焊接传热学
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（焊接中的主要传热方式。研究重点）
（2）热对流 流体中（液、气）各部分相互混合的宏观 运动所引起的热量传递（伴有流体导热、 对流）
流体掠过物体壁面时，由温差引起的热量 交换叫对流（放热、给热） （熔池对母材壁、母材表面对界质（空气、 水））
（3）热辐射 物质通过对外发射电磁波（波长0.1---100μm） 而在空间传递能量的现象
（2）焊接热过程 焊件或填充材料（焊条）在焊接热源作用 下的热量传播和分布过程
3. 焊接传热学 定量分析计算焊件或填充材料在焊接热源作 用下的热量传播和分布规律的科学分支
• 十八世纪初创立传热学 • 十九世纪三十年代开始系统研究焊接传热学 • 十九世纪五十年代初形成理论体系《焊接热过程》
与其它方面的发展完善相比，如焊接金属学、冶金 学、力学等，由于热的复杂性，焊接传热学进展缓 慢
• 最初认为是一种“热素”（类似电子）流 动 Calorie ------- 热量单位 1Cal(卡) = 4.18J（焦耳）
• 熔化焊正是一个典型的热传递过程
2. 三种基本传热方式
（1）热传导（导热） 物体内各部分物质之间或物体之间由于直 接接触时所发生的能量传递现象
• 高位能分子（固、液、气） • 自由电子（金属导电、导热）
4. 焊接热过程特点
（1）局部性
• 不均匀加热比均匀加热（热处理）复杂得 多（数学处理组织反应）
• 仅仅热源直接作用区熔化，依次降温直到 室温
• 局部不均匀加热比热处理等均匀加热要复 杂的多
(2) 瞬时性
• 快速加热（1500℃/S）远离平衡状态 • 高度集中热源（大于10000W/cm2） • 极短时间传递极大能量 • 瞬时快速加热远离平衡状态 • 相变点升高 • 一般平衡状态的结构如Fe-C平衡图不能照
二、学习本课程的任务、目的和主要内容
1. 任务 研究焊件、填充材料（焊丝）在焊接热源 的作用下的热量传播和分布规律
2. 目的 初步掌握传热基本原理，学习分析焊接传热
过程的基本方法，分析和解决实际焊接传 热问题
3. 主要内容 （1）传热理论基础 • 传热基本原理 • 导热微分方程 • 导热计算基础 （2）焊接时的温度场 （3）焊接热循环 （4）焊条及母材的熔化
（不接触，不依赖常规物质媒介作用，高真 空也能进行传播，在能量转移的同时还有 能量形式的变化的传热方式）
热能---辐射能---物体热能 （电弧对焊条、母材的加热）
3. 焊接中的热传递 焊接作为一个实际热传递系统往往是几种 形式组合的复杂系统
• 辐射、对流问题较复杂，主要靠实测-------热效率η
质量
焊接生产率
缺陷少性能好
熔化速度
焊缝及热影响区（接头）
热作用程度
化学成分 金相组织 应力变形
热源
化学冶金 凝固冶金 固相冶金 残余应力变形 （液相冶金）（结晶）（相变）
2. 焊接热过程 焊接就是热能转化为原子间结合能的过程 （从能量角度讲）
（1）焊接热源 提供焊接所需热能的来源 电弧 电弧焊 电阻 电阻焊
焊接传热学
主要内容
绪论 第一章 传热理论基础 第二章 焊接时的温度场 第三章 焊接热循环 第四章 焊条及母材的熔化
绪论
一、学习焊接传热学的意义 1.焊接的定义
通过加热或加压、或两者并用，并且用或 不用填充材料，使工件达到原子结合的一 种加工方法。
90%以上是熔焊 ------ 与热相联系
பைடு நூலகம்
焊接
效率
要求场论，积分变换、特殊函数、微分方 程、数值积分、计算方法、计算机及程序 设计
第一章 传热理论基础
第一节 传热基本原理 1. 传热学与经典热力学的区别 • 经典热力学：研究平衡态和保持动平衡的
“可逆态”过程 • 传热学：研究平衡态和不可逆态
传热首先是温度不平衡，有温度高低的结 果而且是不可逆的，不能从低到高
（3）等温面（三维）、等温线（二维）
温度场中温度相同的空间各点的轨迹
（a）数学语言描述（直角坐标，x,y,z）
T= f( x y z t ) 非稳态，三维
T= f( x y z ) 稳态，三维
T= f( x t )
非稳态，一维
T= f( x )
