焊接传热学第一章..

x=x0 y=y0 z=z0
(b)图形描述（等温面法，直观图形描述） 同一时刻等温面集合即温度场图形（10 · · ·20 · · ·100 · · ·1000 · · ·） 重要性质等温面 • 决不相交（不会一点有两个温度） • 等温面上无温差，不发生传热（切向不传 热）
(4) 温度梯度 温度场内任意点在某时刻的温度梯度，就 是该点沿等温面法线且朝着温度增加的方 向的温度变化率 • 导热只沿等温面法线方向（切向不导热） • 导热沿温度梯度相反方向进行 • 温度梯度大，等温面密，温度变化快 • 对于稳定温度场，gradT只与地点有关，与 时间t无关（温度梯度变化率为零）
热量传递
动量传递
质量传递
温度差 传热方程
传热学
动量差 动量方程
动量传递学 传递学
浓度差 传质方程
传质学
3. 焊接可视作一个传递系统
电弧热传入工件 （焊丝） 热过程 电弧机械力传入熔池 （熔滴过渡的动量） 熔池流体动力学状态 焊接材料进入熔池 （母材）
传质过程（元素扩散）
传热学
动量传递
传质学
焊接传递学
2. Fourier定律---导热基本定律
在各向同性体的导热过程中，热流密度与 温度梯度成正比，并引入比例常数λ（导热 系数） q = - λ əT/ən = - λ gradT • 该定律确定了导热体在单位面积、单位时 间内热流转移的多少，即热流强度（密度 ）或比热流量 • 负号表示热流方向 --- 导热方向与温度梯度 方向相反，即温度降度方向
第一章 传热理论基础
第一节 传热基本原理 1. 传热学与经典热力学的区别 • 经典热力学：研究平衡态和保持动平衡的 “可逆态”过程 • 传热学：研究平衡态和不可逆态
传热首先是温度不平衡，有温度高低的结 果而且是不可逆的，不能从低到高
2. 传热学的近代发展 • 传递学（上世纪八十年代） • 传递学以传热学为基础，研究自然界更普 遍的现象 ------ 传递现象 • 热量（转移中的能量）传递 • 动量（运动及其产生运动的力的度量）传 递 • 质量（惯性大小的度量）传递
4. 辐射四次方定律(Stefan-Boltzman) 加热到温度T（K） 的物体表面的辐射比热 流量qE与物体表面的绝对温度的四次方成 正比 qE = C0T4 (w/m2) • 比例系数C0叫Stefan-Boltzman常数，又叫 绝对黑体的辐射常数 • 绝对黑体：可吸收全部落在它上面的辐射 能的物体 • C0 = 5.67 x 10-8
（单位面积、单位温差的换热大小，反应对流换热强弱）
• α c（ Tw - Tf ）壁面加热流体 • α c（ Tf - Tw ）流体加热壁面 • α c = f (T,T0,ω,λ,Cp,ρ,μ,Φ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙)
α c 由实验测定
空冷 水冷 油冷
受迫对流 58-523 对流条件 自然对流 受迫对流 自然对流 受迫对流 αc 3.5-7 23-116 230-580 3500-9300
2. 三种基本传热方式 （1）热传导（导热） 物体内各部分物质之间或物体之间由于直 接接触时所发生的能量传递现象 • 高位能分子（固、液、气） • 自由电子（金属导电、导热）
（焊接中的主要传热方式。研究重点）
（2）热对流 流体中（液、气）各部分相互混合的宏观 运动所引起的热量传递（伴有流体导热、 对流） 流体掠过物体壁面时，由温差引起的热量 交换叫对流（放热、给热） （熔池对母材壁、母材表面对界质（空气、 水））
4. 焊接热过程特点 （1）局部性 • 不均匀加热比均匀加热（热处理）复杂得 多（数学处理组织反应） • 仅仅热源直接作用区熔化，依次降温直到 室温 • 局部不均匀加热比热处理等均匀加热要复 杂的多
(2) 瞬时性 • • • • • • 快速加热（1500℃/S）远离平衡状态 高度集中热源（大于10000W/cm2） 极短时间传递极大能量 瞬时快速加热远离平衡状态 相变点升高 一般平衡状态的结构如Fe-C平衡图不能照 搬
