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)，0

Q 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0

Q 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）

2

1Q 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。

式（2-5）说明，已进入焊件的热量Q 也不是全部用来熔化焊缝金属。因此，定义焊缝金属熔化的热有效利用率（简称为焊接熔化热效率）m η为单位时间内被熔化的母材金属在m T 时（处于液态）的热量与电弧有效热功率的比值

2

11Q Q Q m +=

η （2-6）

根据以上定义，

m

w H

A v Q ρ01= （2-7）

式中，0v 为焊接速度，w A 为焊缝横截面积，ρ为被焊材料密度，m

H

为液态金属的重量热焓：

m m p m

L T C H

+= （2-8）

其中，p C 为比热，m T 为熔点，m L 为熔化潜热。

将（2-7）和（2-8）式代入（2-6）式，得

Q

L T C A v m m p w m )

(0+=

ρη （2-9）

η值可由下式求出

a

m

m

w IU

H

A v Q Q 100

⋅

==

=

ηρη （2-10）

从焊接热过程计算的角度来看，焊接热效率η的准确选取是提高计算精度的先决条件。关于η值的确定方法，国内外的许多研究者从不同的角度进行了研究[109-112]。概括来说，主要有测试法、计算—测试法和电弧物理分析法。但不同的研究者给出的η值差别较大。下面分别介绍一下这三种方法。 2.1.1 电弧物理分析法

Quigley 等人[109]从电弧物理的角度，以一个例子来研究TIG 电弧传给工件的热量。该例子的工艺条件为：氩气保护直流正接TIG 电弧，钨极直径为2 mm ，焊接电流为100 A ，电弧电压为16 V ，试件为低碳钢。通过全面考虑所有的加热和冷却过程，求得TIG 电弧传给阳极的能量。

1．逸出功

当电子进入阳极时，会将电子发射时从阴极吸收的逸出功传给阳极。对大多数金属来说，逸出功ϕV 在4 V 左右。钢的比较合理的逸出功数值是4.2 V ±0.3 V 。对100 A 的电弧来说，电子逸出功投射在阳极（钢材）上的热量为420 W ±30 W 。

应当注意，如果电弧极性变了，工件为阴极，那么电子逸出功会使得工件不再是加热，因而焊接热效率就会降低。TIG 焊接方法正是利用电子发射使得钨极（为阴极）冷却，从而可在较大的电流范围内应用。

2．电子热能

电子从温度较高的弧柱进入温度较低的阳极时，会从弧柱带来一部分与弧柱温度相对应的热能，电子离开弧柱时所具有的自由能时

e e T k 2

3，e k 是玻尔兹曼常数，23

10

38.1-⨯=e k J/K ，e T 是弧柱

温度。当电子到达阳极时，温度为a T 。每秒钟到达阳极的电子数量为e

I ，e 为电子电量，因此，电

子带给阳极的热量

th a e e IV T T k e I =-⋅)(2

3

其中，th V 为弧柱温度的等效电压，即

e

T T k IV a e e

th )

(2

3-=

一般情况下，7000≥e T K ，2400≥a T K ，因此，th V 的典型值为0.58 V 。

3．阳极压降

当电子通过阳极压降区时，将被加速而获得动能a IV ，a V 为阳极压降。如果电子与中性离子的平均自由程e L 远远大于阳极压降区的厚度a S ，电子与中性离子碰撞的机会很小，热量a IV 几乎全部传给阳极。研究工作表明，阳极压降在2V 左右，3=e L μm ，6.0=a S μm 。所以I IV a

2=(W)的

热量基本上全部传给阳极。

4．传导

通过气体传导给阳极的热量为

dx

dT A P a

g cd λ=

式中，g λ是气体的导热系数，a A 是在阳极上的弧柱面积，dx dT /是靠近阳极处的电弧中的温度梯度。1.0=g λW/(m W)，6

1070-⨯=a A m 2，7

10/=dx dT K/m ，将这些数据代入上式，就得到气

体通过导热方式传向阳极的热量为

70=cd P W

5．对流

弧柱区域的等离子流与阳极通过对流方式传递的热量可估算为

1533±≈cd P W

6．辐射

电弧通过辐射方式传递给阳极的热量不会超过20 W ，即20=R P W 。 7．工件的冷却