焊接传热学第一章

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 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
（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 • 导致焊接传热学形成较晚、发展较慢、应 用较难
（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 （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 • 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
（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 ) 热循环
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
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
动量传递
质量传递
温度差 传热方程
传热学
动量差 动量方程
动量传递学 传递学
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 （焊丝） 热过程 电弧机械力传入熔池 （熔滴过渡的动量） 熔池流体动力学状态 焊接材料进入熔池 （母材）
传质过程（元素扩散）
传热学
动量传递
传质学
焊接传递学
• 物体：单位体积单位温度所具有的内能ρc 温度为T℃，则内能为ρcT • 微六面体dv在dt时间内总的内能变化量 Q3 = d ρcT dv = [(ρcT)t+Δt – (ρcT)t ]dV 能量守恒 Q1+Q2 = Q3
（单位面积、单位温差的换热大小，反应对流换热强弱）
• α c（ Tw - Tf ）壁面加热流体 • α c（ Tf - Tw ）流体加热壁面 • α c = f (T,T0,ω,λ,Cp,ρ,μ,Φ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙)
α c 由实验测定
空冷 水冷 油冷
受迫对流 58-523 对流条件 自然对流 受迫对流 自然对流 受迫对流 αc 3.5-7 23-116 230-580 3500-9300
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
焊 接
• 低温下，对流换热α c 为主，随温度升高， α c 变化不大 • 高温下，辐射换热为主，随温度升高，α E 急剧升高（四次方）
温度升高，α大，且ΔT （温差）大，散热多，不可忽略 Q=qA，面积大，散热多，不可忽略
第二节
导热微分方程
一、推导导热微分方程的基本依据 1. 傅里叶（Fourier）定理 q = - λəT/ən Q' = q F Q = Q' t = q F t
2. 能量守恒定理（热力学第一定理）
一定时间内体系
一定时间内体系
=
得到的热量 内能的增加
Q1
dt时间内体系通过
Q2
dt时间内体系
Q3
dt时间内体系通过
+
界面获得的能量 内部产生的热量
=
内能的变化
dt时间内边界 —— 流入体系的热量
dt时间内边界 流出体系的热量
二、导热微分方程的推导 1. 选用直角坐标系 取体系中一个微六面体为考察对象 它的体积 dV = dx dy dz 2. 分析任一方向（如x）的导热情况 设在x面的比热流量为qx, dt时间后流过dx距 离到达x+dx面时的比热流量qx+dx
• 定义了重要的热物理参数λ --- 导热系数 λ = - q/gradT λ 的物理意义： 温度降度（-gradT）为1℃/m 时，导热体所 允许传导的比热流量q,即物体导热能力的大 小（q大、导热能力强）
常温下不同物质的导热系数λ（ w/m· c）
银
419
铜
百度文库386
铝
228
铁
66
碳钢
40
不锈钢
2. Fourier定律---导热基本定律
在各向同性体的导热过程中，热流密度与 温度梯度成正比，并引入比例常数λ（导热 系数） q = - λ əT/ən = - λ gradT • 该定律确定了导热体在单位面积、单位时 间内热流转移的多少，即热流强度（密度 ）或比热流量 • 负号表示热流方向 --- 导热方向与温度梯度 方向相反，即温度降度方向
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 • 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
15
混凝土
1.2
水
0.6
油
0.1-0.2
石棉
0.04-0.16
空气
0.023
纯金属 > 合金 金属 > 非金属 > 水 > 油 > 气体 固体 > 液体 > 气体 • λ是计算的重要参数，在金属焊接中，主要受 化学成分（组织）和温度的影响
3. 牛顿冷却定律
牛顿在1702年就在前人大量实验基础上，对低速 流体（＜声速）中的对流换热提出以下计算公式 Qc/Fc = qc = αc * ΔT Tw --- 壁面温度 Tf --- 流体温度 Qc --- 对流换热热流量（w） Fc --- 壁面换热面积（m2） qc --- 对流换热比热流量（ w / m2 ） α c --- 对流换热系数（ w / m2 ℃ ）
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
二、学习本课程的任务、目的和主要内容
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
4. 辐射四次方定律(Stefan-Boltzman) 加热到温度T（K） 的物体表面的辐射比热 流量qE与物体表面的绝对温度的四次方成 正比 qE = C0T4 (w/m2) • 比例系数C0叫Stefan-Boltzman常数，又叫 绝对黑体的辐射常数 • 绝对黑体：可吸收全部落在它上面的辐射 能的物体 • C0 = 5.67 x 10-8
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 搬
效率
焊接生产率 熔化速度
质量
缺陷少性能好 焊缝及热影响区（接头）
热作用程度
热源
化学成分 金相组织 应力变形
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 （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
• 一般物体并不是绝对黑体，常称灰体 • C = ɛ C0 • ɛ 黑度系数 （为 0—1 之间） qE = ɛ C0T4 低温
光洁钢铁表面黑度系数 氧化或粗糙钢铁表面黑度系数 0.05-0.45 0.6-0.95
高温
0.4-0.7 0.9-0.95
实际传热计算中，采用与对流换热类似的 实验式 qE = α E ΔT = α E（ Tw - Tf ） • α E 辐射换热系数（ w / m2 ℃ ） • Tw --- 壁面温度（℃） • Tf --- 周围介质温度（℃） 实际往往是对流和辐射换热的叠加 q= qc+qE =(α c +α E )ΔT = α ΔT • α(总的)表面散热（放热）系数（ w / m2 ℃ ）
（5）热流量Q'(电功率) Q' = Q/t 单位时间流过的热量 cal/s(工程单位) w=J/s （SI单位） 1cal = 4.18 J (热功当量) （6）比热流量(热流密度、热流强度) 单位面积的热流量（单位时间、单位面积流 过的热量） g=Q'/A (cal/s· m2) w/m2=Q/A· t
3. 设该微微元六面体的体发热强度，即单位 时间，单位体积的发热量为q```。 微六面体dv在dt时间内的发热量
（内部产生的热量、电阻热、化学反应热等） Q2 = q```∙ dv ∙ dt
4. dt时间dv体积内内能的变化量（增量） • ρc : 容积比热（密度ρ，比热 c） 单位体积的物质每升高1℃所需热能 q/m3∙J/q∙℃ = J/m3∙℃
x=x0 y=y0 z=z0
(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 · · · 100 · · · 1000 · · ·） 重要性质等温面 • 决不相交（不会一点有两个温度） • 等温面上无温差，不发生传热（切向不传 热）
(4) 温度梯度 温度场内任意点在某时刻的温度梯度，就 是该点沿等温面法线且朝着温度增加的方 向的温度变化率 • 导热只沿等温面法线方向（切向不导热） • 导热沿温度梯度相反方向进行 • 温度梯度大，等温面密，温度变化快 • 对于稳定温度场，gradT只与地点有关，与 时间t无关（温度梯度变化率为零）
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）
（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））