第一章焊接热过程分析

1、焊接热源的类型及特征
（7）铝热剂焊接 这种方未能主要用于钢轨焊接，熔池通过铝粉和金 属氧化物的化学（放热）反应而使工件被加热并形成 熔池，反应后形成铝的氧化物（熔渣），填充金属和 热量都是在反应区体积内产生的。
从上述各种焊接热源来看，有些热量产生于 表面（必须通过传导将其传送至工件内部）， 有些产生于材料内部。由于构件及其坡口的几 何尺寸不同，和焊接热源的可调节将性等方面 的差异，在实际应用中有各种变化。
其中:C0=5.6710-14[J/mm2sK],适用于绝对黑体; ＜1为黑度系数(吸收率)。 对于抛光后的金属表面， =0.2—0.4,对于粗糙、被氧化 的钢材表面， =0.6—0.9,黑度随温度的增加而增加， 在熔化温度的范围内， =0.90—0.95。
辐射传热定律
第一节 基本概念和基本原理--传热定 律
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征
（5）电子束焊接 在电子束焊时，电子（由热阴极发射，电子 透镜聚焦）被大约 10μM厚的表面层吸收，并 产生热量。当电子束功率密度足够大时，焊件 表面被熔化，最后导致形成很深的穿透型蒸气 毛细孔，其周围是熔化的金属，并由此进行加 热焊接。
第一章
第一节 第二节 第三节 第四节
焊接热过程
基本概念和基本原理 整体温度场 焊接热循环 对熔化区域的局部热作用
第一节
基本概念和基本原理
一、焊接热源
一般来说，必须由外界提供相应的能量 才能实现基本的焊接过程，也就是说有能 源的存在是实现焊接的基本条件。到目前 为止，实现金属焊接所需要的能量从基本 性质来看，包括有电能，机械能、光辐射 能和化学能等。
第一章 焊接热过程
国内外发展历史和研究现状
1930--罗森塞尔—移动热源在固体中的热传导 1930--雷卡林（苏）—大量的工作—解析法公式， 假设 （1）热源集中于一点、一线或一面 （2）材料无论在什么温度下都是固体，不发生 相变 （3）材料的热物理性能不随温度发生变化 （4）焊接构建的几何尺寸是无限的 远离热源处是准确，近处相差比较大，100%
第一章 焊接热过程
国内外发展历史和研究现状 1950—对雷卡林修正和改造但进展不大 1975—佩雷（加）-有限差分法（计）（1）热源在有限的体积内 （2）材料的热物理性能随温度发生变化 （3）工件无限长，忽略散热 1976—格鲁斯（美）--二维有限元法模型 （1）导热系数和比热作为温度的函数 （2）考虑了相变潜热，但是还不够精确
在重要的焊接条件下，相对比较小的物体（温度 为T）在相对较宽阔的环境中（温度为T0）冷却，通 过热辐射（和对流相比，高温下热辐射占主要地位） 发生的热量损失按下式计算：
q C0 (T T )
* r 4 4 0
作为上式的线性化近似： 其中：r为辐射换热系数[J/mm2sK]，其在很大程度上 取决于T和T0。
第一节
基本概念和基本原理--焊接热源
2、焊接热源的有效热功率（热效率）
气焊时，以乙炔的消耗量 VAc 为基本参数，有效 热功率为：
q h 3.2V Ac
电阻焊（点焊和压焊）时，其有效能量为其欧姆 电阻R、有效电流Ieff和电流持续时间tc的乘积。 2 Q h RIeff tc 缝焊时(焊缝速度v[mm/s]),常用单位长度焊缝的 热输入 qw[J/mm] 来替代单位时间的热输入 q ，这样 比较方便。
q r (T T0 )
* r
第一节
基本概念和基本原理
三、导热微分方程
对于均匀且各向同性的连续体介质，并且其材料 特征值与温度无关时，在能量守恒原理的基础上， 可得到下面的热传导微分方程式：
T 2T 2T 2T 1 Qv ( 2 2 2 ) t c x y z c t
熔化极氩弧焊 CO2气体保护焊 等离子 电子束 激光
104 — 105 1.5×105
107 — 109
10-5 10-7 10-8
18000—24000 —— ——
第一节
基本概念和基本原理--焊接热源
2、焊接热源的有效热功率（热效率）
焊接热源对焊接温度场（热场、流场）的影响 主要表现在热输入参数上： 热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S] 由于在焊接过程中所产生的热量并非全部用于 加热工件，而是有一部分热量损失于周同介质和 飞溅，因此，热源也存在一个热效率问题。 热效率（或称功率系数量）h＜1
