焊接热过程
焊接热过程
1、焊接热过程复杂性表现：①焊接热过程的局部性和不均匀性；②焊接热过程的瞬时性；③焊接热源的相对运动。
2、热量来源：电弧热、电阻热、相变潜热、变形热。
电弧热：利用气体介质的放电过程来产生热量，并熔化焊丝和加热工件，焊接的主要热源。
电阻热：焊接电流流过焊丝和工件时，有焊丝和工件本身电阻将电能转化为热能产生的热。
3、散热机构：①环境散热、②飞溅散热
4、热传递方式：热传导、辐射、对流、焓迁移。
5、分析焊接热过程需处理的问题：①热源；②热量传输方式；③传质问题；④相变；⑤位移、⑥力学问题。
6、焊接热源：①按形式：电能、机械能、光辐射能、化学能。
②按种类：电弧焊热源、气焊热源、电阻焊热源、摩擦焊热源、电子束焊热源、激光焊热源、铝热剂焊热源。
7、构件几何尺寸简化：①半无限扩展的立方体、②无限扩展的板、③长度无限扩展的板。
8、焊接热源模型：点热源、线热源、面热源、高斯热源、双椭球热源、广义双椭球热源。
9、焊接温度场：焊接过程中，某一时刻所有空间各点温度的总计或分布。
用等温面（线）表示。
等温面：工件上具有相同温度的所有点的轨迹。
10、焊接热循环：指焊接过程中，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。
简单说就是工件上某点的温度随时间的变化，它描述了该点在焊接过程中热源对其热作用的过程。
主要参数：①加热速度；②加热最高温度；③在相变以上温度停留时间；④冷却速度。
11、多层焊：长段多层焊（1m以上）、短段多层焊（50~400mm）（适合硬化倾向大和晶粒粗化倾向大的钢材焊接）
12、热效率：熔化极焊接热效率>非熔化极，埋弧焊热效率>明弧焊，潜弧焊接热效率>明弧
13、电极的熔化：是焊接电弧的重要功能之一，对焊接工艺过程、冶金过程、焊接缺欠的产生和焊接生产效率有很大影响。
14、电弧焊时加热和熔化电极的能量：电流流过焊丝的电阻热、电弧传给焊丝端部的热、化学反应热。
第二章 焊接热过程
（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。
焊接结构
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。
焊接热过程仿真实验报告
焊接热过程仿真实验一、实验目的1、通过实验加强对瞬时点热源焊接温度场和焊接热循环的概念、影响因素、解析解和数值解的特点等的感性认识。
2、Matlab,Ansys软件的使用。
二、实验内容1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。
2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算，观察温度分布云图，绘制指定点的焊接热循环曲线，对瞬时点热源焊接温度场的影响因素进行定量定性的探讨。
三、实验步骤1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。
(1)启动Matlab软件；(2)打开新文件(3)编写程序源程序如下：%Instant point heatr= -4:.01:4;Q=3600;lan=0.4;c=0.65;p=7.8;cp=c*p;a=lan/cpfor t=1:1:10temp =2*Q/cp/(4*pi*a*t)^1.5*exp(-r.^2 /4/a/t);plot(r,temp)hold onendylabel('温度(C)')xlabel('距离r (cm)')grid on（4）运行程序（5）记录指定时间的温度，绘制温度分布曲线。
实验结果图如下：2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算。
ANSYS软件采用有限元方法进行稳态、瞬态热分析，计算各种热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。
这些热载荷包括：对流，辐射，热流率，热流密度（单位面积热流），热生成率（单位体积热流），固定温度的边界条件。
采用ANSYS软件进行热过程分析可以用菜单交互操作和编程两种方式。
由于本次实验仅有两学时，学生又无该软件的使用经验，所以主要以程序调试为主，将重点放在参数影响因素的探讨。
