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1、第02讲材料成型热过程361第1页，共36页，编辑于2022年，星期日362上讲回顾上讲回顾v焊接传热过程的共同特点焊接传热过程的共同特点v温度场的一般特征温度场的一般特征v温度场的类型温度场的类型v分析解的简化条件分析解的简化条件第2页，共36页，编辑于2022年，星期日363一、一、“厚板厚板”的温度场表达式的温度场表达式（1）正常速度运动情况）正常速度运动情况v如图如图1-4所示，假定热源移动所示，假定热源移动的方向与的方向与x轴正方向一致，移轴正方向一致，移动速度为动速度为v(cms)，热源能量，热源能量为为q(Js)，焊件初始温度，焊件初始温度T0，O0为热源开始作用点，当为热源开始
2、作用点，当热源经热源经t时间后运动到时间后运动到O点时，点时，工件上任一点工件上任一点P(x，y，z)的的温度应为温度应为T(x0，y0，z0，t)。1.2.5 1.2.5 单道焊温度场的解析单道焊温度场的解析 图图1-4 半无限大物体上运动点热源的半无限大物体上运动点热源的坐标系坐标系第3页，共36页，编辑于2022年，星期日364v利用瞬时热源法进行解析：利用瞬时热源法进行解析：取任意一点取任意一点O，设在时间，设在时间dt 内瞬时作用的热量内瞬时作用的热量dQ=2q dt，P点温度升高点温度升高 dT，则由式，则由式(1-8)得得 (1-13)(1-13)则则 (1-14)(1-14)第
3、4页，共36页，编辑于2022年，星期日365v如果以热源当前所在位置如果以热源当前所在位置O O点为动坐标的原点，经坐标点为动坐标的原点，经坐标变换后，可改写成变换后，可改写成 (1-15)(1-15)v式中式中 ；，。第5页，共36页，编辑于2022年，星期日366v设物体上的传热过程已达到所谓的极限饱和状态，于是可求设物体上的传热过程已达到所谓的极限饱和状态，于是可求得一般表达式为：得一般表达式为：（1-161-16）第6页，共36页，编辑于2022年，星期日367v图图1-51-5所示的相当于厚板手工堆焊的温度场情况。所示的相当于厚板手工堆焊的温度场情况。图图1-5 半无限大物体表面上
4、运动点热源的温度场半无限大物体表面上运动点热源的温度场q=1000cal/s，v=0.1cm/s，=0.1cm2/s，=0.1cal/cm.s第7页，共36页，编辑于2022年，星期日368 （2）高速运动时的近似解高速运动时的近似解v由图由图1-6可看出，在线能量一定的条件下，随着焊接速度可看出，在线能量一定的条件下，随着焊接速度v的增大，的增大，1500的等温线变得伸长起来，换言之，钢的熔的等温线变得伸长起来，换言之，钢的熔化区的宽度几乎保持不变，但其长度则显着增大。这说明，化区的宽度几乎保持不变，但其长度则显着增大。这说明，当当v足够大时，热只能横向传播，因为沿着运动方向足够大时，热只能
5、横向传播，因为沿着运动方向(x方方向向)已不存在温度梯度。已不存在温度梯度。图图1-6 线能量一定（线能量一定（E=40000J/cm）时，焊接速度）时，焊接速度v对对1500等温等温线形状的影响线形状的影响第8页，共36页，编辑于2022年，星期日369v由此可以设想，只有热源运动到达点由此可以设想，只有热源运动到达点P P所在截面时，才会所在截面时，才会有热传给有热传给P P点而使点而使P P点的温度发生变化；一旦热源离开此点的温度发生变化；一旦热源离开此截面向前运动时，截面向前运动时，P P点就不可能从热源获得热能。因此，点就不可能从热源获得热能。因此，可以把这种情况看作是在厚度为可以把
6、这种情况看作是在厚度为dx=vdtdx=vdt的无限大薄板中作的无限大薄板中作用于板边的瞬时线热源的传热过程。用于板边的瞬时线热源的传热过程。第9页，共36页，编辑于2022年，星期日3610v以热源当前所在的动坐标点以热源当前所在的动坐标点O O为原点，可推导得到高速热源为原点，可推导得到高速热源条件下的温度场表达式如下：条件下的温度场表达式如下：(1-17)v式式(1-17)对于焊缝附近的温度场的计算是适用的。对于焊缝附近的温度场的计算是适用的。第10页，共36页，编辑于2022年，星期日3611二、二、“薄板薄板”的温度场表达式的温度场表达式v解析过程同解析过程同“厚板厚板”。从实用的角
