焊接传热学基础
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焊接热循环的主要参数 ① 加热速度 w H
– 加热速度受许多因素影响： 加热速度受许多因素影响： • 不同的焊接方法 • 不同的被焊金属 • 不同厚度 • 不同焊接热输入等 – 加热速度方面的研究还不够充分 – 特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏 特别是新工艺、
23
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热效率
–电弧功率 电弧功率
焊接方法
焊条电弧焊 埋弧焊 电渣焊 电子束及激光束 TIG焊 TIG焊 MIG焊 MIG焊 钢 铝
η
0.77～ 0.77～0.87 0.77～ 0.77～0.90 0.83 >0.9 0.68～ 0.68～0.85 0.66～ 0.66～0.69 0.70～ 0.70～0.85
5
1.2 焊接热源 welding heat source
点热源（三维） 点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接 厚大焊件焊接
线热源（二维） 线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接 薄板焊接
面热源（一维） 面热源（一维）plane heat source
–热源的性质 热源的性质 –焊接工艺参数 焊接工艺参数 –被焊金属的热物理性质 被焊金属的热物理性质 –焊件的板厚及形状 焊件的板厚及形状
16
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v 增加 影响因素
热源功率q保持为常数时 随焊接速度v的增加
所以， 所以，等温线的形状变得细长
T = fxi yi zi (t)
21
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数
① 加热速度
w H
② 加热的最高温度 T M
tH
T M
③ 在相变温度以上的停留时间 tH
vC
④ 冷却速度或冷却时间
vC
焊接热循环的参数
t8/5
22
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ② 加热的最高温度 T M
– 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同 据焊缝远近不同的各点，
24
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
tH =t′ +t′′
t′ →加 过 的 留 间 热 程 停 时 t′′ →冷 过 的 留 间 却 程 停 时
Unit1 焊接传热学基础 Heat Transfer
北京工业大学材料科学与工程学院 2011年 2011年2月19日 19日
传热学
传热学是研究热量传递规律的一门科学。 传热学是研究热量传递规律的一门科学。 热传递：热传导、 热传递：热传导、对流和热辐射 许多学科都涉及到传热学的问题！ 许多学科都涉及到传热学的问题！
q/v保持为常数时 保持为常数时 同比例改变q和 同比例改变 和v
•等温线拉长 等温线拉长 •温度场范围拉长 温度场范围拉长
q/v=常数，热输入量及热源移动速度 常数， 常数 等比例变化时对温度场的影响
19
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
影响因素
在相同热功率、 在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下 不同材料板上移动线热源周围的温度场
tH
25
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 冷却速度或冷却时间— ④ 冷却速度或冷却时间—决定热影响区组 织性能
– 指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时 温度的冷却速度 – 为了便于测量和分析比较，采用800～ 为了便于测量和分析比较，采用800 800～ 的冷却时间来代替瞬时冷却速度， 500oC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因 为这一温度区间是相变的主要温度范围
–细棒磨擦焊 细棒磨擦焊
6
1.2 焊接热源 welding heat source
热源在焊件上的分布 热流密度的分布
q:电弧的有效功率 q:电弧的有效功率 qm:加热斑点中心的最大比热流 dH:回执斑点直径
加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体 加热斑点的比热流分布 立体高斯锥体
7
1.2 焊接热源 welding heat source
vC t8/5
26
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ④ 冷却时间
t8 5 • t8 3 •
t100 •
冷却到500 从800oC冷却到500oC时所用时间 – 碳钢、不易淬火的低合金钢 碳钢、 冷却到300 从800oC冷却到300oC时所用时间 – 易淬火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右) 易淬火的低合金钢(马氏体相变点300 左右) 高温冷却到100 冷却到 从高温冷却到100oC时所用时间 – 扩散氢
–母材不断地熔化 母材不断地熔化
熔池温度分布 1-熔池中部 2-熔池前部 3-熔池尾部
熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 熔池金属不断凝固， 熔池金属不断凝固 度逐渐降低
14
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分 xoy面上沿x 面上沿 布 xoy面上的等温线 c. xoy面上的等温线 yoz面上沿 面上沿y d. yoz面上沿y轴的温度分 布 yoz面上的等温线 e. yoz面上的等温线 板厚25mm低碳钢焊件 板厚25mm低碳钢焊件 25mm
4
1.2 焊接热源 welding heat source
焊接热源的种类
-电弧热 • 气体介质中的电弧放电 – 化学热 • 可燃气体 – 电阻热 • 电阻焊、电渣焊 电阻焊、 – 高频感应热 • 磁性的金属高频感应产生二次 电流作为热源 ?新焊接能源？！！！！ 新焊接能源？！！！！
– 摩擦热 • 机械高速摩擦 – 电子束 高速运动的电子轰击 – 等离子焰 • 电弧或高频放电—离子流 电弧或高频放电— – 激光束 • 激光聚焦
•等温线在焊缝横向变窄 等温线在焊缝横向变窄 •等温线在焊缝方向伸长 等温线在焊缝方向伸长
热源移动速度v=常数， 热源移动速度 常数， 常数 热输入量q对温度场的影响 热输入量 对温度场的影响
18
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v 热源移动速度 热源功率q增加 热源功率 增加 影响因素
焊接熔池形状示意图
10
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
焊接熔池表面积内部的流体流动模式
11
…
商业软件： 商业软件： ABAQUS, ANSYS, FLUENT, MARC, PHOENIX, ADINA, SYSWELD, …..
