第二讲 焊接热源
焊接(2) 2
1、焊接热源有哪些共同要求?描述焊接热源主要用什么指标能量密度高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区指标：最小加热面积，最大功率密度和正常规范条件下的温度等；；理想的焊接热源应具有加热面积小、功率密度高和加热温度高等特点.2、试述焊接接头的形成过程及对焊接质量的影响过程：加热熔化冶金反应凝固结晶固态相变3、熔滴比表面积的概念及对焊接化学冶金过程的影响答：熔滴的表面积Ag 与其质量之比称为熔滴的比表面积S。
熔滴的比表面积越大，熔滴与周围介质的平均相互作用时间越长，熔滴温度越高，越有利于加强冶金反应。
4、焊条熔化系数、熔敷系数的物理意义及表达式？真正反映焊接生产率的指标是什么？答：焊条熔化系数g M：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度；平均熔敷系数g H（真正反映焊接生产率的指标），由于损失系数不等于零，单位时间内真正进入焊接熔池的金属质量称为平均熔敷速度。
5. 试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有什么解决措施？药皮发红的原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。
解决措施:调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的融化系数，减少电阻热以降低焊条的表面升温。
6熔合比的表达式和影响因素？多层焊时，如果各层间的熔合比是固定的，试推导第n层金属的成分。
在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比θ。
θ=Fp/Fp+Fd影响因素：焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目及母材的热物理性质、焊接材料种类、焊条（焊丝）的倾角等。
Ww——焊缝金属中合金元素的实际质量分数;Wb——该元素在母材中的质量分数Wd——熔敷金属中该元素的质量分数。
因为Ww=θWb+(1-θ) WdW2=θW1+(1-θ) Wd=错误!未找到引用源。
Wb+(1-错误!未找到引用源。
)WdW3=ΘW2+(1-θ) Wd=错误!未找到引用源。
第2章+焊接热源模型
第2章 焊接热源模型焊接热源的物理模型，涉及两个问题。
一是热源的热能有多少作用在工件之上；二是已经作用于工件上的热量，是如何在工件上分布的。
因此，建立焊接热源的物理模型，是进行焊接热过程和熔池行为分析或数值模拟的前提和条件。
本章针对上述两个问题展开讨论。
2.1焊接热效率和焊接熔化效率电弧焊接时通过电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热和熔化焊丝（或焊条）与工件。
熔化极焊接时，焊接过程中焊丝 (或焊条)熔化，熔滴把加热和熔化焊丝 (或焊条)的部分热量带给熔池。
而对于钨极氩弧焊，电极不熔化．母材只利用一部分电弧的热量。
弧焊时，电弧功率可由下式表示a IU Q =0 (2-1)式中，a U 是电弧电压(V),I 是焊接电流(A)，0Q 是电弧功率(W ), 即电弧在单位时间内所析出的能量。
由于能量0Q 不是全部用在加热焊件，故真正有效用于加热焊件的功率为a IU Q Q ηη==0 (2-2) 式中，η为电弧功率有效利用系数或称为焊接热效率，它与焊接方法、焊接工艺参数和焊接材料的种类(焊条、焊丝、保护气等)有关。
各种弧焊方法在常用焊接工艺参数下的热效率η见表2-1。