稳态，一维
T = f( t )
x=x0 y=y0 z=z0
热循环
(b)图形描述（等温面法，直观图形描述） 同一时刻等温面集合即温度场图形（10 ···20
传递学
质量传递 浓度差 传质方程 传质学
3. 焊接可视作一个传递系统
电弧热传入工件 电弧机械力传入熔池 （焊丝） （熔滴过渡的动量）
焊接材料进入熔池 （母材）
热过程
熔池流体动力学状态 传质过程（元素扩散）
传热学
动量传递
传质学
焊接传递学
一、热传递及其基本形式
1. 热传递 由温度差异所引起的能量转移过程，即能 量从高温地方向低温地方传播的过程叫热 传递 ------ 传热
• 导致焊接传热学形成较晚、发展较慢、应 用较难
随计算机技术的发展
（1）图像处理技术 视觉机器人 ------ 红外摄像 温度 --- 电信号--- 输入计算机处理
（2）数值计算 有限差分、有限积分、有限单元
（3）处理温度场 得到热循环 --- 冷却速度 --- 机械性能 得到应力场应变场 --- 应力变形
• 辐射、对流使焊条、母材获得热量，通过 热传导传播分布（主要传热方式）
（理论研究较多，本课程重点）
二、热传递基本定理
1. 几个重要的基本概念 （1）温度场 连续介质各个地点在同一时刻的温度分布 • 稳定温度场：同一地点温度不随时间变化 • 不稳定温度场：随时间变化 （2）热循环 连续介质中同一地点在不同时刻的温度变化
2. 传热学的近代发展 • 传递学（上世纪八十年代）
• 传递学以传热学为基础，研究自然界更普 遍的现象 ------ 传递现象
• 热量（转移中的能量）传递
• 动量（运动及其产生运动的力的度量）传 递
• 质量（惯性大小的度量）传递
热量传递 温度差 传热方程 传热学
动量传递 动量差 动量方程 动量传递学
搬
（3）移动性 • 热源工件相对运动 • 受热区域不断变化 • 非稳态传热 • 不稳定传热比稳定传热复杂得多
正是这三大特点，使得一般传热学讨论均 匀加热、稳定传热、平衡过程不能简单照 搬
焊接传热问题的复杂性在于
• 温度高变化大 ------ 实验测定困难
• 非稳态-非线性-变物性 ------ 理论计算困难
（2）热对流 流体中（液、气）各部分相互混合的宏观 运动所引起的热量传递（伴有流体导热、 对流）
流体掠过物体壁面时，由温差引起的热量 交换叫对流（放热、给热） （熔池对母材壁、母材表面对界质（空气、 水））
（3）热辐射 物质通过对外发射电磁波（波长0.1---100μm） 而在空间传递能量的现象
（2）焊接热过程 焊件或填充材料（焊条）在焊接热源作用 下的热量传播和分布过程
3. 焊接传热学 定量分析计算焊件或填充材料在焊接热源作 用下的热量传播和分布规律的科学分支
• 十八世纪初创立传热学 • 十九世纪三十年代开始系统研究焊接传热学 • 十九世纪五十年代初形成理论体系《焊接热过程》
与其它方面的发展完善相比，如焊接金属学、冶金 学、力学等，由于热的复杂性，焊接传热学进展缓 慢
• 最初认为是一种“热素”（类似电子）流 动 Calorie ------- 热量单位 1Cal(卡) = 4.18J（焦耳）
• 熔化焊正是一个典型的热传递过程
2. 三种基本传热方式
（1）热传导（导热） 物体内各部分物质之间或物体之间由于直 接接触时所发生的能量传递现象
• 高位能分子（固、液、气） • 自由电子（金属导电、导热）
4. 焊接热过程特点
（1）局部性
• 不均匀加热比均匀加热（热处理）复杂得 多（数学处理组织反应）
• 仅仅热源直接作用区熔化，依次降温直到 室温
• 局部不均匀加热比热处理等均匀加热要复 杂的多
(2) 瞬时性
• 快速加热（1500℃/S）远离平衡状态 • 高度集中热源（大于10000W/cm2） • 极短时间传递极大能量 • 瞬时快速加热远离平衡状态 • 相变点升高 • 一般平衡状态的结构如Fe-C平衡图不能照
二、学习本课程的任务、目的和主要内容
1. 任务 研究焊件、填充材料（焊丝）在焊接热源 的作用下的热量传播和分布规律
2. 目的 初步掌握传热基本原理，学习分析焊接传热
过程的基本方法，分析和解决实际焊接传 热问题
