第二章焊接熱過程

1、 焊焊 接接 結結 構構第一章第一章 緒緒 論論Introduction材料成型及控制工程2012.9 焊接結構焊接結構本本 章章 內內 容容2.1 基本概念及原理基本概念及原理2.2 焊接溫度場焊接溫度場2.3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)2.4 熔化區(qū)域的熱作用熔化區(qū)域的熱作用 焊接結構焊接結構2.1 基本概念與原理基本概念與原理2.1.1 電弧焊熱過程概述電弧焊熱過程概述（1）焊接熱過程的特點：）焊接熱過程的特點：局部性局部性加熱和冷卻過程極不均勻加熱和冷卻過程極不均勻瞬時性瞬時性1800K/s熱源是運動的熱源是運動的焊接傳熱過程的復合性焊接傳熱過程的復合性 焊接結構焊接結構（2）產熱機構）產熱

2、機構電弧熱：電弧熱：焊接過程中熱量的最主要的來源，利用氣體介質中的放電焊接過程中熱量的最主要的來源，利用氣體介質中的放電過程來產生熱量，來熔化焊絲和加熱工件；過程來產生熱量，來熔化焊絲和加熱工件；電阻熱：電阻熱：焊接電流過焊絲和工件時，將產生熱量；焊接電流過焊絲和工件時，將產生熱量；相變潛熱：相變潛熱：母材和焊絲發(fā)生熔化時將產生相變潛熱；母材和焊絲發(fā)生熔化時將產生相變潛熱；變形熱：變形熱：構件變形時將產生變形熱構件變形時將產生變形熱 焊接結構焊接結構（3）散熱機構）散熱機構 環(huán)境散熱：處于高溫的工件和焊絲向周圍介質散失熱量；環(huán)境散熱：處于高溫的工件和焊絲向周圍介質散失熱量； 飛濺散熱：飛濺除發(fā)

3、生質量損失之外，同時也伴有熱量損飛濺散熱：飛濺除發(fā)生質量損失之外，同時也伴有熱量損失。失。 焊接結構焊接結構（4）熱量傳遞方式）熱量傳遞方式l熱傳導：工件和焊絲中高溫區(qū)域的熱量將向低溫區(qū)域傳導；熱傳導：工件和焊絲中高溫區(qū)域的熱量將向低溫區(qū)域傳導；l對流換熱：焊接熔池內部，由于各處溫度不同，加上電弧的沖對流換熱：焊接熔池內部，由于各處溫度不同，加上電弧的沖擊作用產生強迫對流，工件表面處，周圍氣體介質流過時帶走擊作用產生強迫對流，工件表面處，周圍氣體介質流過時帶走熱量；熱量；l輻射換熱：電弧本身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發(fā)生輻射換熱：電弧本身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發(fā)生輻射，并傳遞熱

4、量；輻射，并傳遞熱量； 焊接結構焊接結構 從上述分析可以看出，要分析焊接熱過程，我們要處理幾方面的問題：從上述分析可以看出，要分析焊接熱過程，我們要處理幾方面的問題：l熱源：即熱量的來源；其產熱的機構，性質、分布、效率等。熱源：即熱量的來源；其產熱的機構，性質、分布、效率等。l熱量傳輸方式：涉及到傳導、對流、輻射等等熱量傳輸方式：涉及到傳導、對流、輻射等等l傳質問題：流體流動（在熔池內、環(huán)境氣體、飛濺）傳質問題：流體流動（在熔池內、環(huán)境氣體、飛濺）l相變問題：潛熱、熱物理參數(shù)變化相變問題：潛熱、熱物理參數(shù)變化l位移問題：熱源與工件相對位置變化、工件變形等。位移問題：熱源與工件相對位置變化、工件