表2-1 各种弧焊方法的热效率在其他条件不变的情况下，η值随着弧长的增加、电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。
应当指出，这里所说的热效率η，只是考虑焊件所能吸收到的热能。
实际上这部分热能一方面用于熔化金属而形成焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区。
η值并没有反映出这两部分热量的比例。
根据定义，电弧加热工件的热效率η是电弧在单位时间内输入到工件内部的热量Q 与电弧总功率0Q 的比值，即Q Q=η （2-3） 021Q Q Q +=η （2-4） 21Q Q Q += （2-5）式中，1Q —单位时间内熔化焊缝金属（处于液态m T T =时，m T 为熔点）所需的热量（包括熔化潜热）；2Q —单位时间内使焊缝金属处于过热状态（m T T >）的热量和向焊缝四周传导热量的总和。
焊接技术第2讲
第二讲
焊接基础知识
一、焊接热过程及焊接热源
熔化焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。
熔化焊时对焊接区域进行加热和冷却的过程称为焊接热过程。
1．焊接热过程的特点
（1）加热的局部性
（2）焊接热源的移动性
（3）极高的加热速度和冷却速度
2. 焊接温度场
温度场指的是一个温度分布的空间。
焊接温度场可以用等温线或等温面来表示。
3. 焊接热循环
母材上某一点所经受的升温和降温过程叫做焊接热循环。
焊接热循环可以用温度-时间曲线来表示。
4. 焊接热源
要求：
(1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。
高能量密度和高温可以使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速焊接，提高生产率。
(2) 热源性能稳定，易于调节和控制。
热源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。
(3) 高的热效率，降低能源消耗。
尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。
种类:
电弧热、化学热、电阻热、等离子焰、电子束和激光束等等。
焊接电弧
焊接电弧是在具有一定电压的两电极间或电极与工件之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。
5．电弧焊焊接过程
电弧焊焊接过程
1-工件；2-焊缝；3-熔池；4-金属熔滴；5-药皮；6-焊芯；
7-气体；8-熔融熔渣；9-固态渣壳
下节预告
下一讲我们将学习焊接化学冶金。
焊接冶金原理02焊接热过程2
2.2焊接温度场
3、被焊金属的热物理性质
热导率、比热容、容积比热容、表面传热系数和热晗等，其中热导 率和容积比热容对温度场影响最大。
金属物理性质对温度场分布的影响
2.2焊接温度场
4、焊件的厚度及形状
焊件的板厚、几何形状和所处的状态（包括环境温度、预热及后热）对 传热过程有很大的影响，因此也影响温度场的分布。
2.2焊接温度场
有限元分析示意图
2.2.5焊接温度场的影响因素 1、热源的性质
2.2焊接温度场Leabharlann 激光焊与CO2电弧焊温度场对比
2.2焊接温度场
2、焊接线能量
焊缝单位长度上输入的热量，即热源功率与焊接速度的比值，被称为焊 接线能量，一般情况下焊接热输入可采用线能量表征
焊接热输入及参数对温度场分布的影响
通过浮力流（a）和洛伦兹力流 （b）产生的熔池对比
3、表面张力
一般情况下，液体金属的表面张力 （γ）随着温度（T）的增加而降低， 一般称为负温度梯度
表面张力对流又称Marangoni对流
2.3焊接对流传热
典型金属表面张力随温度变化
