1、焊接結(jié)構(gòu)學,主講教師：方洪淵 教授,焊接結(jié)構(gòu)學 – 緒論,焊接技術在工業(yè)部門中應用的歷史并不長，但其發(fā)展卻非常迅速。短短的幾十年中，焊接已在許多工業(yè)部門的金屬結(jié)構(gòu)中，如建筑鋼結(jié)構(gòu)，船體，鐵道車輛、壓力容器等幾乎全部取代了鉚接。此外，在機械制造業(yè)中，以往由整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛坯改成了焊接結(jié)構(gòu)，目前，世界主要工業(yè)國家生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)占到鋼產(chǎn)量的45%。,緒論 – 焊接結(jié)構(gòu)的特點,與鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)相比較，或者與鑄造鍛造的結(jié)構(gòu)相比較，

2、焊接結(jié)構(gòu)有下列特點（優(yōu)點）：1、焊接接頭強度高 鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)，要在母材上鉆孔，削弱了工作截面，強度下降約20% 焊接；接頭強度可達到與母材等強度甚至高于母材強度。,緒論 – 焊接結(jié)構(gòu)的特點,2、焊接結(jié)構(gòu)設計靈活性大，主要表現(xiàn)在：①焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀不受限制：如鉚、鑄、鍛等方法無法制造空心結(jié)構(gòu)，焊接則可以；②結(jié)構(gòu)的壁厚不受限制：兩被連接構(gòu)件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；③結(jié)構(gòu)的外形尺寸不受限制：對大

3、型結(jié)構(gòu)可分段制成部件，現(xiàn)場組焊、鍛、鑄、工藝則不允許；④可利用標準或非標準型材組焊接成所需要結(jié)構(gòu)，段結(jié)構(gòu)重量減輕。焊縫減少；⑤可與其它工藝方法聯(lián)合使用：鑄—焊 鍛—焊 栓——焊 沖壓—焊接等聯(lián)合的金屬結(jié)構(gòu)；⑥可實現(xiàn)異種材料的連接：同一結(jié)構(gòu)的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物盡其用。,緒論 – 焊接結(jié)構(gòu)的特點,3、焊接接頭密封性好 氣密性，水密性均優(yōu)于其它方法，特別是在高溫，高壓容器上，只有焊接

4、接頭才是最理想的連接形式。4、焊前準備工作簡單 由于近年來數(shù)控精密氣割設備的發(fā)展，對于各種厚度或形式狀復雜的待焊接，不必預劃線就能直接從板料上切割出來，一般不用再機械加工就可投入裝配焊接。,緒論 – 焊接結(jié)構(gòu)的特點,5、易于結(jié)構(gòu)的變更和改型 鑄造—鑄型（木型） 鍛造—開模具 周期長、成本高 焊接、則快速、簡便、投資少6、適用于制作大型或重型、結(jié)構(gòu)簡單而且是單件小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 結(jié)

5、構(gòu) 大 簡單 批量小 焊接占優(yōu)勢 結(jié)構(gòu) 小 復雜 批量大 鑄鍛占優(yōu)勢7、成品率高 一旦出現(xiàn)缺陷，可以修復、很少產(chǎn)生廢品。,緒論 – 焊接結(jié)構(gòu)的特點,焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點）：1、存在較大的焊接應力和變形 焊接（局部加熱）—內(nèi)應力—變形—工藝缺欠—承載能力（剛度、強度、穩(wěn)定性）下降—尺寸精度，尺寸穩(wěn)定性下降—校形—增加工作量—增加成本,緒論 – 焊接結(jié)構(gòu)的特點,焊接結(jié)構(gòu)所存在

6、的問題（缺點）：2、對應力集中敏感 焊接結(jié)構(gòu)具有整體性，其剛度大，焊縫的布置、數(shù)量和次序等都會影響到應力分布，對應力集中敏感，而應力集中是疲勞，脆斷等破壞的起源，因此在焊接結(jié)構(gòu)設計時要妥善處理。,緒論 – 焊接結(jié)構(gòu)的特點,焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點）：3、焊接接頭的性能不均勻 焊接金屬是由母材料和填充金屬在焊接熱作用下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材（近縫區(qū)）受焊接熱的影響，組織和性能發(fā)生變化（謂之熱影響區(qū)），

7、因此，焊接接頭在成分，組織和性能上都是一個不均勻體，其不均勻程度遠遠超過了鑄、鍛件，這種不均勻性對結(jié)構(gòu)的力學行為，特別是斷裂行為有重要影響。,焊接結(jié)構(gòu)學 – 緒論,二、焊接性分析焊接作為一種制造技術或生產(chǎn)手段，其目的是要獲得具有優(yōu)異的連接質(zhì)量和優(yōu)秀的使用性能的產(chǎn)品（或構(gòu)件）。但是由于焊接過程的復雜性和眾多的影響因素、非線性問題，瞬時作用以及溫度的相關性效應等等，使得要正確描述在各種情況下產(chǎn)生的焊接變形和焊接殘余應力，準確把握產(chǎn)品質(zhì)量變