7、度出发，这里仅介绍。从实用的角度出发，这里仅介绍高速热源的近似解。高速热源的近似解。v当焊速相当大时，由于热能只能横向传播，因而可以当焊速相当大时，由于热能只能横向传播，因而可以把线状热源看成是面热源在矩形杆件中的瞬时作用，把线状热源看成是面热源在矩形杆件中的瞬时作用，则其近似解为则其近似解为 （1-18）第11页，共36页，编辑于2022年，星期日3612 1.2.6 温度场的影响因素温度场的影响因素 1、热源性质、热源性质 v焊接热源的性质不同，焊接时的温度场也不同。焊接热源的性质不同，焊接时的温度场也不同。v用手工电弧焊焊接厚度大约用手工电弧焊焊接厚度大约25mm的钢板，此时的热源可的钢
8、板，此时的热源可认为是点状热源，焊件是三维温度场。认为是点状热源，焊件是三维温度场。v100mm厚的焊件进行电渣焊，则认为是线状热源，焊件厚的焊件进行电渣焊，则认为是线状热源，焊件是平面传热，属于二维温度场。是平面传热，属于二维温度场。v电子束和激光焊接时，热能极其集中，所以温度场电子束和激光焊接时，热能极其集中，所以温度场的范围很小；的范围很小；v气焊时，热源作用的面积较大，因此温度场的范围也气焊时，热源作用的面积较大，因此温度场的范围也大。大。第12页，共36页，编辑于2022年，星期日3613 2 2、焊接线能量、焊接线能量 v同样的焊接热源，采用的焊接线同样的焊接热源，采用的焊接线能量
9、能量E E不同，温度场的分布也不不同，温度场的分布也不同，如图同，如图1-71-7所示。所示。v以低碳钢的电弧焊接为例：以低碳钢的电弧焊接为例：v当当q=q=常数常数时，随着焊接速度的时，随着焊接速度的增大，等温线的范围变小。即增大，等温线的范围变小。即温度场的宽度和长度都变小，温度场的宽度和长度都变小，所以温度场的形状变得细长，所以温度场的形状变得细长，如图如图1-71-7（a a）所示。）所示。图图1-7 1-7 焊接参数对温度场的影响焊接参数对温度场的影响第13页，共36页，编辑于2022年，星期日3614v当当v=v=常数常数时，随着热源功率时，随着热源功率的增大，温度场的范围也随的增
10、大，温度场的范围也随之增大，如图之增大，如图1-71-7（b b）所示。）所示。v当当q/vq/v保持定值保持定值时，即在相同时，即在相同比例的情况下增大比例的情况下增大q q与与v v时。会时。会使等温线稍加拉长，也就是说使等温线稍加拉长，也就是说使温度场的范围加大，并且拉使温度场的范围加大，并且拉长，如图长，如图1-71-7（c c）所示。）所示。图图1-7 1-7 焊接参数对温度场的影响焊接参数对温度场的影响第14页，共36页，编辑于2022年，星期日3615 3 3、金属的热物理性质、金属的热物理性质 （1 1）热导率）热导率(导热系数，导热系数，)v 表示金属材料的导热能力。其物理意
11、义是：表示金属材料的导热能力。其物理意义是：单位时间内沿法线方向单位距离温度相差单位时间内沿法线方向单位距离温度相差11时，时，经过单位面积所传播的热能，单位为经过单位面积所传播的热能，单位为W/(cm)W/(cm)。v热导率热导率 随着金属的化学成分、组织和温度的不同而变随着金属的化学成分、组织和温度的不同而变化。化。第15页，共36页，编辑于2022年，星期日3616（2）比热容比热容(c)v1g物质每升高物质每升高1时所需的热能，称为比热容，单位为时所需的热能，称为比热容，单位为J(g)v各种材料具有不同的比热容，而同样材料当温度变化时，各种材料具有不同的比热容，而同样材料当温度变化时，
12、比热容也随之变化。比热容也随之变化。（3）体积比热容体积比热容(c)v单位体积的物质每升高单位体积的物质每升高1所需的热能，单位为所需的热能，单位为J(cm3)。体积比热容是温度的函数。体积比热容是温度的函数。（4）热扩散率热扩散率(a)v表示温度传播的速度，表示温度传播的速度，a=/c单位为单位为cms，这也是温，这也是温度的函数。度的函数。第16页，共36页，编辑于2022年，星期日3617（5）比热焓比热焓(h)v1g物质从物质从0加热到加热到T时所吸收的热能，即是在某温度时所吸收的热能，即是在某温度下下1g物质所含有的热能。物质所含有的热能。（6）表面散热系数表面散热系数()v是表明金