12
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•等温线的范围变小 等温线的范围变小 •温度场的宽度和长度均变小 温度场的宽度和长度均变小 •宽度显著变小 宽度显著变小
常数， 热输入量q=常数， 热源移动速度v对温度场的影响
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源功率q 热源功率 增加 影响因素
热源移动速度v保持为常数时 热源移动速度 保持为常数时 随热源功率q的增加 随热源功率 的增加
• 焊件上各 点瞬时温度 分布的温度 场对分析焊 场对分析焊 接传热过程, 接传热过程, 焊接物理冶 金过程和 金过程和焊 接化学冶金 过程至关重 过程至关重 要。
9
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
焊条电弧焊时， 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源， 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热 在焊接热源作用下， 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池 金属部分称为熔池
等温线
焊缝
–等温线不可能相交 等温线不可能相交 –等温线、等温面之间有温差 等温线、 等温线 • 大小：温度梯度 大小： • 方向：垂直于等温面 方向：
T −T2 ∆T = 1 ∆S
13
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
随着热源的移动， 随着热源的移动，熔 池沿焊接方向作同步 移动 熔池前部
29
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
短道多层焊接热循环
30
8
q0 = UI
–电弧有效热功率 电弧有效热功率
q = η q0
q η= q0
–热效率 热效率
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
狭义定义： 狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布 y’ y
T = f t ( x, y , z )
vt O’ O
x
z’ z 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动， 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热 源周围的温度分布即 焊接温度场” 源周围的温度分布即“焊接温度场”
20
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环
–在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随 在焊接过程中热源沿焊件移动时， 在焊接过程中热源沿焊件移动时 时间由低而高， 时间由低而高，达到最大值后又由高而低的变化 –描述焊接热源对被焊金属的热作用过程 描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
距焊缝距离变近
28
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
不同焊接方法的焊接热循环 1-手弧焊 2-埋弧焊 3-电渣焊
焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、 焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力 对焊接接头形成过程中冶金过程 变形等均有重要影响！ 变形等均有重要影响！ 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 焊接传热过程研究内容： 焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变 化问题。 化问题。
2
1.1 焊接过程分析
焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→ 热源加热→熔化→冶金反应→ 结晶→固态相变→接头（冷却而形成） 结晶→固态相变→接头（冷却而形成） 加热过程
焊接热过程的特点
1. 2. 3. 4. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 局部性——加热和冷却过程极不均匀 —— 瞬时性——1800K/s ——1800K 瞬时性——1800K/s 热源是运动的 焊接传热过程的复合性
厚大焊件上点状 移动热源的温度 场
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1.3Biblioteka Baidu焊接温度场 field of weld temperature
典型焊接温度场
–稳定温度场 稳定温度场 –不稳定温度场——常态 不稳定温度场—— 不稳定温度场——常态 –一维温度场 一维温度场 –二维温度场 二维温度场 –三维温度场 三维温度场
焊接温度场的影响因素
冷却过程
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1.2 焊接热源 welding heat source
实现金属焊接所需的能量
–热能 热能 –机械能 机械能 熔焊
焊接热源的特点： 焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； 能量密度高度集中； 能量密度高度集中 –快速实现焊接过程； 快速实现焊接过程； 快速实现焊接过程 –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。 保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。 保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区
– 加热速度受许多因素影响： 加热速度受许多因素影响： • 不同的焊接方法 • 不同的被焊金属 • 不同厚度 • 不同焊接热输入等 – 加热速度方面的研究还不够充分 – 特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏 特别是新工艺、
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热效率
–电弧功率 电弧功率
焊接方法
焊条电弧焊 埋弧焊 电渣焊 电子束及激光束 TIG焊 TIG焊 MIG焊 MIG焊 钢 铝
η
0.77～ 0.77～0.87 0.77～ 0.77～0.90 0.83 >0.9 0.68～ 0.68～0.85 0.66～ 0.66～0.69 0.70～ 0.70～0.85
