第三讲 焊接温度场

焊接温度场及残余应力测量方法总结一、焊接温度场测量方法多年来，基于物体的某些物理化学性质（例如，物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等）与温度的关系，开发了形式多样的温度测量方法和装置，综合温度测量的现状，按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。

1、接触式测温方法接触式测温方法的感温原件直接置于被测温度场或介质中，不受到黑度、热物理性参数等性质的影响，具有测温精度高、使用方便等优点。

但是对于瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段。

主要是由于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个温度场的信号，必须在温度空间内进行合理的布点，才可以根据相应的方法（如插值法等）获得对温度场的近似。

常用的接触式测温方法有，电偶测温法。

热电偶是用两种不同的导体（或者半导体）组成的闭合回路，两端接点分别处于不同温度环境中，与当地达成热平衡时会产生热电势，标定后可用来测量温度。

理想的热电偶测温方法,是将参比端E,再查分度表反置于0℃的恒温槽中,通过测量2个不同导体A和B的热电动势ab求出被测温度t。

由于让参比端保持0℃有时比较困难,实际应用中常常需要参比端恒温处理或温度补偿。

热电偶测温法有几个优点:精度比较高,因为热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响；测量范围大,通常可在-50~1600℃范围内连续测量；结构简单,使用方便。

但是,热电偶测温法也有一定的缺点:每次测量的点数有限(最多几个点),难以反映整个焊接温度场的情况;此外,金属的电阻和熔池中液体的流动会阻碍热传导,从而给热电偶的测量带来一定的误差。

2、非接触式测温法非接触测温法分为两大类：一类是通过测量介质的热力学性质参数，求解温度场（如声学法);另一类是通过高温介质的辐射特性，通过光学法来测量温度场。

非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度场和流场；同时，感温元件传热惯性很小，因此可用于测量不稳定热力过程的温度。

焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。

焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。

焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。

这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。

由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。

因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。

传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。

ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。

文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。

2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。

由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。

在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。

差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。

对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。

但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。

影响焊接温度场的主要因素是哪些？
焊接热过程贯穿了整个焊接过程的始终，可以说，焊接的物理变化和化学反应都是热过程中的发生和发展的，焊接温度场决定了焊接应力场，它与冶金、结晶、相变过程有着不可分割的联系，它是影响焊接质量和生产效率的主要因素之一，影响焊接温度场的主要因素有以下几点:
1.热源的影响。

