焊接冶金原理02焊接热过程2

弧长2mm和弧长8mm的含有18ppm和77ppm 硫的304不锈钢定点钨极气体保护焊缝
2.3焊接对流传热
2.3.3激光焊接熔池对流传热
热导焊，熔池的内部主要是存在着Marangoni对流
热导焊熔池流动示意图
热导焊焊缝截面
2.3焊接对流传热
激光未穿透焊的上表面存在着Marangoni对流
深熔未穿透焊熔池流动
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
Baidu Nhomakorabea
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。
2.3焊接对流传热
等离子流力示意图
电弧等离子体引起的对流
2.3焊接对流传热
➢ 在TIG焊中长电弧产生的等离子剪切应力有可能大于熔池的洛伦兹力和 沿熔池的表面张力梯度作用，使熔深变浅，熔宽变宽；
➢ 即使在钢种存在活性物质时，在长电弧条件下等离子流力驱动的强制 对流仍然居于主导地位
弧长2mm和弧长8mm的低碳钢定 点钨极气体保护焊焊缝
第2章 焊接热过程
2.1 焊接传热学基础 1.2 焊接温度场 1.3 焊接熔池对流传热 1.4焊接热循环
2.2焊接温度场
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。
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
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
2.3焊接对流传热
采用X射线方法可以观测到匙孔的波动行为，在熔池中放入钨颗粒借 助X射线可观测到熔池的流动行为。
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。
2.3焊接对流传热
两种不同种类的316不锈钢表面 张力数据，二者相差160ppm
含40ppm硫(a)和140ppm硫(b)的两种304不锈钢YAG 激光焊接的焊缝
2.3焊接对流传热
熔池中Maraggoni对流的Heiple模型：（a~c）低硫钢；（d~f）高硫钢
4、等离子流力
焊接电弧呈非等截面的近锥体，电磁 收缩力在其内部各处分布不均匀，不同截 面上存在压力梯度，将引起高温粒子的流 动的力被称为等离子流力。
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
铝合金熔池浮力对流
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。
➢ 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；
➢ 有限差分法在网格划分上仅能采用形式上规则的网格，不够灵活； 而有限单元的网格划分比较灵活。
2、焊接温度场有限元法数值模拟
目前能够为焊接工作者选用的有限 元软件有：ANSYS、MSC.MARC、 ABAQUS、SYSWELD、ADINA、 NASTRAN和MAEC等。这些大型 的有限元分析软件都具有自动划分 网格和自动整理计算结果，并形成 可视化图形的前后处理功能。焊接 工作者已经无需自己编制分析软件， 可以利用上述商品化软件，必要时 加上二次开发，即可得到需要的计 算结果。
2.3焊接对流传热
2.3.1焊接对流传热的重要性
A-TIG焊接焊缝形貌对比(其他工艺参数相同)
焊接热过程除了收到热传导影响之外,还受到熔池内部热对流的影响.
2.3焊接对流传热
焊缝金属传热形式：热传导+热对流 在液态熔池内部的热对流和热传导是不能明确分开的两个传热过程： ➢液态金属保有的热量会在熔池流动过程中传递到其他区域； ➢熔池内部的温度分布不均匀的，也必然会存在热传导过程。
2、洛仑兹力
静态铝合金熔池的洛伦兹力计算： ➢液态金属沿着熔池轴线向下流动， 沿着熔池边界向上流动； ➢最大的流动速度大约为40cm/s， 比浮力对流大一个数量级。
洛伦兹力对流原理示意图
由洛伦兹力引起的对流场
2.3焊接对流传热
采用一个铜加热棒与低熔点 的伍德合金直接接触，这样 在热传导的作用下伍德合金 发生熔化，这种熔池仅有浮 力流的作用。如果将铜加热 棒通入75A的电流，则熔深显 著增加。洛伦兹力可以使焊 接熔池的熔深大大增加。
深熔未穿透焊焊缝截面
2.3焊接对流传热
激光未穿透焊的上下两个表面都存在着Marangoni对流
深熔穿透焊熔池流动
深熔穿透焊焊缝截面
2.3焊接对流传热
激光焊缝熔池流动行为数值模拟
2.3焊接对流传热
实际上激光焊接过程中匙孔是剧烈波动的，这会引起熔池流动行为的变 化带来一系列冶金问题。
匙孔前壁局部蒸发极其产生的熔池波动