5、變形等。l力學問題：電弧力、重力、等離子流力、熱應力、拘束力、相變應力力學問題：電弧力、重力、等離子流力、熱應力、拘束力、相變應力等。等。 綜上，可見焊接熱過程是一個十分復雜的問題，涉及到多學科的知識，綜上，可見焊接熱過程是一個十分復雜的問題，涉及到多學科的知識，因此，在求解這一問題將要對各方面的知識加以綜合利用。因此，在求解這一問題將要對各方面的知識加以綜合利用。 焊接結構焊接結構2.1.2 傳熱基本定律傳熱基本定律（1） 熱傳導定律熱傳導定律 焊接結構焊接結構 焊接結構焊接結構 焊接結構焊接結構 焊接結構焊接結構 焊接結構焊接結構2.1.3 焊接熱源焊接熱源（1）實現(xiàn)金屬焊接所需要的能量從

6、基本性質來看，包括有電能，機）實現(xiàn)金屬焊接所需要的能量從基本性質來看，包括有電能，機械能、光輻射能和化學能等。械能、光輻射能和化學能等。 電弧焊熱源電弧焊熱源、氣體火焰焊接熱源、電阻焊熱源、氣體火焰焊接熱源、電阻焊熱源 、摩擦焊、摩擦焊 、電子束熱、電子束熱源等源等（2）焊接熱源的有效熱功率（熱效率）：）焊接熱源的有效熱功率（熱效率）： 1。 熱輸入熱輸入 瞬時熱源：采用熱量瞬時熱源：采用熱量QJ 連續(xù)熱源：采用熱流量連續(xù)熱源：采用熱流量qJ/S 焊接結構焊接結構（3）集中熱源模型的簡化）集中熱源模型的簡化 Rosenthal根據(jù)構件的幾何形狀及其傳熱的特點將焊接傳熱的根據(jù)構件的幾何形狀及其傳

7、熱的特點將焊接傳熱的問題分為了三類：問題分為了三類： 焊接結構焊接結構三維傳熱三維傳熱的問題指的是對于非常大的厚大焊件，熱源的作用體的問題指的是對于非常大的厚大焊件，熱源的作用體積相對總體積非常小，因此焊接熱源的熱量將產生三個方向的積相對總體積非常小，因此焊接熱源的熱量將產生三個方向的傳導，又稱為傳導，又稱為厚板點熱源模型厚板點熱源模型二維傳熱二維傳熱問題指的是對于無限大薄板，焊接熱源直接作用于整問題指的是對于無限大薄板，焊接熱源直接作用于整個厚度，因此在厚度方向沒有熱傳導，而只存在板面內的兩維個厚度，因此在厚度方向沒有熱傳導，而只存在板面內的兩維熱傳導，又稱為熱傳導，又稱為薄板線熱源模型薄板

8、線熱源模型一維傳熱一維傳熱問題指的是對于無限長的桿，焊接熱源直接作用于整問題指的是對于無限長的桿，焊接熱源直接作用于整個截面，因此傳熱只有長度方向，又稱為個截面，因此傳熱只有長度方向，又稱為面熱源模型面熱源模型 焊接結構焊接結構（4）分布熱源模型）分布熱源模型分布熱源適合于采用有限元法求解溫度場時熱源的描述。分布熱源適合于采用有限元法求解溫度場時熱源的描述。 1）Gauss模型模型Gauss熱源模型是最早的分布熱源模型，該模型用高斯函數(shù)描熱源模型是最早的分布熱源模型，該模型用高斯函數(shù)描述電弧覆蓋區(qū)域內的熱流密度，即述電弧覆蓋區(qū)域內的熱流密度，即2)(expKrqqmrK 為能量集中系數(shù)，主要取

9、決于焊接速度、焊接規(guī)范等。為能量集中系數(shù)，主要取決于焊接速度、焊接規(guī)范等。kdn32 焊接結構焊接結構2）雙橢球熱源）雙橢球熱源 Goldak在在Gauss 的基礎上改進了熱源模型，他提出熱流不僅作用的基礎上改進了熱源模型，他提出熱流不僅作用在表面，而是在一定深度上都有熱流，即體積熱源。而且熱流密度在表面，而是在一定深度上都有熱流，即體積熱源。而且熱流密度在寬度、長度、深度方向均為高斯分布。在寬度、長度、深度方向均為高斯分布。 eabcQfqeabcQfqbzaycxbzyxbzaycxfzyx222222222222123332),(23331),( 13636 焊接結構焊接結構2.2 焊接