表面张力梯度引起的对流
当熔池的表面存在这某些表面活性 物质时，表面张力梯度将由负值转 变为正值，这样会引起Marangoni对 流的换向，使熔深增加。在不锈钢 焊接中，具有这种作用的活性物质 有O、S、Se和Te等等。
焊接熔池：对流换热为主 固态金属：热传导为主
焊接熔池的流动行为对冶金行为的影响： 气孔、裂纹和焊缝组织等。
焊接传热机制示意图
2.3焊接对流传热
2.3.2电弧焊对流传热
焊接熔池的流动是在各种驱动力作用下的一种传质行为。对于TIG焊，熔 池中流体流动的驱动力主要包括浮力、洛仑兹力、熔池表面张力和等离 子流力。
焊接冶金原理02焊接热过程课件2
2.2.4焊接温度场的有限单元法 1、温度场有限单元法理论基础（略）
➢ 有限差分法无论是在空间还是时间上均采用插商的方法迭代求取 不同时间与不同位置的节点温度值；而有限单元法是通过整体的 观点利用变分原理求取空间上某一时刻的所有节点温度值，而温 度场随时间的变化采用差分法迭代求解。
➢ 有限差分法不含有网格内部的温度信息，仅求取节点温度；而有 限元法通过插值函数能够比较精确地反应单元内部任意一点的温 度信息；
3、高温停留时间
➢高温持续时间可以是相变温度停留时间； ➢分为加热过程的停留时间t’和冷却过程的停留时间t’’。
4、冷却速度
➢ 冷却速度是决定热影响区组织性能最重要的参数之一； ➢ 常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变
化，如采用800~500℃的冷却时间t8/5，800~300℃的冷却时间t8/3 和从缝值温度Tm冷却至100℃的冷却时间t100等
焊缝边界t8/5与线能量E之间的关系
峰值温度TP与线能量E及T0的关系
3、预热温度的影响
2.4 焊接热循环
焊缝边界附近热循环曲线特性与E及T0的关系
4、接头尺寸形状的影响
2.4 焊接热循环
接头尺寸形状对t8/5的影响
5、焊道长度的影响
2.4 焊接热循环
焊道长度对瞬时冷却速度ωc的影响 （E=19kJ/cm）
1、浮力
熔池内部浮力对流原理示意图
采用计算的方法可以对铝合 金定点熔池的浮力对流进行 大概估计： ➢ 液体金属沿着熔池轴线向
上流动，沿着熔池边界向 下流动； ➢ 最大速度是沿着熔池轴向 的，大约2cm/s； ➢ 由于加热熔化时金属膨胀， 熔池表面比工件表面略高。
2.3焊接对流传热
第二节 焊接热过程
第二节焊接热过程电弧焊时，焊件及填充金属被电弧加热熔化形成熔池，随着焊接热源移开后又冷却结晶形成焊缝，这样的加热与冷却过程称为焊接热过程。
焊接热过程的内容包括焊接热循环、焊接温度场、焊接传热的基本规律、焊接热源等。
一、焊接热过程的特点1)焊接热过程是在焊件的局部进行的。
通常焊条电弧焊时，熔池的质量仅为3～9g。
埋弧焊时，即使焊接电流很大，熔池质量也不超过100g。
因此对焊件整体来说，加热极不均匀。
2)焊接热过程是一个瞬时进行的过程。
主要体现在升温速度快，高温停留时间短，冷却速度快。
电弧焊时其加热速度可达1500℃／S以上，熔池存在的时间一般只有几秒至几十秒。
3)加热温度高。
电弧焊时，电弧的最高温度为5000～6000℃。
远高于金属的熔点。
对于低碳钢来讲，熔池的平均温度仅为(1770±100)℃，熔滴为(2300±200)℃，熔渣为(1550±100)℃。
表1-２－１列出了几种不同材质在不同焊接方法下熔池的平均温度。
表1-２－１熔池的平均温度（单位：℃）4)焊接过程中的热源是在不断地运动着的。
焊件受热区域的不断变化，使得这种传热过程具有不均匀性。
二、焊接温度场1．焊接温度场的概念热能传递的方式主要有传导、对流、辐射三种。
在电弧焊中，热能传给焊件主要是传导和辐射两种方式。
焊件受到电弧热源加热时，温度就会升高。