不同热源由于它们的热强度和热量分布不同，因而影响温度场的分布，如电弧焊、气焊、电渣韩、电子束焊的温度场分布是不同的。

2.基本金属热物理性能不同（如导热系数等），温度场的分布相差很大。

3.焊接参数的影响。

以焊条电弧焊为例，焊接参数中，以电弧功率及焊接速度影响最大，在厚板及焊接速度一定时，电弧功率增大，受热达600℃的高温区域就增大。

在电弧功率和板厚一定时，增大焊接速度则600℃高温区域就缩小。

因此，适当调节焊接参数，可在一定程度上控制热影响的大小。

4.板厚的影响，厚度大的构件沿厚度、长度、宽度三个方向传热快，厚度小传热慢。

因此，在相同的热源功率和工艺参数时，厚板的温度场分布范围较小，薄板的温度场分布范围较大
5.焊接接头形式的影响。

不同焊接头形式，其热的传导情况也不同，热传导最容易接头，其温度场分布范围较小。

焊接温度场测试技术的探讨1998年第6期物理测试焊接温度场测试技术的探3王堆竖,/尚小剐摘要本文介绍了热电偶测温法,红外热象法,红外测温技术的基本原理,特点及在焊接温度场测试中的应用...美键词堂哩壅塑!堂盟鍪[垫叁鎏;型盈必;光导纤维弋4.1l'..囊l11序言n,'焊接温度场通常是一个动态温度场,其温度分布及其动态变化过程对焊接接头的形态,金相组织,性能及应力变形等有着非常密切的关系.通过对焊接温度场的检测,可以问接反映焊接质量.因此,准确地测量焊件上各点的温度是进行焊接冶金分析,焊接应力,应变,弹塑性动态分析的基础,也是对焊接过程进行计算机控制的前提.由于焊接过程中热源是移动的,且场中各点的温度变化非常急剧,故对焊接温度场的测试系统提出了很高的要求:①测量的温度范围要大.从O～2000~以上.②对温度变化的反映速度要快.因为电弧焊时加热速度可达1500%/s以上.③测量面要大.因为焊件上各点的温度不同而且都在不断的变化.2焊接温度场的测试方法2.1热电偶测温法众所周之,热电偶测温法是一种接触式测温法.其基本原理是热电偶两端由于温差产生热电势.热电势不仅与测量温度有关,而且与参考温度同样有关.在实际测温中,通常将参考端置于冰水中,使其温度恒定.如图1示.测温时只需要将热电偶的热结点焊在被测点上,另一端接在x—Y记录仪上,用x—Y记录仪来记录每个热电偶的温度随时问的变化曲线.该方法的优点:①精度比较高.因为热电偶直接与被测对象接触,不受中问介质的影响.②测量范围大.通常可在一50℃～1600℃范围内连续测量.③结构简单,使用方便.但是,该方法也有一定的缺点:每次测量的点数有限(最多几个点),难以反映整个焊接温度场的情况.此外,金属的电阻和熔池中液体的流动会阻碍热传导,从而给热电偶的测量带来一定的误差"J.图l0℃恒温器1.试瞥2.热电偶3.球块4.补偿导线5.盖6.显示仪表7导线8.恒温器9变压器油如今,随着科技的不断发展,单片机数据采集系统,专用数据采集卡已经开始应用于焊接领域,解决了传统热电偶测温法的不足之处.因其多通道,可同时采集多路数据,给热电偶测试焊接温度场带来了新的生机,尤其是采用单片机数据采集系统,不仅价格便宜,而且易扩展,收割稿件日期:1998年5月21日王伟.男.52岁,冒I教授物理测试1998年第6期使用灵活,功能强,更显示出它的优越性.单片机数据采集测温系统的结构如图2示.圉2单片机数据采集撼温系统2.2红外热象法近年来,由于红外技术及计算机的迅速发展,人们找到了一种快速,准确且能一次获得全场信息的方法——虹外热象法.它是一种非接触式测温法.其基本工作原理是:物体受热后会产生辐射,热辐射是一种电磁波,它以光速进行传递辐射能,所以可以利用辐射能与温度和波长之间的相互关系来测温.该测温装置由三大系统组成:热成像系统,计算机图象处理系统,伪着色系统.温度场测试装置的结构如图3示.图3红外热象法测定焊接温度场的结构图热成像系统是利用红外摄像机将摄影像通过光学系统在摄像管靶面上成象,摄像管把图象转换成电平信号,经过预放器低噪音放大和视频通道的加工处理,形成电视信号输出.计算机图象处理系统是将摄像机输出的图象信息的模拟量,经过数模转换后变成图象数字量,再将该信息转换成计算机所能接受的数字化灰度矩阵,存人计算机,然后,由计算机进行数据处理.处理后的图象信息可以由打印机输出,也可用绘图机绘出图象.,伪着色显示系统是由着色处理器和彩色显示器等部件组成.它的任务是将计算机处理好1998年第6期物理测试的图象进行着色处理,最后在彩色显示器屏幕上显示出各种颜色的图象,每种颜色代表一个温度区间.现代的红外热成像设备为了能全面和实时检测温度场的动态变化,必须采用高速摄影技术,从而能快速地,全面形象地测试焊接温度场的动态过程,也可直接监视焊件熔深,熔宽.