• 一般物体并不是绝对黑体，常称灰体 • C = ɛ C0 • ɛ 黑度系数 （为 0—1 之间） qE = ɛ C0T4 低温
光洁钢铁表面黑度系数 氧化或粗糙钢铁表面黑度系数 0.05-0.45 0.6-0.95
高温
0.4-0.7 0.9-0.95
实际传热计算中，采用与对流换热类似的 实验式 qE = α E ΔT = α E（ Tw - Tf ） • α E 辐射换热系数（ w / m2 ℃ ） • Tw --- 壁面温度（℃） • Tf --- 周围介质温度（℃） 实际往往是对流和辐射换热的叠加 q= qc+qE =(α c +α E )ΔT = α ΔT • α(总的)表面散热（放热）系数（ w / m2 ℃ ）
随计算机技术的发展
（1）图像处理技术 视觉机器人 ------ 红外摄像 温度 --- 电信号--- 输入计算机处理 （2）数值计算 有限差分、有限积分、有限单元 （3）处理温度场 得到热循环 --- 冷却速度 --- 机械性能 得到应力场应变场 --- 应力变形
二、学习本课程的任务、目的和主要内容
（3）热辐射 物质通过对外发射电磁波（波长0.1---100μm） 而在空间传递能量的现象 （不接触，不依赖常规物质媒介作用，高真 空也能进行传播，在能量转移的同时还有 能量形式的变化的传热方式）
热能---辐射能---物体热能 （电弧对焊条、母材的加热）
3. 焊接中的热传递 焊接作为一个实际热传递系统往往是几种 形式组合的复杂系统 • 辐射、对流问题较复杂，主要靠实测-------热效率η • 辐射、对流使焊条、母材获得热量，通过 热传导传播分布（主要传热方式）
1. 任务 研究焊件、填充材料（焊丝）在焊接热源 的作用下的热量传播和分布规律 2. 目的 初步掌握传热基本原理，学习分析焊接传热 过程的基本方法，分析和解决实际焊接传 热问题
3. 主要内容 （1）传热理论基础 • 传热基本原理 • 导热微分方程 • 导热计算基础 （2）焊接时的温度场 （3）焊接热循环 （4）焊条及母材的熔化 要求场论，积分变换、特殊函数、微分方 程、数值积分、计算方法、计算机及程序 设计
3. 设该微微元六面体的体发热强度，即单位 时间，单位体积的发热量为q```。 微六面体dv在dt时间内的发热量
（内部产生的热量、电阻热、化学反应热等） Q2 = q```∙ dv ∙ dt
4. dt时间dv体积内内能的变化量（增量） • ρc : 容积比热（密度ρ，比热 c） 单位体积的物质每升高1℃所需热能 q/m3∙J/q∙℃ = J/m3∙℃
一、热传递及其基本形式
1. 热传递 由温度差异所引起的能量转移过程，即能 量从高温地方向低温地方传播的过程叫热 传递 ------ 传热 • 最初认为是一种“热素”（类似电子）流 动 Calorie ------- 热量单位 1Cal(卡) = 4.18J（焦耳） • 熔化焊正是一个典型的热传递过程
（3）移动性 • 热源工件相对运动 • 受热区域不断变化 • 非稳态传热 • 不稳定传热比稳定传热复杂得多 正是这三大特点，使得一般传热学讨论均 匀加热、稳定传热、平衡过程不能简单照 搬
焊接传热问题的复杂性在于
• 温度高变化大 ------ 实验测定困难
• 非稳态-非线性-变物性 ------ 理论计算困难 • 导致焊接传热学形成较晚、发展较慢、应 用较难
（理论研究较多，本课程重点）
二、热传递基本定理
1. 几个重要的基本概念 （1）温度场 连续介质各个地点在同一时刻的温度分布 • 稳定温度场：同一地点温度不随时间变化 • 不稳定温度场：随时间变化 （2）热循环 连续介质中同一地点在不同时刻的温度变化
（3）等温面（三维）、等温线（二维） 温度场中温度相同的空间各点的轨迹 （a）数学语言描述（直角坐标，x,y,z） T= f( x y z t ) 非稳态，三维 T= f( x y z ) 稳态，三维 T= f( x t ) 非稳态，一维 T= f( x ) 稳态，一维 T = f( t ) 热循环