13、属散热的能力。其物理意义是散热体表面是表明金属散热的能力。其物理意义是散热体表面与周与周围介质相差围介质相差11时，通过单位面积在单位时间内所散时，通过单位面积在单位时间内所散失的热能。失的热能。第17页，共36页，编辑于2022年，星期日3618v常用金属材料热物理常数的平均值见表常用金属材料热物理常数的平均值见表1-21-2。表表1-2 1-2 常用金属材料热物理参量的平均值常用金属材料热物理参量的平均值 第18页，共36页，编辑于2022年，星期日3619v金属热理性质对温度场的影响如图金属热理性质对温度场的影响如图1-81-8所示。由图中可以看所示。由图中可以看出，焊接镍铬奥氏体不锈钢
14、时，相同等温线的范围出，焊接镍铬奥氏体不锈钢时，相同等温线的范围(例如例如600)600)要比焊接低碳钢时为大，原因是奥氏体不锈钢的导热要比焊接低碳钢时为大，原因是奥氏体不锈钢的导热性比较差性比较差(镍铬氏体不锈钢镍铬氏体不锈钢=0.252W=0.252W(cm)(cm)，低碳钢，低碳钢=0.42W=0.42W(cm)(cm)。因此，。因此，当焊接不锈钢和耐热钢时，所当焊接不锈钢和耐热钢时，所选用的焊接线能量应比焊接低碳钢时要小。选用的焊接线能量应比焊接低碳钢时要小。v焊接铝和铜时，由于材料的导热性能很好，因此应选焊接铝和铜时，由于材料的导热性能很好，因此应选用比焊接低碳钢时更大的线能量才能保
15、证质量。用比焊接低碳钢时更大的线能量才能保证质量。第19页，共36页，编辑于2022年，星期日3620图图1-8 1-8 金属热物理性质对温度场的影响（金属热物理性质对温度场的影响（E=21kJ/cm(q=4200J/sE=21kJ/cm(q=4200J/s，v=0.2cm/s)v=0.2cm/s)，=1cm=1cm）a a）低碳钢）低碳钢 b b）镍铬不锈钢）镍铬不锈钢 c c）铝）铝 d d）紫铜）紫铜 第20页，共36页，编辑于2022年，星期日3621 4 4、焊件的形状及尺寸、焊件的形状及尺寸 （1 1）厚大焊件厚大焊件v属于属于x x，y y，z z三向传热三向传热(空间传热空间传
16、热)，热源为点状，热传播为，热源为点状，热传播为半球形，所以一般认为是半无限大体。半球形，所以一般认为是半无限大体。v试验证明，试验证明，对于手工电弧焊在正常的焊接工艺参数条件对于手工电弧焊在正常的焊接工艺参数条件下，板厚大于下，板厚大于25mm25mm的低碳钢焊件，或者是的低碳钢焊件，或者是20mm20mm以上的不以上的不锈钢焊件，都可认为是厚大焊件。锈钢焊件，都可认为是厚大焊件。第21页，共36页，编辑于2022年，星期日3622 （2 2）薄板薄板v属于属于x x，y y二向传热二向传热(平面传热平面传热)，热源特征为线状。，热源特征为线状。v在手工电弧焊时，在手工电弧焊时，8mm8mm
17、以下的低碳钢以及以下的低碳钢以及5mm5mm以下的不锈钢以下的不锈钢可认为是薄板。可认为是薄板。（3 3）细棒细棒v属于属于x x轴的单向传热轴的单向传热(线性传热线性传热)，热源特征为面状。，热源特征为面状。v工程上的棒材电阻对焊以及手工电弧焊时的焊条加热都可工程上的棒材电阻对焊以及手工电弧焊时的焊条加热都可认为是细棒的受热问题。认为是细棒的受热问题。v此外，接头形式、坡口形状、间隙尺寸，以及具体的此外，接头形式、坡口形状、间隙尺寸，以及具体的焊接工艺等对焊接温度场都有不同程度的影响。焊接工艺等对焊接温度场都有不同程度的影响。第22页，共36页，编辑于2022年，星期日36231.3 焊接热
18、循环焊接热循环 1.3.1 焊接热循环的意义焊接热循环的意义v在焊接热源的作用下，焊件上某一点的温度随时间的变化在焊接热源的作用下，焊件上某一点的温度随时间的变化过程，称为焊接热循环。过程，称为焊接热循环。v在焊接过程中，热源沿焊件的某一方向移动时，在其热量在焊接过程中，热源沿焊件的某一方向移动时，在其热量所及的焊件上任一点的温度，都经历由低到高的升温阶段，所及的焊件上任一点的温度，都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。v在距焊缝不同位置的各点所经历的这种热循环是不同的，在距焊缝不同位置的各点所经历的这种热循环是不同的，如图如