3. 主要内容 （1）传热理论基础 • 传热基本原理 • 导热微分方程 • 导热计算基础 （2）焊接时的温度场 （3）焊接热循环 （4）焊条及母材的熔化
（不接触，不依赖常规物质媒介作用，高真 空也能进行传播，在能量转移的同时还有 能量形式的变化的传热方式）
热能---辐射能---物体热能 （电弧对焊条、母材的加热）
3. 焊接中的热传递 焊接作为一个实际热传递系统往往是几种 形式组合的复杂系统
• 辐射、对流问题较复杂，主要靠实测-------热效率η
质量
焊接生产率
缺陷少性能好
熔化速度
焊缝及热影响区（接头）
热作用程度
化学成分 金相组织 应力变形
热源
化学冶金 凝固冶金 固相冶金 残余应力变形 （液相冶金）（结晶）（相变）
2. 焊接热过程 焊接就是热能转化为原子间结合能的过程 （从能量角度讲）
（1）焊接热源 提供焊接所需热能的来源 电弧 电弧焊 电阻 电阻焊
焊接传热学
主要内容
绪论 第一章 传热理论基础 第二章 焊接时的温度场 第三章 焊接热循环 第四章 焊条及母材的熔化
绪论
一、学习焊接传热学的意义 1.焊接的定义
通过加热或加压、或两者并用，并且用或 不用填充材料，使工件达到原子结合的一 种加工方法。
90%以上是熔焊 ------ 与热相联系
பைடு நூலகம்
焊接
效率
要求场论，积分变换、特殊函数、微分方 程、数值积分、计算方法、计算机及程序 设计
第一章 传热理论基础
第一节 传热基本原理 1. 传热学与经典热力学的区别 • 经典热力学：研究平衡态和保持动平衡的
“可逆态”过程 • 传热学：研究平衡态和不可逆态
传热首先是温度不平衡，有温度高低的结 果而且是不可逆的，不能从低到高
（3）等温面（三维）、等温线（二维）
温度场中温度相同的空间各点的轨迹
（a）数学语言描述（直角坐标，x,y,z）
T= f( x y z t ) 非稳态，三维
T= f( x y z ) 稳态，三维
T= f( x t )
非稳态，一维
T= f( x )
稳态，一维
T = f( t )
x=x0 y=y0 z=z0
热循环
(b)图形描述（等温面法，直观图形描述） 同一时刻等温面集合即温度场图形（10 ···20
传递学
质量传递 浓度差 传质方程 传质学
3. 焊接可视作一个传递系统
电弧热传入工件 电弧机械力传入熔池 （焊丝） （熔滴过渡的动量）
焊接材料进入熔池 （母材）
热过程
熔池流体动力学状态 传质过程（元素扩散）
传热学
动量传递
传质学
焊接传递学
一、热传递及其基本形式
1. 热传递 由温度差异所引起的能量转移过程，即能 量从高温地方向低温地方传播的过程叫热 传递 ------ 传热
• 导致焊接传热学形成较晚、发展较慢、应 用较难
随计算机技术的发展
（1）图像处理技术 视觉机器人 ------ 红外摄像 温度 --- 电信号--- 输入计算机处理
（2）数值计算 有限差分、有限积分、有限单元
（3）处理温度场 得到热循环 --- 冷却速度 --- 机械性能 得到应力场应变场 --- 应力变形
• 辐射、对流使焊条、母材获得热量，通过 热传导传播分布（主要传热方式）
（理论研究较多，本课程重点）
二、热传递基本定理
1. 几个重要的基本概念 （1）温度场 连续介质各个地点在同一时刻的温度分布 • 稳定温度场：同一地点温度不随时间变化 • 不稳定温度场：随时间变化 （2）热循环 连续介质中同一地点在不同时刻的温度变化
2. 传热学的近代发展 • 传递学（上世纪八十年代）
• 传递学以传热学为基础，研究自然界更普 遍的现象 ------ 传递现象
• 热量（转移中的能量）传递
• 动量（运动及其产生运动的力的度量）传 递
• 质量（惯性大小的度量）传递
热量传递 温度差 传热方程 传热学
动量传递 动量差 动量方程 动量传递学
搬
（3）移动性 • 热源工件相对运动 • 受热区域不断变化 • 非稳态传热 • 不稳定传热比稳定传热复杂得多
正是这三大特点，使得一般传热学讨论均 匀加热、稳定传热、平衡过程不能简单照 搬
焊接传热问题的复杂性在于
• 温度高变化大 ------ 实验测定困难
• 非稳态-非线性-变物性 ------ 理论计算困难