第三讲 焊接温度场
第三节 焊接温度场
3.3焊接热循环的影响因素
1.焊接规范和线能量
2.预热和层间温度
3.焊件尺寸 4.接头形式 5.焊道长度
谢谢大家！
0.70~ 0.85
三、 焊接传热的基本方式
自然界中，热量的传递主要有三种基本方式：即热传导、 对流和辐射。 焊接过程中，热源能量的传递也不外以上三种方式，对 于电弧焊来讲，热量从热源传递到焊件主要是通过热辐射
（温度越高，辐射能力越强）和热对流方式，而母材和焊丝
内部，则以热传导方式。
3.1 焊接温度场
2. 根据焊件尺寸和热源的性质
一维温度场（线性传热）：焊条或焊丝的加热（面热源， 径向无温差，如同一个均温的小平面在传热） 二维温度场（平面传热）：一次焊透的薄板，板厚方向无 温差（线热源，把热源看成沿板厚的一条线） 三维温度场（空间传热）：厚大焊件表面堆焊（点热源）
3.3 焊接温度场影响因素
1.热源性质 热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场分 布也就不同。 热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离 子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。 2.焊接参数 有效热功率与焊接速度影响最大
加热最高温度(Tmax ) Tmax指工件上某一点在焊接过程中所经历的最高温度，即该点 热循环曲线上的峰值温度。考察位置不同最高温度不同冷却速 度不同焊接组织不同性能不同。例如：熔合线附近（对一般低 碳钢和低合金钢来说，其Tm可达1300—1350℃），由于温度高，其 母材晶粒发生严重长大，导致塑性降低。
摩擦焊
利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属 局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源。 热能高度集中，焊缝深宽比可达40以上，HAZ（Heat Affected Zone）很窄。 HAZ：熔焊时在集中热源的 作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
焊接温度场及残余应力测量方法总结
焊接温度场及残余应力测量方法总结一、焊接温度场测量方法多年来，基于物体的某些物理化学性质（例如，物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等）与温度的关系，开发了形式多样的温度测量方法和装置，综合温度测量的现状，按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。
1、接触式测温方法接触式测温方法的感温原件直接置于被测温度场或介质中，不受到黑度、热物理性参数等性质的影响，具有测温精度高、使用方便等优点。
但是对于瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段。
主要是由于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个温度场的信号，必须在温度空间内进行合理的布点，才可以根据相应的方法（如插值法等）获得对温度场的近似。
常用的接触式测温方法有，电偶测温法。
热电偶是用两种不同的导体（或者半导体）组成的闭合回路，两端接点分别处于不同温度环境中，与当地达成热平衡时会产生热电势，标定后可用来测量温度。
理想的热电偶测温方法,是将参比端E,再查分度表反置于0℃的恒温槽中,通过测量2个不同导体A和B的热电动势ab求出被测温度t。
由于让参比端保持0℃有时比较困难,实际应用中常常需要参比端恒温处理或温度补偿。
热电偶测温法有几个优点:精度比较高,因为热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响；测量范围大,通常可在-50~1600℃范围内连续测量；结构简单,使用方便。
但是,热电偶测温法也有一定的缺点:每次测量的点数有限(最多几个点),难以反映整个焊接温度场的情况;此外,金属的电阻和熔池中液体的流动会阻碍热传导,从而给热电偶的测量带来一定的误差。
2、非接触式测温法非接触测温法分为两大类：一类是通过测量介质的热力学性质参数，求解温度场（如声学法);另一类是通过高温介质的辐射特性，通过光学法来测量温度场。
非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度场和流场；同时，感温元件传热惯性很小，因此可用于测量不稳定热力过程的温度。
材料加工原理第3章-温度场
9
（一） 解析法
