材料成型理论基础(焊接)-2

赵兴科焊接理论基础第一章焊接热过程本章主要学习焊接热源、焊接温度场的概念、焊接传热的基本规律和焊接传热的一般计算方法、母材的加热及熔化、以及焊接热循环的有关问题。为讨论焊接冶金、焊接缺陷、应力及变形、热影响区组织与性能等建立必要的基础。本章目录§1-1焊接热源§1-2焊接温度场§1-3焊接熔池§1-4焊接热循环热源是多数焊接的基本条件，对于熔化焊来讲更是不可缺少的。焊接热源是焊接质量和焊接效率的决定性因素。§1.1焊接热源上世纪初：气焊和碳弧焊；1930s：厚皮焊条电弧焊；1940s：埋弧焊；1950s：电渣焊和CO2气体保护焊；1960s：等离子焊和电子束焊；1970s：激光焊。焊接的发展过程一定程度上是焊接热源的发展过程，焊接热源的性质对焊接质量和焊接生产率有重要影响。一、焊接热源的种类及特征几种焊接热源的主要特性：热源温度和功率密度增大；加热面积减小。钢板的平焊对接从发展的趋势看，焊接逐步向高质量、高效率、降低劳动强度和降低能量消耗的方向发展。能量密度高是现代焊接热源的显著特征：焊接生产率高；焊接热影响区小。二、焊接热源的热效率焊件吸收的热量与焊接热源提供的热量的比定义为焊接热源的热效率，用η表示。焊接热效率只是考虑焊件吸收的热能，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，因而焊接热效率不能确切反映焊接热能利用的合理性。焊接热效率与焊接方法、焊接规范以及焊件的材质、形状、尺寸等有关。1电弧焊的热效率手弧焊的热分配▲埋弧焊的热分配▲2电子束焊与激光焊的热效率电子束是在真空室中进行的，能量损失很少，热效率可达90%以上。激光焊对工件的加热方式不同，由于存在光的表面反射，因此热效率在很大程度上取决于工件的材料类型与表面状态。焊缝深宽比大，热影响区小。三、焊接热源模型焊接热源向焊件上传递热量是在一定的作用面积上进行的。对于电弧焊，这个面积又可分为两个不同的区域：o活性斑点区：带电质点集中轰击（电流通路），电能转化为热能的区域；o加热斑点区：弧柱辐射和电弧周围介质对流实现的传热区域。比热流—单位时间内通过单位面积的热能。近似地，柔性电弧在焊件加热斑点上的热能分布符合高斯模型，则距离斑点中心任意点A的比热流可以描述为：2)(KrmeqrqK—热能集中系数，主要决定于焊接方法：气焊K≈0.2，手弧焊K≈1.3，埋弧焊K≈6。UIqm1高斯模型考虑电弧的挺度与焊接速度，在高斯热源模型的基础上提出更近似的双椭球形热源模型。这种模型将焊接熔池的前、后部分分别作为1/4椭球处理，设前部分椭球的能量分数为f1，后部分的为f2，各自的比热流分别为：2双椭球模型高能束焊多采用小孔焊接工艺，由于小孔的形成，束流的能量沿轴分布在焊件的整个厚度上。束流的功率密度为体热源生热，提出了高斯曲面体热源模型，比热流为：3高斯曲面体模型§1.2焊接温度场焊接加热的具有如下特点：局部性工件在焊接时的加热不是整体，只是热源直接作用在附近区域，加热极不均匀；瞬时性焊接热源能量高度集中，加热速度快，在很短的时间内把大量的热传给焊件；运动性热源与工件作相对运动，热作用区域不断变化。焊接加热的特点决定了工件上各点的温度分布不完全相同，且某一点的温度也是随时间变化的。一、焊接温度场的特征焊接时，焊件中各点的温度每一瞬时都在变化，但这种变化是有规律的，焊接传热理论主要研究工件上温度的分布特征及其规律性。通常用焊接温度场来描述。焊接温度场是指某一时刻工件上各点温度的分布状态。Tt=f(X,Y,Z)焊接温度场可以用等温线或等温面来描述。1.焊接温度场的概念等温线（或面）就是把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起成为一条线（或面）。各个等温线（或面）不能彼此相交，而它们彼此之间存在温度差，温差的大小用温度梯度表示。sTsTTLims021温度梯度不仅与温度场有关，还与空间方向有关。