8、得非常困難。在實際工作中，人們采用焊接性的概念。作為一個分類系統(tǒng)，它在考慮焊接殘余應力和焊接變形的影響方面有一定的意義。隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步，現(xiàn)在已經(jīng)有可能將焊接性分解為熱學、力學，顯微結(jié)構(gòu)等過程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復雜性。,緒論 – 焊接性分析,1、構(gòu)件焊接性 與焊接冶金課程中介紹的，“材料焊接性”的概念相比，構(gòu)件焊接性含義更廣泛，它可以包含以下幾方面內(nèi)容：“材料的焊接適應性”、“設計的焊接可靠性”和“制造的

9、焊接可行性”。 焊接殘余應力和焊接變形是焊接性的多要組成部分，它影響到冷、熱裂紋、影響使用性能并妨礙制造過程。,焊接性的定義,緒論 – 焊接性分析,2、影響焊接性的因素 根據(jù)上述分類，可將影響焊接的因素按下面的方式分類：,影響焊接性的因素,與材料有關的因素,與制造有關的因素,與設計有關的因素,母材和填充材料的類型(化學)成分和顯微組織,結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐條件和負載，焊縫類型，厚度和配置,焊接

10、方法、焊速，焊接操作，坡口形狀，焊接順序，多層焊，定位焊。夾緊、預熱和焊后熱處理。,,,,,,,緒論 – 焊接性分析,從狹義上來說，焊接性可理解為所需求的強度性能、焊接接頭的強度受到化學分成或溫度循環(huán)等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型，或預熱溫度等的影響，強度行為可用一些主要的或物理特征值來描述，而這些特征值又可能涉及另一些次要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影響強度性能的不完全的可變因素圖，由此，可看出“焊接性”

11、的復雜性。,緒論 – 焊接性分析,主要影響因素,主要特征值,合金元素含量相、顯微組織、晶粒尺寸冷卻時間、奧氏體化時間退火時間和溫度板厚、焊縫類型等效應力、三軸度焊條藥皮、水分,次要特征值,碳當量焊接性指數(shù)脆性指數(shù)裂紋敏感性指數(shù)（脆性）轉(zhuǎn)變溫度,目標參數(shù),硬度強度延展性冷列敏感性熱烈敏感性層狀撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蝕性,次要影響因素,焊條類型焊接方法焊接參數(shù)焊縫類型預熱溫度層數(shù)稀釋率

12、燒穿，夾雜物,,?????????,??,??????,???????,??????,??????,??????,???,???,???,,?,?????,???,化學成分 相變、顯微組織 焊接溫度循環(huán) 焊后熱處理

13、 構(gòu)件形狀 負載條件 氫含量,,,,,,,,,,,,,,,影響焊接接頭強度的主要因素,緒論 – 焊接性分析,焊接過程涉及到熱學、力學、金相學等多方面知識，將焊接性分解成溫度場、應力和變形場、顯微組織狀態(tài)場，這對焊接殘余應力和焊接變形的數(shù)值分

14、析處理很有價值。,溫度場、應力與變形場及顯微組織狀態(tài)場的分解和相互影響,緒論 – 焊接性分析,“焊接性”是一個復雜的問題，以往對焊接性的描述多數(shù)為定性的語言描述，已經(jīng)發(fā)展了一些實驗方法，可以針對某一具體情況或特定的性能參數(shù)來定量描述，但全面，宏觀上對焊接性進行定量描述卻十分復雜，也十分困難。隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機和數(shù)值模擬技術的進步，將焊接性分解成溫度場，應力和變形場和顯微組織狀態(tài)場、這對于定量分析焊接問題具有重要意義。,顯微

15、組織轉(zhuǎn)變的影響,緒論–本課程的內(nèi)容和范圍,從前述內(nèi)容可以看出，焊接結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量問題涉及到三個主要方面，即熱場（溫度場），應力和變形場以及顯微組織狀態(tài)場，其對應的基本理論分別為熱學（傳熱學、）、力學（流體力學、材料力學、彈塑性力學、斷裂力學）和金相學（金屬學、冶金學、金屬力學性能等）。關于顯微組織狀態(tài)場的問題，重點在焊接冶金學中解決，關于應力和變形場以及結(jié)構(gòu)強度等問題則是本課程的主要內(nèi)容。而熱場問題，由于沒有安排專門的課程來介紹，而

16、其又是焊接過程的重要基礎，因此，在本學課程中一并解決，因此，本課程的主體思路為： 焊接過程加熱—應力—變形—接頭性能—結(jié)構(gòu)特征—焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品（實例分析）,第一章 焊接熱過程,,第一章 焊接熱過程,除冷壓焊等極個別的特例之外，其它焊接過程都需要加熱，即熱過程是伴隨焊接過程始終的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在熱過程的問題，如：工件在焊前進行預熱和焊接之后進行的冷卻和熱處理等過程。因此，熱過程在決定焊接質(zhì)量和提高焊接生產(chǎn)率