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1.2 焊接热源 welding heat source
点热源（三维） 点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接 厚大焊件焊接
线热源（二维） 线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接 薄板焊接
面热源（一维） 面热源（一维）plane heat source
–热源的性质 热源的性质 –焊接工艺参数 焊接工艺参数 –被焊金属的热物理性质 被焊金属的热物理性质 –焊件的板厚及形状 焊件的板厚及形状
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v 增加 影响因素
热源功率q保持为常数时 随焊接速度v的增加
所以， 所以，等温线的形状变得细长
T = fxi yi zi (t)
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数
① 加热速度
w H
② 加热的最高温度 T M
tH
T M
③ 在相变温度以上的停留时间 tH
vC
④ 冷却速度或冷却时间
vC
焊接热循环的参数
t8/5
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ② 加热的最高温度 T M
– 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同 据焊缝远近不同的各点，
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
tH =t′ +t′′
t′ →加 过 的 留 间 热 程 停 时 t′′ →冷 过 的 留 间 却 程 停 时
Unit1 焊接传热学基础 Heat Transfer
北京工业大学材料科学与工程学院 2011年 2011年2月19日 19日
传热学
传热学是研究热量传递规律的一门科学。 传热学是研究热量传递规律的一门科学。 热传递：热传导、 热传递：热传导、对流和热辐射 许多学科都涉及到传热学的问题！ 许多学科都涉及到传热学的问题！
q/v保持为常数时 保持为常数时 同比例改变q和 同比例改变 和v
•等温线拉长 等温线拉长 •温度场范围拉长 温度场范围拉长
q/v=常数，热输入量及热源移动速度 常数， 常数 等比例变化时对温度场的影响
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
影响因素
在相同热功率、 在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下 不同材料板上移动线热源周围的温度场
tH
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 冷却速度或冷却时间— ④ 冷却速度或冷却时间—决定热影响区组 织性能
– 指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时 温度的冷却速度 – 为了便于测量和分析比较，采用800～ 为了便于测量和分析比较，采用800 800～ 的冷却时间来代替瞬时冷却速度， 500oC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因 为这一温度区间是相变的主要温度范围
–细棒磨擦焊 细棒磨擦焊
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1.2 焊接热源 welding heat source
热源在焊件上的分布 热流密度的分布
q:电弧的有效功率 q:电弧的有效功率 qm:加热斑点中心的最大比热流 dH:回执斑点直径
加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体 加热斑点的比热流分布 立体高斯锥体
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1.2 焊接热源 welding heat source
vC t8/5
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ④ 冷却时间
t8 5 • t8 3 •
t100 •
冷却到500 从800oC冷却到500oC时所用时间 – 碳钢、不易淬火的低合金钢 碳钢、 冷却到300 从800oC冷却到300oC时所用时间 – 易淬火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右) 易淬火的低合金钢(马氏体相变点300 左右) 高温冷却到100 冷却到 从高温冷却到100oC时所用时间 – 扩散氢
–母材不断地熔化 母材不断地熔化
熔池温度分布 1-熔池中部 2-熔池前部 3-熔池尾部
熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 熔池金属不断凝固， 熔池金属不断凝固 度逐渐降低
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分 xoy面上沿x 面上沿 布 xoy面上的等温线 c. xoy面上的等温线 yoz面上沿 面上沿y d. yoz面上沿y轴的温度分 布 yoz面上的等温线 e. yoz面上的等温线 板厚25mm低碳钢焊件 板厚25mm低碳钢焊件 25mm
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1.2 焊接热源 welding heat source
焊接热源的种类
-电弧热 • 气体介质中的电弧放电 – 化学热 • 可燃气体 – 电阻热 • 电阻焊、电渣焊 电阻焊、 – 高频感应热 • 磁性的金属高频感应产生二次 电流作为热源 ?新焊接能源？！！！！ 新焊接能源？！！！！
– 摩擦热 • 机械高速摩擦 – 电子束 高速运动的电子轰击 – 等离子焰 • 电弧或高频放电—离子流 电弧或高频放电— – 激光束 • 激光聚焦
•等温线在焊缝横向变窄 等温线在焊缝横向变窄 •等温线在焊缝方向伸长 等温线在焊缝方向伸长
热源移动速度v=常数， 热源移动速度 常数， 常数 热输入量q对温度场的影响 热输入量 对温度场的影响
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v 热源移动速度 热源功率q增加 热源功率 增加 影响因素
焊接熔池形状示意图
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
焊接熔池表面积内部的流体流动模式
11
…
商业软件： 商业软件： ABAQUS, ANSYS, FLUENT, MARC, PHOENIX, ADINA, SYSWELD, …..