cossTnT温度梯度有正负之别，温度逐渐增加的方向温度梯度为正，反之为负。稳定温度场——温度场内各点的温度都不随时间变化。准稳定温度场——温度场内各点的温度在特定时间基本不变。恒定功率的热源固定作用在焊件上一段时间后，达到热平衡时可近似看作准稳定温度场。（1）按时间分2.焊接温度场的类别采用移动坐标系，坐标原点与热源中心重合，则坐标中各点的温度与时间无关。恒定功率的热源在一定尺寸的焊件做匀速直线运动，经一定时间后，会形成一个与热源同步的准稳定温度场。移动准稳定温度场——热源周围温度场内各点的温度在特定时间基本不变。以后的分析计算都是采用动坐标系下的移动准稳定温度场。三维温度场、二维温度场、一维温度场（2）按空间分点热源线热源面热源焊接温度场的建立是焊接热源在焊件上传热的结果。反之，根据热力学第二定律，只要存在温度差，就会有热流动（传递）。热传递有三种基本方式：传导—依靠自由电子移动和原子、离子动能传递热能，发生在物体内部或相互接触的物体之间；对流—依靠自由运动的质点传递热能，发生有流体存在的场合（限流体）；辐射——依靠电磁波传递热能（限表面）。二、焊接温度场计算的基础在焊接过程中，热能的传递也不外乎以上上述三种基本方式。一般地，焊接热源向工件传热主要以辐射和对流为主（电阻焊与摩擦焊除外）；母材和焊材内部的热传递则以热传导为主。焊接热过程的重要内容是根据传热规律，用数学方法描述焊接温度场。首先需要引入传热学中两个基本公式：傅里叶公式（热传导公式）拉普拉斯方程（热传导微分方程式）假定：1.傅里叶公式所研究的物体是致密的，没有不连续的地方；经过某截面的热量在任何时间都是相同的。式中λ—导热系数，负号表示热流动的方向与温度梯度相反tFSTQ(1)那么在断面为F的细棒上沿S轴流过的热能Q可以表示为：如果热量流动随时间变化，需要对公式（1）微分，以表示在dt时间内流过的热能dQdtFSTdQ(2)qSTFdtdQ公式（2）又可表达为：q—比热流，即沿法线方向单位面积、单位时间内所流过的热能。(3)焊接过程中，焊件上某点在热源作用下，先升高后降低。温度升高是由于热源靠近而造成的输入热能大于输出热能；温度降低是由于热源离开而造成的输入热能小于输出热能。假设在S方向流入的热能为dQs，流出的热能为dQs+ds，则累积的热量表示为：SS+dSdQs﹣dQs+ds=(qs﹣qs+ds)Fdt又可写成：dQds=dqFdt(4)傅里叶热传导公式傅里叶公式是研究传热过程的基础，可以用来解决最简单的单向（线性）传热问题。实际焊接传热情况复杂，不仅有单向传热（细棒对接），更多的是两向传热（薄板焊接）和三向传热（厚大件焊接）。必须运用更全面的计算公式。拉普拉斯方程是根据傅里叶公式和能量守恒定律建立起来的热传导微分方程式。小立方体中热能的累积假设小立方体同时由三个方向（X、Y、Z）流入热能ΔQX、ΔQY和ΔQZ，同时流出热能ΔQX+dX、ΔQY+dY和ΔQZ+dZ由傅里叶传导公式可得：ΔQX=qX·dF·dt=qX·dY·dZ·dtΔQX+dX=qX+dX·dY·dZ·dt则X方向瞬间所积累的热能为：dQX=ΔQX－ΔQX+dX=－dqX·dY·dZ·dt2.拉普拉斯方程同理，在Y和Z方向瞬间所积累的热能分别为：dQY=ΔQY－ΔQY+dY=－dqY·dX·dZ·dtdQZ=ΔQZ－ΔQZ+dZ=－dqZ·dX·dY·dt小立方体内总共所积累下来的能量：dQ=dQX+dQY+dQZ=－(dqX·dY·dZ+dqY·dX·dZ+dqZ·dX·dY)dt由STqdXXqdqX及代入上式dtdZdYdXZTZYTYXTXdQ另外，小立方体实际所积累的热与温度的关系式：dTdZdYdXcdQ联立得TZTYTXTctT2222222ca导温系数2拉普拉斯运算符号(5)拉普拉斯方程式(5)是焊接传热最基本的计算公式，是固体传热问题普遍适用的方程式。厚大焊件：薄板焊件：细棒焊件：TaZTYTXTctT2222222)(2222YTXTatT)(22XTatT