第三讲 焊接温度场
第三节 焊接温度场
3.3焊接热循环的影响因素
1.焊接规范和线能量
2.预热和层间温度
3.焊件尺寸 4.接头形式 5.焊道长度
谢谢大家！
0.70~ 0.85
三、 焊接传热的基本方式
自然界中，热量的传递主要有三种基本方式：即热传导、 对流和辐射。 焊接过程中，热源能量的传递也不外以上三种方式，对 于电弧焊来讲，热量从热源传递到焊件主要是通过热辐射
（温度越高，辐射能力越强）和热对流方式，而母材和焊丝
内部，则以热传导方式。
3.1 焊接温度场
2. 根据焊件尺寸和热源的性质
一维温度场（线性传热）：焊条或焊丝的加热（面热源， 径向无温差，如同一个均温的小平面在传热） 二维温度场（平面传热）：一次焊透的薄板，板厚方向无 温差（线热源，把热源看成沿板厚的一条线） 三维温度场（空间传热）：厚大焊件表面堆焊（点热源）
3.3 焊接温度场影响因素
1.热源性质 热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场分 布也就不同。 热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离 子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。 2.焊接参数 有效热功率与焊接速度影响最大
加热最高温度(Tmax ) Tmax指工件上某一点在焊接过程中所经历的最高温度，即该点 热循环曲线上的峰值温度。考察位置不同最高温度不同冷却速 度不同焊接组织不同性能不同。例如：熔合线附近（对一般低 碳钢和低合金钢来说，其Tm可达1300—1350℃），由于温度高，其 母材晶粒发生严重长大，导致塑性降低。
摩擦焊
利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属 局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源。 热能高度集中，焊缝深宽比可达40以上，HAZ（Heat Affected Zone）很窄。 HAZ：熔焊时在集中热源的 作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
焊接温度场及残余应力测量方法总结
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。
材料加工原理第3章-温度场
9
（一） 解析法
解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导 和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示 的解，也就是解析解。 优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够
清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参
数变化对温度高低的影响。
缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不
三维傅里叶热传导微分方程为：
T t c 2T 2T 2T x 2 y 2 z 2
a
a 2T
式中:
a
—— 导温系数，
c
；
2 —— 拉普拉斯运算符号。
二维传热：
2T T 2T a x 2 y 2 t
x T1 Ti T10 Ti erf 2 a t 1
T T10
铸型侧
Ti
铸件侧
x T2 Ti Ti T20 erf 2 a t 2
T20 x
由在界面处热流的连续性条件可得：
Ti b1T1 0 b2 T2 0 b1 b2
延长。对于形状复杂的铸件，其体积与表面积的计
算都是比较麻烦的，这时可将复杂铸件的各部分看
作是形状简单的平板、圆柱体、球、长方体等单元
体的组合，分别计算出各单元体的模数，但各单元
体的结合面不计入散热面积中。一般情况下：
模数最大的单元体的凝固时间即为铸件的凝固时间。
21
三、界面热阻与实际凝固温度场
上述关于铸造过程凝固温度场的分布以及凝固时间的讨 论均将铸件与铸型的接触当作是理想状态下的紧密接触， 实际界面存在热阻。
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
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。
焊接热-PPT精品
熔合区：熔合线两侧有一个很 窄的焊缝与热影响区的过渡区。成分不均，组织为 粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而 且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。
• 研究焊接热循环的意义为： ① 找出最佳的焊接热循环； ② 用工艺手段改善焊接热循环； ③ 预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。
二、焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH
• 最高加热温度Ｔm
晶粒 大小
• 相变温度以上 的停留时间tH
• 冷却速度Ωc (或冷却时间t8 / 5)
相变 组织
三、焊接热循环参数的计算
不易淬火钢焊接热影响区的组织分布
焊接热影响区的组织分布特征
1-熔合区；
不易 2-过热区；
淬火钢 3-相变重结晶区；
T
• 厚大当件固对定电热弧源加分
热别部作位用的在冷厚却大作件用、
3
最薄强板，和接细头长温杆度上下时，
2
x=0
降假速设度焊最件快从。热其源次获
1
r=0
是得薄的板瞬，时而热细能杆相的等，
பைடு நூலகம்
R=0
散可热以速比度较最三慢种。情况 0
t
下焊件的温度变化 速率。
图2-17 三种情况下热源直接作用 部位的温度随时间的变化曲线
4.1 焊接热循环 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
一、研究焊接热循环的意义
• 在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随 时间的变化过程称为焊接热循环。
焊接温度场与熔池形成
Q 工件 =ηIU ( J / s )
η为热效率——加热功率的有效系数
仅指焊件所能吸收到的热能 损失的热能：光热辐射、对流、金属蒸发、飞溅.