由于焊接热过程的特点，离开热源不同的距离，在不同的时刻，焊件上的各点温度都是不同的。
但这种变化有其内在的规律。
焊接温度场就是在焊接过程中的某一瞬时，焊件上各点的温度分布。
通常用等温线或等温面来表示(图1—２－１)。
为了便于分析、研究焊接温度场，对实际焊接条件下复杂的热过程进行简化处理，如假设热源的功率稳定不变，热源作恒速直线运动，在经过一段时间以后，以热源为中心的温度场达到饱和状态而趋于不变等等。
另外根据焊件的尺寸和热源的性质把温度场分为一维（单向线性传热）、二维（平面传热）、三维（空间传热）三种状况。
熔焊原理：焊接区温度变化
熔焊原理：焊接区温度变化
★ 焊接热源
一、常用的焊接热源
(1)电弧热 利用熔化或不熔化的电极与焊件之间的电弧所产生的热量进 行焊接。电弧是目前应用最广的焊接热源，如焊条电弧焊、埋弧焊、气 体保护电弧焊等。
(2)化学热 利用可燃气体(如乙炔、液化石油气)的火焰放出的热量，或 热剂(如铝粉与氧化铁粉)之间在一定温度下进行反应所产生的热量进行 焊接，如气焊、热剂焊。
熔焊原理：焊接区温度变化
热效率就是焊接热源热量的利用率。焊接时，热源所产生的热量并不能 全部得到利用，而是有一部分损失于向周围介质的散失及飞溅中。我们 把母材和填充金属所吸收的热量包括熔化及向内部传导的热量)叫做热源 的有效热功率。
熔焊原理：焊接ห้องสมุดไป่ตู้温度变化
★焊接温度场 一、焊接温度场的概念
焊接温度场是指某一瞬时焊件上各点的温度分布。 1)与磁场、电场一样，温度场考察的对象是空间一定范围内的温度分布 状态。 2)因为焊件上各点的温度是随时间变化的，因此，温度场是某个瞬时的 温度场。
(1)最小加热面积 即在保证热源稳定的条件下加热的最小面积。 (2)最大功率密度 热源在单位面积上的最大功率。在功率相同时，热 源加热面积越小，则功率密度越高，表明热源的集中性越好。 (3)在正常焊接参数下能达到的温度 温度越高，则加热速度越高，因 而可用来焊接高熔点金属，具有更宽的应用范围。
熔焊原理：焊接区温度变化
熔焊原理：焊接区温度变化
(6)电子束 利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件 表面，使动能转变为热能而进行焊接，如真空或非真空电子束焊。
(7)激光束 以经过聚焦的激光束轰击焊件时所产生的热量进行焊接， 如激光焊。
(8)高频感应热 对于有磁性的金属，利用高频感应产生的二次电流作 为热源，在局部集中加热进行焊接，如高频感应焊。 二、焊接热源的主要特征
热物理性能说明物质的传热与散热能力。在其它条件相同时，不同金属材料 的焊接温度场不同。其中影响较大的热物理性能参数有： (1)热导率(λ) 表示金属内部的导热能力。 (2)比热容c 比热容为单位质量物质 升高l℃时所需的热量，单位为J／(g·℃)。
熔焊原理：焊接区温度变化
(3)热扩散率(a) 热扩散率表示温度 传播的速度，它与a、cρ的关系为a＝ λ/（cρ） 单位cm2／s。 (4)表面传热系数(o) 表示金属通过 表面向外界介质传热的能力，指金属表面
熔焊原理：焊接区温度变化
四、影响焊接热循环的基本因素及调整焊接热循环的方法 1．影响焊接热循环的因素 (1)焊接线能量与预热温度(2)焊接方法
传热过程的基本规律是热量总是从高温传到低温，传递的热量与温度 差成正比。因此根据温度场就可以确定热量传递的方向与数量。 温度场可以用公式、表格或图象表示，其中最直观最常用的方法是用等 温线(面)绘制 的图象表示。等温线或等温面就是在某一瞬时温度场中相 同温度的各点所连成的线或面。因 为在给定的温度场中，任何一点不可 能同时有两个温度，因此不同温度的等温线(面)绝对 不会相交，这是等 温线(面)的重要性质。