17、等方面具有重要意義。焊接的熱過程是一個十分復雜的問題，從30年代由羅塞舍爾和雷卡林開始進行了系統(tǒng)研究，到目前，已取得很大進展，但尚未得到圓滿解決。這一問題的復雜性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：,第一章 焊接熱過程,①焊接熱過程的局部性或不均勻性與熱處理工藝不同，多數(shù)焊接過程都是局部進行加熱的，只有在熱源直接作用下的區(qū)域受到加熱，有熱量輸入，其它區(qū)域則存在熱量損耗，（舉例：電弧焊、電阻焊等），受熱區(qū)域的金屬熔化，形成焊接熔池，這正是引起殘

18、余應力和變形的根源。②焊接熱源的相對運動由于焊接熱源相對于工件的位置在不斷發(fā)生變化，這就造成了焊接熱過程的不穩(wěn)定性。,第一章 焊接熱過程,③焊接熱過程的瞬時性（非穩(wěn)態(tài)性）由于金屬材料中熱的傳播速度很快，焊接將必到用高度集中的熱源，這種熱源可以在極短的瞬間內(nèi)將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過程的時變性和非穩(wěn)態(tài)特性，例如，在最不利的情況下，構(gòu)件的初始溫度可達到-40℃，（在哈爾濱冬天的室外），而焊接熔池的最高溫度可以達

19、到金屬汽化的溫度（鋼的沸點為3000℃），而熔池的形成是在很短時間內(nèi)完成的，因此其加熱速度之快，常可以達到1500℃/S以上。,第一章 焊接熱過程,由以上幾點可以看出焊接的熱過程是十分復雜的問題，這給分析研究工作帶來了許多困難，但是如果我們能夠了解和掌握焊接熱過程的基本規(guī)律，能夠準確知道工件任一位置在任一時刻的狀態(tài)和溫度，則對控制焊接質(zhì)量，調(diào)整焊接工藝參數(shù)，清除焊接應力，減小焊接變形，預測接頭性能等方面均具有重的意義。,第一章 焊接

20、熱過程,到目前為止，世界上許多國家的焊接工作者對焊接熱過程進行了大量的系統(tǒng)的研究工作，但距離上述要求還存在著差距，這主要是因為在解決一些復雜的焊接傳熱問題時間不得不提出一些數(shù)學上的假設和推導，這一方面的經(jīng)典工作是由前蘇聯(lián)的雷卡林完成的，雷卡林的工作對一些相對簡單的情況給出一些解析解，但其結(jié)果常存在很大偏差，有時偏差量常?？梢赃_到100%，近期有限元理論和數(shù)值分析技術的發(fā)展，使一些復雜問題的計算得以進行，因而使計算模型的建立可以更接近實際

21、情況，準確程度也明顯提高，但仍沒有達到完全實用化的程度，并且許多復雜的理論問題也未得到很好的解決，因此，焊接熱過程目前仍然是國際焊接界研究的熱點問題之一。,第一章 焊接熱過程,本章以最常規(guī)的MIG焊為例來討論焊接熱源，熱場、流場的基本規(guī)律和焊接熱過程的計算方法，以及焊接熱循環(huán)的有關問題，目的是為討論焊接冶金、應力、變形、熱影響區(qū)等建立基礎。,第一章 焊接熱過程,第一節(jié) 基本概念和基本原理第二節(jié) 整體溫度場第三節(jié)

22、 焊接熱循環(huán)第四節(jié) 對熔化區(qū)域的局部熱作用,第一節(jié) 基本概念和基本原理,一、電弧焊熱過程概述 首先，我們來分析一下最典型的焊接過程--MIG焊接時都有哪些因素會影響到熱過程。1、產(chǎn)熱機構(gòu)電弧熱：焊接過程中熱量的最主要的來源，利用氣體介質(zhì)中的放電過程來產(chǎn)生熱量，來熔化焊絲和加熱工件；電阻熱：焊接電流過焊絲和工件時，將產(chǎn)生熱量；相變潛熱：母材和焊絲發(fā)生熔化時將產(chǎn)生相變潛熱；變形熱：構(gòu)件變形時將產(chǎn)生變形熱,第一節(jié)

23、 基本概念和基本原理,一、電弧焊熱過程概述 2、散熱機構(gòu) 環(huán)境散熱：處于高溫的工件和焊絲向周圍介質(zhì)散失熱量； 飛濺散熱：飛濺除發(fā)生質(zhì)量損失之外，同時也伴有熱量損失。,第一節(jié) 基本概念和基本原理,一、電弧焊熱過程概述3、熱量傳遞方式 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； 對流換熱：焊接熔池內(nèi)部，由于各處溫度不同，加上電弧的沖擊作用產(chǎn)生強迫對流，工件表面處，周圍氣體介質(zhì)流過時帶走熱量； 輻射換熱：電

24、弧本身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發(fā)生輻射，并傳遞熱量； 熱焓遷移：（1）具有高溫的熔滴從焊絲向母材遷移，在傳質(zhì)同時傳熱；（2）飛濺從熔池向四周飛散，同時傳質(zhì)傳熱。,第一節(jié) 基本概念和基本原理,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：熱源：即熱量的來源；其產(chǎn)熱的機構(gòu)，性質(zhì)、分布、效率等。熱量傳輸方式：涉及到傳導、對流、輻射等等傳質(zhì)問題：流體流動（在熔池內(nèi)、環(huán)境氣體、飛濺）相變問題：潛熱、熱物理參數(shù)