解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导 和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示 的解，也就是解析解。 优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够
清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参
数变化对温度高低的影响。
缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不
三维傅里叶热传导微分方程为：
T t c 2T 2T 2T x 2 y 2 z 2
a
a 2T
式中:
a
—— 导温系数，
c
；
2 —— 拉普拉斯运算符号。
二维传热：
2T T 2T a x 2 y 2 t
x T1 Ti T10 Ti erf 2 a t 1
T T10
铸型侧
Ti
铸件侧
x T2 Ti Ti T20 erf 2 a t 2
T20 x
由在界面处热流的连续性条件可得：
Ti b1T1 0 b2 T2 0 b1 b2
延长。对于形状复杂的铸件，其体积与表面积的计
算都是比较麻烦的，这时可将复杂铸件的各部分看
作是形状简单的平板、圆柱体、球、长方体等单元
体的组合，分别计算出各单元体的模数，但各单元
体的结合面不计入散热面积中。一般情况下：
模数最大的单元体的凝固时间即为铸件的凝固时间。
21
三、界面热阻与实际凝固温度场
上述关于铸造过程凝固温度场的分布以及凝固时间的讨 论均将铸件与铸型的接触当作是理想状态下的紧密接触， 实际界面存在热阻。
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
焊接热-PPT精品
熔合区：熔合线两侧有一个很 窄的焊缝与热影响区的过渡区。成分不均，组织为 粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而 且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。
• 研究焊接热循环的意义为： ① 找出最佳的焊接热循环； ② 用工艺手段改善焊接热循环； ③ 预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。
二、焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH
• 最高加热温度Ｔm
晶粒 大小
• 相变温度以上 的停留时间tH
• 冷却速度Ωc (或冷却时间t8 / 5)
相变 组织
三、焊接热循环参数的计算
不易淬火钢焊接热影响区的组织分布
焊接热影响区的组织分布特征
1-熔合区；
不易 2-过热区；
淬火钢 3-相变重结晶区；
T
• 厚大当件固对定电热弧源加分
热别部作位用的在冷厚却大作件用、
3
最薄强板，和接细头长温杆度上下时，
2
x=0
降假速设度焊最件快从。热其源次获
1
r=0
是得薄的板瞬，时而热细能杆相的等，
பைடு நூலகம்
R=0
散可热以速比度较最三慢种。情况 0
t
下焊件的温度变化 速率。
图2-17 三种情况下热源直接作用 部位的温度随时间的变化曲线
4.1 焊接热循环 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
一、研究焊接热循环的意义
• 在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随 时间的变化过程称为焊接热循环。
焊接温度场与熔池形成
Q 工件 =ηIU ( J / s )
η为热效率——加热功率的有效系数
仅指焊件所能吸收到的热能 损失的热能：光热辐射、对流、金属蒸发、飞溅.
在一定条件下η为一常数. 主要取决于热源、焊法、焊材、
母材性质及尺寸.
1-1
(2)焊接热能通过一定的作用面积（加热区）进入工件
图 1-2
图1-7
5. 影响温度场的因素
热源种类、焊接规范、材质物理性质、焊件形态、热源作用时间等.
（1） 热源种类
焊接热源的性质不同，焊接温度场的分布也不同: h>25mm钢板的电弧焊为点热源; h> 100mm 钢板的电渣焊却认为是线热源. 电子束和激光焊时，热能极其集中，温度场范围很小; 气焊时，热源作用面积较大，温度场范围也大.
焊接温度场是准稳定温度场
3. 焊接温度场分类
取决于工件尺寸和热源性质
1）三维温度场
厚大焊件的表面堆焊，三维传热，点热源
T= f (x, y, z, t) 2）二维温度场
一次可焊透的薄板，二维传热 ，线热源
T= f (x, y, t) 3）一维温度场
细棒的电阻焊对接、焊条或焊丝的加热， 一维传热，面/体热源
焊接热能分布图
图 1-3
加热斑点区的比热流分布为：
q(r ) qm ek r2
其中，q m为斑点中心之最大比热流，k为热流集中系数，r为任意点距中 心点的距离.