但是,红外热成象技术的不足之处在于:其绝对温度的数值与表面红外线的放射功率之间存在着一定的非线性关系;不同的金属材料其红外放射的功率是不相同的;工件焊前用不同的预处理方法处理,导致焊接时表面温度发生变化,最终导致红外放射功率也不尽相同.此外,该设备价格较昂贵.李维结等人将图象处理方法应用于闪光焊温度场的检测中,取得了较好的效果.由于闪光焊热影响区温度分布梯度大,夹具问空间狭窄,对接面不断烧损,飞溅以及电磁干扰严重,若采用热电偶测温法则难于实现准确的测量.图象法在检测温度场动态变化时具有高速,高分辨率,操作方法简便的特点,不但适于对闪光焊温度场变化过程的动态检测,而且为闪光焊热过程温度场控制提供了依据"】.此外,在GMA焊接中,红外热成象技术被应用于接头熔深的自适应焊接控制,也取得了一定的成果.2.3红外测温技术红外测温技术是利用红外辐射的测量来确定物体的温度.红外测温主要是利用红外测温仪来实现的.通常又将红外测温仪分为:亮度测温仪,比色测温仪.前者测定的温度是亮温,亮温是根据被测对象在某一渡段内的辐射亮度来定义;后者测取的温度是色温,色温是黑体的某种温度.红外测温仪通常由以下部分:光学系统,红外探测器,信号处理电路和显示机构.其结构原理如图4示.该方法的优点是:①它不必接触被测物体,故不会影响被测目标的温度分布,提高了测温的真实性.②反应速度快.它不象一般热电偶那样需要与被测物体达到热平衡,它只要接收到目图4红外测温仪结构原理图标的辐射就行了.由于辐射能是以光速传播的,这样,红外测温的速度只取决于测温仪器自身的响应时间.③测温范围大.它可测量执摄氏负几十度到几千度的高温,甚至对选择性辐射体.其测温范围可高达万度.Boo和cl】利用红外测温仪,通过相关分析,最终确定了温度传感器的最佳测量位置,以监测焊接熔池的变化由于GMAW焊接工艺的复杂性以及非线性因素,焊件表面温度会随着测试位置的不同而不同.利用被测温度和熔池尺寸之问的相关系数—=/(*),一1≤≤1(w代表熔池的几何参数,如焊道宽,接头处的熔深,根部表面宽度;t表示焊件表面某一点的测量温度.,o,分别代表W的方差,t的方差,W和t的协方差)来决定最佳测量点.通过模拟研究发现,在瞬态和准稳态下,焊道宽与被测温度之间的相关系数均大于0.95,如图5,6中的阴影区所示,说明焊道表面宽度与该点温度有着密切的关系.从图5,6可得出,最佳的温度传感器的位置必须在一12ram<X<一10nua.3mm<y<7nun的范围内.这一范围是两阴影区的交集.此外,在光测技术中,信息传输也是一个重要的环节.光导纤维是现代光学系统中一种非常有用的传光器件,它是一种电磁绝缘性能很好的理想的光信息传输媒介质,它不仅柔性好,光三一圈物理测试1998年第6期图5瞬态下焊道宽与表面温度的相关系数图6'准稳态下焊道宽与表面温度的相关系数可以弯曲,而且具有耐腐蚀,响应特r_1性好,失真小等特点.因此,在一些电源三竺l探测器无法直接观察或无法接近目标的场合,在探测器前使用光纤来传导目标的辐射是很方便的.测温时只须将纤维头放进恶劣的焊接环境图7光导纤维温度检测系统框图中,而红外检测和信号处理模块可放在远离焊接区的安全位置,如图7所示.此外,光导纤维也能够避免电弧波动所产生的电磁干扰.黄毅等人采用红外光导智能测温系统对直缝焊管焊接区的温度进行实测,初步解决了焊区在恶劣条件下(焊接区附近的水蒸汽,焊渣飞溅,烟雾等)温度监测的难题. 结束语(1)热电偶测温法的结构简单,使用方便,而且易与单片机联接,故有广泛的应用前景.(2)红外热象法能快速,全面,形象地测试焊接温度场的动态过程,但设备价格昂贵.(3)光纤测温技术是近代测温技术中一项新型测温技术,它具有广泛的应用前景,但其测温技术还不完善,需要不断的研究和发展.总之,随着科技的进步与发展,对温度的精确测量提出了更高的要求.温度检测系统的微机化,温度测试仪器的智能化,是温度测试技术发展的必然趋势.参考文献1.KRAUSHG.."E-P簟i删l№鼎锄蛐tOfThe.胁304i岫.eIG'TAWeldi~PodS幽T芒呷哪娜.W曲喀m蛐曲s彻1.^l,19'87-353一e一359一B2.c删w.c}删B.A..niJointPeneuu~us_喵h正∞帕SensingT畸.Weldia8ee蝴s】PpI 咖即t^pr,1990.181一e一185一'3.李维结.材料科学与工艺.1996;(3)4.Q^J^NS,CHiNWH.cⅡNB.A.h血帕铀llsFc~Are删i".删?叫曲sl∞叫Nov. 1989.462一'一5BOOK.S.,CH0H.S..w:ldiEJ彻.1994;73(11):M527I—s6.d】.D.Bd￡.wd曲】啦JI.日I,l985;6I(1);田一e一217一B7.黄敏,林雪荣等.焊管,1991;(3)。