不同性质的热源其加热温度与加热面积不同，决定了温度场的不同特 性。热源越集中，则加热面积越小，温度场中等温线(面)分布就越密集。 如电子束焊接时，由于热源的热量非常集中，加热范围仅为几个毫米的 区域；气焊时，加热宽度可达几个厘米。
焊接热源
熔焊焊接热源熔焊焊接热源的种类主要有焊接电弧、焊接熔渣和气体火焰三大类。
1、焊接电弧它是一种强烈而持久的气体放电现象。
其最高温度在弧柱中央，可达5000-50000K(包括等离子弧)。
2、焊接熔渣当电流通过焊接熔渣时产生的电阻热则成为电渣焊的热源。
其最高温度在电极末端的渣池中，可达到1600-2000℃。
3、气体火焰是可燃气体与氧气发生强烈燃烧反应时形成的火焰。
其最高温度在焰心前端1~2mm处，对于氧乙炔焰可达3150℃，氧丙烷焰可达2800℃。
手工电弧焊基本知识1888年，俄罗斯发明了手工电弧焊接技术，使用无药皮的裸露金属棒来产生保护气体。
直到20世纪初，在瑞典发明卡尔伯格过程（Kjellberg process）和Quasi-arc方法传入英国后，药皮焊条才开始发展起来。
值得注意的是，由于成本较高，刚开始人们不怎么使用药皮焊条。
但是随着人们对好的焊缝质量需求的日益增长，手工电弧也开始使用药皮焊条。
金属棒（焊条）和工件之间形成的电弧会熔化金属棒和工件的表面，形成焊接熔池。
同时，金属棒上熔化的药皮会形成气体和熔渣，保护焊接熔池不受周围空气的影响。
因为熔渣会冷却、凝固，所以一旦焊缝焊完（或在熔敷下个焊道前）就必须从焊道上清除熔渣。
在焊钳更换新焊条前，手工电弧焊过程只能完成短焊缝的焊接。
焊缝熔深浅，熔敷质量取决于焊工技能。
1. 电弧焊的基本知识：利用电弧作为焊接热源的熔焊方法，称为电弧焊。
1）焊接电弧焊接电弧是在焊条端部与焊件之间的空气电离区内产生的一种强烈而持久的放电现象，实质上，电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程。
2) 焊接电弧构造：焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。
焊接冶金 温度场-第2讲
3）容积比热容（Cp）
单位体积物质每升高1℃所需要的热量.
4）热扩散率（α）
表示温度传播的速度.
5）表面散热系数（α）
散热体表面与周围介质每相差1℃，在单位时间内单位面积所散失的热量.
各种材料的热物理常数是不同的，特别是λ和Cρ对焊接温度场的分 布具有很大影响.
图1-9
P—焊条的熔化系数.
2. 平均熔敷速度——单位时间内真正进入焊缝的那部 分金属的质量.
Ι—焊接电流；
G —熔化的焊芯质量； t —电弧燃烧的时间；
式中： g D —焊条金属的平均熔敷速度； GD —熔敷到焊缝金属中的金属质量；
H —焊条的熔敷系数.
3. 损失系数：
在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质 量与熔化的焊芯质量之比.
（2） 焊接规范
相同焊接热源，因焊接规范不同，温度场的分布也有很大区别：
以h=1cm的低碳钢焊接为例：
a. 当功率q=常数时，随焊接速度v的增加，等温线的范围变小，且宽 度变小较明显，等温线形状变得细长； b. 当v=常数时，随q的增大，等温线的范围也随之增大； c. q/v保持定值，同比例改变q和v，则会使等温线拉长，因而使温度 场的范围也变大.
(2) 表示方法：
等温线（等温面） ——把焊件上瞬时温度相同的各
点连接在一起，成为一条线
或一个面.
1-4
2. 准稳定温度场
稳定温度场：
焊件上各点的温度不随时间而变动.
非稳定温度场： 焊接温度场各点的温度随时间而变动. 准稳定温度场：
恒定功率的热源固定作用在焊件上时，开始一段时间
内，温度是非稳定的；但经过 一段时间之后便达到了饱和状 态，形成了暂时稳定的温度场.
