第一章焊接热过程分析

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
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
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
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）
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
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
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）
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
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。
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
第一章
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--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
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。
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。
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。
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：
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。
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
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
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
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
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
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