25、變化位移問題：熱源與工件相對位置變化、工件變形等。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。 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。,第一節(jié) 基本概念和基本原理,二、焊接熱源 一般來說，必須由外界提供相應的能量才能實現(xiàn)基本的焊接過程，也就是說有能源的存在是實現(xiàn)焊接的基本條件。到目前為止，實現(xiàn)金屬焊接所需要的能量從基本性

26、質(zhì)來看，包括有電能，機械能、光輻射能和化學能等。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（1）電弧焊熱源 電弧焊時，熱量產(chǎn)生于陽極與陰極斑點之間氣體柱（弧柱、熱等離子體）的放電過程。焊接過程采用的是直接弧，陽極斑點和陰極斑點直接加熱母材和焊絲（或電極材料）。電弧柱產(chǎn)生的輻射和對流（氣流效應）傳熱和電極斑點產(chǎn)生的輻射傳熱也起輔助作用。 等離子弧焊時，應用非直接弧，也就是電弧是間接加熱被焊工件。

27、直接?。褐饕饔茫宏?、陽極斑點直接加熱母材和焊絲； 輔助作用：弧柱產(chǎn)生的輻射、對流，電極斑點產(chǎn)生的輻射等。 間接弧：主要依靠輻射和對流加熱。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（2）氣體火焰焊接熱源 氣焊時，乙炔C2H2在純氧O2中部分燃燒，在環(huán)繞焰心的還原區(qū)形成一氧化碳CO和氫H2，然后在外焰區(qū)與空中的氧作用，完全燃燒形成二氧化碳CO2和水H2O蒸氣，焰流以高速沖擊焊接區(qū)

28、表面，通過對流和輻射加熱工件。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（3）電阻焊熱源 包括電阻點焊（如凸焊，縫焊、點焊等）、電阻對焊（壓力對焊、閃光對焊）及電渣焊。 電阻點焊和電阻對焊時，最初起主要作用的是被焊構(gòu)件間（和與電極表面間）接觸區(qū)域的接觸電阻，導致表面加熱，表面局部熔化后，接觸電阻減弱甚至消失，（閃光對焊時，由于工件反復分離，使接觸電阻得以保持），此后，起主要產(chǎn)熱作用的是取決于電

29、流密度的體積加熱。在通過傳導或感應傳遞能量的高頻電阻焊時，由于集膚效應和傳輸電阻，首先使極薄的表面層被加熱；電渣焊時，熔融而導電的渣池被電阻熱加熱，并熔化母材和連續(xù)給進的焊絲。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（4）摩擦焊 磨擦焊時，相對旋轉(zhuǎn)的表面被摩擦加熱，去除不純材料層，最后在軸向加壓及焊件在略低于熔點的溫度下連接起來。 攪拌摩擦焊是由于摩擦熱和變形熱來提高工件的溫度和塑性變形能力

30、，并在壓力下形成接頭。 振動焊接（超聲波）時，利用了高頻率的摩擦效應，但其溫度遠低于材料熔化溫度。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（5）電子束焊接 在電子束焊時，電子（由熱陰極發(fā)射，電子透鏡聚焦）被大約10μM厚的表面層吸收，并產(chǎn)生熱量。當電子束功率密度足夠大時，焊件表面被熔化，最后導致形成很深的穿透型蒸氣毛細孔，其周圍是熔化的金屬，并由此進行加熱焊接。,第一節(jié) 基本概念和基本原理

31、--焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（6）激光焊接 聚焦的激光束直接照射焊接區(qū)域，并被大約0.5μM厚的表面層吸收。如果功率密度足夠大，可以象電子束一樣形成毛化毛細管。作為實際焊接熱源，激光散焦時，通過熱傳導傳遞熱量到焊件內(nèi)部。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（7）鋁熱劑焊接 這種方未能主要用于鋼軌焊接，熔池通過鋁粉和金屬氧化物的化學（放熱）反應而使工件被加熱并形成熔池，反應后形

32、成鋁的氧化物（熔渣），填充金屬和熱量都是在反應區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的。 從上述各種焊接熱源來看，有些熱量產(chǎn)生于表面（必須通過傳導將其傳送至工件內(nèi)部），有些產(chǎn)生于材料內(nèi)部。由于構(gòu)件及其坡口的幾何尺寸不同，和焊接熱源的可調(diào)節(jié)將性等方面的差異，在實際應用中有各種變化。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,各種焊接熱源的主要特征,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 焊接熱源對焊接溫度場（熱

33、場、流場）的影響主要表現(xiàn)在熱輸入?yún)?shù)上：熱輸入 瞬時熱源：采用熱量Q[J] 連續(xù)熱源：采用熱流量q[J/S] 由于在焊接過程中所產(chǎn)生的熱量并非全部用于加熱工件，而是有一部分熱量損失于周同介質(zhì)和飛濺，因此，熱源也存在一個熱效率問題。 熱效率（或稱功率系數(shù)量）?h＜1,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 電弧焊時，一般可將電弧看成是無感的純電阻，則全部電能

