第三章材料成形热过程-PPT精选

1．焊接传热的基本形式
对于焊接过程来说，传导、对流和辐射都存在。 至于以那一种传热方式为主，要根据具体的焊接工 艺方法来确定。
在电弧焊的条件下，电弧所产生的热能，主要 是辐射和对流的形式传给焊件，母材和焊条在获 得热能以后，主要是以热传导的形式在内部进行扩 散。
焊接热过程研究的主要对象是焊件上的温度分 布及其随时间变化的规律，也就是研究焊接件的温 度场及其热循环，因此，主要是以热传导为主，适 当考虑辐射和对流的作用。
4．瞬时热源的热传导过程
假定焊件的初始温度To＝0，利用瞬时热源法比较容 易求得热传导基本方程的特解。其特解的一般表达式可写 成下列形式：
式中r——所研究的给定点P离热源作用点O的距离极坐标 n——常数，与热源种类有关； Q——焊件瞬时获得的热能(J)，见表3—5。
热传导
(1)点热源的特解
点热源
假定条件
3)边界条件规定：半无限大物体的表面为绝 热面，即热源的能量全部向物体内部传导；无限 大薄板的上下表面及无限细长杆件的周边均与周 围介质发生热交换，即表面传热。
4)假定材料在固态相变时，无相变潜热发生， 也就是除焊接热源外，再无其它任何热的来源。
5)假定焊接热源在单位时间内供给的能量q 在整个焊接过程中保持恒定；除固定位置的补焊 或点焊外，焊接速度应保持直线等速运动。
一、材料加热过程中的热效率
假设能源提供的热量为Q0。，而真 正用加热金属材料的热量为Q，那么热 效率η的定义η=Q/Q0 。
影响热效率的因素很多，主要与热 源的性质、热加工工艺方法、被加热材 料的种类、性质及尺寸形状、以及周围 介质环境等因素有关。
二、焊接成形加热过程的热效率
焊接时的热效率与焊接工艺方法有关，例如电弧焊时 的热效率约在70％左右，电渣焊的热效率约为80％左右， 电子束焊的热效率在90％以上。以电弧焊为例，电弧焊时， 电弧所产生的热能与电弧功率有关
1．预热区内的热交换特点
(1)炉气给热以对流传热方式为主 (2)传递热量大 (3)预热区高度的变动大
1．预热区内的热交换特点
铸铁在熔化温度时的平均热容约为0．67kJ／ kg·℃，熔化温度约为1200℃．设炉料的初始温度 为20℃，则预热区内所传递的热量为（1200-20） ×0.67=791kJ／kg。铸铁的熔化潜热约为230kJ／kg， 铁水的平均热容为0.96kJ／kg·℃，则铁水过热至 1400℃所需的总热量为：791+230+0.96(1400-1200) ＝1213kJ／kg。此时，由预热区传递的热量约占总 热量的65％左右，可见预热区内传递热量之大。
2．焊接热传导的基本方程
众所周知，热总是从物体的 高温部位向低温部位流动的，它 的流动规律服从于傅立叶 (Founer)定律。
qn=λdT/dn
(3-7)式中
λ——热导率[J/（cm·s·℃）]
表示某一物体的导热能力。
热传导基本方程
假设在一无限大物体内部任取一微元体dV ＝dxdydz，则在x、y、z三个方向的热流量的 变化为dqx、dqy、dqz在dt，那么在dt时间内微 元体dV的热量变化为
由于焦炭中除灰分以外主要是固定碳，如不计其它元素的影 响，则焦炭的发热量可按下式近似计算：
Qc=34000(1-A)(kJ/kg)
(3-5)
式中 A—干焦炭中灰的质量分数(％)；
34000—碳发热量的近似值(kJ／kg)
第三节 温度场
所谓温度场是加热和冷却过程中，某一瞬时 的温度分布。它可以用实测的方法或数值模拟计 算的方法来获得。
材料科学与工程学科基础课
材料成形原理与工艺
第三章 材料成形热过程
第三章 材料成形热过程
本章内容包括：
第一节 材料成形热过程的基本特点 第二节 材料加热过程的热效率 第三节 温度场 第四节 焊接热循环
第一节 材料成形热过程的基本特点
各种材料的成形，多数情况是要通过加热来进 行的。不同的材料成形方法、不同的加热方法，其 热过程的特点是不一样的。例如，凝固成形是要将 金属材料加热到液态，然后浇铸到预制的型腔中， 经过冷却凝固形成各种形状尺寸的机器零件；塑性 成形是将材料加热到塑性状态，通过外力及模具改 变材料的形状，制造成各种机器零部件；焊接成形 是将各种形状的零部件，通过局部加热，甚至熔化 凝固，连接成各种金属结构。材料成形的不同的热 过程对零部件及金属结构的质量以及缺陷的形成均 有重要的影响。
焦炭发热量
以冲天炉为例，它是以焦炭燃烧时的发热量提供热源的。焦 炭的发热量是按焦炭中各个元素的质量分数与该元素发热量的乘 积之和进行计算的，焦炭发热量的计算公式为：
QL=34000C+103000H+10900(S-O)-2500W [kJ/kg(焦炭)]
式中C、S、O、H、W—焦炭中碳、硫、氧、氢和水的质量分数 (％)。
(2)焊接工艺参数
同样的焊接热源，由于焊接 工艺参数不同，焊接温度场也 不同。