（1）使用文本文件编辑器编写程序（2）以.mac为扩展名存盘（3）运行Ansys软件(4) 设置文件夹到程序所在文件夹（4）运行程序源程序及各步骤所得结果图如下：! 步骤1：项目设置FINISH/CLEAR/FILNAME, Point heating!Give the analysis a title/TITLE,Point Heat! 步骤2：设置单元、材料特性参数/UNITS,SIET,1,SOLID70 !单元类型选择MP,DENS,1,7800 !密度MP,KXX,1,40 !导热系数MP,C,1,650 !比热容!MPTEMP,1,0,227,727,1727,2727!MPDATA,KXX,1,1,83.5,61.5,32.5,42.5,46 !MPDATA,C,1,1,430,540,980,847,400!MPTEMP,1,0,1533,1595,1670!MPDATA,ENTH,1,1,0,7.5E9,9.6E9,1.05E10!步骤3：建模a=0.05 !模型边长an=5 !边长上的单元数b=0.01 !网格密集区边长bn=10 !网格密集区边长上的单元数block,0,b,0,b,0,b !建模block,0,a,0,a,0,avovlap,all/pnum,volu,1!步骤4：网格划分vsel,s,loc,z,0,bvatt,1,,1,0mshkey,1LESIZE,11, , ,bn, , , , ,1 LESIZE,6, , ,bn, , , , ,1LESIZE,7, , ,bn, , , , ,1vmesh,allvsel,invevatt,1,,1,0esize,a/ansmrtsize,6mshape,1,3dmshkey,0vmesh,allvsel,all/VIEW,1,0.5,-1,0.5/TRIAD,OFF !Turn triad symbol off/REPLOT!步骤5：求解/SOLUANTYPE,TRANSIENT,NEWTRNOPT,FULLLUMPM,ONTOFFST,273TUNIF,20 ! 工件初始温度。
焊接热过程和冶金过程
２０ ２ ４ 铝 合 金 的 熔 化 热 对 熔 池 形 状 和 尺 寸 的 影 ０ ７０ ５
响 ［ ３ Ｋ ｐ ａ ．Ａ．…／ Ａ Ｔｍ Ｔ Ｂｐａ－０ ４ 俄 ／ ａｘ Ｈ Ｂ ／ ＢＯ ．ｃａＫ．２ ０ ，
该 校 正 方 法 的 准 确 性 。利 用 数 值 模 拟 方 法 模 拟 整 体 温 度 场 。 试 验结 果 表 明 ， 温 校 正 可 准 确 校 正 试件 表 实 面 状 态 一 致 区 域 的温 度 场 ， 表 面校 正 可 消 除 试 件 表 而 面 状 态 改 变 而 引起 的对 温 度 场 分 布 的 影 响 ， 合 实 温 结 与表 面校 正 方 法 能 准 确地 校 正 镁 合 金 激 光 一 Ｇ 复 合 ＴＩ
维普资讯
形 貌 的 被 动 光视 觉 技 术 ， 取 了 清 晰 的 基 值 电 流期 间 获
效 的 参考 依 据 。图 ９表 ２参 ３
熔 池 图 像 。熔 池 的 三 维 信 息 ， 其 是 熔 池 高 度 ， 仅 尤 不
是 需 要 直 接 控 制 的 对 象 ， 且 是 反 映 熔 透 的 重 要 信 而 ２ ０ ２ ４ 镀 锌 板 激 光 钎 焊 温 度 场 的 数 值 模 拟／ ０ ７０ ３ 封 小松 …／ 金 属 学 报 ．２ ０ ， ２ ８ ．８ ２ ８ ／ － ０ ６ ４ （ ） － ８ ～８ ６
好 。图 ３表 １ １ 参 ２
２ ０ ２ ４ 热 模 拟 ２ ０ Ｄｓ ０ ７０ ４ ２ ５ ｓ焊 接 ＨＡＺ 的 点 蚀 实 验
研 究／ 建 勋 …／ 材料 工 程 ．２０ ，８ ．２ ￣３ 张 ／ －０ ６ （ ）一８ ２ 采用热模拟法 模拟焊 接热 过程 ， 究 了 ２０ 研 ２ ５双
焊接热过程与熔池形态
焊接热过程与熔池形态
本文将探讨焊接热过程与熔池形态的关系。
焊接热过程是指焊接过程中金属的加热和冷却过程，它对熔池的形态和性质有着重要的影响。
在焊接过程中，焊枪或电极产生的热量使工件加热到熔点以上，金属开始熔化形成熔池。
熔池的形态和性质直接影响焊缝的质量和强度。
熔池形态可以分为三种：球形熔池、扁平熔池和凸形熔池。
球形熔池是指熔池表面呈现出球形的形态，这种熔池容易使焊接出现气孔和夹杂物。
扁平熔池则是熔池表面呈现出扁平的形态，这种熔池容易使焊接出现焊缝凹陷和烧穿。
而凸形熔池则是熔池表面呈现出凸起的形态，这种熔池可以使焊缝填充更加充分，但也容易使焊接出现焊缝凸起和夹渣。
焊接热过程决定了熔池的形态和性质，因此焊接人员必须掌握正确的焊接参数，如焊接电流、电压、焊接速度等，以控制焊接热过程，从而获得理想的熔池形态和性质。
同时，焊接人员还需要掌握正确的焊接技巧，如焊接位置、角度、移动速度等，以确保焊接质量和焊接效率。
总之，焊接热过程和熔池形态是焊接质量的关键因素，必须得到高度重视和有效控制。
- 1 -。
第一节 焊接热过程
2、焊接的热过程
被焊金属中存在的热输入、传播以及分布，称之为焊接热过 程。
在加热和冷却过程中，溶池内部各部位的金属分别凝固、 再结晶，热影响区的金属还会发生显微组织的转变。焊缝 和热影响区的组织与性能也与热的作用有关；
3、焊接热过程对质量的影响
在焊接热作用下，受冶金、应力因素和被焊金属组织的 共同影响，可能产生各种形态的裂纹；
母材和焊条（焊丝）的熔化速度决定于焊接热效率， 影响到焊接生产率。
表 各种热源的主要特征
三、焊接热效率和线能 量
1、q分为两部分： q1—单位时间内熔化焊缝金属所 需要的热量