• 低温下，对流换热α c 为主，随温度升高， α c 变化不大 • 高温下，辐射换热为主，随温度升高，α E 急剧升高（四次方）
温度升高，α大，且ΔT （温差）大，散热多，不可忽略 Q=qA，面积大，散热多，不可忽略
第二节
导热微分方程
一、推导导热微分方程的基本依据 1. 傅里叶（Fourier）定理 q = - λəT/ən Q' = q F Q = Q' t = q F t
3. 焊接传热学 定量分析计算焊件或填充材料在焊接热源作 用下的热量传播和分布规律的科学分支
• 十八世纪初创立传热学 • 十九世纪三十年代开始系统研究焊接传热学 • 十九世纪五十年代初形成理论体系《焊接热过程》
与其它方面的发展完善相比，如焊接金属学、冶金 学、力学等，由于热的复杂恒定理（热力学第一定理）
一定时间内体系
一定时间内体系
=
得到的热量 内能的增加
Q1
dt时间内体系通过
Q2
dt时间内体系
Q3
dt时间内体系通过
+
界面获得的能量 内部产生的热量
=
内能的变化
dt时间内边界 —— 流入体系的热量
dt时间内边界 流出体系的热量
二、导热微分方程的推导 1. 选用直角坐标系 取体系中一个微六面体为考察对象 它的体积 dV = dx dy dz 2. 分析任一方向（如x）的导热情况 设在x面的比热流量为qx, dt时间后流过dx距 离到达x+dx面时的比热流量qx+dx
效率
焊接生产率 熔化速度
质量
缺陷少性能好 焊缝及热影响区（接头）
热作用程度
热源
化学成分 金相组织 应力变形
化学冶金 凝固冶金 固相冶金 残余应力变形 （液相冶金）（结晶）（相变）
2. 焊接热过程 焊接就是热能转化为原子间结合能的过程 （从能量角度讲） （1）焊接热源 提供焊接所需热能的来源 电弧 电弧焊 电阻 电阻焊 （2）焊接热过程 焊件或填充材料（焊条）在焊接热源作用 下的热量传播和分布过程
15
混凝土
1.2
水
0.6
油
0.1-0.2
石棉
0.04-0.16
空气
0.023
纯金属 > 合金 金属 > 非金属 > 水 > 油 > 气体 固体 > 液体 > 气体 • λ是计算的重要参数，在金属焊接中，主要受 化学成分（组织）和温度的影响
3. 牛顿冷却定律
牛顿在1702年就在前人大量实验基础上，对低速 流体（＜声速）中的对流换热提出以下计算公式 Qc/Fc = qc = αc * ΔT Tw --- 壁面温度 Tf --- 流体温度 Qc --- 对流换热热流量（w） Fc --- 壁面换热面积（m2） qc --- 对流换热比热流量（ w / m2 ） α c --- 对流换热系数（ w / m2 ℃ ）
焊接传热学
主要内容
绪论 第一章 传热理论基础 第二章 焊接时的温度场 第三章 焊接热循环 第四章 焊条及母材的熔化
绪论
一、学习焊接传热学的意义 1.焊接的定义 通过加热或加压、或两者并用，并且用或 不用填充材料，使工件达到原子结合的一 种加工方法。
90%以上是熔焊 ------ 与热相联系
焊 接
• 定义了重要的热物理参数λ --- 导热系数 λ = - q/gradT λ 的物理意义： 温度降度（-gradT）为1℃/m 时，导热体所 允许传导的比热流量q,即物体导热能力的大 小（q大、导热能力强）
常温下不同物质的导热系数λ（ w/m· c）
银
419
铜
386
铝
228
铁
66
碳钢
40
不锈钢
（5）热流量Q'(电功率) Q' = Q/t 单位时间流过的热量 cal/s(工程单位) w=J/s （SI单位） 1cal = 4.18 J (热功当量) （6）比热流量(热流密度、热流强度) 单位面积的热流量（单位时间、单位面积流 过的热量） g=Q'/A (cal/s· m2) w/m2=Q/A· t
• 物体：单位体积单位温度所具有的内能ρc 温度为T℃，则内能为ρcT • 微六面体dv在dt时间内总的内能变化量 Q3 = d ρcT dv = [(ρcT)t+Δt – (ρcT)t ]dV 能量守恒 Q1+Q2 = Q3