上式用于计算： a. 加热区内任意点的比热流qr ; b. 电弧的全部有效热能：
qq全＝A qmekr 2 dF
qm e kr 2 rdr
电弧用于加热和熔化焊条的功率仅是其全部功率的一小部分， 即：
qe ห้องสมุดไป่ตู้UI
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。
焊接温度场_应力场和应变场相似准则的推导及验证
材料热物性参数采用实际 Κ、c 随温度变化的 数值, 其中包括了相变对其值的影响。分别见图 3 和图 4。
图 3 热导率随温度变化曲线
图 1 平板表面堆焊数值模拟原形及 验证点位置示意图
C q = C l, C v = 1 C l, C Α = 1 C 1, C t = (C l) 2
所以焊接条件下的相似准则为
qm q = lm l = ∆ vm v = 1 ∆
(1) Αm Α= 1 ∆ tm t = ∆2 式中, 下标 m 为模拟件的参数; ∆ 为模拟件与实物几何尺 寸的比例。
2. 2 高斯热源的相似条件 在数值模拟中, 作为热源边界条件, 需要有热
(2)
2. 3 方程分析法推导焊接应力场应变场
根据能量守恒, 描述焊接过程的方程[1] 为
cΘT + q3i, j = Q Μ-
E 1-
ΑT2ΜΕeij
+
ΝΡd ij ΕΜp ij
(3)
式中, T 为温度对时间的变化率; cΘT 为单位时间的储热;
q3i, j 为通过表面单位时间内传递的热; Q Μ为单位时间消耗
收稿日期: 1999—11—16
量之间基本量纲因次是和谐的得出相似准则。 焊 接 过程中的温度场分布 T 与输入热流量 q、焊接 速度 v、工件尺寸 l、比热容 c、密度 Θ、导热系数 Κ、 表面散热系数 Α、及时间 t 有关。以长度 (L )、力 (P )、时间 ( t)、热量 (C ) 、温度 (T ) 作为基本量, 将 密度 Θ改为重度 Χ。与焊接温度场有关的各量用基 本量的因次表示如下: T [ T 1 ], q [ t- 1C 1 ], v [L 1 t- 1 ], l [L 1 ], c [ P - 1C 1T 1 ], Χ[L - 3P 1 ], Κ[L - 1 t- 1C 1T - 1 ], Α[L - 2 t- 1C 1T - 1 ], t[ t1 ]
焊接冶金学——基本原理
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数
① 加热速度 ② 加热的最高温度 ③ 在相变温度以上的停留时间 ④ 冷却速度或冷却时间
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•焊接热循环的参数
焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
化问题。
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焊接冶金学——基本原理
1.1 焊接过程分析
Ø 焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→
•加热过程
结晶→固态相变→接头（冷却而形成）
Ø 焊接热过程的特点
1. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 2. 瞬时性——1800K/s 3. 热源是运动的 4. 焊接传热过程的复合性
•冷却过程
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 热源在焊件上的分布
➢ 热流密度的分布
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•q:电弧的有效功率 •qm:加热斑点中心的最大比热流
•dH:回执斑点直径
•加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热
•焊接熔池形状示意图
➢ 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
模块三