1、名次解释：温度场：焊接温度场是指在焊接过程中，某一时刻所有空间各点温度的总计和分布。

焊接温度场可以方便的用等温面或等温线来表示。

（P17）内应力：内应力是指在没有歪理的条件下平衡于物体内部的应力。

内应力可以分为三种：宏观内应力，微观内应力和超微观内应力。

（P49）应力集中：应力集中是指接头局部区域的最大应力值比平均应力值高的现象。

（P144）热循环：在焊接过程中，工件上的温度随着瞬时热源或移动热源的作用而发生变化，温度随时间由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。

（P34）疲劳断裂：材料在变动载荷作用下，会产生微观的和宏观的塑性变形，这种塑性变形会降低材料的继续承载能力并引起裂纹，随着裂纹逐步扩展，最后导致断裂，这一过程称为疲劳。

（P217）脆性断裂：通常脆性断裂是指沿一定结晶面的劈裂的解理断裂（包括半节理断裂）及晶间（沿晶）断裂。

（P182）PPT上：金属在断裂成两半以前，没有或很少有塑性变形，它是金属晶体在外力作用下，滑移受阻而不能变形，当外力大于金属内部的联系力时就发生脆性断裂。

工作应力：在外力作用下，接头部位产生的应力称为工作应力。

（P144）S-N疲劳曲线：循环载荷试验，试验时用一光滑试件或实际构件，使其受周期性重复的恒幅载荷作用，直至出现裂纹或完全断裂。

根据试件在裂纹萌生或完全断裂时所经受的应力循环次数N与载荷幅或应力幅做出的乌勒疲劳曲线，即S-N 曲线。

延性断裂：（亦称为塑性断裂和韧性断裂）在外力作用下，金属晶体沿滑移面在最大剪应力作用方向滑移的结果。

塑性金属材料的晶体在载荷作用下，首先发生弹性变形，当载荷继续增加达到某一数值即发生屈服，由于滑移使多晶体金属发生永久变形，即塑性变形，若要继续变形，则要增大作用力，此过程即为所谓的加工硬化，继续加大载荷，金属将进一步变形，继而产生微裂口或微空隙，这些微裂口一经形成，便在随后加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹，宏观裂纹发展到一定的尺寸后就发生失稳扩展而导致最终断裂。

焊接：被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺。

比热流：单位时间内通过单位面积传入焊件的热能。

焊接温度场：焊件上包括内部某瞬时的温度分布称为温度场。

稳定温度场：焊接温度场各点的温度不随时间而变动时，称为稳定温度场；随时间而变动时，称为非稳定温度场。

准稳定温度场：经过一段时间后达到饱和状态，形成暂时稳定的温度场。

焊接线能量：电弧在单位焊缝长度上所释放的能量。

熔滴比表面积：熔滴的表面积与其质量之比 .R VA ρρ/ 3/S==短渣：随温度升高粘度急剧下降，随温度下降粘度急剧上升。

（适用所有焊）长渣：随温度升高粘度下降缓慢的熔渣。

联生结晶：焊接过程中，焊缝区在冷却过程中以熔合线上局部半融化的晶粒为核心向内生长，生长方向为散热最快方向，最终长成柱状晶粒。

晶粒前沿伸展到焊缝中心，呈柱状铸态组织，此种结晶方式为联生结晶。

竞争生长：晶粒长大具有一定结晶位向，当晶粒最大结晶位向与散热最快方向一致，最有利于晶粒长大，晶粒优先得到生长，当这两个方向不一致时，晶粒长大停止。

短段多层焊：多层焊时每道焊缝长度在50至400mm，在这种情况下，前层焊缝冷却到较低温度才开始焊接下一道焊缝。

长段多层焊：多层焊时每道焊缝长度在1m以上，在这种情况下，前层焊缝冷却到较低温度才开始焊接下一道焊缝。

焊接热循环：焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。

碳当量：把钢中合金元素按其对淬硬的影响程度折合成碳的相当含量。

焊接热影响区：在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区。

焊接拘束度：R单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力。

焊接拘束应力：热应力、组织应力、结构自身拘束条件所造成的应力，三种应力的综合作用统称为拘束应力。

焊接的优点：成形方便、生产成本低、适应性强1、节省材料，减轻结构重量，经济效益好；2、生产周期短、效率高；3、结构强度高，接头密封性好；4、易实现机械化和自动化。