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aIUQ =0(2-1)式中，aU 是电弧电压(V),I 是焊接电流(A)，0Q 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0Q 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）21Q 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211Q Q Q m +=η （2-6）根据以上定义，mw HA 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，mH为液态金属的重量热焓：m m p mL 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QL T C A v m m p w m )(0+=ρη （2-9）η值可由下式求出ammw IUHA 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 23，e k 是玻尔兹曼常数，231038.1-⨯=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eI ，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 =-⋅)(23其中，th V 为弧柱温度的等效电压，即eT T k IV a e eth )(23-=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 a2=(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dxdT A P ag 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)，61070-⨯=a A m 2，710/=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 W5．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 W6．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．工件的冷却阳极熔化时产生金属蒸汽的蒸发，液态熔池会向周围辐射能量，这两种传热途径都会使阳极损失热量。

经估算，这两部分热量分别为33-W 和10-W 。

即，33-=E P W ，10-=ra P W 。

综上所述，阳极上总的热量为ra E R cv cd th a A P P P P P V V V I P --+++++=)(ϕ （2-11）各部分的数值见表2-2。

可以看到，电弧总功率1600 W 中，只有710±120 W 传向阳极，这表明热效率为36.6~52.2%。

表2-1阳极上的热平衡[109] Quigley M B C, Richards P H, Swift-Hook D T et al. Heat flow to the workpiece from a TIG welding arc [J]. J. Phys. D. Appl. Phys., 1973, 6(18): 2250-2258.2.1.2 计算—测试法关桥等人[111]提出的“计算—测试法”是把测定焊接规范参数、测量焊缝几何尺寸与理论计算mη值相结合的一种确定焊接热效率η值的方法，这种方法使用的前提是钨极氩弧焊焊接薄板，并将电弧作为线热源处理。

对于不同类型的材料得出的η值分别为：LF6铝合金： 41.0=η1Cr18Ni9Ti不锈钢：61η=.0TA2工业纯钛：58η=.0TG4钛合金：62η.0=A3低碳钢：67η=.02.1.3 量热计测量法Giedt等人[112]利用图2-1所示的实验装置测量焊接热效率。

量热器是一个立方体盒子。

试件放在量热器的底上，并与电缆相接。

引弧后，试件和量热器在钨极电弧下面移动，焊出堆焊焊道。

焊接过程结束时，焊枪迅速抽出，同时量热器盖子合上。

然后，工件开始冷却，热量传递到流过量热器外层管道的冷却水中。

将量热器输出的信号对工件冷到初始温度所用的时间积分，就可确定出传到工件上的总热量。

量热器内部尺寸为150⨯150⨯75mm。

它按照梯度层原理工作。

将热电偶的冷端与热端放置在薄层的内外表面上，就可以测量出当热流通过薄层时造成的温度差（图2-2）。

将这些热电偶电路串联起来就形成温差电堆，它放大所输出的热电信号。

将温差电堆与梯度层组合在一起，就构成了以Seebeck热电效应为基础的热率表。

将这种热率表安装在量热器的所有侧面上，所以这种仪器称之为Seebeck Envelope量热器。

将热率表串联起来，量热器输出的是直流信号。

将这一直流信号乘以量热器常数（该常数与梯度层的厚度、导热系数、以及仪器总侧面积有关），并对时间积分，就得到电弧传向工件的热量。

图2-1 焊接热效率测量装置示意图图2-2 梯度层量热器的工作原理示意图试件为12.7mm厚的304L不锈钢。

施焊时，量热器的盖子打开，用直流正接TIG焊焊出一条75mm长的堆焊焊缝。

焊接过程结束时，立即将盖子合上，测试量热器输出的电压信号并用数字记忆示波器记录。

六小时后试件与量热器外层的管道中流动的冷却水达到热平衡。

将输出电压对冷却时间积分并乘以量热器常数，就得试件接受到的总热量（列表于2-3）。

焊接设备是晶体管电源、空气冷却焊枪。

氩气流量为15 l/min。

用3.2 mm和2.4 mm直径的电极分别焊四条焊缝，来考察电极直径大小的影响。

电极尖角磨成90˚，电极为2%钍钨极。

电极到工件的距离为3.0 mm。

用霍尔效应电流传感器测量焊接电流，电流和电压波形用数字示波器记录。

电流与电压波形相乘并对整个焊接时间积分，得出的结果就是电弧提供的总热量（电弧热功率Q）。

表2-2 TIG焊接热效率测试结果(焊接速度84.00=v mm/s, (a)电极直径2.4mm (b)电极直径3.2mm (c)焊接速度1.27mm/s)在25 mm 和50 mm 处，将焊缝切开，测量熔深和横截面积。

在宏观焊缝照片上用面积仪测定横截面积。

焊缝横截面积的平均值乘以焊缝长度就是总的熔化金属体积。

在表2-3中，总的机器输出能量是示波器记录的电流与电压相乘并对焊接时间积分而得出的结果，这一数值大约是额定机器输出功率的%100~90。

没有考虑辐射、对流、蒸发散失热量，这部分热量在1%的数量级。

因此，如果量热器的误差为1%，则表中列出的热效率误差为%1~2-+。

从表中列出的数据可以发现，电极直径对焊接热效率没有影响。

2.1.4 理论模型与温度测试相结合确定η值除了以上三种确定η值的方法外，还有常用的一种方法，就是首先建立一个温度场计算模型，再选定一个η值，利用模型计算出焊接试件上某些点的温度值，将计算结果与测试结果进行比较，如果不吻合，再另选η值，重新计算，再将计算结果与测试结果相比较，反复多次，直至温度计算值与测试值吻合时，就认为此时选取的η值是实际的焊接热效率。