热加工过程传输原理论文

热加工传输原理大作业

题目:焊接传热传质的研究

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哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

动量、热量和质量的传输现象广泛地存在于金属热态成形时所使用的各种工程装备和仪器之中，尤其是焊接机械上显而易见。焊接的处理过程中总是伴随着“三传现象”,所以焊接热过程是一个非常复杂的过程，它具有局部性、瞬时性、非稳态性等特点。作为焊接传热传质过程研究的对象，主要有三个区域：焊接电弧；焊接电弧与熔池界面；焊接熔池与周围固体材料。同时，本文又针对摩擦焊接焊接接头金属流动过程以及焊接熔池金属传热传质有具体研究。

一、三个区域的传热传质

1.焊接电弧中的传热与传质

电弧等离子体是一个电、光、热、磁、声、力等共同作用、相互制约的统一平衡体。其间存在着电能与其它各种能量形式之间的转换。这种转换依赖于质量的传输，如中性粒子的电离与复合。这些不同形式的能量都可通过系统的内能与温度联系起来。

可见，电弧是一种包含带电粒子的流体，因而它不但满足描述流体运动的控制方程，而且还满足描述电磁规律的方程组（即Maxwell 方程组）。所以对电弧传输过程的数值分析，就是在一定的边值条件下对上述方程组的解析。

在直流正极性非熔化焊接条件下，阴极与阳极表面（焊接熔池）间的电势差造成电流通过部分电离的气体，并在其间将电能转换为热能。通过导电介质的电流会产生磁场，磁场与电场相互作用形成电磁力场。这种复杂而相互耦合现象的最终效应是形成高温、高速等离子流。

对于焊接工作者来说，研究电弧等离子体的目的主要是探明影响电弧稳定燃烧的因素，为焊条与电极材料的选择和制造及焊接电源及其控制系统的设计提供依据；确定近工件界面处的电弧温度分布、压力分布和电流密度分布，为焊接熔池的传热传质计算模型的建立提供真实可靠的数据。

2.焊接熔池界面处的能量、动量和质量传输

在焊接电弧和焊接熔池的数值模拟中，电弧与熔池的边界是作为一个确定的热边界和电流边界来处理的。在某种意义上说，该边界能量、动量和质量的传输决定着电弧模型和熔池模型数值计算的成败。

其间的传输过程主要有：

①电弧以辐射、对流、传导的形式将热能传于被焊工件；

②焊接电流经该区域进入被焊工件，形成电流回路，这不但影响着电弧的形态，而且还会影响工件内的电流密度分布，从而改变熔池内的电磁作用力；

③电弧力对焊接熔池做功，造成熔池变形。这种变形的自由表面，不但会改变熔池的传热、传质条件，还会改变电弧的热流密度和电流密度分布，形成电弧-熔池的双向作用。所以，一个完整的焊接过程数值模拟应该是焊接电弧-焊接熔池的全耦合解；

④被焊金属中合金元素的汽化；

⑤高温下气体向液态金属的溶解。

3.焊接熔池与周围固体的传输现象

该区域是焊接过程数值模拟的重点，因为这一区域的传热传质过程不仅决定着焊缝的形状、组织和性能，而且还决定着焊接热影响区的组织和性能、焊接接头中的残余应力和变形，以及焊接缺陷的产生等。这一区域发生的主要传输过程有：

①纯固体中的传导：发生于熔池周围的固体金属和冷却凝固后的焊缝金属中；

②熔池内的对流传输：焊接熔池在表面张力、电磁力、浮力和电弧力的作用下，熔池内的液态金属不但有热和溶质的传导，而且存在着强烈的对流旋涡运动；

③固-液相变传热传质：伴随着金属的熔化和凝固，固-液界面处存在潜热的吸收与释放，并发生着溶质的再分配；

④金属-蒸汽相变传热传质：液态金属中的合金元素和微量表面活性元素在电弧热的作用下发生汽化，并伴有汽化潜热的吸收和物质的扩散对流。

二、焊接接头中金属的流动

焊接过程中，在焊接接头处热量的散发，异种原子在焊接接头的扩散，及外部能量的输入均对结晶后的焊接接头组织产生重大影响，由于组织决定性能，因此将对接头的性能产生很大影响。下面以摩擦焊为例，研究接头塑性金属的流动行为。

1.摩擦焊接头的金属流动性

摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连接技术，在航空航天及一般工业领域都有着巨大的应用潜力，在轻量化、高可靠性及低成本的装备制造中具有独特的优势。摩擦焊是一个涉及温度、力学、冶金及其相互作用的高度复杂过程，此过程中以摩擦界面处材料的塑性变形为主，界面处塑性金属流动的产生以及流动行为将会影响到热源的产生以及界面的扩散与动态回复再结晶，进而影响到焊接接头的质量。塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面，对能否形成无缺陷、优质的焊接接头具有重要影响。因此，研究摩擦焊接过程中塑性金属流动行为非常重要。

2.旋转摩擦焊接头的金属塑性流动

摩擦热的处理都是以当量热流密度的形式从摩擦界面输入，模型简化过多，尽管部分计算结果与实验结果吻合，摩擦焊条件下的塑性流动行为仍然没有被很好地阐明。国内在1984年采用了急停技术对45钢连续驱动摩擦焊接过程中变形层和高温区的扩展过程进行了研究。实验开展了摩擦压力和摩擦时间对变形层和高温区扩展过程规律的研究，并揭示了在摩擦加热开始时，变形层首先在距离圆心1/2~2/3 半径处的摩擦表面上形成。变形层的厚度随摩擦压力的增大而增大。史弼采用解析法对摩擦焊接过程中的高温塑性变形区进行研究，定性地分析了焊接参数对塑性区宽度的影响。

3.搅拌摩擦焊接过程的塑性流动

在搅拌摩擦焊接过程中，工具形状、焊接参数和待焊材料直接影响焊缝金属的塑性流动，从而决定了焊核区、热机械影响区、热影响区的大小和性能。

焊缝组织的形成过程复杂，受诸多因素影响，如焊缝金属及母材成分、焊接热循环过程、焊缝中夹杂物尺寸和分布、奥氏体晶粒成分和尺寸等等。通过相变热力学计算，可确定铁素体、珠光体、贝氏体等形核孕育时间以及转变开始温度;通过相变动力学计算，可确定新生相晶粒生长速度并计算最终的质量百分比。由于焊接是一个不平衡的连续冷却过程，进行热力学、动力学计算比较困难，而且组织转变过程中的部分参量尚未有明确的物理模型和数学表达式，因此，模拟