10、溫度場焊接溫度場分瞬時固定熱源、移動熱源兩種類型。分瞬時固定熱源、移動熱源兩種類型。每一種熱源類型中根據(jù)焊件的尺寸又分為三維點熱源溫度場、每一種熱源類型中根據(jù)焊件的尺寸又分為三維點熱源溫度場、二維線熱源溫度場、一維面熱源溫度場。二維線熱源溫度場、一維面熱源溫度場。 在整個焊接過程中，熱物理常數(shù)不隨溫度而改變；在整個焊接過程中，熱物理常數(shù)不隨溫度而改變； 焊件的初始溫度分布均勻，并忽略相變潛熱；焊件的初始溫度分布均勻，并忽略相變潛熱； 焊件的幾何尺寸認為是無限的；焊件的幾何尺寸認為是無限的； 熱源集中作用在焊件上是按點狀，線狀或面狀假定的；熱源集中作用在焊件上是按點狀，線狀或面狀假定的； 點熱源

11、不考慮散熱點熱源不考慮散熱。溫度場分析假設：溫度場分析假設： 焊接結構焊接結構2.2.1 瞬時固定熱源瞬時固定熱源（1） 瞬時固定點熱源（不考慮散熱）瞬時固定點熱源（不考慮散熱）nTqdtdzdydqdQxx22xTdxxqdqxxdxdydzdtxTdQx22dxdydzdtzTyTxTdQ222222dxdydzdTcdQ熱傳熱傳導導導導致的致的能量能量變化變化溫度溫度變化變化導致導致的能的能量變量變化化+TzTyTxTctT2222222 焊接結構焊接結構l 方程中假設初始條件為方程中假設初始條件為0，不考慮表面散熱，則方程的特解，不考慮表面散熱，則方程的特解為為 atratcQT4ex

12、p)4(223l 一般熔化焊熱量是通過焊件表面?zhèn)鬟f的，因此焊件上的熱量實際一般熔化焊熱量是通過焊件表面?zhèn)鬟f的，因此焊件上的熱量實際上集中在半個橢球內，因此上式需修正為上集中在半個橢球內，因此上式需修正為: atratcQT4exp)4(2223焊件表面上等溫線的形狀？焊件表面上等溫線的形狀？ 焊接結構焊接結構trtcQT4exp)4(2223l溫度場是半徑為溫度場是半徑為r的的等溫半球面等溫半球面 trtfT4exp1223l在固定的位置在固定的位置r處，處，T與與t的關系的關系 當當t0時，時，T 當當t時，時，T 0l在固定的時間在固定的時間t時，時，T與與r的關系的關系atrfT4exp

13、2trtcQT4exp)4(2223 焊接結構焊接結構(2) 瞬時線狀熱源（考慮散熱）瞬時線狀熱源（考慮散熱）取微元取微元hdxdy分析，上下兩個表面的散熱遵分析，上下兩個表面的散熱遵循循Newton、Stefan-Boltzmann定律，單位定律，單位時間內損失的熱量為時間內損失的熱量為: dxdydtTTdQ02微元體由于降溫產生的熱量損失為微元體由于降溫產生的熱量損失為 hdxdydTcdQ兩個能量相等，整理得兩個能量相等，整理得 bTTThcdtdT02其中其中hcb/2，稱為散溫系數(shù)，稱為散溫系數(shù)，s-1. 焊接結構焊接結構bTyTxTabTyTxTctT222222222222yT

14、xTctT瞬時線熱源為二維傳熱，其導熱微分方程及特解為：瞬時線熱源為二維傳熱，其導熱微分方程及特解為： atrhtQT4exp42結合表面散熱方程，結合表面散熱方程，瞬時線熱源導熱微分方程及特解為：瞬時線熱源導熱微分方程及特解為： bTdtdTbtatrathcQTT4exp420焊件上溫度場的分布形態(tài)？焊件上溫度場的分布形態(tài)？等溫線是以等溫線是以r為半徑的圓環(huán)為半徑的圓環(huán) 焊接結構焊接結構SymbolDefinition an unitValuerDistance from weld (mm) Thermal conductivity (J/(s mmC)0.05aThermal diffu

