第二章 焊接热过程资料
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第一章 绪 论 Introduction
材料成型及控制工程 2012.9
焊接结构
本章内 容
2.1 基本概念及原理
2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的热作用
焊接结构
2.1 基本概念与原理 2.1.1 电弧焊热过程概述 （1）焊接热过程的特点： – 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
综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识， 因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。
焊接结构
2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
2.1.3 焊接热源
（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机 械能、光辐射能和化学能等。
焊接结构
（4）分布热源模型 分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描 述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q( r ) qm exp Kr
2
dn
2 3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
T
2Q c (4at)
3 2
r2 exp 4at
焊件表面上等温线的形状？
焊接结构
T源自文库
2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
Tmax
2Q c (4t )
3 2
在固定的位置r处，T与t的关系
1 r 2 T f 3 2 exp t 4t
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度
在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
q1( x , y , z ) q2 ( x , y , z )
6 3 f1Q abcf 6 3 f 2Q abcb
T q n
q x 2T dqx dx 2 x x
2T dQx 2 dxdydzdt x
2T 2T 2T dQ 2 2 2 dxdydzdt x y z
+
dQ cdxdydzdT
电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子束热
源等 （2）焊接热源的有效热功率（热效率）：＜1。
热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S]
焊接结构
（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的 问题分为了三类：
焊接结构
温度 变化 导致 的能 量变 化
2 2 2 T T T T 2T 2 2 2 t c y z x
焊接结构
方程中假设初始条件为0℃，不考虑表面散热，则方程的特解 为 r2 Q T exp 3 4 at 2 c (4at) 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:
e e
3 x2 3 y 2 3 z 2 c12 a 2 b2
3 x2 3 y 2 3 z 2 c22 a 2 b2
焊接结构
2.2 焊接温度场
• 分瞬时固定热源、移动热源两种类型。 • 每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、 二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设：
• 三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体 积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的 传导，又称为厚板点热源模型 • 二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整 个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维 热传导，又称为薄板线热源模型 • 一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整 个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型
T 2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
焊接结构
（4）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；
焊接结构
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力 等。
① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；
② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的；
④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；
⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构
2.2.1 瞬时固定热源
（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）
热传 导导 致的 能量 变化
dQx dqx dy dz dt
焊接结构
（2）产热机构
• • • 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件； 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；
•
变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）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。
材料成型及控制工程 2012.9
焊接结构
本章内 容
2.1 基本概念及原理
2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的热作用
焊接结构
2.1 基本概念与原理 2.1.1 电弧焊热过程概述 （1）焊接热过程的特点： – 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
综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识， 因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。
焊接结构
2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
2.1.3 焊接热源
（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机 械能、光辐射能和化学能等。
焊接结构
（4）分布热源模型 分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描 述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q( r ) qm exp Kr
2
dn
2 3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
T
2Q c (4at)
3 2
r2 exp 4at
焊件表面上等温线的形状？
焊接结构
T源自文库
2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
Tmax
2Q c (4t )
3 2
在固定的位置r处，T与t的关系
1 r 2 T f 3 2 exp t 4t
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度
在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
q1( x , y , z ) q2 ( x , y , z )
6 3 f1Q abcf 6 3 f 2Q abcb
T q n
q x 2T dqx dx 2 x x
2T dQx 2 dxdydzdt x
2T 2T 2T dQ 2 2 2 dxdydzdt x y z
+
dQ cdxdydzdT
电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子束热
源等 （2）焊接热源的有效热功率（热效率）：＜1。
热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S]
焊接结构
（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的 问题分为了三类：
焊接结构
温度 变化 导致 的能 量变 化
2 2 2 T T T T 2T 2 2 2 t c y z x
焊接结构
方程中假设初始条件为0℃，不考虑表面散热，则方程的特解 为 r2 Q T exp 3 4 at 2 c (4at) 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:
e e
3 x2 3 y 2 3 z 2 c12 a 2 b2
3 x2 3 y 2 3 z 2 c22 a 2 b2
焊接结构
2.2 焊接温度场
• 分瞬时固定热源、移动热源两种类型。 • 每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、 二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设：
• 三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体 积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的 传导，又称为厚板点热源模型 • 二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整 个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维 热传导，又称为薄板线热源模型 • 一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整 个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型
T 2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
焊接结构
（4）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；
焊接结构
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力 等。
① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；
② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的；
④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；
⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构
2.2.1 瞬时固定热源
（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）
热传 导导 致的 能量 变化
dQx dqx dy dz dt
焊接结构
（2）产热机构
• • • 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件； 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；
•
变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）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。