12常用焊接热源
2.焊接电弧定义
3.焊接电弧产生的条件 4.焊接电弧的引燃方法
一、焊接热源
二、焊接电弧
由焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气 体介质中产生的强烈而持久的放电现象，称为焊接电弧。
焊条电弧焊电弧示意图
１. 焊接电弧产生的条件
气体电离和阴极电子发射是焊接电弧产生和维持的两个必要条件。
２. 焊接电弧的引燃方法
通常，把造成两电极间气体发生电离和阴极发射电子而引起电弧燃烧 的过程称为焊接电弧的引燃（引弧）。
（1）接触引弧
划擦法引弧
直击法引弧
（2）非接触引弧
引弧时，电极与工件之间保持一定间隙，然后在电极和工件之间施以
高电压击穿间隙使电弧引燃，这种引弧方式称为非接触引弧。 非接触引弧需利用引弧器才能实现，根据工作原理又分为高频高压引 弧和高压脉冲引弧两种。
焊接物理冶金_第二章 焊接传热
38
温度场基本概念 不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，
并且也随时间变化的温度场：
T f x, y, z, t
稳定温度场： 不随时间而变的温度场
（即温度只是坐标的函数）：
T f x, y, z
等温面：空间具有相同温度点的组合面。 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温
2
1.1 焊接过程分析
焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→ 结晶→固态相变→接头（冷却而形成）
加热过程
焊接热过程的特点
1. 2. 3. 4. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 瞬时性——1800K/s 热源是运动的 焊接传热过程的复合性
冷却过程
3
1.2 焊接热源 welding heat source
熔池前部
–母材不断地熔化
熔池温度分布 1-熔池中部 2-熔池前部 3-熔池尾部
熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 度逐渐降低
18
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分 布 c. xoy面上的等温线 d. yoz面上沿y轴的温度分 布 e. yoz面上的等温线
T ft ( x, y, z)
x
z’ z 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热 源周围的温度分布即“焊接温度场”
• 焊件上各 点瞬时温度 分布的温度 场对分析焊 接传热过程, 焊接物理冶 金过程和焊 接化学冶金 过程至关重 要。
13
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
焊接热源及熔池形成解析
gM
G t
pI
p ——焊条熔化系数
熔敷速度：单位时间内焊接材料进入焊缝金 属的质量。
gD
GD t
H I
H ——焊条熔敷系数
损失系数：飞溅、氧化和金属蒸发损失焊条金 属与熔化金属总量之比。
G GD gM gD 1 H
G
gM
p
或
M (1 ) p
焊条金属的瞬 时熔化速度
分析可知提高焊条熔化速度的途径：
单位时间内通过单位面积传入焊
件的热能）分布，可近似地用高
斯数学模型来描述。
q(r) qmeKr 2
立体高斯曲面下的总热量为
q
q(r)dF
பைடு நூலகம்
qme
Kr
2
d
r
F
0
K qm
qm
K
q
影响热能分布因素
K值说明热源的集 中程度，决定于焊接 方法、规范和材料导 热性能等。
1.1.3 焊接温度场
1）焊接传热的基本形式 电弧焊条件下，由热源传给焊件主要以辐
mtr
—
—熔滴平均质量
gcp
mtr
— —一个周期内焊芯平均熔化速度
cp
m0 mtr
1 2
平均作用时间变化范围0.01～1.0s
5）熔滴温度
