第二章焊接热过程2

③焊接热过程的瞬时性（非稳态性）
第二章 焊接热过程
1.2 研究现状： 焊接的热过程是十分复杂的问题，这 给分析研究工作带来了许多困难。但是如 果我们能够了解和掌握焊接热过程的基本 规律，能够准确知道工件任一位置在任一 时刻的状态和温度，则对控制焊接质量， 调整焊接工艺参数，清除焊接应力，减小 焊接变形，预测接头性能等方面均具有重 的意义。
h
0.65—0.90 0.65—0.90 0.20—0.50 0.95—0.95 0.90—0.95 0.25—0.85
第一节 基本概念和基本原理—
焊接熔池计算的三维数学模型
控制方程组和边界条件就构成了描述焊 接熔池的数学模型，求解此模型，就可以确 定工件上各点的温度和熔池中流体的状态。 但由于方程的复杂性，没有办法求出解析解， 所以只能用数值方法。随着计算机技术的发 展，使得这种复杂问题的求解已成为可能。
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
各种焊接热源的主要特征
热源 乙缺火焰 金属极电弧 钨极电弧(T1G) 埋弧自动焊 电渣焊 熔化极氩弧焊 CO2气体保护焊 最小加热面 积（cm2） 10-2 10-3 10-3 10-3 10-3 10-4 最大功率密 正常焊接规范 度（W/cm2） 下的温度（K） 2×103 104 1.5×104 2×104 104 104 — 105 3200K 6000K 8000K 6400K 2000K 5800k
直接弧：主要作用：阴、阳极斑点直接加热母材和焊丝； 辅助作弧：主要依靠辐射和对流加热。
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源 （2）气体火焰焊接热源
气焊时，乙炔C2H2在纯氧O2中部分燃烧，在环绕 焰心的还原区形成一氧化碳 CO 和氢 H2，然后在外焰 区与空中的氧作用，完全燃烧形成二氧化碳 CO2和水 H2O蒸气，焰流以高速冲击焊接区表面，通过对流和 辐射加热工件。
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源 2、焊接热源的有效热功率（热效率）
电弧焊时，一般可将电弧看成是无感的纯电阻， 则全部电能转变为热能，其有效热功率为：
2 q＝η hUI＝η h RIeff
其中：q为电弧的有效热功率[J/S] U为电弧电压[V] I为电弧电流[A] h为功率系数 R为电弧的欧姆电阻[Ω] Ieff为有效电流[A]（交流情况下，用瞬时 积 分得出的有效值）
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征
（5）电子束焊接热源 在电子束焊时，电子（由热阴极发射， 电子透镜聚焦）被大约10μM厚的表面层吸收， 并产生热量。当电子束功率密度足够大时， 焊件表面被熔化，最后导致形成很深的穿透 型蒸气毛细孔，其周围是熔化的金属，并由 此进行加热焊接。
焊接熔池计算的三维数学模型
第一节 基本概念和基本原理—
焊接熔池计算的三维数学模型
用简化的无限扩展体来代替有限尺 寸，在许多情况下是合理的。特别是在构 件相应方向上的尺寸越大，热传播周期 （加热和冷却）越短，热扩散率越低，研 究的区域离热源越远，及传热系数越大时， 效果越好。但当构件的几何尺寸与这种无 限扩展体存在较大偏差时，将会带来很大 偏差，甚至产生不可解决的矛盾。
第一节 基本概念和基本原理
1.1.1 电弧焊热过程概述 （2）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围 介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同 时也伴有热量损失。
1.1.1电弧焊热过程概述
（3）热量传递方式 热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温 区域传导； 对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同， 加上电弧的冲击作用产生强迫对流，工件表面处， 周围气体介质流过时带走热量； 辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的 低温物体发生辐射，并传递热量； 热焓迁移：（1）具有高温的熔滴从焊丝向母材迁 移，在传质同时传热；（2）飞溅从熔池向四周飞散， 同时传质传热。
（7）铝热剂焊接热源 这种方法主要用于钢轨焊接，熔池通过铝粉和金属 氧化物的化学（放热）反应而使工件被加热并形成熔池， 反应后形成铝的氧化物（熔渣），填充金属和热量都是 在反应区体积内产生的。 从上述各种焊接热源来看，有些热量产生于表面 （必须通过传导将其传送至工件内部），有些产生于材 料内部。由于构件及其坡口的几何尺寸不同，和焊接热 源的可调节性等方面的差异，在实际应用中有各种变化。
第一节 基本概念和基本原理—
焊接熔池计算的三维数学模型
半无限体
热源作用于立方体表面 的中心，为三维传热，半无 限体可以作为厚板的模型。 板厚度越大越得合这种模型。
第一节 基本概念和基本原理—
无限大板 认为沿板厚度方向上没有温 度梯度，即认为是二维传热， 热流密度在板厚度上为常数， 作用于板中心的热源功率在板 厚度方向上也是常数，这一模 型适用于薄板，板越薄吻合的 越好。 无限长杆 可将其看成是一维传热 , 在 杆的横截面上的热功率为常数， 这种假设可用于求解焊丝上的 热场。
第二章 焊接热过程
（1） 到目前为止，世界上许多国家的焊接工作者对焊接热