三、多层焊接热循环的特点及控制
比起单层焊接来，多层焊接在工艺上不受焊缝截
面尺寸限制，可以在更大范围内调整线能量和其它工
艺参数。在相邻焊层之间，彼此遭受预热或后热之类 的热处理，从而使焊接接头某点所经历的热循环以及
金属的组织和性能所发生的变化不尽相同于单层焊接。
多层焊可分为“长段多层焊”和“短段多层焊”。
温面，就是温度相等各点的连线或连面。在作图或数学解析取坐标系时， 通常是以原点O为热源所处位臵，X轴为热源移动方向，Y轴为宽度方向， Z轴为厚度方向（如图3-6a）。
图3-6 温度场示例
a)焊件上的坐标轴 b)XOY面的等温线和最高温度点曲线（虚线）c)沿X轴的温度分 布曲线 d) 沿Y轴的温度分布曲线
焊接冷却之后很可能得到粗大的马氏体组织， 相应与热处理淬火时加热温度过高的情况，从而得 名过度淬火区。粗大的马氏体组织塑性及韧性很差， 易于产生冷裂纹。在焊接条件下，过度淬火区经常 是这类钢种焊接接头的裂源和脆性破坏等的区域。 （3）正常淬火区 正常淬火区所经历的峰值温度，是在奥氏体晶 粒迅速长大温度与临界相变点Ac3温度之间，相当于 前述钢种的正火区部分。所不同的是焊接冷却之后 得到的不是普通的正火组织，而是相当于热处理时 的正常淬火组织，如细小的马氏体等，因而得名正 常淬火区。一般而言，细小的低碳钢马氏体有一定 的韧性，高碳马氏体则是另一个问题，易于产生焊 接缺陷。
（6）蓝脆区 蓝脆区所经历的峰值温度约为200～500‴，因 此时强度略有升高，塑性韧性下降（尤以200 ～ 300‴）为甚，金属表面呈现蓝色得名。 （二）淬硬倾向较大的钢种 （1）熔合区 由于这里的冷却速度大，对于淬硬倾向较大的钢 种还需要考虑到所发生的马氏体转变或淬硬组织的生 成等情况。 （2）过度淬火区（过热区） 过热区所经历的峰值温度处在固相线与奥氏体晶 粒迅速长大的温度之间，因此金属处于过热状态，奥 氏体晶粒易发生严重的长大想象。
影响焊接温度场的主要因素是哪些？
影响焊接温度场的主要因素是哪些？
焊接热过程贯穿了整个焊接过程的始终，可以说，焊接的物理变化和化学反应都是热过程中的发生和发展的，焊接温度场决定了焊接应力场，它与冶金、结晶、相变过程有着不可分割的联系，它是影响焊接质量和生产效率的主要因素之一，影响焊接温度场的主要因素有以下几点:
1.热源的影响。
不同热源由于它们的热强度和热量分布不同，因而影响温度场的分布，如电弧焊、气焊、电渣韩、电子束焊的温度场分布是不同的。
2.基本金属热物理性能不同（如导热系数等），温度场的分布相差很大。
3.焊接参数的影响。
以焊条电弧焊为例，焊接参数中，以电弧功率及焊接速度影响最大，在厚板及焊接速度一定时，电弧功率增大，受热达600℃的高温区域就增大。
在电弧功率和板厚一定时，增大焊接速度则600℃高温区域就缩小。
因此，适当调节焊接参数，可在一定程度上控制热影响的大小。
4.板厚的影响，厚度大的构件沿厚度、长度、宽度三个方向传热快，厚度小传热慢。
因此，在相同的热源功率和工艺参数时，厚板的温度场分布范围较小，薄板的温度场分布范围较大
5.焊接接头形式的影响。
不同焊接头形式，其热的传导情况也不同，热传导最容易接头，其温度场分布范围较小。
焊接温度场测试技术的探讨
焊接温度场测试技术的探讨1998年第6期物理测试焊接温度场测试技术的探3王堆竖,/尚小剐摘要本文介绍了热电偶测温法,红外热象法,红外测温技术的基本原理,特点及在焊接温度场测试中的应用...美键词堂哩壅塑!堂盟鍪[垫叁鎏;型盈必;光导纤维弋4.1l'..囊l11序言n,'焊接温度场通常是一个动态温度场,其温度分布及其动态变化过程对焊接接头的形态,金相组织,性能及应力变形等有着非常密切的关系.通过对焊接温度场的检测,可以问接反映焊接质量.因此,准确地测量焊件上各点的温度是进行焊接冶金分析,焊接应力,应变,弹塑性动态分析的基础,也是对焊接过程进行计算机控制的前提.由于焊接过程中热源是移动的,且场中各点的温度变化非常急剧,故对焊接温度场的测试系统提出了很高的要求:①测量的温度范围要大.从O～2000~以上.②对温度变化的反映速度要快.因为电弧焊时加热速度可达1500%/s以上.③测量面要大.因为焊件上各点的温度不同而且都在不断的变化.2焊接温度场的测试方法2.1热电偶测温法众所周之,热电偶测温法是一种接触式测温法.