焊接熱過程精品課件

1、焊接熱過程第1頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五1. 焊接熱過程的特點焊接熱過程：被焊金屬中存在的熱輸入、傳播以及分布，稱之為焊接熱過程。焊接熱過程對焊接質量和焊接生產(chǎn)率的影響：施加到被焊金屬上的熱能大小與分布狀態(tài)決定了溶池的形狀和尺寸；焊接溶池進行冶金反應的程度與熱的作用及溶池的存在時間有密切關系；在加熱和冷卻過程中，溶池內(nèi)部各部位的金屬分別凝固、再結晶，熱影響區(qū)的金屬還會發(fā)生顯微組織的轉變。焊縫和熱影響區(qū)的組織與性能也與熱的作用有關；由于焊接各部位經(jīng)歷不均勻的加熱和冷卻，從而造成不均勻的應力狀態(tài)，產(chǎn)生不同程度的應力和應變；在焊接熱作用下，受冶金、應力因素和被焊金屬組織

2、的共同影響，可能產(chǎn)生各種形態(tài)的裂紋；母材和焊條（焊絲）的熔化速度決定于焊接熱效率，影響到焊接生產(chǎn)率。第2頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五焊接過程的主要特點： 焊接熱過程的局部集中性；焊接熱過程的瞬時性；焊接熱源的運動性；焊接熱過程的復合性，對流、熱傳導、輻射的復合傳熱。第3頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五2. 焊接熱源對焊接熱源的要求：熱量高度集中，焊縫高質量，HAZ小。種類和特點電弧熱利用氣體介質中的放電過程所產(chǎn)生的熱能，應用廣泛。化學熱利用可燃氣體（液化氣、乙炔）或鋁、鎂熱劑發(fā)生強烈反應產(chǎn)生的熱（主要是氣焊、熱劑焊所用的熱源）。電阻熱電流通過

3、導體產(chǎn)生的電阻熱（電阻焊、電渣焊）。摩擦焊機械高速摩擦產(chǎn)生的熱能（摩擦焊）。等離子焰電弧放電或高頻放電產(chǎn)生高度電離的氣體，利用它本身攜帶的大量熱能和動能（等離子焊接與切割）。電子束在真空中利用高壓下高速運動的電子猛烈轟擊金屬局部表面，使其動能轉變?yōu)闊崮埽患す馐檬芗ぽ椛涠狗派湓鰪姷墓猓醇す猓?，?jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源（激光焊接與切割） 第4頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五表 各種熱源的主要特征第5頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五焊接熱效率 電弧功率： V電弧電壓（V），I焊接電流（A），q0電弧功率，電弧單位時間內(nèi)放出的能

4、量（W） 用于加熱焊件的功率為： 焊接電弧熱功率有效利用率，簡稱焊接熱效率。第6頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五q分為兩部分：q1單位時間內(nèi)熔化焊縫金屬所需要的熱量（包括熔化潛熱）q2單位時間內(nèi)使焊縫金屬處于過熱狀態(tài)的熱量和向焊縫周圍傳導熱量的總和。焊縫金屬熔化的熱用有效利用率m表示，定義為， 表示單位時間內(nèi)熔化的母材金屬的熱量與電弧有效熱功率的比值。第7頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五焊件上的熱能分布 加熱斑點：電弧傳給焊件的熱能有95%落在半徑為rH的區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域稱為加 熱斑點。 熱流密度：單位時間內(nèi)通過單位面積提供給焊件的熱能稱為熱流密

5、度。 一般地用高斯曲線描述加熱斑點上熱流密度的分布：第8頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五美國學者一般用高斯函數(shù)表示熱流分布：q 為焊接熱源分布參數(shù)。rH、K、 q 以不同的概念表示電弧熱能在加熱斑點的分布情況，它們具有如下關系：第9頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五3. 焊接傳熱的基本公式 19世紀初，傅立葉根據(jù)下述的假定條件，推導出單向傳熱的熱傳導公式。所研究的傳熱載體是致密的，沒有不連續(xù)的地方；通過某截面的熱量任何時間都是相同的。 那么在截面積為F的細棒上，沿S軸向流過的熱量（Q）與溫度梯度的（ ）截面積（F）和傳熱時間（t）正比，即實際上許多

6、材質并不是完全致密的，所以上式應改為微分式，即在dt時間內(nèi)流過的熱能為dQ .設則式中 q-熱流密度，即法線方向單位面積、單位時間內(nèi)流過的熱能。 第10頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五焊接傳熱的基本定律熱傳導定律（傅立葉定律） 為熱導率（W/mK）。 對流換熱定律（牛頓冷卻公式） T為流體溫度與壁面溫度的差值（K），k為對流放熱系數(shù)（ W/m2K）。輻射換熱定律 T是物體表面的溫度（K）。C0=5.67 (W/m2K4)。 焊接溫度場的數(shù)學描述第11頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五全部放熱 綜合考慮對流和輻射引入一個總的表面放熱系數(shù)，它是對流和