15、sivity (mm2/s)13.94Surface heat transfer coefficient (J/(s mm2C)CSpecific heat (J/(kgC)460 Density (kg/mm3)7.8010-6溫度場分析中常用符號及、含義及常用值（低碳低合金鋼）溫度場分析中常用符號及、含義及常用值（低碳低合金鋼） 焊接結構焊接結構（3）瞬時面狀熱源（考慮散熱）瞬時面狀熱源（考慮散熱）導熱微分方程及特解：導熱微分方程及特解：22xTctTtxatAcQT4exp)4(221考慮散熱后為：考慮散熱后為：TbxTatT*22tbtxatAcQT*2214exp)4(AcLb 其中

16、其中為細桿散溫系數(shù)。為細桿散溫系數(shù)。焊件上溫度場的分布形態(tài)？焊件上溫度場的分布形態(tài)？等溫線是以等溫線是以x為距離的平面為距離的平面 焊接結構焊接結構2.2.2 連續(xù)移動集中熱源的溫度場連續(xù)移動集中熱源的溫度場 連續(xù)移動熱源及多熱源的溫度場可以采用疊加原理進行分析，即某點的溫度等連續(xù)移動熱源及多熱源的溫度場可以采用疊加原理進行分析，即某點的溫度等于每一個熱源單獨作用后產生的溫度之和。連續(xù)熱源可以看成是多個固定熱源于每一個熱源單獨作用后產生的溫度之和。連續(xù)熱源可以看成是多個固定熱源連續(xù)作用的結果。連續(xù)作用的結果。 （1）連續(xù)移動點熱源）連續(xù)移動點熱源tzyxtcQT4exp)4(222223移動熱

17、源在每一個瞬時移動熱源在每一個瞬時dt內對某點溫度的貢內對某點溫度的貢獻為：獻為： 202020234exp412ttzyvtxttcUIdtdTtttzyvtxttcQdtT0202020234exp412連續(xù)移動點熱源的溫度場：連續(xù)移動點熱源的溫度場： 焊接結構焊接結構由于由于x=x0-vt，y=y0，z=z0，令，令 ，則連續(xù)移動點熱源溫度場為，則連續(xù)移動點熱源溫度場為 ttttatzyatvtdtavxcqT0202022323 44 exp 2exp412arxvrqTxr2exp2,其達到極限狀態(tài)時溫度場為其達到極限狀態(tài)時溫度場為 焊接結構焊接結構厚大焊件上點狀移動熱源的溫度場厚大

18、焊件上點狀移動熱源的溫度場TT 焊接結構焊接結構移動熱源溫度場與固定熱源溫度場的比較移動熱源溫度場與固定熱源溫度場的比較移動點熱源移動點熱源固定點熱源固定點熱源前沿陡降前沿陡降前后沿一致前后沿一致 焊接結構焊接結構atrathcQT4exp42（2）連續(xù)移動線狀熱源）連續(xù)移動線狀熱源同點熱源的分析可得：同點熱源的分析可得： 44 exp 2exp4220),(trbtttdtxhqTttyx其達到極限狀態(tài)時溫度場為其達到極限狀態(tài)時溫度場為 abarKaxhqTtyx42exp220),(K0為貝瑟爾函數(shù)為貝瑟爾函數(shù)hcbrc2散溫系數(shù)散溫系數(shù) 焊接結構焊接結構線狀移動熱源的溫度場分布線狀移動熱

19、源的溫度場分布 焊接結構焊接結構（3）連續(xù)移動面狀熱源）連續(xù)移動面狀熱源txatAcQT4exp)4(221采用與點熱源的分析相同的方法，利用疊加原理可得：采用與點熱源的分析相同的方法，利用疊加原理可得：) () (4) (exp) (41202),(10ttbttatxttaAcqdtTttx 42 exp 2exp4/122022),(11tbatxattqdtaxacAqTttx采用移動式坐標，經整理后可得采用移動式坐標，經整理后可得 極限飽和面狀熱源的傳熱公式為極限飽和面狀熱源的傳熱公式為 xavAPavvAcqTrc24exp22 焊接結構焊接結構（1）熱源的性質（熱源能量的集中性）