其基本原理是热电偶两端由于温差产生热电势.热电势不仅与测量温度有关,而且与参考温度同样有关.在实际测温中,通常将参考端置于冰水中,使其温度恒定.如图1示.测温时只需要将热电偶的热结点焊在被测点上,另一端接在x—Y记录仪上,用x—Y记录仪来记录每个热电偶的温度随时问的变化曲线.该方法的优点:①精度比较高.因为热电偶直接与被测对象接触,不受中问介质的影响.②测量范围大.通常可在一50℃～1600℃范围内连续测量.③结构简单,使用方便.但是,该方法也有一定的缺点:每次测量的点数有限(最多几个点),难以反映整个焊接温度场的情况.此外,金属的电阻和熔池中液体的流动会阻碍热传导,从而给热电偶的测量带来一定的误差"J.图l0℃恒温器1.试瞥2.热电偶3.球块4.补偿导线5.盖6.显示仪表7导线8.恒温器9变压器油如今,随着科技的不断发展,单片机数据采集系统,专用数据采集卡已经开始应用于焊接领域,解决了传统热电偶测温法的不足之处.因其多通道,可同时采集多路数据,给热电偶测试焊接温度场带来了新的生机,尤其是采用单片机数据采集系统,不仅价格便宜,而且易扩展,收割稿件日期:1998年5月21日王伟.男.52岁,冒I教授物理测试1998年第6期使用灵活,功能强,更显示出它的优越性.单片机数据采集测温系统的结构如图2示.圉2单片机数据采集撼温系统2.2红外热象法近年来,由于红外技术及计算机的迅速发展,人们找到了一种快速,准确且能一次获得全场信息的方法——虹外热象法.它是一种非接触式测温法.其基本工作原理是:物体受热后会产生辐射,热辐射是一种电磁波,它以光速进行传递辐射能,所以可以利用辐射能与温度和波长之间的相互关系来测温.该测温装置由三大系统组成:热成像系统,计算机图象处理系统,伪着色系统.温度场测试装置的结构如图3示.图3红外热象法测定焊接温度场的结构图热成像系统是利用红外摄像机将摄影像通过光学系统在摄像管靶面上成象,摄像管把图象转换成电平信号,经过预放器低噪音放大和视频通道的加工处理,形成电视信号输出.计算机图象处理系统是将摄像机输出的图象信息的模拟量,经过数模转换后变成图象数字量,再将该信息转换成计算机所能接受的数字化灰度矩阵,存人计算机,然后,由计算机进行数据处理.处理后的图象信息可以由打印机输出,也可用绘图机绘出图象.,伪着色显示系统是由着色处理器和彩色显示器等部件组成.它的任务是将计算机处理好1998年第6期物理测试的图象进行着色处理,最后在彩色显示器屏幕上显示出各种颜色的图象,每种颜色代表一个温度区间.现代的红外热成像设备为了能全面和实时检测温度场的动态变化,必须采用高速摄影技术,从而能快速地,全面形象地测试焊接温度场的动态过程,也可直接监视焊件熔深,熔宽.但是,红外热成象技术的不足之处在于:其绝对温度的数值与表面红外线的放射功率之间存在着一定的非线性关系;不同的金属材料其红外放射的功率是不相同的;工件焊前用不同的预处理方法处理,导致焊接时表面温度发生变化,最终导致红外放射功率也不尽相同.此外,该设备价格较昂贵.李维结等人将图象处理方法应用于闪光焊温度场的检测中,取得了较好的效果.由于闪光焊热影响区温度分布梯度大,夹具问空间狭窄,对接面不断烧损,飞溅以及电磁干扰严重,若采用热电偶测温法则难于实现准确的测量.图象法在检测温度场动态变化时具有高速,高分辨率,操作方法简便的特点,不但适于对闪光焊温度场变化过程的动态检测,而且为闪光焊热过程温度场控制提供了依据"】.此外,在GMA焊接中,红外热成象技术被应用于接头熔深的自适应焊接控制,也取得了一定的成果.2.3红外测温技术红外测温技术是利用红外辐射的测量来确定物体的温度.红外测温主要是利用红外测温仪来实现的.通常又将红外测温仪分为:亮度测温仪,比色测温仪.前者测定的温度是亮温,亮温是根据被测对象在某一渡段内的辐射亮度来定义;后者测取的温度是色温,色温是黑体的某种温度.红外测温仪通常由以下部分:光学系统,红外探测器,信号处理电路和显示机构.其结构原理如图4示.该方法的优点是:①它不必接触被测物体,故不会影响被测目标的温度分布,提高了测温的真实性.②反应速度快.它不象一般热电偶那样需要与被测物体达到热平衡,它只要接收到目图4红外测温仪结构原理图标的辐射就行了.