对低碳钢熔滴平均温度2100～2700K。 电流 I↑，熔滴温度T↑ 焊条直径Φ↑，T↓
1.2.2 熔池的形成
熔池的形状、尺寸、温度、存在时间、 流动状态对熔池中的冶金反应、结晶方向、晶 体结构、夹杂物数量分布、焊接缺陷的产生均 有重要影响。
存在时间 tmax=L/v, 几秒～几十秒
平均作用时间
激光照射焊件，一部分被吸收，另一部分被反射。 只要被吸收就能被充分利用。
第2章_焊接热过程
1—20 5—100 1—15 5—250 1—5 1—10
＜5 ＜15 ＜15 ＜25 ＜150 ＜10
＜3.5 ＜2 ＜1 ＜10 ＜0.05 ＜1
第一节 基本概念和基本原理
三、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，辐射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
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电感的纯电 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
一、电弧焊热过程概述
2、散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围 介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同 时也伴有热量损失。
第一节 基本概念和基本原理
一、电弧焊热过程概述
3、热量传递方式 热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温 区域传导； 对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同， 加上电弧的冲击作用产生强迫对流，工件表面处， 周围气体介质流过时带走热量； 辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的 低温物体发生辐射，并传递热量； 热焓迁移：（1）具有高温的熔滴从焊丝向母材迁 移，在传质同时传热；（2）飞溅从熔池向四周飞 散，同时传质传热。
焊接热源教学设计方案
一、教学目标1. 知识目标：（1）了解焊接热源的种类及特点；（2）掌握焊接热源的选择原则；（3）熟悉焊接热源在焊接过程中的应用。
2. 技能目标：（1）能识别焊接热源；（2）能根据焊接材料、焊接方法、焊接结构等因素选择合适的焊接热源；（3）能正确使用焊接热源进行焊接操作。
3. 情感目标：（1）培养学生对焊接技术的兴趣和热情；（2）提高学生的焊接安全意识；（3）培养学生团结协作、勇于创新的精神。
二、教学内容1. 焊接热源概述（1）焊接热源的种类及特点；（2）焊接热源的选择原则。
2. 焊接热源的种类（1）电弧热源；（2）气体火焰热源；（3）等离子弧热源；（4）激光热源；（5）电子束热源。
3. 焊接热源的选择与应用（1）焊接材料；（2）焊接方法；（3）焊接结构；（4）焊接热源的应用实例。
三、教学方法1. 讲授法：系统讲解焊接热源的基本知识，帮助学生建立完整的知识体系。
2. 案例分析法：通过实际焊接案例，让学生了解焊接热源的选择与应用。
3. 实践操作法：组织学生进行焊接热源的操作练习，提高学生的实际操作能力。
4. 互动讨论法：鼓励学生积极参与课堂讨论，培养学生的思维能力和团队合作精神。
四、教学过程1. 导入：通过实际焊接案例，激发学生的学习兴趣，引入焊接热源的概念。
2. 讲解：系统讲解焊接热源的种类、特点、选择原则等基本知识。
3. 案例分析：选取具有代表性的焊接案例，分析焊接热源的选择与应用。
4. 实践操作：组织学生进行焊接热源的操作练习，指导学生正确使用焊接热源。
5. 互动讨论：针对焊接热源的选择与应用，组织学生进行课堂讨论。
6. 总结：回顾本节课所学内容，强调焊接热源在焊接过程中的重要性。
五、教学评价1. 课堂表现：观察学生在课堂上的学习态度、参与程度等。
2. 作业完成情况：检查学生对焊接热源知识的掌握程度。
