热加工过程传输原理论文

热加工传输原理大作业

题目:焊接传热传质的研究

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工业大学材料科学与工程学院

动量、热量和质量的传输现象广泛地存在于金属热态成形时所使用的各种工程装备和仪器之中，尤其是焊接机械上显而易见。焊接的处理过程中总是伴随着“三传现象”,所以焊接热过程是一个非常复杂的过程，它具有局部性、瞬时性、非稳态性等特点。作为焊接传热传质过程研究的对象，主要有三个区域：焊接电弧；焊接电弧与熔池界面；焊接熔池与周围固体材料。同时，本文又针对摩擦焊接焊接接头金属流动过程以及焊接熔池金属传热传质有具体研究。

一、三个区域的传热传质

1.焊接电弧中的传热与传质

电弧等离子体是一个电、光、热、磁、声、力等共同作用、相互制约的统一平衡体。其间存在着电能与其它各种能量形式之间的转换。这种转换依赖于质量的传输，如中性粒子的电离与复合。这些不同形式的能量都可通过系统的能与温度联系起来。

可见，电弧是一种包含带电粒子的流体，因而它不但满足描述流体运动的控制方程，而且还满足描述电磁规律的方程组（即Maxwell 方程组）。所以对电弧传输过程的数值分析，就是在一定的边值条件下对上述方程组的解析。

在直流正极性非熔化焊接条件下，阴极与阳极表面（焊接熔池）间的电势差造成电流通过部分电离的气体，并在其间将电能转换为热能。通过导电介质的电流会产生磁场，磁场与电场相互作用形成电磁力场。这种复杂而相互耦合现象的最终效应是形成高温、高速等离子流。

对于焊接工作者来说，研究电弧等离子体的目的主要是探明影响电弧稳定燃烧的因素，为焊条与电极材料的选择和制造及焊接电源及其控制系统的设计提供依据；确定近工件界面处的电弧温度分布、压力分布和电流密度分布，为焊接熔池的传热传质计算模型的建立提供真实可靠的数据。

2.焊接熔池界面处的能量、动量和质量传输

在焊接电弧和焊接熔池的数值模拟中，电弧与熔池的边界是作为一个确定的热边界和电流边界来处理的。在某种意义上说，该边界能量、动量和质量的传输决定着电弧模型和熔池模型数值计算的成败。其间的传输过程主要有：

①电弧以辐射、对流、传导的形式将热能传于被焊工件；

②焊接电流经该区域进入被焊工件，形成电流回路，这不但影响着电弧的形态，而且还会影响工件的电流密度分布，从而改变熔池的电磁作用力；

③电弧力对焊接熔池做功，造成熔池变形。这种变形的自由表面，不但会改变熔池的传热、传质条件，还会改变电弧的热流密度和电流密度分布，形成电弧-熔池的双向作用。所以，一个完整的焊接过程数值模拟应该是焊接电弧-焊接熔池的全耦合解；

④被焊金属中合金元素的汽化；

⑤高温下气体向液态金属的溶解。

3.焊接熔池与周围固体的传输现象

该区域是焊接过程数值模拟的重点，因为这一区域的传热传质过程不仅决定着焊缝的形状、组织和性能，而且还决定着焊接热影响区的组织和性能、焊接接头中的残余应力和变形，以及焊接缺陷的产生等。这一区域发生的主要传输过程有：

①纯固体中的传导：发生于熔池周围的固体金属和冷却凝固后的焊缝金属中；

②熔池的对流传输：焊接熔池在表面力、电磁力、浮力和电弧力的作用下，熔池的液态金属不但有热和溶质的传导，而且存在着强烈的对流旋涡运动；

③固-液相变传热传质：伴随着金属的熔化和凝固，固-液界面处存在潜热的吸收与释放，并发生着溶质的再分配；

④金属-蒸汽相变传热传质：液态金属中的合金元素和微量表面活性元素在电弧热的作用下发生汽化，并伴有汽化潜热的吸收和物质的扩散对流。

二、焊接接头中金属的流动

焊接过程中，在焊接接头处热量的散发，异种原子在焊接接头的

扩散，及外部能量的输入均对结晶后的焊接接头组织产生重大影响，由于组织决定性能，因此将对接头的性能产生很大影响。下面以摩擦焊为例，研究接头塑性金属的流动行为。

1.摩擦焊接头的金属流动性

摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连接技术，在航空航天及一般工业领域都有着巨大的应用潜力，在轻量化、高可靠性及低成本的装备制造中具有独特的优势。摩擦焊是一个涉及温度、力学、冶金及其相互作用的高度复杂过程，此过程中以摩擦界面处材料的塑性变形为主，界面处塑性金属流动的产生以及流动行为将会影响到热源的产生以及界面的扩散与动态回复再结晶，进而影响到焊接接头的质量。塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面，对能否形成无缺陷、优质的焊接接头具有重要影响。因此，研究摩擦焊接过程中塑性金属流动行为非常重要。