q2—单位时间内使焊缝金属处于 过热状态的热量和向焊缝周围传 导热量的总和。
焊缝金属熔化的热用有效利用率 m表示，定义为
电弧功率： P0=UI U—电弧电压（V），I—焊接电流（A），P0—电弧功 率，电弧单位时间内放出的能量（W） 用于加热焊件的功率为： P0 焊接电弧热功率有效利用率，简称焊
焊接热过程与熔池形态
参 考 文 献
１ 李 淑苓等． 几种复合化学镀层 的研究． 表面技术 ，９３，２ １ １９ ２ （ ） ２ 张景双等． 电镀溶液与镀层性能测试． 北京 ： 化学工业 出版社 ，０ ３ ２０ ． ３ 刘传慧 ， 良等． 钟 人造金 刚石微粉 和氟化钙在 等温成形模具 中的应 用， 人工 晶体学报 ，０ ７ （ ） ２ ０ ， １ ４ 钟 良， 徐小锋等． 纳米 Ａ２ ３及 ＰｒＥ的加入对镀 层性 能的影响． １０ ｒＦ 材 料科学与工艺 ，０ ７ ３ ２０ （）
（ 编辑
文 号．２ ｊ 章编 ８ ３ １４
汪 艺 ）
ｉ ： ；
成 针状 的孔 隙 ， 导致镀 层原 子生长 不连续 ， 镀层 表面较
烷基硫酸钠作为表面活性剂 ， 加强基体表面活性 ， 减小
液体与 工 件 之 间 的表 面 张 力 ， 油 速 度 快 ， 果 好 。 去 效
Ｎ Ｏ 则是缓冲剂 ， ａＣ ， 使溶液的 ｐ Ｈ值保持基本不变。
除油 以后 反复用 去离 子水 冲洗 ， 用热 水 冲洗 ， 先 再 用冷水 冲洗 。当表 面油 污 除 尽 时 ， 件 表 面应 该 有 一 工
层连续 的水膜 覆盖 。 １４ ２ 除锈 ． ．
粗糙 ， 与基体的结合力 自 然较差 ， 同时也会影响镀层耐 蚀性 能 。所 以在 控制 镀 层沉 积 速 度 的 同时 ， 间隙 轻轻
搅 拌镀液 ， 带走 表面产 生 的氢气是非 常必 要 的。
１ ６ 热处理 ．
热处 理能 导致金 属 原 子 的扩 散 运 动 ， 层 与基 体 镀 间 由原来 的机 械咬合 ， 转化 为金属 键 的结 合 ， 一旦形成 金 属键 ， 合力将 会 大大地 提高 。热处 理时 ， 结 温度不 宜 过高， 加热 不宜 过快 。 当选定 某一 温度 时 ， 时间热处 长
热传递方式及焊接过程热传递方式
热传递方式及焊接过程热传递方式热传递是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
常见的热传递方式有三种：传导、对流和辐射。
1.传导：传导是通过物质内部的分子或原子之间的碰撞和传递热能。
当物体的一部分加热时，热量会通过传导方式从热区域传递到冷区域。
导热性能好的物质（如金属）传导热量较快，而导热性能差的物质（如木材）传导热量较慢。
2.对流：对流是通过流体介质的流动来传递热量。
当流体受热时，它会膨胀变轻而上升，冷却后变重而下降形成对流循环。
对流传热可分为自然对流和强制对流，自然对流是由温差引起的流体自发的对流运动，强制对流是通过外部力（如风扇或泵）施加使流体运动。
3.辐射：辐射是指热量通过电磁波的传播而传递。
所有物体在温度不为绝对零度时都会辐射热能。
辐射传热不需要介质，可以在真空中传递。
辐射传热的强度与物体的温度和表面特性有关。
在焊接过程中，热传递方式主要涉及传导和对流：1.传导：焊接过程中，焊枪或焊接电弧加热焊接接头的表面，热量通过传导方式从焊接接头的表面向内部传递。
这导致接头材料局部升温，形成熔化和热影响区。
2.对流：焊接过程中，通常使用辅助气体（如氩气）来保护焊缝和冷却焊接区域。
辅助气体的流动可以帮助散热和保持焊接区域的稳定温度。
对流还可通过焊接过程中的熔融金属的液态流动来传递热量。
在焊接过程中，除了传导和对流，辐射传热也可能存在，特别是在高温焊接过程中。
然而，辐射传热在焊接中的贡献相对较小。
需要注意的是，具体的焊接过程和焊接设备可能会有不同的热传递机制和特性，因此在实际应用中，针对具体情况可能需要进行更详细的热传递分析和计算。
第三章：焊接基础知识
三、焊接热循环
• 焊接热循环的概念
T
焊接过程中热源沿焊件秱 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
t
焊接热循环是用来描述焊接过程中热源对母 材金属的热作用。
• 在焊缝双侧丌同距离的各点所经历的热循环是 丌同的（见下图）
焊接热循环的主要参数
（一）加热速度（v H） v H= d T / d t
2）置换氧化 ①熔渣中癿SiO2、MnO等发生以下反应： （SiO2）+2[Fe][Si]+2FeO （MnO）+[Fe][Mn]+2FeO 焊缝增Si,Mn，使Fe氧化温度升高， K,故置换氧化主要发生在高温区，随着温 度降低，熔池后部癿低温区Si、Mn被氧化， 生成夹杂
②药皮中含Al、Ti、Cr等强脱氧元素时，置换脱氧效 果更明显，高碳高强钢应采用无SiO2药皮
一、对焊接区癿保护