由于辐射能是以光速传播的,这样,红外测温的速度只取决于测温仪器自身的响应时间.③测温范围大.它可测量执摄氏负几十度到几千度的高温,甚至对选择性辐射体.其测温范围可高达万度.Boo和cl】利用红外测温仪,通过相关分析,最终确定了温度传感器的最佳测量位置,以监测焊接熔池的变化由于GMAW焊接工艺的复杂性以及非线性因素,焊件表面温度会随着测试位置的不同而不同.利用被测温度和熔池尺寸之问的相关系数—=/(*),一1≤≤1(w代表熔池的几何参数,如焊道宽,接头处的熔深,根部表面宽度;t表示焊件表面某一点的测量温度.,o,分别代表W的方差,t的方差,W和t的协方差)来决定最佳测量点.通过模拟研究发现,在瞬态和准稳态下,焊道宽与被测温度之间的相关系数均大于0.95,如图5,6中的阴影区所示,说明焊道表面宽度与该点温度有着密切的关系.从图5,6可得出,最佳的温度传感器的位置必须在一12ram<X<一10nua.3mm<y<7nun的范围内.这一范围是两阴影区的交集.此外,在光测技术中,信息传输也是一个重要的环节.光导纤维是现代光学系统中一种非常有用的传光器件,它是一种电磁绝缘性能很好的理想的光信息传输媒介质,它不仅柔性好,光三一圈物理测试1998年第6期图5瞬态下焊道宽与表面温度的相关系数图6'准稳态下焊道宽与表面温度的相关系数可以弯曲,而且具有耐腐蚀,响应特r_1性好,失真小等特点.因此,在一些电源三竺l探测器无法直接观察或无法接近目标的场合,在探测器前使用光纤来传导目标的辐射是很方便的.测温时只须将纤维头放进恶劣的焊接环境图7光导纤维温度检测系统框图中,而红外检测和信号处理模块可放在远离焊接区的安全位置,如图7所示.此外,光导纤维也能够避免电弧波动所产生的电磁干扰.黄毅等人采用红外光导智能测温系统对直缝焊管焊接区的温度进行实测,初步解决了焊区在恶劣条件下(焊接区附近的水蒸汽,焊渣飞溅,烟雾等)温度监测的难题. 结束语(1)热电偶测温法的结构简单,使用方便,而且易与单片机联接,故有广泛的应用前景.(2)红外热象法能快速,全面,形象地测试焊接温度场的动态过程,但设备价格昂贵.(3)光纤测温技术是近代测温技术中一项新型测温技术,它具有广泛的应用前景,但其测温技术还不完善,需要不断的研究和发展.总之,随着科技的进步与发展,对温度的精确测量提出了更高的要求.温度检测系统的微机化,温度测试仪器的智能化,是温度测试技术发展的必然趋势.参考文献1.KRAUSHG.."E-P簟i删l№鼎锄蛐tOfThe.胁304i岫.eIG'TAWeldi~PodS幽T芒呷哪娜.W曲喀m蛐曲s彻1.^l,19'87-353一e一359一B2.c删w.c}删B.A..niJointPeneuu~us_喵h正∞帕SensingT畸.Weldia8ee蝴s】PpI 咖即t^pr,1990.181一e一185一'3.李维结.材料科学与工艺.1996;(3)4.Q^J^NS,CHiNWH.cⅡNB.A.h血帕铀llsFc~Are删i".删?叫曲sl∞叫Nov. 1989.462一'一5BOOK.S.,CH0H.S..w:ldiEJ彻.1994;73(11):M527I—s6.d】.D.Bd￡.wd曲】啦JI.日I,l985;6I(1);田一e一217一B7.黄敏,林雪荣等.焊管,1991;(3)。
焊接结构
1、名次解释：温度场：焊接温度场是指在焊接过程中，某一时刻所有空间各点温度的总计和分布。
焊接温度场可以方便的用等温面或等温线来表示。
（P17）内应力：内应力是指在没有歪理的条件下平衡于物体内部的应力。
内应力可以分为三种：宏观内应力，微观内应力和超微观内应力。
（P49）应力集中：应力集中是指接头局部区域的最大应力值比平均应力值高的现象。
（P144）热循环：在焊接过程中，工件上的温度随着瞬时热源或移动热源的作用而发生变化，温度随时间由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。
（P34）疲劳断裂：材料在变动载荷作用下，会产生微观的和宏观的塑性变形，这种塑性变形会降低材料的继续承载能力并引起裂纹，随着裂纹逐步扩展，最后导致断裂，这一过程称为疲劳。
（P217）脆性断裂：通常脆性断裂是指沿一定结晶面的劈裂的解理断裂（包括半节理断裂）及晶间（沿晶）断裂。