2.旋转摩擦焊接头的金属塑性流动

摩擦热的处理都是以当量热流密度的形式从摩擦界面输入，模型简化过多，尽管部分计算结果与实验结果吻合，摩擦焊条件下的塑性流动行为仍然没有被很好地阐明。国在1984年采用了急停技术对45钢连续驱动摩擦焊接过程中变形层和高温区的扩展过程进行了研究。实验开展了摩擦压力和摩擦时间对变形层和高温区扩展过程规律的研究，并揭示了在摩擦加热开始时，变形层首先在距离圆心1/2~2/3 半径处的摩擦表面上形成。变形层的厚度随摩擦压力的增大而增大。史弼采用解析法对摩擦焊接过程中的高温塑性变形区进行研究，定性地分析了焊接参数对塑性区宽度的影响。

3.搅拌摩擦焊接过程的塑性流动

在搅拌摩擦焊接过程中，工具形状、焊接参数和待焊材料直接影响焊缝金属的塑性流动，从而决定了焊核区、热机械影响区、热影响区的大小和性能。

焊缝组织的形成过程复杂，受诸多因素影响，如焊缝金属及母材成分、焊接热循环过程、焊缝中夹杂物尺寸和分布、奥氏体晶粒成分和尺寸等等。通过相变热力学计算，可确定铁素体、珠光体、贝氏体等形核孕育时间以及转变开始温度;通过相变动力学计算，可确定新

生相晶粒生长速度并计算最终的质量百分比。由于焊接是一个不平衡的连续冷却过程，进行热力学、动力学计算比较困难，而且组织转变过程中的部分参量尚未有明确的物理模型和数学表达式，因此，模拟接头微观组织仍然十分困难。

焊接接头微观组织的计算机模拟方法并对其中广泛应用的蒙特卡罗法和元胞自动机法用于晶粒生长微观模拟的研究现状及发展趋势。采用计算机模拟技术研究焊接接头微观组织及其变化对材料性能的影响是近年来焊接模拟技术研究领域中的热点和前沿课题之一。

确定性方法是指在给定时刻，一定体积熔体晶粒的形核密度和生长速率都是确定的函数。到目前为止确定性方法已经得到了广泛的发展。运用确定性方法建立的模型可成功预测微观组织的特征，如等轴晶的平均尺寸和柱状晶的纵向生长等。在低合金钢焊缝奥氏体晶粒尺寸计算模型，该模型从晶粒长大的基本理论出发，考虑了焊接条件下的影响因素，综合了焊缝金属合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，建立了一个在连续冷却条件下基于碳原子扩散速率的低合金钢焊缝金属奥氏体晶粒尺寸的计算模型。对于基于夹杂物惰性界面非扩散形成的针状铁素体连续转变动力学模型，该模型可以用来研究焊缝中针状铁素体的转变特征，包括转变温度围、转变程度以及与焊缝化学成分、工艺参数、相变温度之间的关系、相变过程中的最大可能转变趋势等。但这种方法往往忽略了与晶体学有关的各个因素，无法考察模壁邻近晶粒择优生长形成柱状晶区，因此无法预测发生在模壁附近的等轴晶向柱状晶的转变和柱状横截面尺寸的变化，也无法模拟晶粒向液相区生长和柱状晶向等轴晶的转变等。

搅拌摩擦焊过程热传导和材料流动有着明显的不对称性，而且随着焊接速度和搅拌头旋转速度的提高，这种不对称性也在增强。最近，Nandan 等人还建立了搅拌摩擦焊接中碳钢三维粘塑性流动和传热模型，模型采用非牛顿粘性计算了金属的流动，文献得到了不同深度的水平面流线(如图所示)，流线显示了近圆的存在，且为闭合的流线，这说明搅拌针周围材料存在回流。图中还表明材料移动主要发生在后退侧。国栾国红等在铝合金搅拌摩擦焊接头行为分析中详细介绍了搅拌摩擦焊接头塑性流变数值模拟所得到的结果。在搅拌头轴肩下大