1.光焊丝焊接时 [N] ＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍， [O] ＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍， [Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导 致塑性韧性下降,光焊丝无保护癿焊接丌实用 2.保护方法 药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等 3.保护效率 不保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好
1.药皮反应区
二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3）
（1）产生癿气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化 a. ＜100°C 吸附水分蒸发 b.>200~400°C 排除结晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有机物癿分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐癿分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):产生CO2 ④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿 MnO2):产生O2
焊接热过程和冶金过程
焊接热过程和冶金过程作者：李树聪来源：《装饰装修天地》2015年第12期摘要：在焊接过程中，被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态）和随后的连续冷却过程，通常称之为焊接热过程。
本文就此做了简要的分析，希望能对实际的工作起到一定的指导作用。
关键词：焊接热过程;冶金过程;焊缝一、焊接热过程1.焊接热过程特点1.1局部集中性：焊件在焊接时不是整体被加热，而热源只是加热直接作用点附近的区域，加热和冷却极不均匀。
1.2焊接热源的运动性：焊接过程中热源相对于焊件是运动的，焊件受热的区域不断变化。
1.3瞬时性：在高度集中热源的作用下，加热速度极快，即在极短的时间内把大量的热能由热源传递给焊件，又由于加热的局部性和热源的移动而使冷却速度也很高。
1.4复合性：焊接热过程涉及到各种传热方式。
2.焊接热源（熔化焊）电弧热、化学热、电阻热、摩擦热、等离子弧、电子束、激光束。
3.焊接热循环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到高，达到最大值后又由高到低的变化称为该点的焊接热循环。
在焊缝两侧不同距离的点，所经历的热循环是不同的，见图1-1。
<E：＼123456＼装饰装修天地201512＼装饰装修天地2015-12源文件＼装饰装修2015-12源文件＼源文件＼装饰装修15-12-17.tif>图1-1 距焊缝不同距离各点的热循环3.1焊接热循环的主要参数3.1.1 加热速度（vH）。
加热速度受许多因素的影响，如不同的焊接方法、不同的被焊金属、不同厚度及不同的焊接热输入等都会影响加热速度。
3.1.2 加热的最高温度（Tm）。
距焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同，见图1-1。
3.1.3 在相变温度以上的停留时间（tH）。
为便于分析研究，把相变温度以上的停留时间tH又分为加热过程的停留时间t’和冷却过程的停留时间t”，即tH = t’+ t”。
3.1.4 冷却速度（或冷却时间t8/5）。
焊接结构学2
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将性等方面 的差异，在实际应用中有各种变化。
＜10
＜1
0.25—0.85
第一节 基本概念和基本原理
三、传热基本定律
热传导定律
金属材料焊接时，局部集中的随时间变化的热输 入，以高速度传播到构件的边远部分。在多数情况 下，输入和对流在热输入过程中，也起着重要的作 用，因而也是构件表面热热损失的主要因素。
热传导问题由傅立叶定律来描述：物体等温面上 的热流密度q*[J/mm2s]与垂直于该处等温面的负温 度梯度成正比，与热导率成正比：
第一章 焊接热过程
• 本章以最常规的MIG焊为例来讨论焊接热
源，热场、流场的基本规律和焊接热过 程的计算方法，以及焊接热循环的有关 问题，目的是为讨论焊接冶金、应力、 变形、热影响区等建立基础。
第一章 焊接热过程
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%，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。