34、轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，其有效熱功率為：其中：q為電弧的有效熱功率[J/S] U為電弧電壓[V] I為電弧電流[A] ?h為功率系數(shù) R為電弧的歐姆電阻[Ω] Ieff為有效電流[A]（交流情況下，用瞬時 積分得出的有效值）,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 氣焊時，以乙炔的消耗量VAc為基本參數(shù)，有效熱功率為： 電阻焊（點

35、焊和壓焊）時，其有效能量為其歐姆電阻R、有效電流Ieff和電流持續(xù)時間tc的乘積。 縫焊時(焊縫速度v[mm/s]),常用單位長度焊縫的熱輸入qw[J/mm]來替代單位時間的熱輸入q，這樣比較方便。 此外，根據(jù)不同的焊接方法，還可以用單位質(zhì)量熔敷金屬的熱量qm代替q和qw。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 在一定條件下，?h是常數(shù)，其主要取決于焊接方法，焊接規(guī)范和

36、焊接材料的種類。下表給出了鋼和鋁常用焊接方法的熱功率數(shù)據(jù)。鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率數(shù)據(jù),第一節(jié) 基本概念和基本原理,三、傳熱基本定律熱傳導定律 金屬材料焊接時，局部集中的隨時間變化的熱輸入，以高速度傳播到構(gòu)件的邊遠部分。在多數(shù)情況下，輸入和對流在熱輸入過程中，也起著重要的作用，因而也是構(gòu)件表面熱熱損失的主要因素。 熱傳導問題由傅立葉定律來描述：物體等溫面上的熱流密度q*[J/mm2s]與垂直于該處等溫面的負溫度梯

37、度成正比，與熱導率?成正比：其中： ?--熱導率[J/mm?s?K] ?T/?n—溫度梯度[K/mm],第一節(jié) 基本概念和基本原理--傳熱定律,對流傳熱定律 在氣體和流體中熱的傳播主要借助于物質(zhì)微粒，的運動，如果這種運動僅僅由于溫度差引起的密度差而造成的，則產(chǎn)生自然對流，如果依靠外力來維持這種運動，則產(chǎn)行強迫對流（如電弧和火焰的吹力效應）。 由牛頓定律，某一與流動的氣體或液體接觸的固體的表面微元，其

38、熱流密度q*c與對流換熱系數(shù)?c[J/mm?s?K]和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（T-T0）成正比:其中：T—固體表面強度； T0—氣體或液體溫度。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--傳熱定律,輻射傳熱定律 加熱體的輻射傳熱是一種空間的電磁波輻射過程，可以穿過透明體，被不透光的物體吸收后又轉(zhuǎn)變成熱能，因此，任何物體間均處于相互熱交換狀態(tài)。 根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律：受熱物體單位時間內(nèi)單位面積上的輻射

39、熱量，即其熱流密度q*r與其表面溫度為4次方成正比:其中:C0=5.67?10-14[J/mm2sK],適用于絕對黑體; ?＜1為黑度系數(shù)(吸收率)。對于拋光后的金屬表面， ?=0.2—0.4,對于粗糙、被氧化的鋼材表面， ?=0.6—0.9,黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內(nèi)， ?=0.90—0.95。,第一節(jié) 基本概念和基本原理--傳熱定律,輻射傳熱定律 在重要的焊接條件下，相對比較小的物體（溫度為T

40、）在相對較寬闊的環(huán)境中（溫度為T0）冷卻，通過熱輻射（和對流相比，高溫下熱輻射占主要地位）發(fā)生的熱量損失按下式計算：  作為上式的線性化近似：其中：?r為輻射換熱系數(shù)[J/mm2sK]，其在很大程度上取決于T和T0。,第一節(jié) 基本概念和基本原理,四、導熱微分方程 對于均勻且各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，并且其材料特征值與溫度無關時，在能量守恒原理的基礎上，可得到下面的熱傳導微分方程式：其中：?--熱傳

41、導系數(shù)[J/mmsK]； c--質(zhì)量比熱容[J/gK]； ?--密度[g/mm3] ； Qv--單位體積逸出或消耗的熱能； ?Qv/?t—內(nèi)熱源強度。 定義熱擴散系數(shù)a=?/c?，并引入拉普拉斯算子?2，則上式簡化為,第一節(jié) 基本概念和基本原理—導熱微分方程,導熱微分方程的邊界條件常分為三類：（1）已知邊界上的強度值：即：（2）已知邊界上的熱流密度分布，即：（3）已知邊界上

42、物體與周圍介質(zhì)間的熱交換，即：當邊界與外界無熱交換(即絕熱條件)時，?T/?n=0.其中：n--邊界表面外法線方向； qs--單位面積上的外部輸入熱流; ?--表面換熱系數(shù)(?=?c+?r,包括輻射和對流換熱）； T—周圍介質(zhì)溫度。,第一節(jié) 基本概念和基本原理,五、焊接熔池計算的三維數(shù)學模型 在此，建立運動電弧用下三維TIG焊接池件的流體力學狀態(tài)和傳熱過程的數(shù)值分析的模型，電弧熱量使被焊金

