第02讲-材料成型热过程(2)

361第一章材料成型热过程第2讲362上讲回顾焊接传热过程的共同特点温度场的一般特征温度场的类型分析解的简化条件363一、“厚板”的温度场表达式（1）正常速度运动情况如图1-4所示，假定热源移动的方向与x轴正方向一致，移动速度为v(cm／s)，热源能量为q(J／s)，焊件初始温度T0，O0为热源开始作用点，当热源经t时间后运动到O点时，工件上任一点P(x，y，z)的温度应为T(x0，y0，z0，t)。1.2.5单道焊温度场的解析图1-4半无限大物体上运动点热源的坐标系364利用瞬时热源法进行解析：取任意一点O′，设在时间dt′内瞬时作用的热量dQ=2qdt′，P点温度升高dT，则由式(1-8)得(1-13)则(1-14)])(4exp[)](4[2),,,('22/3'''000ttrttacqdtttzyxdT),,,(),,,('0000000''ttzyxdTtzyxTttt365如果以热源当前所在位置O点为动坐标的原点，经坐标变换后，可改写成(1-15)式中；，，，。]44exp[2)4(2),(2202/32/3atratvtdtavxacqtrTt2222zyxrvtxx00yy0zz'ttt366设物体上的传热过程已达到所谓的极限饱和状态，于是可求得一般表达式为：（1-16）)](2exp[2)(0rxavrqTrT367图1-5所示的相当于厚板手工堆焊的温度场情况。图1-5半无限大物体表面上运动点热源的温度场q=1000cal/s，v=0.1cm/s，=0.1cm2/s，λ=0.1cal/cm·.s·℃368（2）高速运动时的近似解由图1-6可看出，在线能量一定的条件下，随着焊接速度v的增大，1500℃的等温线变得伸长起来，换言之，钢的熔化区的宽度几乎保持不变，但其长度则显着增大。这说明，当v足够大时，热只能横向传播，因为沿着运动方向(x方向)已不存在温度梯度。图1-6线能量一定（E=40000J/cm）时，焊接速度v对1500℃等温线形状的影响369由此可以设想，只有热源运动到达点P所在截面时，才会有热传给P点而使P点的温度发生变化；一旦热源离开此截面向前运动时，P点就不可能从热源获得热能。因此，可以把这种情况看作是在厚度为dx=vdt的无限大薄板中作用于板边的瞬时线热源的传热过程。3610以热源当前所在的动坐标点O为原点，可推导得到高速热源条件下的温度场表达式如下：(1-17)式(1-17)对于焊缝附近的温度场的计算是适用的。atrtETT4exp2203611二、“薄板”的温度场表达式解析过程同“厚板”。从实用的角度出发，这里仅介绍高速热源的近似解。当焊速相当大时，由于热能只能横向传播，因而可以把线状热源看成是面热源在矩形杆件中的瞬时作用，则其近似解为（1-18）36121.2.6温度场的影响因素1、热源性质焊接热源的性质不同，焊接时的温度场也不同。用手工电弧焊焊接厚度大约25mm的钢板，此时的热源可认为是点状热源，焊件是三维温度场。100mm厚的焊件进行电渣焊，则认为是线状热源，焊件是平面传热，属于二维温度场。电子束和激光焊接时，热能极其集中，所以温度场的范围很小；气焊时，热源作用的面积较大，因此温度场的范围也大。36132、焊接线能量同样的焊接热源，采用的焊接线能量E不同，温度场的分布也不同，如图1-7所示。以低碳钢的电弧焊接为例：当q=常数时，随着焊接速度的增大，等温线的范围变小。即温度场的宽度和长度都变小，所以温度场的形状变得细长，如图1-7（a）所示。图1-7焊接参数对温度场的影响3614当v=常数时，随着热源功率的增大，温度场的范围也随之增大，如图1-7（b）所示。当q/v保持定值时，即在相同比例的情况下增大q与v时。会使等温线稍加拉长，也就是说使温度场的范围加大，并且拉长，如图1-7（c）所示。图1-7焊接参数对温度场的影响36153、金属的热物理性质（1）热导率(导热系数，λ)表示金属材料的导热能力。其物理意义是：单位时间内沿法线方向单位距离温度相差1℃时，经过单位面积所传播的热能，单位为W/(cm·℃)。热导率λ随着金属的化学成分、组织和温度的不同而变化。3616（2）比热容(c)1g物质每升高1℃时所需的热能，称为比热容，单位为J／(g·℃)各种材料具有不同的比热容，而同样材料当温度变化时，比热容也随之变化。（3）体积比热容(cρ)单位体积的物质每升高1℃所需的热能，单位为J／(cm3·℃)。体积比热容是温度的函数。（4）热扩散率(a)表示温度传播的速度，a=λ/cρ单位为cm／s，这也是温度的函数。3617（5）比热焓(h)1g物质从0℃加热到T℃时所吸收的热能，即是在某温度下1g物质所含有的热能。（6）表面散热系数(α)是表明金属散热的能力。其物理意义是散热体表面与周围介质相差1℃时，通过单位面积在单位时间内所散失的热能。3618常用金属材料热物理常数的平均值见表1-2。表1-2常用金属材料热物理参量的平均值3619金属热理性质对温度场的影响如图1-8所示。由图中可以看出，焊接镍铬奥氏体不锈钢时，相同等温线的范围(例如600℃)要比焊接低碳钢时为大，原因是奥氏体不锈钢的导热性比较差(镍铬氏体不锈钢λ=0.252W／(cm·℃)，低碳钢λ=0.42W／(cm·℃)。因此，当焊接不锈钢和耐热钢时，所选用的焊接线能量应比焊接低碳钢时要小。焊接铝和铜时，由于材料的导热性能很好，因此应选用比焊接低碳钢时更大的线能量才能保证质量。