1焊接热过程及焊接冶金1传热及温度场ppt.

T 1 T T t c x x y y
c — 比热，J/g ℃
T z z
ρ — 密度，g/cm3
假设物体内热传导各向同性，则λ为常数
T 2 a T t
炼钢
生铁中碳的含量平均达 3.5%~4.5% ， 而 钢 的 含 碳 量 <2.11% ，一般均低于 1.3% 。炼 钢就是以生铁为原料，通过一系 列的冶金反应将含碳量降低，实 际上是一个碳的氧化过程。
焊接接头
Tmax
A1
焊接过程中母材 上最高温度高于 A1 的 区 域 的 组 织 和性能会发生变 化，称焊接热影 响 区 (Heat-affected Zone)
焊缝
302 410 7.5
12
正常药皮焊条
当采用正常药皮焊条时， C 、 Si 、Mn的成分得以保证，气体杂 质数量有所减少，但仍比焊丝中 的含量高得多，氢的含量与钢板 相近。熔敷金属的性能与母材相 当。
焊缝成分特点
焊接时，焊缝金属的成分 是会发生变化的，有益合金元 素会被烧损，有害元素则可能 增多，焊缝金属成分一般难以 同填充金属或母材完全相同。
1 焊接热过程
钢的生产
钢的生产有两个过 程：先将铁矿石原料在 高 炉 中 熔 炼 成 生 铁 (pig iron)，称为炼铁；再由生 铁在炼钢炉中熔炼成钢， 称为炼钢。
炼铁
铁在自然界中以赤铁矿 (Hematite Fe2O3) 、 磁 铁 矿 (Magnetite Fe3O4) 、 褐 铁 矿 (Limonite 2Fe2O3· 3H2O)等形式存在。 炼铁的过程实际上是一个将铁 还原的过程，还原剂为焦炭。
Si
0.07 0.18 0.02 0.07
Mn
0.66 0.44 0.02 0.36
N
0.005 0.004 0.140 0.013
O
0.021 0.03 0.210 0.099
H
0.0001
σs MPa
-
σb MPa
-
δ5 %
-
AKV20
J
-
0.13 0.20 0.03 0.06
0.0005
235 302 321
412 410 460
26
102 12 75
0.0002
7.5
25
酸 性 焊 条
0.0009
碱 性 焊 条
0.07
0.23
0.43
0.026
0.051
0.0005
345
459
29
121
Fra Baidu bibliotek
0.45
母材 焊缝
光焊丝
C、Si 、Mn减少
0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15
而气体杂质均增多
N几乎增加27倍
0.2
0.1 0.05 0 C Mn
母材 焊缝
Si
氧增加8倍
氢增加1倍。
0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 N O
H
对性能的影响
• 强度影响不大 • 塑性、韧性急剧 下降。
母材 σs/ MPa σb/ MPa δ/% Ak / J
235 412 26 102
λ表示物体导热能力的热导率（导 热系数）J/cm.s.℃ ,其物理意义为：温 度相差1℃，相距1cm的两个平行的截 面上，单位时间内沿垂直于该截面方 向上流过的热量。
Fourier定律只能提示出物体中某点 温度梯度与热流向量的关系，并不能指 出该点的温度与邻近点的温度有何联系， 更不能回答一个点的温度是怎样随时间 变化的。 根据Fourier定律，结合热力学第一 定律（能量守恒定律）可推导出导热方 程（热传导偏微分方程）。
T 2 a T t
3)焊接温度场求解的假设条件
焊接温度场
T f x, y, z, t
是上述热传导偏微分方程的一个定解，求 解该方程的方法有两大类：分析解、近似 解（数值解）
a c
称导温系数（热扩散率），cm2/s
2 2 2 2 2 2 2 x y z
▽2 — Laplacian
导热方程（热传导偏微分方程）
T 1 T T T t c x x y y z z
本章内容
• 基本概念 • 焊接传热及温度场 • 焊接热循环 • 焊接冶金 • 焊缝的组织与性能
焊缝的化学成分
由于焊接的高温及焊接区内的各种焊接冶金反应，焊 缝的化学成分、组织及性能同母材有相当大的差别。
低碳钢母材熔敷金属的成分及性能 化学成分wt %
常温力学性能
C
焊丝 钢板
熔 敷 金 属
无保护 光焊丝
1.1 焊接传热
1.1.1 焊接热过程的特点
• 局部集中性
• 瞬时性 • 运动性
1.1.2 焊接温度场
焊件上各点在某一瞬时的温度分布 • 解析式 T=f (x,y,z,t) • 图解法（等温线）
Y
X
v
X
疏
T
密
Y
缓
Z
陡
X
1) 焊接传热的基本形式
• 热传导
• 热对流 • 热辐射
热传导
固体内部或相接触的固 体之间，因为内部原子 （分子）的热运动而传 递热量。是金属内部热 交换的唯一形式。
母材 BM
焊缝 WM
焊接热影响 区 HAZ
焊接接头由母材、焊缝和焊接热影 响区组成，这三个区域的成分、组织和性 能各不相同。 母材的成分、组织及性能是由结构 所选用的材料所决定的； 焊缝的成分、组织和性能与母材、 焊接材料及焊接工艺有关； HAZ 的成分取决于母材，而其组织 和性能还与焊接工艺所决定的焊接温度场 和热循环有关。
热对流 通过运动的传热介质质点来传 递热量。因为不同温度下质点 的密度不同，而产生传热。
热辐射
通过受热物体内部原子振动 而产生的电磁波来传递热量。 热量从一个物体（热体）的 表面向外发射，到达另一物 体（冷体）表面时转化为热 能。
以电弧焊为例：
电弧热
对流 辐射
母材 焊丝
母材和焊丝中的传热以热 传导为主。
2）热传导基本方程
热量总是从物体的高温 部位向低温部位流动的， 总是使温度趋于一致。 热的流动符合 Fourier 定 律。
假设热流的方向为 n ，在与 n 垂直的 单位面积的截面上，单位时间内流 出或流入的热量为qn， qn与热流方 向的温度梯度成比例。
dT/dn dn T
qn
n
dT qn dn