43、屬熔化并形成熔池，電弧以恒定的速度u0沿X方向移動。根據(jù)溫度分布，熔池分為前后兩部分，在熔池前部，輸入熱量大于散失的熱量，所以，隨著電弧的移動，金屬不斷熔化；在熔池后部，散失的熱量大于輸入的熱量，所以發(fā)生凝固。在熔池內(nèi)部則因自然對流、電磁力和表面張力等的驅(qū)動，產(chǎn)生流體對流。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,控制方程組 在固定坐標系（?，y，z）中，熱能方程為 其中:?--密度；c—比熱

44、容；?—導熱系數(shù)；T——溫度；t—時間；u、v、w—分別為x、y、z，方向上的速度分量。 上式的求解區(qū)域包括液態(tài)熔池和其周圍的固態(tài)金屬，在整個計算區(qū)域內(nèi)，是一個對流與導熱的問題，由于在固體中流體的流速為零，所以在實際固體中就轉(zhuǎn)化為純導熱問題，上式就還原成導熱微分方程。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,控制方程組 考慮到熱源是一個熱流密度為q(r)且以恒速運動的電弧，在此進行坐標變換，將x=?-

45、u0t代入上式，就可以將固定坐標轉(zhuǎn)換為以熱源中心為坐標原點的移動坐標。其中，x為電弧移動方向上的點到熱源中心的距離。此時： 上式為熱能方程，表示系統(tǒng)滿足能量守恒。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,控制方程組 對于熔池中的流體應滿足動量守恒，即滿足動量方程；  其中:μ—流體黏度；P—流體壓力； X、Y、Z —體積力在x、y、z方向上的分量。,

46、第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,控制方程組 此外，流場還應滿足一個附加的約束條件，即流體是連續(xù)和不可壓續(xù)的，也就是說需滿足連續(xù)性方程：  上述熱能方程，動量方程和連續(xù)性方程的就構(gòu)成了焊接熔池問題求解的控制方程組，求解的結(jié)果應同時滿足上述方程。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,體積力 動量方程中出現(xiàn)了X、Y、Z三個體積力分量，電弧

47、焊接熔池中的體積力包括電磁力和自然對流項，體積力為： 其中：j—電流強度：B—磁感應強度；?—體積膨脹系數(shù)；g—重力加速度；△T—溫差。 在x、y、z三個方面的分量分別為：,第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,邊界條件熱能方程的邊界條件為：當z=0（電弧覆蓋區(qū)域），有熱流q(r)向工件輸入熱量 其中：I—焊接電流；U—焊接電壓；??q--熱流分布函數(shù)；r—距電弧中心的距離

48、；?h—熱效率。當z=L、z=0(上下表面的其它部分），通過對流和輻射向環(huán)境放熱，此時在固液界面上，T=Tm，Tm為材料熔點。 當y=0，表示要求解的溫度場關于中心平面(x-y)對稱，則,第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,邊界條件動量方程和連續(xù)性方程的邊界條件在固體中和固液相界面上，在熔池表面上，,第一節(jié) 基本概念和基本原理—焊接熔池計算的三維數(shù)學模型,由上述控制方程組和邊界條件就構(gòu)成了描

49、述焊接熔池的數(shù)學模型，求解此模型，就可以確定工件上各點的溫度和熔池中流體的狀態(tài)。但由于方程的復雜性，沒有辦法求出解析解，所以只能用數(shù)值方法。隨著計算機技術的發(fā)展，使得這種復雜問題的求解已成為可能。,第一節(jié) 基本概念和基本原理,構(gòu)件幾何尺寸的簡化 在進行函數(shù)解析求解時，將有關的幾何尺寸和熱輸入方式簡化，作為分析模型的一部分，是絕對必要的，這可以使最后的公式更為簡單。而在有限元求解時，原則上允許考點幾乎任何復雜的情況，但實

50、際上要受到問題的復雜程度和計算資源的限制。 根據(jù)構(gòu)件的幾何形狀，引入三種基本的幾何形體，半無限擴展的立方體（半無限體），無限擴展的板（無限大板），和無限擴展的桿（無限長桿）。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—幾何尺寸的簡化,半無限體熱源作用于立方體表面的中心，為三維傳熱，半無限體可以作為厚板的模型。板厚度越大越得合這種模型。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—幾何尺寸的簡化,無限大板認為沿板厚度方向上沒有溫度梯度，即認為是二維

51、傳熱，熱流密度在板厚度上為常數(shù)，作用于板中心的熱源功率在板厚度方向上也是常數(shù)，這一模型適用于薄板，板越薄吻合的越好。無限長桿 可將其看成是一維傳熱,在桿的橫截面上的熱功率為常數(shù)，這種假設可用于求解焊絲上的熱場。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—幾何尺寸的簡化,用簡化的無限擴展體來代替有限尺寸，在許多情況下是合理的。特別是在構(gòu)件相應方向上的尺寸越大，熱傳播周期（加熱和冷卻）越短，熱擴散率越低，研究的區(qū)域離熱源越遠，及傳熱系數(shù)越大時，