（P182）PPT上：金属在断裂成两半以前，没有或很少有塑性变形，它是金属晶体在外力作用下，滑移受阻而不能变形，当外力大于金属内部的联系力时就发生脆性断裂。
工作应力：在外力作用下，接头部位产生的应力称为工作应力。
（P144）S-N疲劳曲线：循环载荷试验，试验时用一光滑试件或实际构件，使其受周期性重复的恒幅载荷作用，直至出现裂纹或完全断裂。
根据试件在裂纹萌生或完全断裂时所经受的应力循环次数N与载荷幅或应力幅做出的乌勒疲劳曲线，即S-N 曲线。
延性断裂：（亦称为塑性断裂和韧性断裂）在外力作用下，金属晶体沿滑移面在最大剪应力作用方向滑移的结果。
塑性金属材料的晶体在载荷作用下，首先发生弹性变形，当载荷继续增加达到某一数值即发生屈服，由于滑移使多晶体金属发生永久变形，即塑性变形，若要继续变形，则要增大作用力，此过程即为所谓的加工硬化，继续加大载荷，金属将进一步变形，继而产生微裂口或微空隙，这些微裂口一经形成，便在随后加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹，宏观裂纹发展到一定的尺寸后就发生失稳扩展而导致最终断裂。
焊件上的焊接温度场随着焊接热源的能量
华侨大学
焊接变形的来源
• 焊接变形产生的根本原因就是焊件在焊接过程中 经受了不均匀的加热及冷却。由于焊接热过程对 焊件的作用，在焊接构件中产生了应力状态及尺 寸、形状的变化。
焊接变形的来源 • 1.3.1 焊接变形的来源
焊接温度场：由于焊接热源的作用，在焊件上产生了不均匀的温 度，并且焊接方法、焊接参数以及被焊材料等条件的不同，将有 不同的温度场。薄板焊接时的温度场如图 1-12所示。图1-12a、 1-12b 分别为薄板沿纵向截面及横向截面的温度分布曲线。图 1-12c为薄板平面上焊接温度场的等温线。对于低碳钢来说，达 到600℃时材料处于塑性状态。因此600℃等温线区域内就是低 碳钢材料受热产生塑性变形的范围。这个区域的大小与焊件冷却 后的焊接应力与变形的大小有关。
焊接变形的来源
a）沿纵向截面的温度分布 b）沿横向截面的温度分布 c）薄板平面上的等温线
图1-12 薄板焊接时的温度场
焊接变形的来源
从图1-12可以看到焊接温度场有以下特征： （1）焊件上各处的温度不同，并且差别很大。 熔池中的金属处于液体状态，温度在材料的熔点以上。靠近熔 池的区域温度也比较高，对于低碳钢材料，通常认为超过 600 ℃的区 域完全丧失了弹性 ，也就是焊缝及其附近超过 600℃的区域处于热塑性状态。距离焊缝越远的区域，其温度 下降的越多，直至室温状态。因此，焊件的材料也是由热塑性 状态、半塑性状态过渡到弹焊件上各点的加热及冷却也是不均匀的。 在同一瞬时，焊件上各点的温度不同，而且各自的升温与降温的 趋势也不同。当靠近焊缝区域处于降温时，距焊缝较远的区域却 处于升温过程。也就是说，焊件上各点达到各自最高温度的时间 不同，靠近焊缝的区域比较早，远离焊缝的区域则比较迟一些。 （3）焊件上的焊接温度场随着焊接热源的能量、焊件的尺寸及 形状、焊接参数以及被焊金属的热物理性能而变化。
焊接基本原理要点
焊接：被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺。
比热流：单位时间内通过单位面积传入焊件的热能。
焊接温度场：焊件上包括内部某瞬时的温度分布称为温度场。
稳定温度场：焊接温度场各点的温度不随时间而变动时，称为稳定温度场；随时间而变动时，称为非稳定温度场。
准稳定温度场：经过一段时间后达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场。
焊接线能量：电弧在单位焊缝长度上所释放的能量。
熔滴比表面积：熔滴的表面积与其质量之比 .R VA ρρ/ 3/S==短渣：随温度升高粘度急剧下降，随温度下降粘度急剧上升。
（适用所有焊）长渣：随温度升高粘度下降缓慢的熔渣。
联生结晶：焊接过程中，焊缝区在冷却过程中以熔合线上局部半融化的晶粒为核心向内生长，生长方向为散热最快方向，最终长成柱状晶粒。
晶粒前沿伸展到焊缝中心，呈柱状铸态组织，此种结晶方式为联生结晶。