20、熱源的性質（熱源能量的集中性）瞬時點狀、線狀、面狀熱源的溫度梯度瞬時點狀、線狀、面狀熱源的溫度梯度222zyx22yx 熱源熱源Qeqnr備注備注點熱源點熱源Q=2qt3線熱源線熱源Q= qt/h2h-厚度厚度面熱源面熱源Q= qt/A1xA-截面積截面積atratcQT4exp)4(2223atrathcQT4exp42txatAcQT4exp)4(221atratcQTneq4exp)4(222.2.3 影響焊接溫度場的因素影響焊接溫度場的因素 焊接結構焊接結構（2 2）焊接規(guī)范）焊接規(guī)范即焊接熱輸入即焊接熱輸入 焊接結構焊接結構（3）被焊金屬的熱物理性質被焊金屬的熱物理性質（熱導率，體積

21、熱容，熱擴散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等）（熱導率，體積熱容，熱擴散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等） 焊接結構焊接結構（4）焊件的板厚及形狀焊件的板厚及形狀 焊接結構焊接結構2.2.4 快速移動大功率熱源的溫度場快速移動大功率熱源的溫度場 （1）厚板快速移動熱源）厚板快速移動熱源相當于線熱源的作用結果。在整個長度方向熱源熱量分布是均勻的，某相當于線熱源的作用結果。在整個長度方向熱源熱量分布是均勻的，某點的溫度相當于若干個點的溫度相當于若干個dx上的線熱源作用的總和。上的線熱源作用的總和。 atrathcQT4exp42 焊接結構焊接結構（2）薄板快速移動熱源相當于面熱源）薄板快速移動熱源相當于面熱源 a

22、txatcAQT4exp)4(/221 焊接結構焊接結構2.3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)：焊接熱循環(huán)： 在焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度隨時間由在焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度隨時間由低而高，達到最大值后又由高而低的變化低而高，達到最大值后又由高而低的變化 描述焊接熱源對被焊金屬的熱作用過程描述焊接熱源對被焊金屬的熱作用過程)(tfTiiizyx 焊接結構焊接結構2.3.1 焊接熱循環(huán)主要參數(shù)焊接熱循環(huán)主要參數(shù) 加熱速度 加熱的最高溫度 在相變溫度以上的停留時間 冷卻速度或冷卻時間HwMTHtCv8/5tMTHt 焊接結構焊接結構 加熱速度加熱速度加熱速度受許

23、多因素影響：加熱速度受許多因素影響：不同的焊接方法不同的焊接方法不同的被焊金屬不同的被焊金屬不同厚度不同厚度不同焊接熱輸入等不同焊接熱輸入等加熱速度方面的研究還不夠充分加熱速度方面的研究還不夠充分特別是新工藝、如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏特別是新工藝、如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏Hw 焊接結構焊接結構 加熱的最高溫度加熱的最高溫度據(jù)焊縫遠近不同的各點，加熱的最高溫度不同據(jù)焊縫遠近不同的各點，加熱的最高溫度不同MT 焊接結構焊接結構Htttt Htt加熱過程的停留時間冷卻過程的停留時間 在相變溫度以上的停留時間在相變溫度以上的停留時間 焊接結構焊接結構 冷卻速度或冷卻時間冷卻速度或冷卻時間決定熱