19、图1-9所示。所示。第23页，共36页，编辑于2022年，星期日3624v从图中可以看出，从图中可以看出，离焊缝越近的点，其加热速度越大，峰离焊缝越近的点，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大，并且加热速度比冷却速度值温度越高，冷却速度也越大，并且加热速度比冷却速度要大得多。要大得多。也就是说，焊接是一个不均匀的加热和冷却过也就是说，焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，也可以说是一种特殊的热处理过程。程，也可以说是一种特殊的热处理过程。图图1-9 1-9 低合金钢堆焊焊缝邻近各点的焊接热循环低合金钢堆焊焊缝邻近各点的焊接热循环（tt电弧通过热电偶正上方时算起的时间）电弧通过热电偶正上方时
20、算起的时间）第24页，共36页，编辑于2022年，星期日3625v与一般热处理相比，焊接时的加热速度非常快，但在峰值温与一般热处理相比，焊接时的加热速度非常快，但在峰值温度停留的时间度停留的时间(即保温时间即保温时间)非常短促，只有几秒到十几秒的非常短促，只有几秒到十几秒的时间，冷却速度也相当快。这就是焊接热循环所具有的重要时间，冷却速度也相当快。这就是焊接热循环所具有的重要特征，也是造成焊接接头组织不均匀性和性能不均匀性的重特征，也是造成焊接接头组织不均匀性和性能不均匀性的重要原因要原因。第25页，共36页，编辑于2022年，星期日3626 1.3.2 1.3.2 焊接热循环的主要参数焊接热
21、循环的主要参数v根据焊接热循环对组织性能的影响，主要考虑以下四个参数，根据焊接热循环对组织性能的影响，主要考虑以下四个参数，见图见图1-101-10。图图1-10 1-10 焊接热循环参数（焊接热循环参数（TH=TH=相变温度）相变温度）第26页，共36页，编辑于2022年，星期日3627 1 1、加热速度、加热速度(H H)v焊接条件下的加热速度比热处理条件下要快的多，焊接条件下的加热速度比热处理条件下要快的多，并随加热速度的提高，则相变温度也随之提高，同并随加热速度的提高，则相变温度也随之提高，同时奥氏体的均质化和碳化物的溶解也越不充分。因时奥氏体的均质化和碳化物的溶解也越不充分。因此，必
22、然会影响到焊接此，必然会影响到焊接HAZHAZ冷却后的组织与性能。冷却后的组织与性能。v加热速度与许多因素有关，例如不同的焊接方法、焊接线加热速度与许多因素有关，例如不同的焊接方法、焊接线能量、板厚及几何尺寸，以及被焊金属的热物理性质等。能量、板厚及几何尺寸，以及被焊金属的热物理性质等。第27页，共36页，编辑于2022年，星期日3628 2 2、加热的最高温度（峰值温度，加热的最高温度（峰值温度，T Tm m）v金属的组织和性能除化学成分的影响之外，主要与加热的最金属的组织和性能除化学成分的影响之外，主要与加热的最高温度和冷却速度有关。高温度和冷却速度有关。v例如低碳钢和低合金钢焊接时，在熔
23、合线附近的过热例如低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由于温度高区，由于温度高(13001350)(13001350)、晶粒发生严重长大，、晶粒发生严重长大，从而使韧性严重下降。从而使韧性严重下降。3 3、在相变温度以上的停留时间、在相变温度以上的停留时间(t(tH H)v在相变温度以上停留的时间越长，越有利于奥氏体的均质在相变温度以上停留的时间越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但温度太高时化过程，但温度太高时(如如11001100以上以上)即使停留时不长，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。也会产生严重的晶粒长大。第28页，共36页，编辑于2022年，星期日3629 4 4、冷