竞争生长：晶粒长大具有一定结晶位向，当晶粒最大结晶位向与散热最快方向一致，最有利于晶粒长大，晶粒优先得到生长，当这两个方向不一致时，晶粒长大停止。
短段多层焊：多层焊时每道焊缝长度在50至400mm，在这种情况下，前层焊缝冷却到较低温度才开始焊接下一道焊缝。
长段多层焊：多层焊时每道焊缝长度在1m以上，在这种情况下，前层焊缝冷却到较低温度才开始焊接下一道焊缝。
焊接热循环：焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。
碳当量：把钢中合金元素按其对淬硬的影响程度折合成碳的相当含量。
焊接热影响区：在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区。
焊接拘束度：R单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。
焊接拘束应力：热应力、组织应力、结构自身拘束条件所造成的应力，三种应力的综合作用统称为拘束应力。
焊接的优点：成形方便、生产成本低、适应性强1、节省材料，减轻结构重量，经济效益好；2、生产周期短、效率高；3、结构强度高，接头密封性好；4、易实现机械化和自动化。
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第三讲焊接温度场
教学目的：理解温度场的概念及表达方式；等温线的概念及特征。
了解温度梯度的概念。
掌握影响温度场的因素。
教学重点：温度场、等温线
教学难点：温度场、等温线
教学方法：讲述法
课时分配：4课时
教学内容：
热量的传递有传导、对流、辐射三种基本方式。
在熔焊过程中，三种方式都存在。
其中热量传递到焊件主要是通过对流与辐射；母材与焊丝获得热量后其内部的传导则以传导为主。
一、温度场的概念及表达方式
1、焊接温度场：指某一瞬时焊件上各点的温度分布。
具体说就是焊件上各点温度分布情况。
焊接温度场是某一瞬时的温度场。
因为焊件上的温度不仅不均匀，而且因热源的运动还将使各点的温度随时间而变化。
在焊接进行过程中，焊件上温度分布的规律：热源中心处温度最高，向焊件边缘温度逐渐下降。
2、等温线（面）：温度场中相同温度的各点所连成的线（或面）。
性质：不同等温线（面）绝对不会相交。
等温线的意义和应用：
（1）固定加热厚大工件等温线的情况（如图4-2）
工件上各点的温度仅仅与其到热源的距离有关。
等温线的现状是以热源中心为圆心的半球面。
在xoy 平面的等温线则为同心圆，
温度越低，半径越大。
（2）热源运动时等温线的情况
焊接时，由于热源要沿着一定的
方向运动，热源前后温度分布不再对
称，等温线的形状将发生变化。
原因：热源前面是未经加热的冷金属，温度下降很快，而热源后面则是刚焊完的焊缝，温差较小。
结果：热源前面的等温线之间距离缩短，后面等温线之间的距离加长，而在热源的两侧分布仍然是对称的。
讲述图4-3 （教材107页）
3、温度梯度
等温线可以表示温度在空间的变化率，
这个变化率与温差成正比，与等温线之间
的距离成反比，其比值叫做温度梯度。
如图; G =T1-T2/Δs
当T1＞T2，即温度上升时，温度梯度为正；反之为负。
二、影响温度场的因素
影响温度场的因素主要有：
（1）热源的性质
（2）焊接参数
焊接参数是焊接时为保证焊接质量而选定的各项参数的总称，包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入（线能量）等。
在热源相同时，焊接参数对温度场有明显的影响，其中影响最大的是热源功率P与焊接速度v。
有三种情况：（图4-5）○1P不变而改变v的情况，随焊接速度v 的提高，加热面积减小，热源前方的等温线更加密集。
○2v不变而改变P的情况，P增加时，加热面积明显增大。
○3P、v同时变化，P/v不变的情况，等温线沿运动方向伸长，但宽度变化不明显。
P/v的物理意义：熔焊时，由焊接热源输入给单位长度焊缝的能量，单位为J/cm，称为热输入。
又称为线能量。
（3 ）被焊金属的导热能力
用热导率表示，说明金属内部传导热量的能力。
（4）被焊金属的几何性质。
三、作业
1、什么是焊接温度场和等温线（面）？等温线（面）的性质是什么？
2、影响温度场的因素有哪些？。