7、輻射換熱系數(shù)之和。 熱傳導微分方程 為密度（kg/m3），Cp為定壓比熱容（J/kgK），T（K）為溫度，t（s）為時間， （W/mK）為熱導率，坐標是x、y、z（m）。 對于各向同性的材料，且其材料熱物理性能參數(shù)值與溫度無關時，熱傳導微分方程簡化為， 為熱擴散率（導溫系數(shù)）（m2/s）第12頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五 在穩(wěn)態(tài)溫度場中，溫度不隨時間變化，熱傳導微分方程進一步簡化為， 移動熱源的熱傳導微分方程， v為焊接速度（m/s）。第13頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五熱傳導微分方程的數(shù)學推導熱傳導微分方程式時根據(jù)傅立葉公式和能量守恒定律

8、建立的。 體積元（dxdydz）同時由三個方向（X、Y、Z）輸入熱能QX 、 QY 和QZ，同時又向X、Y、Z三個方向傳出熱能Qx+dx 、 Qy+dy 和Qz+dz 。 在X方向瞬時所積累的熱能： (dx)2為高階無窮小，忽略 同理，在Y和Z方向積累的熱能： 第14頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五小立方體內(nèi)總共所積累的熱能： 由 根據(jù)同理第15頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五已知容積比熱【單位體積的物質溫度升高1所需要的熱能】。則可得 由于dQ的變化，在dt時間內(nèi)必使微元體dxdydz的溫度發(fā)生相應的變化，其值為 為溫度變化的瞬時速度。能量守恒

9、（輸入熱量的積累溫度變化dT所需能量） 第16頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五幾個特例const 導溫系數(shù)代表溫度傳播的速度，單位（cm2/s）定義：熱傳導微分方程： 式中2拉普拉斯算符 二維溫度場導熱方程： 熱傳導方程 一維溫度場的導熱方程： 熱傳導方程穩(wěn)定溫度場： 熱傳導方程第17頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五熱傳導微分方程的初始條件和邊界條件 初始條件：是初始時刻物體上的溫度分布。 邊界條件：是物體邊界上的熱損失條件。對于穩(wěn)態(tài)熱傳導，沒有初始條件，僅有邊界條件。 熱傳導的邊界條件規(guī)定了邊界上的溫度值，稱為第一類邊界條件： 特殊情況是，等溫

10、邊界條件，即物體邊界上的溫度相等。規(guī)定邊界上的熱流密度值，稱為第二類邊界條件： 特殊情況是，絕熱邊界條件， 規(guī)定了邊界上的物體與周圍介質間的換熱系數(shù)及周圍介質的溫度Tf，稱為第三類邊界條件： 第18頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第19頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第20頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第21頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第22頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第23頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五材料熱物理性質的特征 材料熱物理性質

11、的特征值是隨溫度變化的。第24頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五熱物理參數(shù)單位焊接條件下選取的平均值低碳鋼不銹鋼鋁紫銅W/(cm)0.3780.5040.1680.3362.653.78Cp J/（g）0.6520.7560.420.501.01.22CpJ/(cm3)4.835.463.364.22.633.99=/Cpcm2/s0.070.100.050.071.000.95J/(cm2s)(0.6337.8)10-3（01500）某些金屬熱物理性能參數(shù)的平均值 第25頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五焊件幾何尺寸和熱輸入的簡化模型雷卡林（前蘇聯(lián)

12、）、羅森塞爾（美）的假設如下：材料熱物理性能參數(shù)不隨溫度而變化；材料無論在什么溫度下都是固體，不發(fā)生相變，即忽略焊接熔池中的復雜過程。焊件的幾何形狀是無限的。 根據(jù)焊件幾何形狀的大小，將其分為半無限體（三維傳熱）、無限大板（二維傳熱）和無限長桿（一維傳熱）。熱源集中于一點、一線或一面。雷卡林的解析計算模型歸納為三類問題厚大焊件焊接點熱源薄板焊接線熱源細棒焊接面熱源 第26頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五溫度第27頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五4. 瞬時集中熱源的溫度場 瞬時集中點狀熱源 熱源作用在無限大焊件的某點上，即相當于點狀熱源。假如在瞬時