3. 实践操作：评估学生在实际操作中运用焊接热源的能力。
4. 互动讨论：关注学生在课堂讨论中的表现，评估学生的思维能力和团队合作精神。
（完整版）焊接热源
（完整版）焊接热源焊接热源模型摘要：根据⽬前焊接⼯作者的实践和共识,所谓的焊接热源模型,可以认为是对作⽤于焊件上的、在时间域和空间域上的热输⼊分布特点的⼀种数学表达。
到⽬前为⽌,⽤于焊接数值模拟中的所有焊接热源模型⼤都不随时间⽽发⽣变化,也就是认为在焊接进⾏过程中热源模型是不发⽣变化的,即静态焊接热源模型。
⽽动态焊接热源模型,其热输⼊是随着焊接的进⾏⽽发⽣变化的。
关键字：热源模型、⾼斯热源、双椭球热源、模型参数⼀、焊接热源模型种类及其参数在焊接尤其是熔化焊中,其热过程贯穿整个焊接过程的始终,⼀切熔化焊的物理化学过程都是在热过程中发⽣和发展的。
焊接温度场不仅决定焊接应⼒场和应变场,还与冶⾦、结晶及相变过程有着紧密的联系。
焊接温度场内包含着焊接接头质量及性能的充分信息, 始终是焊接发展中的最基本课题之⼀。
按照热源作⽤⽅式的不同，可以将焊接热源当作集中热源、平⾯分布热源、体积分布热源来处理。
当关⼼的⼯件部位离焊缝中⼼线⽐较远时，可以近似将焊接热源当作集中热源来处理。
对于⼀般的电弧焊，焊接电弧的热流是分布在焊件上⼀定的作⽤⾯积内，可以将其作为平⾯分布热源。
但对于⾼能束焊接，由于产⽣较⼤的焊缝深宽⽐，说明焊接热源的热流沿⼯件厚度⽅向施加很⼤的影响，必须按某种恰当的体积分布热源来处理。
1.1焊接模型特点1.焊接热源的特点：(1)能量密度⾼度集中;(2)快速实现焊接过程；(3)保证⾼质量的焊缝和最⼩的焊接热影响区。
2.焊接热源的种类：(1)电弧焊：⽓体介质中的电弧放电 (2)化学热：可燃⽓体 (3)电阻热：电阻焊、电渣焊 (4)⾼频感应热：磁性的⾦属⾼频感应产⽣⼆次电流作为热源 (5)摩擦热：机械⾼速摩擦 (6)电⼦束：⾼速运动的电⼦轰击 (7)等离⼦焰：电弧或⾼频放电—离⼦流 (8)激光束：激光聚焦3.热源的形式（从热传导的⾓度来考虑）：(1)点热源（三维）—厚⼤焊件焊接 (2)线热源（⼆维）—薄板焊接 (3)⾯热源（⼀维）—细棒摩擦焊4.焊接热源模型的概念：根据⽬前焊接⼯作者的实践和共识 ,所谓的焊接热源模型 ,可以认为是对作⽤于焊件上的、在时间域和空间域上的热输⼊分布特点的⼀种数学表达。
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第二讲焊接热源
教学目的：掌握焊缝、母材、热影响区、熔合区、焊接接头的定义、焊接接头组成及焊接热源的种类和要求。
教学重点：相关概念及焊接热源。
教学难点：相关概念及焊接热源。
教学方法：讲述法
课时分配：2课时
教学内容：
一、相关概念：
1、焊缝：焊接时，焊件或同焊接材料被加热到高温而熔化，冷却后所形成的结合部分。
2、母材：焊件材料。
3、热影响区：由于局部加热，焊缝邻近区域的母材势必会因热量的传导而受影响。
母材因受热的影响（但未熔化）而发生组织与力学性能变化的区域。
4、熔合线（熔合区）：焊缝与热影响区的交界线
5、焊接接头：焊缝、热影响区与熔合
区共同构成焊接接头。
焊接冶金过程：在熔焊过程中，随着
温度的变化，焊缝区要发生熔化、化
学反应、凝固及固态相变一系列过程；这些变化总称为焊接冶金过程。
二、焊接热源
对焊接热源的要求：温度高而且加热面积小的热源，才能使局部迅速升温，且传递向母材内部的热量损失少。
常用的焊接热源：电弧、化学反应热、等离子弧、激光束、电子束等。
其中电弧应用最为广泛。
对焊接热源的希望：加热面积小，单位面积功率大，同时在正常焊接条件下能达到较高的温度。
焊接热源所输出的功率在实际应用中并不能全部有效利用，而且有一部分损失。
一般来说，热源越集中，热量损失越少，利用率就越高。
但是由于影响热源能利用的因素很多，一般情况下，往往不考虑能量损失。
其功率为：W=UI（以电弧为例）
三、作业：
1、解释：
焊缝；母材；热影响区；熔合线。
2、画出焊接接头示意图。
并解释
3、常用焊接热源有哪些？对其有何要求和希望？。