在一定条件下η为一常数. 主要取决于热源、焊法、焊材、
母材性质及尺寸.
1-1
(2)焊接热能通过一定的作用面积（加热区）进入工件
图 1-2
图1-7
5. 影响温度场的因素
热源种类、焊接规范、材质物理性质、焊件形态、热源作用时间等.
（1） 热源种类
焊接热源的性质不同，焊接温度场的分布也不同: h>25mm钢板的电弧焊为点热源; h> 100mm 钢板的电渣焊却认为是线热源. 电子束和激光焊时，热能极其集中，温度场范围很小; 气焊时，热源作用面积较大，温度场范围也大.
焊接温度场是准稳定温度场
3. 焊接温度场分类
取决于工件尺寸和热源性质
1）三维温度场
厚大焊件的表面堆焊，三维传热，点热源
T= f (x, y, z, t) 2）二维温度场
一次可焊透的薄板，二维传热 ，线热源
T= f (x, y, t) 3）一维温度场
细棒的电阻焊对接、焊条或焊丝的加热， 一维传热，面/体热源
焊接热能分布图
图 1-3
加热斑点区的比热流分布为：
q(r ) qm ek r2
其中，q m为斑点中心之最大比热流，k为热流集中系数，r为任意点距中 心点的距离.
上式用于计算： a. 加热区内任意点的比热流qr ; b. 电弧的全部有效热能：
qq全＝A qmekr 2 dF
qm e kr 2 rdr
电弧用于加热和熔化焊条的功率仅是其全部功率的一小部分， 即：
qe ห้องสมุดไป่ตู้UI
熔焊原理：焊接区温度变化
熔焊原理：焊接区温度变化
★ 焊接热源
一、常用的焊接热源
(1)电弧热 利用熔化或不熔化的电极与焊件之间的电弧所产生的热量进 行焊接。电弧是目前应用最广的焊接热源，如焊条电弧焊、埋弧焊、气 体保护电弧焊等。
(2)化学热 利用可燃气体(如乙炔、液化石油气)的火焰放出的热量，或 热剂(如铝粉与氧化铁粉)之间在一定温度下进行反应所产生的热量进行 焊接，如气焊、热剂焊。
熔焊原理：焊接区温度变化
热效率就是焊接热源热量的利用率。焊接时，热源所产生的热量并不能 全部得到利用，而是有一部分损失于向周围介质的散失及飞溅中。我们 把母材和填充金属所吸收的热量包括熔化及向内部传导的热量)叫做热源 的有效热功率。
熔焊原理：焊接ห้องสมุดไป่ตู้温度变化
★焊接温度场 一、焊接温度场的概念
焊接温度场是指某一瞬时焊件上各点的温度分布。 1)与磁场、电场一样，温度场考察的对象是空间一定范围内的温度分布 状态。 2)因为焊件上各点的温度是随时间变化的，因此，温度场是某个瞬时的 温度场。
(1)最小加热面积 即在保证热源稳定的条件下加热的最小面积。 (2)最大功率密度 热源在单位面积上的最大功率。在功率相同时，热 源加热面积越小，则功率密度越高，表明热源的集中性越好。 (3)在正常焊接参数下能达到的温度 温度越高，则加热速度越高，因 而可用来焊接高熔点金属，具有更宽的应用范围。
熔焊原理：焊接区温度变化
熔焊原理：焊接区温度变化
(6)电子束 利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件 表面，使动能转变为热能而进行焊接，如真空或非真空电子束焊。
(7)激光束 以经过聚焦的激光束轰击焊件时所产生的热量进行焊接， 如激光焊。
(8)高频感应热 对于有磁性的金属，利用高频感应产生的二次电流作 为热源，在局部集中加热进行焊接，如高频感应焊。 二、焊接热源的主要特征
热物理性能说明物质的传热与散热能力。在其它条件相同时，不同金属材料 的焊接温度场不同。其中影响较大的热物理性能参数有： (1)热导率(λ) 表示金属内部的导热能力。 (2)比热容c 比热容为单位质量物质 升高l℃时所需的热量，单位为J／(g·℃)。
熔焊原理：焊接区温度变化
(3)热扩散率(a) 热扩散率表示温度 传播的速度，它与a、cρ的关系为a＝ λ/（cρ） 单位cm2／s。 (4)表面传热系数(o) 表示金属通过 表面向外界介质传热的能力，指金属表面