52、效果越好。但當構(gòu)件的幾何尺寸與這種無限擴展體存在較大偏差時，將會帶來很大偏差，甚至產(chǎn)生不可解決的矛盾。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—熱源模型,熱源空間尺寸形狀的簡化點熱源：作用于半無限體或立方體表面層,可模擬立方體或厚板的堆焊,熱量向X、Y、Z三個方向傳播。線熱源：將熱源看成是沿板最方向一條線，在厚度方向上，熱能均勻分布，垂直作用于板平面，可模擬對接焊，一次熔透的薄板，熱量二維傳播。面熱源：作用于桿的橫截面上，可橫擬電極端面或磨

53、擦焊接時的加熱，認為熱量在桿截面上均勻分布，此時只沿一個方向傳熱。 當計算點遠離熱源時，用集中熱源的簡化是成功的，但在接近熱源區(qū)域則很難模擬，特別是熱源中心處，成為數(shù)學處理上的一個奇異點，溫度將會開高至無限大。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—熱源模型,正態(tài)分布熱源（高斯熱源）：實踐證明，在電弧，束流和火焰接焊時，更有效的方法是采用熱源密度q*為正態(tài)度分布的表面熱源，即假設熱量按概率分析中的高斯正態(tài)分布函數(shù)來分布：積分得：

54、其中：q—熱源有效功率[J/s]； k—表示熱源集中程度的系數(shù)[1/mm2]； r—圓形熱源內(nèi)某點與中心的距離。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—熱源模型,當q*max相同而k不同時，熱流密度的集中程度不同，k值↑，熱源集中程度↑，熱量就更集中，所以一般電子束、激光熱度的k值大，電弧的k值適中，火焰的k值小。 按照高斯分布曲線，熱源在無限遠處才趨近于零。因此，要對熱源作用區(qū)域有個限制，即要確定加熱斑點的大

55、小，一般取 即認為加熱斑點內(nèi)集中了95%以上的熱量，按此條件，正態(tài)分布熱源加熱斑點的外徑dn為： 有關文獻介紹，電極斑點直徑大約為5㎜的電弧測量出的dn=14?35㎜，而氣體火焰的dn=55?84㎜，決定于其焊矩的尺寸。,卵形熱源（雙橢球熱源）有文獻介紹用一個近似于焊接熔池形狀和尺寸的半卵形分布的體積熱源可以描述深熔表面堆焊或?qū)雍缚p時的移動熱源。 假設在卵形面內(nèi)，其容積比熱源密度q*按高度斯正

56、態(tài)分布，熱源密度在卵形面的中心有最大值，從中心向邊緣呈指數(shù)下降，卵形尺寸的選擇約比熔池小10%，總功率應等于焊接過程的有效熱功率，在比較計算的和測量焊的焊接熔池和溫度場的基礎上，對參數(shù)進行最后的校準。,第一節(jié) 基本概念和基本原理—熱源模型,第一節(jié) 基本概念和基本原理—熱源模型,前半部分橢球內(nèi)熱源分布為,后半部分橢球內(nèi)熱源分布為,雙橢球形熱源形態(tài),雙橢球熱源分布函數(shù),第一節(jié) 基本概念和基本原理,熱源作用時間因素的簡化瞬時熱源認為

57、熱源作用時間非常短（t→0）。即在某一瞬間就向構(gòu)件導入了熱量Q[J]，點焊，點固焊，栓塞焊及爆炸焊等接近于這種情況。連續(xù)作用熱源認為在熱源作用期間內(nèi)，熱源以恒定的熱流密度Q[J/S]導入構(gòu)件，對于各種連續(xù)焊接，符合這種情況。,第二節(jié) 整體溫度場,一、瞬時固定熱源溫度場 瞬時固定熱源可作為具有短暫加熱及隨后冷卻的焊接過程（如點焊）的簡化模型，其相應的數(shù)學解還可以作為分析連續(xù)移動熱源焊接過程的基礎，因此具有重要意義。為獲得簡

58、化的溫度場計算分式，需要做一些假設：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；二維或三維傳熱時，認為彼此無關，互不影響；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。,第二節(jié) 整體溫度場,作用于半無限體的瞬時點熱源 在這種情況下，熱量Q在時間t=0的瞬間作用于半無限大立方體表面的中心處，熱量呈三維傳播，在任意方向距點熱源為R處的點經(jīng)過時間t時，溫

59、度增加為T-T0。 求解導熱微分方程，可有特解： 式中；Q—焊件瞬時所獲得的能量[J]； R—距熱源的距離，R2=X2+Y2+Z2[㎜]； t—傳熱時間[s]； c?—焊件的容積[J/mm2℃]； a—導溫系數(shù)[mm2/s]。,第二節(jié) 整體溫度場,特解的證明： 由導熱微分方程式 我們只要證明

60、 是上面微分方程一個特解即可。 在此令 則,第二節(jié) 整體溫度場,特解的證明： 同樣，求 ，即在ox方向上的溫度梯度： 則 同理,第二節(jié) 整體溫度場,特解的證明： 將上面?zhèn)€式代入導熱微分方程： 等式兩端完全相等，說明特解正確。因此，只要確定常數(shù)項，即可得到通解。,此時溫度場是一個半徑為R的等溫球面