1）焊接速度v的影响如图 3-8a所示。
2)热源能量q的影响如图 3-8b所示。
当焊接线能E＝q／v为常 数时，同时增大q和v，如图38c所示。
热交换特点
电弧炉和感应电炉的加热速度比冲 天炉要快，液态金属的温度也较高。
凝固成形的冷却速度与浇铸方式、 铸模材料及零件大小和形状有关。通常 情况下，采用砂型模或陶瓷模浇铸比较 大型的铸件，其冷却速度要比采用金属 模浇铸小型铸件慢得多。
第二节 材料加热过程的热效率
一、材料加热过程中的热效率 二、焊接成形加热过程的热效率 三、凝固成形加热过程的热效率 四、塑性成形加热过程的热效率
固态焊接是对工件进行局部加热至塑性状态，通 过挤压使之成为一个牢固的接头；
固液相焊接是在两工件连接处的中间加入低熔点 的钎料和钎剂，通过加热使钎料和钎剂熔焊，母材不 熔化，然后经过冷却凝固，形成一个牢固的接头。
电弧焊热过程的一般特点
1)熔焊使用的热源比较集中，焊接热源的能量密度比较大， 相对加热面积比较小。
3．数学解析的假定条件
焊接温度场的数学表达式为：
T=f(x、y、z、t)
（3-13）
式中T——焊件上某一点在某一瞬时的温度；
x、y、z——焊件上某一点的空间坐标；
t——时间。
假定条件
1)假定焊件的尺寸形状概括为三种典型(图3—5)： a．半无限大物体(图3—5a)：厚板表面堆焊可视 为此种情况； b．无限大簿板(图3—5b)：x、y二个方向导热无 限，薄板对接焊接属于此种情况； c．无限长细杆(图3—5c)：只有在x一个方向导 热无限，钢筋类条棒状端面焊接属于此种情况。
假定条件
假定条件
2)假定焊接热源一律视为作用于微元体上的集中 热源，对应于焊件形式，假定有三种典型热源：
a．点状热源：作用在半无限大物体中的三维导热 的热源(图3—5a)T=f（x、y、z、t）；
b．线状热源：作用在无限大薄板中的二维导热的 热源(图3—5b)，T＝f (x、y、t)；
c．面状热源：作用在无限细长杆棒件中的一维导 热的热源(图3—5c)，T=f (x、t)。
液态金属由于加热熔化的方法不同，热交换的 方式不同，其加热速度、液态金属的温度等特点也 不一样。通常情况下，铸铁件采用冲天炉或三节炉 加热熔化；铸钢件或非铁合金件一般采用电弧炉或 感应电炉加热熔化。
冲天炉
冲天炉一般是通过焦碳的燃烧产生 的热量来加热熔化铸铁的。根据铸铁的 冶炼过程，冲天炉可分为
1. 预热 2. 熔化区 3. 过热区 4. 炉缸区
(1)热源的性质 (2)焊接工艺参数 (3)被焊金属的热物理性质 (4)焊件的板厚及形状
(1)热源的性质
焊接热源有许多种，如电弧、气体火焰、摩擦热、 电渣焊的熔渣电阻热等等。热源的性质不同，焊接时 的温度场也不同。以电弧焊为例，由于自由电弧和压 缩电弧的热能集中情况不一样，焊接温度场的形状也 不一样。电子束焊接时，能量极其集中，所以它的温 度场范围很小，温度梯度很大；而氧乙炔气焊时，热 源作用面积较大，因此，温度场的范围也较大，相对 温度梯度也较小。在电弧焊条件下，25mm以上的钢板 焊接时，就可以认为是点状热源；而100mm以上大厚 度工件电渣焊时，只能认为是线状热源。
众所周知，热量传递的基本形式是传导、对 流和辐射。不同的热加工工艺方法，其热交换的 形式和温度场的特点是不一样的。
一、焊接温度场
二、凝固成形温度场
三、塑性成形温度场
一、焊接温度场
所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下 被焊工件上(包括内部)各点在某一瞬时的温度分布。
1．焊接传热的基本形式 2．焊接热传导的基本方程 3．焊接温度场的数学表述法及其数学解析 的假定条件 4．瞬时热源的热传导过程 5．影响焊接温度场的因素
h—过热区实际起作用的高度。
4．炉缸区内的热交换特点
在一般情况下，冲天炉炉缸内虽有焦炭， 但基本上没有空气供给，几乎不燃烧发热，所以， 对于高温铁水来说，炉缸是个冷却区。炉缸愈深， 冷却作用就愈大。但是，如果在操作过程中打开 渣口，或在前炉顶上开设放气口，则因部分空气 进入炉缸，使炉缸内的焦炭燃烧发热，因而使炉 缸成为过热区的一部分，从而有利于铁水的过热。 此时，炉缸内的热交换的特点也与过热区相仿。
2．熔化区的热交换特点
(1)炉气给热以对流传热为主 (2)熔化区呈凹形分布 (3)熔化区高度波动大
3．过热区内热交换特点
(1)铁水的受热以与焦炭接触传导传热为主 (2)传热强度大 (3)炉气最高温度与区域高度起决定作用
过热度
并得出以下经验公式
式中
△T——铁水的过热度（℃）；
Tmax—过热区内炉气最高温度(℃)； Tf—铁水的平均熔化温度(℃)； a—炉气温度曲线特性系数；
P0=UI
(3-2)
式中 U—电弧电压(V)；
I—焊接电流(A)；
P0—电弧功率，即电弧在单位时间内放出的能量(w)