其中：--热传导系数[J/mmsK]； c--质量比热容[J/gK]； --密度[g/mm3] ； Qv--单位体积逸出或消耗的热能； Qv/t—内热源强度。 定义热扩散系数a=/c，并引入拉普拉斯算子 2， 则上式简化为 T 1 Qv 2
第一节
基本概念和基本原理--焊接热 源
2、焊接热源的有效热功率（热效率）
电弧焊时，一般可将电弧看成是无感的纯电阻， 则全部电能转变为热能，其有效热功率为： 2 q hUI h RIeff 其中：q为电弧的有效热功率[J/S] U为电弧电压[V] I为电弧电流[A] h为功率系数 R为电弧的欧姆电阻[Ω] Ieff为有效电流[A]（交流情况下，用瞬时 积 分得出的有效值）
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
各种焊接热源的主要特征
热源 乙缺火焰 金属极电弧 钨极电弧(T1G) 埋弧自动焊 电渣焊 最小加热面 积（cm2） 10-2 10-3 10-3 10-3 10-3 10-4 最大功率密 正常焊接规范 度（W/cm2） 下的温度（K） 2×103 104 1．5×104 2×104 104 3200K 6000K 8000K 6400K 2000K
焊接热过程
焊接传热学研究的实质： 用精确的数学表达式 来描述焊接传热这一物理现象 正在接近但还远远未达到精确解
百度文库一章
焊接热过程
本章以最常规的MIG焊为例来讨论焊接热源， 热场、流场的基本规律和焊接热过程的计 算方法，以及焊接热循环的有关问题，目 的是为讨论焊接冶金、应力、变形、热影 响区等建立基础。
第一节
基本概念和基本原理--传热定律
辐射传热定律 加热体的辐射传热是一种空间的电磁波辐射过程，可 以穿过透明体，被不透光的物体吸收后又转变成热能， 因此，任何物体间均处于相互热交换状态。 根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：受热物体单位时间内单 位面积上的辐射热量，即其热流密度q*r与其表面温度为 4次方成正比: * qr C0 T 4
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征 （3）电阻焊热源 包括电阻点焊（如凸焊，缝焊、点焊等）、电阻对 焊（压力对焊、闪光对焊）及电渣焊。 电阻点焊和电阻对焊时，最初起主要作用的是被焊 构件间（和与电极表面间）接触区域的接触电阻，导 致表面加热，表面局部熔化后，接触电阻减弱甚至消 失，（闪光对焊时，由于工件反复分离，使接触电阻 得以保持），此后，起主要产热作用的是取决于电流 密度的体积加热。在通过传导或感应传递能量的高频 电阻焊时，由于集肤效应和传输电阻，首先使极薄的 表面层被加热；电渣焊时，熔融而导电的渣池被电阻 热加热，并熔化母材和连续给进的焊丝。
直接弧：主要作用：阴、阳极斑点直接加热母材和焊丝； 辅助作用：弧柱产生的辐射、对流，电极斑点产生的 辐射等。 间接弧：主要依靠辐射和对流加热。
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征
（2）气体火焰焊接热源 气焊时，乙炔 C2H2在纯氧 O2中部分燃烧，在 环绕焰心的还原区形成一氧化碳 CO和氢H2，然 后在外焰区与空中的氧作用，完全燃烧形成二 氧化碳 CO2和水 H2O 蒸气，焰流以高速冲击焊接 区表面，通过对流和辐射加热工件。
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征 （4）摩擦焊 磨擦焊时，相对旋转的表面被摩擦加热，去 除不纯材料层，最后在轴向加压及焊件在略低 于熔点的温度下连接起来。 搅拌摩擦焊是由于摩擦热和变形热来提高工 件的温度和塑性变形能力，并在压力下形成接 头。 振动焊接（超声波）时，利用了高频率的摩 擦效应，但其温度远低于材料熔化温度。
第一节
基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征 （1）电弧焊热源(3000-50000K) 电弧焊时，热量产生于阳极与阴极斑点之间气体柱 （弧柱、热等离子体）的放电过程。焊接过程采用的 是直接弧，阳极斑点和阴极斑点直接加热母材和焊丝 （或电极材料）。电弧柱产生的辐射和对流（气流效 应）传热和电极斑点产生的辐射传热也起辅助作用。 等离子弧焊时，应用非直接弧，也就是电弧是间接 加热被焊工件。
