱源密度q*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：積分得：其中：q熱源有效功率J/s； k表示熱源集中程度的系數(shù)1/mm2； r圓形熱源內(nèi)某點(diǎn)與中心的距離。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型 當(dāng)q*max相同而k不同時，熱流密度的集中程度不同，k值，熱源集中程度，熱量就更集中，所以一般電子束、激光熱度的k值大，電弧的k值適中，火焰的k值小。 按照高斯分布曲線，熱源在無限遠(yuǎn)處才趨近于零。因此，要對熱源作用區(qū)域有個限制，即要確定加熱斑點(diǎn)的大小，一般取即認(rèn)為加熱斑點(diǎn)內(nèi)集中了95%以上的熱量，按此條件，正態(tài)分布熱源加熱斑點(diǎn)的外徑dn為： 有關(guān)文獻(xiàn)介紹

55、，電極斑點(diǎn)直徑大約為5的電弧測量出的dn=1435，而氣體火焰的dn=5584，決定于其焊矩的尺寸。 機(jī)械制造基礎(chǔ)卵形熱源（雙橢球熱源）有文獻(xiàn)介紹用一個近似于焊接熔池形狀和尺寸的半卵形分布的體積熱源可以描述深熔表面堆焊或?qū)雍缚p時的移動熱源。 假設(shè)在卵形面內(nèi)，其容積比熱源密度q*按高度斯正態(tài)分布，熱源密度在卵形面的中心有最大值，從中心向邊緣呈指數(shù)下降，卵形尺寸的選擇約比熔池小10%，總功率應(yīng)等于焊接過程的有效熱功率，在比較計(jì)算的和測量焊的焊接熔池和溫度場的基礎(chǔ)上，對參數(shù)進(jìn)行最后的校準(zhǔn)。 第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源模型前半部分橢球內(nèi)熱源分布為后半

56、部分橢球內(nèi)熱源分布為雙橢球形熱源形態(tài)雙橢球熱源分布函數(shù) 機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié) 基本概念和基本原理熱源作用時間因素的簡化瞬時熱源認(rèn)為熱源作用時間非常短（t0）。即在某一瞬間就向構(gòu)件導(dǎo)入了熱量QJ，點(diǎn)焊，點(diǎn)固焊，栓塞焊及爆炸焊等接近于這種情況。連續(xù)作用熱源認(rèn)為在熱源作用期間內(nèi)，熱源以恒定的熱流密度QJ/S導(dǎo)入構(gòu)件，對于各種連續(xù)焊接，符合這種情況。機(jī)械制造基礎(chǔ)第二節(jié) 整體溫度場一、瞬時固定熱源溫度場 瞬時固定熱源可作為具有短暫加熱及隨后冷卻的焊接過程（如點(diǎn)焊）的簡化模型，其相應(yīng)的數(shù)學(xué)解還可以作為分析連續(xù)移動熱源焊接過程的基礎(chǔ)，因此具有重要意義。為獲得簡化的溫度場計(jì)算分式，需要做一些假設(shè)：在整個焊接過程

57、中，熱物理常數(shù)不隨溫度而改變；焊件的初始溫度分布均勻，并忽略相變潛熱；二維或三維傳熱時，認(rèn)為彼此無關(guān)，互不影響；焊件的幾何尺寸認(rèn)為是無限的；熱源集中作用在焊件上是按點(diǎn)狀，線狀或面狀假定的。機(jī)械制造基礎(chǔ)第二節(jié) 整體溫度場作用于半無限體的瞬時點(diǎn)熱源 在這種情況下，熱量Q在時間t=0的瞬間作用于半無限大立方體表面的中心處，熱量呈三維傳播，在任意方向距點(diǎn)熱源為R處的點(diǎn)經(jīng)過時間t時，溫度增加為T-T0。 求解導(dǎo)熱微分方程，可有特解：式中；Q焊件瞬時所獲得的能量J； R距熱源的距離，R2=X2+Y2+Z2； t傳熱時間s； c焊件的容積J/mm2； a導(dǎo)溫系數(shù)mm2/s。機(jī)械制造基礎(chǔ)第二節(jié) 整體溫度場特解

58、的證明： 由導(dǎo)熱微分方程式 我們只要證明 是上面微分方程一個特解即可。 在此令 則機(jī)械制造基礎(chǔ)第二節(jié) 整體溫度場特解的證明： 同樣，求 ，即在ox方向上的溫度梯度： 則 同理機(jī)械制造基礎(chǔ)第二節(jié) 整體溫度場特解的證明： 將上面?zhèn)€式代入導(dǎo)熱微分方程： 等式兩端完全相等，說明特解正確。因此，只要確定常數(shù)項(xiàng)，即可得到通解。機(jī)械制造基礎(chǔ) 此時溫度場是一個半徑為R的等溫球面，考慮到焊件為半無限體，熱量只在半球中傳播，則可對溫度場計(jì)算公式進(jìn)行修正，即認(rèn)為熱量完全為半無限體獲得：T0為初始溫度。 在熱源作用點(diǎn)（R=0）處，其溫度為在此點(diǎn)，當(dāng)t=0時，T-T0，這一實(shí)際情況不符合（電弧焊時，Tmax約為2500

59、，這是點(diǎn)熱源簡化的結(jié)果）。第二節(jié) 整體溫度場機(jī)械制造基礎(chǔ) 隨著時間t延長，溫度T隨1/t3/2呈雙曲線趨勢下降，雙曲線高度與Q成正比。在中心以外的各點(diǎn)，其溫度開始時隨時間t的增加而升高，達(dá)到最大值以后，逐漸隨t0而下降到環(huán)境強(qiáng)度T0。第二節(jié) 整體溫度場機(jī)械制造基礎(chǔ)第二節(jié) 整體溫度場 作用于無限大板的瞬時線熱源 在厚度為h的無限大板上，熱源集中作用于某點(diǎn)時，即相當(dāng)于線熱源（即沿板厚方向上熱能均勻分布）。 t=0時刻，熱量Q作用于焊件，焊接初始強(qiáng)度為T0。求解距熱源為R的某點(diǎn)，經(jīng)過t妙后的溫度。此時可用二維導(dǎo)熱微分方程求解，對于薄板來說，必須考慮與周圍介質(zhì)的換熱問題。機(jī)械制造基礎(chǔ)作用于無限大板的瞬

60、時線熱源 當(dāng)薄板表面的溫度為T0時，在板上取一微元體hdxdy，在單位時間內(nèi)微元體損失的熱能為dQ:式中；2考慮雙面散熱 表面散熱系數(shù)J/mm2sK T板表面溫度 T0周圍介質(zhì)溫度 由于散熱使微元體hdxdys的溫度下降了dT， 則此時失去的熱能應(yīng)為dQ:第二節(jié) 整體溫度場機(jī)械制造基礎(chǔ)作用于無限大板的瞬時線熱源上兩式相等，整理得：式中，b=2/ch被稱為散溫系數(shù)s-1。 因此，焊接薄板時如考慮表面散熱、則導(dǎo)熱微分方程式中應(yīng)補(bǔ)充這一項(xiàng)，即： 第二節(jié) 整體溫度場機(jī)械制造基礎(chǔ)作用于無限大板的瞬時線熱源此微分方程的特解為： 此為薄板瞬時線熱源傳熱計(jì)算公式，可見，其溫度分布是平面的，以r為半徑的圓環(huán)。在