第二章 焊接热过程

焊接结构
（2）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
焊接结构
（3）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）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描
述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q(r) qm exp Kr 2
dn
2
3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
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2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度 在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
T
Q
hc 4at
exp
r2 4at
焊接结构
（2）薄板快速移动热源相当于面热源
T
Q/ A
1
c(4at) 2
exp
x2 4at
焊接结构
2.3 焊接热循环
焊接热循环： ① 在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由 低而高，达到最大值后又由高而低的变化 ② 描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设： ① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变； ② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的； ④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的； ⑤ 点热源不考虑散热。
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2.2.1 瞬时固定热源
（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）
采用与点热源的分析相同的方法，利用叠加原理可得：
T( x0 ,t)
0t
qdt'
Ac4a(t t')1
2
exp
(x t')2 4a(t t')
b1(t
t')
采用移动式坐标，经整理后可得
T( x,t )
q/ A
c 4a 1
2
exp
x 2a
0t
qdt' ' t''1 2
exp
2t' 2a
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。
焊接结构
2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
2.1.3 焊接热源
（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机 械能、光辐射能和化学能等。 电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 （热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）
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（4）焊件的板厚及形状
焊接结构
2.2.4 快速移动大功率热源的温度场
（1）厚板快速移动热源 相当于线热源的作用结果。在整个长度方向热源热量分布是均匀的，某 点的温度相当于若干个dx上的线热源作用的总和。
热传 导导
dQx dqx dy dz dt
致的 能量
q T
变化
n
dqx
qx x
dx
2T x 2
dQx
2T x 2
dxdydzdt
dQ
2T x 2
2T y 2
2T z 2
dxdydzdt
+
dQ cdxdydzdT
焊接结构
T t
c
2T x2
2T y 2
2T z 2
2T
Density (kg/mm3)
Value
0.05 13.94
460 7.80×10-6
焊接结构
（3）瞬时面状热源（考虑散热）
导热微分方程及特解：
T t
c
2T x 2
T
Q
1
Ac(4at) 2
exp
x2
4t
考虑散热后为：
T t
a
2T x 2
b*T
T
Q
1
Ac(4at) 2
exp
x2
4t
2 T
ch
T0 bT
其中 b 2 / ch，称为散温系数，s-1.
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瞬时线热源为二维传热，其导热微分方程及特解为：
T t
c
2T x 2
2T y 2
T
Q
4ht
exp
r2 4at
结合表面散热方程，
dT bT
瞬时线热源导热微分方程及特解为： dt
T t
c
2T x 2
2T y 2
T
2Q
3
c(4t) 2
exp
x2
y2
4t
z2
移动热源在每一个瞬时dt’内对某点温度的贡
献为：
dT 2UIdt'
c
1 4 t t '
3
2
exp
x0
vt '
2
y02
z02
4 t t '
连续移动点热源的温度场：
T
0t
2Qdt '
c
1
4 t t'
3
2
exp
x0
T f xi yi zi (t)
焊接结构
2.3.1 焊接热循环主要参数
tH
TM
w ① 加热速度 H
T ② 加热的最高温度 M
t ③ 在相变温度以上的停留时间 H ④ 冷却速度或冷却时间
vC t8/5
焊接结构
① 加热速度 wH
– 加热速度受许多因素影响： • 不同的焊接方法 • 不同的被焊金属 • 不同厚度 • 不同焊接热输入等
bT
a
2T x 2
2T y 2
bT
T T0
Q
hc 4at
exp
r2 4at
bt
焊件上温度场的分布形态？ 等温线是以r为半径的圆环
焊接结构
温度场分析中常用符号及、含义及常用值（低碳低合金钢）
Symbol r a α C
Definition an unit Distance from weld (mm) Thermal conductivity (J/(s mm˚C)) Thermal diffusivity (mm2/s) Surface heat transfer coefficient (J/(s mm2˚C)) Specific heat (J/(kg˚C))
温度 变化 导致 的能 量变 化
方程中假设初始条件为0℃，不考虑表面散热，则方程的特解
为
T
Q
3
c(4at) 2
exp
r2 4at
一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:
T
2Q
3
c(4at) 2
exp
r2 4at
焊件表面上等温线的形状？
焊接结构
T
2Q
3
c(4t) 2
exp
r2
4t
T
2Q
3
c(4t) 2
exp
r2 4t
焊接结构
Tmax
2Q
3
c (4t) 2
在固定的位置r处，T与t的关系
T
f
1
t
3
2
exp
r2 4t
当t→0时，T →∞ 当t→∞时，T → 0
在固定的时间t时，T与r的关系
T
f
exp
r2 4at
q
2r
exp
vx
2a
r
焊接结构
T
T
焊接结构
厚大焊件上点状移动热源的温度场
移动热源温度场与固定热源温度场的比较
前沿陡降
前后沿一致
移动点热源 焊接结构
固定点热源
（2）连续移动线状热源
T
Q
hc 4at
exp
r2 4at
同点热源的分析可得：
T(x, y,t)
q
4h
exp
x 2
0t
dt'' t''
vt '
2
y02
z02
4 t t'
焊接结构
由于x=x0-vt，y=y0，z=z0，令 t'' t t，' 则连续移动点热源温度场为
T
2q c
1
4 3
2
exp
vx 2a
0t
dt'' t''3 2
exp
v2t'' 4a
y02 z02 4at' '
其达到极限状态时温度场为
Tr , x
（2）焊接热源的有效热功率（热效率）：＜1。
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]
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（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的 问题分为了三类：
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• 三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体 积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的 传导，又称为厚板点热源模型
第一章 绪 论 Introduction