13、把熱源的熱能Q作用在厚大焊件的某點上，則距熱源為R的某點經(jīng)t秒后，該點的溫度可利用式下式求解，并且假定焊件的初始溫度均為0,邊界條件不考慮表面散熱問題。 式中：Q焊件在瞬時所獲得的熱能（J） R距熱源的坐標距離， t傳熱時間，工件獲得Q熱能的瞬時定為0并開始計時。 CP被焊材料的容積比熱(J/cm3) a被焊材料的導溫系數(shù)（cm2/s） 假定作用在無限大體O點的熱源，能把熱量Q在瞬時傳給O點，求經(jīng)t后，距O點為R的點的溫度？ 即：求解方程： 可以證明： O x y z P第28頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五討論：（1）等溫面的方程 傳熱時間為t，溫度為T 1的等溫面

14、令 則 （2） 時，T0，即無限遠點T0 R0時， T 按 規(guī)律而降低，開始較快，隨后逐步變慢 （3）Rconst， 令 ，得T取最大值Tm時時間可見： 第29頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五 在熔焊的條件下，熱源傳給焊件的熱能是通過焊件表面進行的，因此熱能在被焊金屬中的傳播是半球狀，故常稱之為半無限大體。 第30頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五式中， r=(x2+y2)1/2。 瞬時集中線狀熱源 在厚度為h的無限大薄板上，當熱源集中作用于某點時，即相當于線狀熱源（沿板厚方向熱能均勻分布）。假如在瞬時把熱能Q作用在焊件某點上，則距熱源為r的某點，

15、經(jīng)t秒后，該點的溫度可由二維熱傳導微分方程式求解。為簡化計算，可假設焊件的初始溫度為0，暫不考慮焊件與周圍介質的換熱問題。第31頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第32頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第33頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五瞬時集中面狀熱源 假設有無限長的細棒，斷面為F處有熱源作用時，即相當于面狀熱源傳熱。如在瞬時之內(nèi)把熱能Q作用在細棒的某點上（或某斷面），求距熱源中心為x的某點，經(jīng)t秒后該點的溫度可由一維熱傳導微分方程式求解。為簡化計算，同樣也假設焊件的初始溫度為0，邊界條件暫不考慮散熱。 第34頁，共93頁

16、，2022年，5月20日，2點41分，星期五第35頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第36頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五累積原理（或疊加原理） 焊接時常遇到各種情況，如有數(shù)個熱源同時作用或先后作用，或斷續(xù)作用。在這種情況下，某點溫度的變化是否與單獨熱源作用一樣的求解呢？這個問題要用累積原理來解決。它的基本原理如下： 假如有若干不相干的獨立熱源，作用在同一焊件上，則焊件上某點的溫度等于各獨立熱源對該點產(chǎn)生溫度的總和，即： 式中 ri第i個熱源與計算點之間的距離； ti第i個熱源相應的傳熱時間。 第37頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分

17、，星期五第38頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第39頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五5. 焊接溫度場的解析解第40頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第41頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五在厚大焊件上高速熱源的溫度場 第42頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第43頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五注意：1.焊接速度v大于36m/h可以用上述公式計算實際焊接傳熱,焊速越大精度越高. 2. 只能用于熱源作用點后方的區(qū)域,距焊縫較遠的點和熱源作用的前方區(qū)域不能使用.

18、第44頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第45頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五厚大焊件點狀連續(xù)移動熱源的準穩(wěn)定溫度場第46頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五在薄板上高速熱源的溫度場 第47頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第48頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第49頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第50頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五細棒焊接時的溫度場 （s-1），為細棒表面散溫系數(shù)，L為細棒的周長。第51頁，共93頁，2022年，5

19、月20日，2點41分，星期五焊接傳熱計算局限性及其發(fā)展 第52頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第53頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第54頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五焊接熱循環(huán)（Weld Thermal Cycle） 焊接熱循環(huán)：焊接過程中焊件上的某點的溫度隨時間變化的曲線，叫做焊接熱循環(huán)曲線。 描述焊接過程中熱源對用材金屬的熱作用。在焊縫兩側距焊縫遠近不同的各點，所經(jīng)歷的熱循環(huán)是不同。距焊縫越近的各點，加熱的最高溫度越高。 第55頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第56頁，共93頁，2022年，

20、5月20日，2點41分，星期五第57頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第58頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第59頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第60頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第61頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第62頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第63頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第64頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第65頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第66頁，共

21、93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第67頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第68頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第69頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第70頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第71頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第72頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第73頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第74頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第75頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分

22、，星期五第76頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五m2第77頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第78頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第79頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五冷卻時間與焊接熱影響區(qū)組織、硬度的關系冷卻時間與組織的關系第80頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第81頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第82頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五JG590鋼第83頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五JB800鋼第84頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五冷卻時間與硬度的關系第85頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第86頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第87頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第88頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五SHCCT圖的應用第89頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五第90頁，共93頁，2022年，5月20日，2點41分，星期五