24、影響區(qū)組織性能決定熱影響區(qū)組織性能指焊件上某點熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時溫度指焊件上某點熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時溫度的冷卻速度的冷卻速度為了便于測量和分析比較，采用為了便于測量和分析比較，采用800500的冷的冷卻時間來代替瞬時冷卻速度，因為這一溫度區(qū)間卻時間來代替瞬時冷卻速度，因為這一溫度區(qū)間是相變的主要溫度范圍是相變的主要溫度范圍Cv8/5t 焊接結構焊接結構 冷卻時間冷卻時間從從800oC冷卻到冷卻到500oC時所用時間時所用時間碳鋼、不易淬火的低合金鋼碳鋼、不易淬火的低合金鋼從從800oC冷卻到冷卻到300oC時所用時間時所用時間易淬火的低合金鋼易淬火的低合金鋼(馬氏體相變點馬氏體相

25、變點300oC左右左右)從高溫冷卻到從高溫冷卻到100oC時所用時間時所用時間擴散氫擴散氫58t100t8 3t 焊接結構焊接結構2.3.2 焊接熱循環(huán)的影響因素焊接熱循環(huán)的影響因素（1 1）距離）距離 焊接結構焊接結構（2 2）焊接方法）焊接方法不同焊接方法的焊接熱循環(huán)不同焊接方法的焊接熱循環(huán)1-1-手弧焊手弧焊 2-2-埋弧焊埋弧焊 3-3-電渣焊電渣焊 焊接結構焊接結構短道多層焊接熱循環(huán)短道多層焊接熱循環(huán) 多層焊多層焊（3）焊接工藝的影響）焊接工藝的影響多層焊多層焊 焊接結構焊接結構 長段焊道差不多在長段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時，第一層焊以上，這樣焊完第一層再焊第

26、二層時，第一層焊縫基本上冷卻到縫基本上冷卻到100-200以下。以下。 焊接結構焊接結構 焊件尺寸形狀的影響焊件尺寸形狀的影響 焊接結構焊接結構 接頭形式的影響接頭形式的影響 焊接結構焊接結構焊道長度的影響焊道長度的影響 焊接結構焊接結構預熱溫度的影響預熱溫度的影響預熱溫度- t8/5 焊接結構焊接結構2.3.3 焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算焊接熱循環(huán)參數(shù)的計算（1）Tmax根據(jù)溫度場函數(shù)求導數(shù)根據(jù)溫度場函數(shù)求導數(shù)dT/dt=0的點的溫度。的點的溫度。 trtqT4exp22420rtm2020234. 02rcqrceqTm線熱源線熱源 焊接結構焊接結構同樣，線熱源的同樣，線熱源的Tmax：0max

27、242. 0hycqTtytchqT4exp)4(2021從理論上講，當從理論上講，當r0和和y0=0時，時，Tmax=，這當然是不可能的。因此應考，這當然是不可能的。因此應考慮金屬熔點的限制更為合理，所以根據(jù)傳熱學的理論推導，可得經驗公慮金屬熔點的限制更為合理，所以根據(jù)傳熱學的理論推導，可得經驗公式。式。 焊接結構焊接結構00011TTEecrTTMm厚板厚板 薄板薄板 000121TTEhyceTTMm式中式中 T0- 初始溫度；初始溫度； TM- 熔點溫度熔點溫度 Tm-焊件上某點的最高溫度焊件上某點的最高溫度 E 線能量線能量 H thickness r0，y0-某點距熔化邊界的垂直距

28、離某點距熔化邊界的垂直距離 c-容積比熱容容積比熱容 焊接結構焊接結構（2）相變溫度以上停留時間）相變溫度以上停留時間tHtH的計算非常復雜，可以采用計算法和圖解法求解。的計算非常復雜，可以采用計算法和圖解法求解。03TTqftmH厚板厚板 薄板薄板 2022TTcqftmH 焊接結構焊接結構（3）瞬時冷卻速度）瞬時冷卻速度vc可通過對溫度場函數(shù)進行微分獲得。在可通過對溫度場函數(shù)進行微分獲得。在r=0處處trtqTtr4exp220),(022tqdtdTqTTdtdTc202tqTtr2),(0Tqt2厚板厚板 焊接結構焊接結構同樣道理利用薄板高速熱源的溫度場公式同樣道理利用薄板高速熱源的溫度場公式 tytchqTT4exp)4(202102202hqTTcdtdTc 焊接結構焊接結構當