第一章 焊接热过程
国内外发展历史和研究现状 1980—S.丘—有限差分 （1）热源大小和分布 （2）材料的热物理性能随温度发生变化 （3）熔化潜热 1983—唐慕尧（西交大）陈楚（上交大）--初步 研究 没考虑熔池内液体金属的影响，只考虑了固体的 传热 1985—现在—考虑熔池内的液体金属的传热
第一章
T q n
*
其中： --热导率[J/mmsK] T/n—温度梯度[K/mm]
第一节
基本概念和基本原理--传热定律
对流传热定律 在气体和流体中热的传播主要借助于物质微粒， 的运动，如果这种运动仅仅由于温度差引起的密度 差而造成的，则产生自然对流，如果依靠外力来维 持这种运动，则产行强迫对流（如电弧和火焰的吹 力效应）。 由牛顿定律，某一与流动的气体或液体接触的固 体 的 表 面 微 元 ， 其 热 流 密 度 q*c 与 对 流换 热 系 数 c[J/mmsK] 和固体表面温度与气体或液体的温度 之差（T-T0）成正比: * qc c (T T0 ) 其中：T—固体表面强度； T0—气体或液体温度。
第一章焊接热过程第一章国内外发展历史和研究现状焊接热过程1930罗森塞尔移动热源在固体中的热传导1930雷卡林苏大量的工作解析法公式假设1热源集中于一点一线或一面2材料无论在什么温度下都是固体不发生相变3材料的热物理性能不随温度发生变化4焊接构建的几何尺寸是无限的远离热源处是准确近处相差比较大100第一章国内外发展历史和研究现状焊接热过程1950对雷卡林修正和改造但进展不大1975佩雷加有限差分法计1热源在有限的体积内2材料的热物理性能随温度发生变化3工件无限长忽略散热1976格鲁斯美二维有限元法模型1导热系数和比热作为温度的函数2考虑了相变潜热但是还不够精确第一章国内外发展历史和研究现状焊接热过程1980s
h
0.65—0.90 0.65—0.90 0.20—0.50 0.65—0.95 0.95—0.97 0.80—0.95 0.25—0.85
第一节
基本概念和基本原理
二、传热基本定律
第一节
基本概念和基本原理
二、传热基本定律
热传导定律 金属材料焊接时，局部集中的随时间变化的热输 入，以高速度传播到构件的边远部分。在多数情况 下，输入和对流在热输入过程中，也起着重要的作 用，因而也是构件表面热热损失的主要因素。 热传导问题由傅立叶定律来描述：物体等温面上 的热流密度 q*[J/mm2s] 与垂直于该处等温面的负温 度梯度成正比，与热导率成正比：
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征
（6）激光焊接 聚焦的激光束直接照射焊接区域，并被大约 0.5μM厚的表面层吸收。如果功率密度足够大， 可以象电子束一样形成毛化毛细管。作为实际 焊接热源，激光散焦时，通过热传导传递热量 到焊件内部。
第一节
基本概念和基本原理--焊接热 源
qw q / v
此外，根据不同的焊接方法，还可以用单位质量 熔敷金属的热量qm代替q和qw。
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源 2、焊接热源的有效热功率（热效率）
在一定条件下， h 是常数，其主要取决于焊接 方法，焊接规范和焊接材料的种类。下表给出了 钢和铝常用焊接方法的热功率数据。 钢和铝常用熔焊方法的热功率数据
焊接方法 药皮焊条电弧焊 气保护金属电弧焊 气保护钨极电弧焊 电弧焊 电子束焊 激光焊 氧乙炔 热力率 q[kJ/s] 1—20 5—100 1—15 5—250 0.5-10 1—5 1—10 焊接速度 单位长度热功率 v[mm/s] qw[kJ/mm] ＜5 ＜15 ＜15 ＜25 ＜150 ＜150 ＜10 ＜3.5 ＜2 ＜1 ＜10 ＜10 ＜0.05 ＜1 热效率
第一章 焊接热过程
第一章
焊接热过程
热过程是伴随焊接过程始终的，甚至在 焊接前和焊后也仍然存在热过程的问题， 如：工件在焊前进行预热和焊接之后进 行的冷却和热处理等过程。因此，热过 程在决定焊接质量和提高焊接生产率等 方面具有重要意义。
第一章
焊接热过程
①焊接热过程的局部性或不均匀性
②焊接热源的相对运动 ③焊接热过程的瞬时性（非稳态性）