24、却速度、冷却速度(c c)和冷却时间和冷却时间(t(t8/58/5 、t t8/38/3 、t t100100)v焊接时的冷却过程在不同阶段是不同的。焊接时的冷却过程在不同阶段是不同的。v对于低合金钢的焊接来讲，有重要影响的是近年来许多国对于低合金钢的焊接来讲，有重要影响的是近年来许多国家为便于分析研究，常采用某一温度范围内的冷却时间来家为便于分析研究，常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变化。讨论热影响区组织性能的变化。v如如800500800500的冷却时间的冷却时间t t8/58/5 ，800300800300的冷却时间的冷却时间t t8/38/3和和从峰值温度从峰值温
25、度(T(Tm m)冷至冷至100100的冷却时间的冷却时间t t100100等。等。v焊接热循环是焊接接头经受热作用的历程，研究它对于焊接热循环是焊接接头经受热作用的历程，研究它对于了解应力变形、接头组织和力学性能等都是十分重要的，了解应力变形、接头组织和力学性能等都是十分重要的，是提高焊接质量的重要途径。是提高焊接质量的重要途径。第29页，共36页，编辑于2022年，星期日3630 1.3.3 1.3.3 焊接热循环参数的确定方法焊接热循环参数的确定方法 1 1、峰值温度、峰值温度T Tm m的计算的计算v根据焊接传热理论，焊件上某点的温度随时间的变化根据焊接传热理论，焊件上某点的温度随时间
26、的变化如式如式(1-17)(1-17)和式和式(1-18)(1-18)所示。所示。v厚大焊件厚大焊件(点热源点热源)：(1-19)(1-19)v薄板薄板(线热源线热源)：(1-20)(1-20)第30页，共36页，编辑于2022年，星期日3631v当时当时 ，即可求得最高温度：，即可求得最高温度：v点热源点热源 (1-21)(1-21)v线热源线热源 (1-22)(1-22)第31页，共36页，编辑于2022年，星期日3632 2 2、相变温度以上停留时间的计算、相变温度以上停留时间的计算v根据理论与实验求得的停留时间：根据理论与实验求得的停留时间：v厚大焊件：厚大焊件：(1-23)(1-23
27、)v薄板：薄板：(1-24)(1-24)第32页，共36页，编辑于2022年，星期日3633 3 3、瞬时冷却速度的计算、瞬时冷却速度的计算 v对于一般低合金钢来讲，多采用对于一般低合金钢来讲，多采用540540的瞬时冷却速度；的瞬时冷却速度；v对于某些淬硬倾向较大的钢种多考虑对于某些淬硬倾向较大的钢种多考虑300300时的瞬时冷却时的瞬时冷却速度。速度。第33页，共36页，编辑于2022年，星期日3634 4 4、冷却时间的计算冷却时间的计算v在试验研究工作中，测定瞬时温度的冷却速度会带来较大在试验研究工作中，测定瞬时温度的冷却速度会带来较大的误差。因此，的误差。因此，目前多采用在一定温度范
28、围内的冷却时目前多采用在一定温度范围内的冷却时间来代替冷却速度间来代替冷却速度，并以此作为研究焊接热影响区组，并以此作为研究焊接热影响区组织、性能和抗裂性的重要参数。织、性能和抗裂性的重要参数。v对于一般碳钢和低合金钢常采用相变温度范围的对于一般碳钢和低合金钢常采用相变温度范围的800800500500冷却时间冷却时间(t(t8/58/5)。v对冷裂倾向较大的钢种有时采用对冷裂倾向较大的钢种有时采用800300800300时冷却时间时冷却时间(t(t8/38/3)或由峰值温度冷至或由峰值温度冷至100100的冷却时间的冷却时间(t(t100100)。第34页，共36页，编辑于2022年，星期日3635v关于冷却时间的计算公式已有许多，这里仅介绍根据关于冷却时间的计算公式已有许多，这里仅介绍根据传热学推导的理论式为：传热学推导的理论式为：第35页，共36页，编辑于2022年，星期日3636本讲小结本讲小结v温度场的影响因素温度场的影响因素v焊接热循环的意义焊接热循环的意义v焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数第36页，共36页，编辑于2022年，星期日