61、，考慮到焊件為半無限體，熱量只在半球中傳播，則可對溫度場計算公式進行修正，即認為熱量完全為半無限體獲得：T0為初始溫度。 在熱源作用點（R=0）處，其溫度為 在此點，當t=0時，T-T0→∞，這一實際情況不符合（電弧焊時，Tmax約為2500℃，這是點熱源簡化的結(jié)果）。,第二節(jié) 整體溫度場,隨著時間t延長，溫度T隨1/t3/2呈雙曲線趨勢下降，雙曲線高度與Q成正比。在中心以外的各點，其溫度開始時隨時間t的增

62、加而升高，達到最大值以后，逐漸隨t→0而下降到環(huán)境強度T0。,第二節(jié) 整體溫度場,第二節(jié) 整體溫度場,作用于無限大板的瞬時線熱源 在厚度為h的無限大板上，熱源集中作用于某點時，即相當于線熱源（即沿板厚方向上熱能均勻分布）。,t=0時刻，熱量Q作用于焊件，焊接初始強度為T0。求解距熱源為R的某點，經(jīng)過t妙后的溫度。此時可用二維導熱微分方程求解，對于薄板來說，必須考慮與周圍介質(zhì)的換熱問題。,作用于無限大板的瞬時線熱源

63、 當薄板表面的溫度為T0時，在板上取一微元體hdxdy，在單位時間內(nèi)微元體損失的熱能為dQ:式中；2—考慮雙面散熱 ?—表面散熱系數(shù)[J/mm2sK] T—板表面溫度[℃] T0—周圍介質(zhì)溫度[℃] 由于散熱使微元體hdxdys的溫度下降了dT， 則此時失去的熱能應為dQ:,第二節(jié) 整體溫度場,作用于無限大板的瞬時線熱源上兩式相等，整理得：式中，b=2?/c?h被稱為散溫系數(shù)[s-1

64、]。 因此，焊接薄板時如考慮表面散熱、則導熱微分方程式中應補充這一項，即：,第二節(jié) 整體溫度場,作用于無限大板的瞬時線熱源此微分方程的特解為：  此為薄板瞬時線熱源傳熱計算公式，可見，其溫度分布是平面的，以r為半徑的圓環(huán)。在熱源作用處（r=0），其溫度增加為：  溫度以1/t雙曲線趨勢下降，下降的趨勢比半無限體緩慢。,第二節(jié) 整體溫度場,作用于無限長桿的瞬時面熱源 熱

65、量Q在t=0時刻作用于橫截面為A的無限長桿上的X=0處的中央截面，Q均布于A面積上，形成與面積有關系的熱流密度Q/A，熱量呈一維傳播。,第二節(jié) 整體溫度場,同樣考慮散熱的問題，求解一維導熱微分方程，可得：式中，b*=?L/c?A,為細桿的散溫系數(shù)[1/s],?=?c+?r L為細桿的周長[mm]； A為細桿的截面積[mm2] 。,作用于無限長桿的瞬時面熱源在熱源作用處（X=0），溫度升高為熱流單向，

66、在X=0處，溫度隨1/t1/2沿雙曲線下降，而趨勢更緩和。,第二節(jié) 整體溫度場,,,,疊加原理 焊接過程中常常遇到各種情況，工件上可能有數(shù)個熱源同時作用，也可能先后作用或斷續(xù)作用，對于這種情況，某一點的溫度變化可象單獨熱源作用那樣分別求解，然后再進行疊加。疊加原理：假設有若干個不相干的獨立熱源作用在同一焊件上，則焊件上某一點的溫度等于各獨立熱源對該點產(chǎn)生溫度的總和，即 其中；ri——第i個熱源與計算點之間的距

67、離， ti——第i個熱源相應的傳熱時間。,第二節(jié) 整體溫度場,疊加原理舉例：薄板上，A熱源作用5秒鐘后， B熱源開始作用，求B熱源作用10秒鐘后，P點的瞬時溫度。由題意可知：tA=15s，tB=10s,則,第二節(jié) 整體溫度場,有了迭加原理后，我們就可處理連續(xù)熱源作用的問題，即將連接熱源看成是無數(shù)個瞬時熱源迭加的結(jié)果。,連續(xù)熱源作用下的溫度場 焊接過程中，熱源一般都是以一定的速度運動并連續(xù)用于工件

68、上。前面討論的瞬時熱源傳熱問題為討論連續(xù)熱源奠定了理論基礎。 在實際的焊接條件下，連續(xù)作用熱源由于運動速度（即焊接速度）不同，對溫度場會產(chǎn)生較大影響。一般可分為三種情況。 ①熱源移動速度為零，即相當于缺陷補焊時的情況，此時可以得到穩(wěn)定的溫度場。 ②當熱源移動速度較慢時，即相當于手工電弧焊的條件，此時溫度分布比較復雜，處于準穩(wěn)定狀態(tài)，理論上雖能得到滿意的數(shù)學模型，但與實際焊接條件有較大偏差