3620图1-8金属热物理性质对温度场的影响（E=21kJ/cm(q=4200J/s，v=0.2cm/s)，δ=1cm）a）低碳钢b）镍铬不锈钢c）铝d）紫铜36214、焊件的形状及尺寸（1）厚大焊件属于x，y，z三向传热(空间传热)，热源为点状，热传播为半球形，所以一般认为是半无限大体。试验证明，对于手工电弧焊在正常的焊接工艺参数条件下，板厚大于25mm的低碳钢焊件，或者是20mm以上的不锈钢焊件，都可认为是厚大焊件。3622（2）薄板属于x，y二向传热(平面传热)，热源特征为线状。在手工电弧焊时，8mm以下的低碳钢以及5mm以下的不锈钢可认为是薄板。（3）细棒属于x轴的单向传热(线性传热)，热源特征为面状。工程上的棒材电阻对焊以及手工电弧焊时的焊条加热都可认为是细棒的受热问题。此外，接头形式、坡口形状、间隙尺寸，以及具体的焊接工艺等对焊接温度场都有不同程度的影响。36231.3焊接热循环1.3.1焊接热循环的意义在焊接热源的作用下，焊件上某一点的温度随时间的变化过程，称为焊接热循环。在焊接过程中，热源沿焊件的某一方向移动时，在其热量所及的焊件上任一点的温度，都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。在距焊缝不同位置的各点所经历的这种热循环是不同的，如图1-9所示。3624从图中可以看出，离焊缝越近的点，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大，并且加热速度比冷却速度要大得多。也就是说，焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，也可以说是一种特殊的热处理过程。图1-9低合金钢堆焊焊缝邻近各点的焊接热循环（t—电弧通过热电偶正上方时算起的时间）3625与一般热处理相比，焊接时的加热速度非常快，但在峰值温度停留的时间(即保温时间)非常短促，只有几秒到十几秒的时间，冷却速度也相当快。这就是焊接热循环所具有的重要特征，也是造成焊接接头组织不均匀性和性能不均匀性的重要原因。36261.3.2焊接热循环的主要参数根据焊接热循环对组织性能的影响，主要考虑以下四个参数，见图1-10。图1-10焊接热循环参数（TH=相变温度）36271、加热速度(ωH)焊接条件下的加热速度比热处理条件下要快的多，并随加热速度的提高，则相变温度也随之提高，同时奥氏体的均质化和碳化物的溶解也越不充分。因此，必然会影响到焊接HAZ冷却后的组织与性能。加热速度与许多因素有关，例如不同的焊接方法、焊接线能量、板厚及几何尺寸，以及被焊金属的热物理性质等。36282、加热的最高温度（峰值温度，Tm）金属的组织和性能除化学成分的影响之外，主要与加热的最高温度和冷却速度有关。例如低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由于温度高(1300~1350℃)、晶粒发生严重长大，从而使韧性严重下降。3、在相变温度以上的停留时间(tH)在相变温度以上停留的时间越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但温度太高时(如1100℃以上)即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。36294、冷却速度(ωc)和冷却时间(t8/5、t8/3、t100)焊接时的冷却过程在不同阶段是不同的。对于低合金钢的焊接来讲，有重要影响的是近年来许多国家为便于分析研究，常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变化。如800~500℃的冷却时间t8/5，800~300℃的冷却时间t8/3和从峰值温度(Tm)冷至100℃的冷却时间t100等。焊接热循环是焊接接头经受热作用的历程，研究它对于了解应力变形、接头组织和力学性能等都是十分重要的，是提高焊接质量的重要途径。36301.3.3焊接热循环参数的确定方法1、峰值温度Tm的计算根据焊接传热理论，焊件上某点的温度随时间的变化如式(1-17)和式(1-18)所示。厚大焊件(点热源)：(1-19)薄板(线热源)：(1-20)atretET4202atyetcET42/1202/3631当时，即可求得最高温度：点热源(1-21)线热源(1-22)20234.0rcETm0tT0/242.0ycETm36322、相变温度以上停留时间的计算根据理论与实验求得的停留时间：厚大焊件：(1-23)薄板：(1-24)0m3HTTEft20m22HTTc/Eft36333、瞬时冷却速度的计算对于一般低合金钢来讲，多采用540℃的瞬时冷却速度；对于某些淬硬倾向较大的钢种多考虑300℃时的瞬时冷却速度。36344、冷却时间的计算在试验研究工作中，测定瞬时温度的冷却速度会带来较大的误差。因此，目前多采用在一定温度范围内的冷却时间来代替冷却速度，并以此作为研究焊接热影响区组织、性能和抗裂性的重要参数。对于一般碳钢和低合金钢常采用相变温度范围的800～500℃冷却时间(t8/5)。对冷裂倾向较大的钢种有时采用800~300℃时冷却时间(t8/3)或由峰值温度冷至100℃的冷却时间(t100)。3635关于冷却时间的计算公式已有许多，这里仅介绍根据传热学推导的理论式为：3636本讲小结温度场的影响因素焊接热循环的意义焊接热循环的主要参数