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•等温线的范围变小 等温线的范围变小 •温度场的宽度和长度均变小 温度场的宽度和长度均变小 •宽度显著变小 宽度显著变小
常数， 热输入量q=常数， 热源移动速度v对温度场的影响
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源功率q 热源功率 增加 影响因素
热源移动速度v保持为常数时 热源移动速度 保持为常数时 随热源功率q的增加 随热源功率 的增加
• 焊件上各 点瞬时温度 分布的温度 场对分析焊 场对分析焊 接传热过程, 接传热过程, 焊接物理冶 金过程和 金过程和焊 接化学冶金 过程至关重 过程至关重 要。
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
焊条电弧焊时， 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源， 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热 在焊接热源作用下， 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池 金属部分称为熔池
等温线
焊缝
–等温线不可能相交 等温线不可能相交 –等温线、等温面之间有温差 等温线、 等温线 • 大小：温度梯度 大小： • 方向：垂直于等温面 方向：
T −T2 ∆T = 1 ∆S
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
随着热源的移动， 随着热源的移动，熔 池沿焊接方向作同步 移动 熔池前部
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
短道多层焊接热循环
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q0 = UI
–电弧有效热功率 电弧有效热功率
q = η q0
q η= q0
–热效率 热效率
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
狭义定义： 狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布 y’ y
T = f t ( x, y , z )
vt O’ O
x
z’ z 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动， 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热 源周围的温度分布即 焊接温度场” 源周围的温度分布即“焊接温度场”
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环
–在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随 在焊接过程中热源沿焊件移动时， 在焊接过程中热源沿焊件移动时 时间由低而高， 时间由低而高，达到最大值后又由高而低的变化 –描述焊接热源对被焊金属的热作用过程 描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
距焊缝距离变近
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
不同焊接方法的焊接热循环 1-手弧焊 2-埋弧焊 3-电渣焊
焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、 焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力 对焊接接头形成过程中冶金过程 变形等均有重要影响！ 变形等均有重要影响！ 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 焊接传热过程研究内容： 焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变 化问题。 化问题。
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1.1 焊接过程分析
焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→ 热源加热→熔化→冶金反应→ 结晶→固态相变→接头（冷却而形成） 结晶→固态相变→接头（冷却而形成） 加热过程
焊接热过程的特点
1. 2. 3. 4. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 局部性——加热和冷却过程极不均匀 —— 瞬时性——1800K/s ——1800K 瞬时性——1800K/s 热源是运动的 焊接传热过程的复合性
厚大焊件上点状 移动热源的温度 场
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1.3Biblioteka Baidu焊接温度场 field of weld temperature
典型焊接温度场
–稳定温度场 稳定温度场 –不稳定温度场——常态 不稳定温度场—— 不稳定温度场——常态 –一维温度场 一维温度场 –二维温度场 二维温度场 –三维温度场 三维温度场
焊接温度场的影响因素
冷却过程
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1.2 焊接热源 welding heat source
实现金属焊接所需的能量
–热能 热能 –机械能 机械能 熔焊
焊接热源的特点： 焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； 能量密度高度集中； 能量密度高度集中 –快速实现焊接过程； 快速实现焊接过程； 快速实现焊接过程 –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。 保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。 保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区