过程进行了大量的系统的研究工作，但距离上述要求还存在 着差距，这主要是因为在解决一些复杂的焊接传热问题时间 不得不提出一些数学上的假设和推导，这一方面的经典工作 是由前苏联的雷卡林完成的，雷卡林的工作对一些相对简单 的情况给出一些解析解，但其结果常存在很大偏差，有时偏 差量常常可以达到100%，
第一节 基本概念和基本原理
1.1.1 电弧焊热过程概述 首先，我们来分析一下最典型的焊接过程--MIG焊 接时都有哪些因素会影响到热过程。 （1）产热机构 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体 介质中的放电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工 件； 电阻热：焊接电流经过焊丝和工件时，将产生热量； 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热； 变形热：构件变形时将产生变形热
等离子 电子束 激光
10-5 10-7 10-8
1.5×105
107 — 109
18000—24000 —— ——
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源 2、焊接热源的有效热功率（热效率）
焊接热源对焊接温度场（热场、流场）的影 响主要表现在热输入参数上： 热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S] 由于在焊接过程中所产生的热量并非全部用 于加热工件，而是有一部分热量损失于周同介质 和飞溅，因此，热源也存在一个热效率问题。 热效率（或称功率系数量）h＜1
2、焊接热源的有效热功率（热效率）
气焊时，以乙炔的消耗量 VAc 为基本参数，有效 热功率为：
q＝η h 3.2VAC
电阻焊（点焊和压焊）时，其有效能量为其欧姆 电阻R、有效电流Ieff和电流持续时间tc的乘积。 2 Q＝η h RIeff tc 缝焊时(焊缝速度v[mm/s]),常用单位长度焊缝的 热输入 qw[J/mm] 来替代单位时间的热输入 q，这样比 较方便。
第一节 基本概念和基本原理—
焊接熔池计算的三维数学模型 热源空间尺寸形状的简化
点热源：作用于半无限体或立方体表面层 ,可模拟立 方体或厚板的堆焊,热量向X、Y、Z三个方向传播。 线热源：将热源看成是沿板厚方向一条线，在厚度方 向上，热能均匀分布，垂直作用于板平面，可模拟对 接焊，一次熔透的薄板，热量二维传播。 面热源：作用于杆的横截面上，可模拟电极端面或磨 擦焊接时的加热，认为热量在杆截面上均匀分布，此 时只沿一个方向传热。 当计算点远离热源时，用集中热源的简化是成功 的，但在接近热源区域则很难模拟，特别是热源中心 处，成为数学处理上的一个奇异点，温度将会升高至
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源
1、焊接热源的类型及特征
（6）激光焊接热源 聚焦的激光束直接照射焊接区域，并被大约 0.5μM厚的表面层吸收。如果功率密度足够大， 可以像电子束一样形成毛细管。作为实际焊接热 源，激光散焦时，通过热传导传递热量到焊件内 部。
第一节 基本概念和基本原理--焊接热源 1、焊接热源的类型及特征
（ 2 ） 近期有限元理论和数值分析技术的发展，使一些复 杂问题的计算得以进行，因而使计算模型的建立可以更接近 实际情况，准确程度也明显提高，但仍没有达到完全实用化 的程度，并且许多复杂的理论问题也未得到很好的解决，因 此，焊接热过程目前仍然是国际焊接界研究的热点问题之一。
第二章 焊接热过程
第一节 第二节 第三节 第四节 基本概念和基本原理 整体温度场 焊接热循环 对熔化区域的局部热作用
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我 们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、 效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题；电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘 束力、相变应力等。 综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题， 涉及到多学科的知识，因此，在求解这一问题将要对 各方面的知识加以综合利用。
第二章 焊接热过程
第二章 焊接热过程
焊接的热过程是一个十分复杂的问题， 从 30 年代由罗塞舍尔和雷卡林开始进 行了系统研究，到目前，已取得很大 进展，但尚未得到圆满解决。这一问 题的复杂性主要表现在以下几个方面：
第二章 焊接热过程
1.1 焊接热过程特点 ①焊接热过程的局部性或不均匀性 ②焊接热源的相对运动
qw＝q / v
此外，根据不同的焊接方法，还可以用单位质量 熔敷金属的热量qm代替q和qw。
2、焊接热源的有效热功率（热效率）
在一定条件下， h 是常数，其主要取决于焊接 方法，焊接规范和焊接材料的种类。下表给出了钢和 铝常用焊接方法的热功率数据。 钢和铝常用熔焊方法的热功率数据
焊接方法 药皮焊条电弧焊 气保护金属电弧焊 气何护钨极电弧焊 电弧焊 激光焊 氧乙炔 热力率 q[kJ/s] 1—20 5—100 1—15 5—250 1—5 1—10 焊接速度 单位长度热功率 v[mm/s] qw[kJ/mm] ＜5 ＜15 ＜15 ＜25 ＜150 ＜10 ＜3.5 ＜2 ＜1 ＜10 ＜0.05 ＜1 热效率