熔焊原理：焊接区温度变化
四、影响焊接热循环的基本因素及调整焊接热循环的方法 1．影响焊接热循环的因素 (1)焊接线能量与预热温度(2)焊接方法
传热过程的基本规律是热量总是从高温传到低温，传递的热量与温度 差成正比。因此根据温度场就可以确定热量传递的方向与数量。 温度场可以用公式、表格或图象表示，其中最直观最常用的方法是用等 温线(面)绘制 的图象表示。等温线或等温面就是在某一瞬时温度场中相 同温度的各点所连成的线或面。因 为在给定的温度场中，任何一点不可 能同时有两个温度，因此不同温度的等温线(面)绝对 不会相交，这是等 温线(面)的重要性质。
不同性质的热源其加热温度与加热面积不同，决定了温度场的不同特 性。热源越集中，则加热面积越小，温度场中等温线(面)分布就越密集。 如电子束焊接时，由于热源的热量非常集中，加热范围仅为几个毫米的 区域；气焊时，加热宽度可达几个厘米。
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第三讲焊接温度场
教学目的：理解温度场的概念及表达方式；等温线的概念及特征。
了解温度梯度的概念。
掌握影响温度场的因素。
教学重点：温度场、等温线
教学难点：温度场、等温线
教学方法：讲述法
课时分配：4课时
教学内容：
热量的传递有传导、对流、辐射三种基本方式。
在熔焊过程中，三种方式都存在。
其中热量传递到焊件主要是通过对流与辐射；母材与焊丝获得热量后其内部的传导则以传导为主。
一、温度场的概念及表达方式
1、焊接温度场：指某一瞬时焊件上各点的温度分布。
具体说就是焊件上各点温度分布情况。
焊接温度场是某一瞬时的温度场。
因为焊件上的温度不仅不均匀，而且因热源的运动还将使各点的温度随时间而变化。
在焊接进行过程中，焊件上温度分布的规律：热源中心处温度最高，向焊件边缘温度逐渐下降。
2、等温线（面）：温度场中相同温度的各点所连成的线（或面）。
性质：不同等温线（面）绝对不会相交。
等温线的意义和应用：
（1）固定加热厚大工件等温线的情况（如图4-2）
工件上各点的温度仅仅与其到热源的距离有关。
等温线的现状是以热源中心为圆心的半球面。
在xoy 平面的等温线则为同心圆，
温度越低，半径越大。
（2）热源运动时等温线的情况
焊接时，由于热源要沿着一定的
方向运动，热源前后温度分布不再对
称，等温线的形状将发生变化。
原因：热源前面是未经加热的冷金属，温度下降很快，而热源后面则是刚焊完的焊缝，温差较小。
结果：热源前面的等温线之间距离缩短，后面等温线之间的距离加长，而在热源的两侧分布仍然是对称的。
讲述图4-3 （教材107页）
3、温度梯度
等温线可以表示温度在空间的变化率，
这个变化率与温差成正比，与等温线之间
的距离成反比，其比值叫做温度梯度。
如图; G =T1-T2/Δs
当T1＞T2，即温度上升时，温度梯度为正；反之为负。
二、影响温度场的因素
影响温度场的因素主要有：
（1）热源的性质
（2）焊接参数
焊接参数是焊接时为保证焊接质量而选定的各项参数的总称，包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入（线能量）等。
在热源相同时，焊接参数对温度场有明显的影响，其中影响最大的是热源功率P与焊接速度v。
有三种情况：（图4-5）○1P不变而改变v的情况，随焊接速度v 的提高，加热面积减小，热源前方的等温线更加密集。
○2v不变而改变P的情况，P增加时，加热面积明显增大。
○3P、v同时变化，P/v不变的情况，等温线沿运动方向伸长，但宽度变化不明显。
P/v的物理意义：熔焊时，由焊接热源输入给单位长度焊缝的能量，单位为J/cm，称为热输入。
又称为线能量。
（3 ）被焊金属的导热能力
用热导率表示，说明金属内部传导热量的能力。
（4）被焊金属的几何性质。
三、作业
1、什么是焊接温度场和等温线（面）？等温线（面）的性质是什么？
2、影响温度场的因素有哪些？。