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1、Unit1 Unit1 焊接传热学基础焊接传热学基础Heat TransferHeat Transfer 北京工业大学材料科学与工程学院北京工业大学材料科学与工程学院Wednesday,December 21,2022Wednesday,December 21,2022传热学传热学传热学是研究热量传递规律的一门科学。传热学是研究热量传递规律的一门科学。热传递：热传导、对流和热辐射热传递：热传导、对流和热辐射许多学科都涉及到传热学的问题！许多学科都涉及到传热学的问题！p焊接传热焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力变形
2、等均有重要影响！变形等均有重要影响！p焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。p焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题。化问题。21.1 焊接过程分析焊接过程分析焊接过程焊接过程热源加热热源加热熔化熔化冶金反应冶金反应 结晶结晶固态相变固态相变接头（冷却而形成）接头（冷却而形成）焊接热过程的特点焊接热过程的特点1.1.局部性局部性加热和冷却过程极不均匀加热和冷却过程极不均匀2.2.瞬时性瞬时性1800K1800K/s/s3.3.热源是运动的热源
3、是运动的4.4.焊接传热过程的复合性焊接传热过程的复合性加热过程加热过程冷却过程冷却过程31.2 焊接热源焊接热源 welding heat source 实现金属焊接所需的能量实现金属焊接所需的能量热能热能机械能机械能焊接热源的特点：焊接热源的特点：能量密度高度集中；能量密度高度集中；快速实现焊接过程；快速实现焊接过程；保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。熔焊41.2 焊接热源焊接热源 welding heat source 焊接热源的种类焊接热源的种类 -电弧热电弧热气体介质中的电弧放电气体介质中的电弧放电化学热化学热可燃气体可燃气体电阻热电
4、阻热电阻焊、电渣焊电阻焊、电渣焊高频感应热高频感应热磁性的金属高频感应产生二次磁性的金属高频感应产生二次电流作为热源电流作为热源摩擦热摩擦热机械高速摩擦机械高速摩擦电子束电子束l高速运动的电子轰击高速运动的电子轰击等离子焰等离子焰电弧或高频放电电弧或高频放电离子流离子流激光束激光束激光聚焦激光聚焦51.2 焊接热源焊接热源 welding heat source点热源（三维）点热源（三维）point heat sourcepoint heat source厚大焊件焊接厚大焊件焊接线热源（二维）线热源（二维）linear heat sourcelinear heat source薄板焊接薄板焊接
5、面热源（一维）面热源（一维）plane heat sourceplane heat source细棒磨擦焊细棒磨擦焊61.2 焊接热源焊接热源 welding heat source热源在焊件上的分布热源在焊件上的分布热流密度的分布热流密度的分布71.2 焊接热源焊接热源 welding heat source焊接热效率焊接热效率电弧功率电弧功率电弧有效热功率电弧有效热功率热效率热效率焊接方法焊接方法焊条电弧焊焊条电弧焊0.770.770.870.87埋弧焊埋弧焊0.770.770.900.90电渣焊电渣焊0.830.83电子束及激光束电子束及激光束0.90.9TIGTIG焊焊0.680.68
6、0.850.85MIGMIG焊焊钢钢0.660.660.690.69铝铝0.700.700.850.8581.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布某个热流密度的热源以恒定的速度沿某个热流密度的热源以恒定的速度沿x x轴移动，轴移动，热热源周围的温度分布源周围的温度分布即即“焊接温度场焊接温度场”vtOOy yz zx91.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature焊条电弧焊时，焊接焊条电弧焊时，焊接电弧做为热源，对焊电弧做为热源，对焊条和母材进行加热
7、条和母材进行加热在焊接热源作用下，在焊接热源作用下，母材上所形成的具有母材上所形成的具有一定几何形状的液态一定几何形状的液态金属部分称为金属部分称为熔池熔池101.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature11121.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature等温线等温线等温线不可能相交等温线不可能相交等温线、等温面之间有温差等温线、等温面之间有温差大小：温度梯度大小：温度梯度方向：垂直于等温面方向：垂直于等温面焊缝131.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature随着热源的移动，熔随着热源的
8、移动，熔池沿焊接方向作同步池沿焊接方向作同步移动移动熔池前部熔池前部母材不断地熔化母材不断地熔化熔池尾部熔池尾部熔池金属不断凝固，温熔池金属不断凝固，温度逐渐降低度逐渐降低141.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturea.a.坐标示意图坐标示意图b.b.xoyxoy面上沿面上沿x x轴的温度分轴的温度分布布c.c.xoyxoy面上的等温线面上的等温线d.d.yozyoz面上沿面上沿y y轴的温度分轴的温度分布布e.e.yozyoz面上的等温线面上的等温线板厚板厚25mm25mm低碳钢焊件低碳钢焊件151.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld
9、 temperature典型焊接温度场典型焊接温度场稳定温度场稳定温度场不稳定温度场不稳定温度场常态常态一维温度场一维温度场二维温度场二维温度场三维温度场三维温度场焊接温度场的影响因素焊接温度场的影响因素热源的性质热源的性质焊接工艺参数焊接工艺参数被焊金属的热物理性质被焊金属的热物理性质焊件的板厚及形状焊件的板厚及形状161.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature热源移动速度热源移动速度v v增加增加热源功率热源功率q q保持为常数时保持为常数时随焊接速度随焊接速度v v的增加的增加等温线的范围变小等温线的范围变小温度场的宽度和长度均变小温度场的宽度和长度
10、均变小宽度显著变小宽度显著变小所以，等温线的形状变得细长所以，等温线的形状变得细长影响因素影响因素影响因素影响因素171.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature热源功率热源功率q增加增加热源移动速度热源移动速度v保持为常数时保持为常数时随热源功率随热源功率q的增加的增加等温线在焊缝横向变窄等温线在焊缝横向变窄等温线在焊缝方向伸长等温线在焊缝方向伸长影响因素影响因素18热源移动速度热源移动速度v热源功率热源功率q增加增加1.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperatureq/v保持为常数时保持为常数时同比例改变同比例改变q和和v等
11、温线拉长等温线拉长温度场范围拉长温度场范围拉长影响因素影响因素影响因素影响因素191.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature影响因素影响因素201.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环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时间由低而高，达到最大值后又由高而低的变化描述焊接热源对被焊金属的热作用过程描述焊接热源对被焊金属的热作用过程211.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的主
12、要参数加热速度加热速度加热的最高温度加热的最高温度在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间冷却速度或冷却时间冷却速度或冷却时间221.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数加热速度加热速度加热速度受许多因素影响：加热速度受许多因素影响：不同的焊接方法不同的焊接方法不同的被焊金属不同的被焊金属不同厚度不同厚度不同焊接热输入等不同焊接热输入等加热速度方面的研究还不够充分加热速度方面的研究还不够充分特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏231.4 焊接热循环焊接热循环 weld th
13、ermal cycle焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数加热的最高温度加热的最高温度据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同241.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间251.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数冷却速度或冷却时间冷却速度或冷却时间决定热影响区组决定热影响区组织性能织性能指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度的冷却
14、速度温度的冷却速度为了便于测量和分析比较，采用为了便于测量和分析比较，采用800800500500o oCC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因为这一温度区间是相变的主要温度范围为这一温度区间是相变的主要温度范围261.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数冷却时间冷却时间从从800800o oCC冷却到冷却到500500o oCC时所用时间时所用时间碳钢、不易淬火的低合金钢碳钢、不易淬火的低合金钢从从800800o oCC冷却到冷却到300300o oCC时所用时间时所用时间易淬火的低合金钢易淬火的低合金钢(马氏体相变点马氏体相变点300300o oCC左右左右)从从高温高温冷却到冷却到100100o oCC时所用时间时所用时间扩散氢扩散氢271.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素距离距离焊接方法焊接方法多层焊多层焊281.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素距离距离焊接方法焊接方法多层焊多层焊291.4 焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycle焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素距离距离焊接方法焊接方法多层焊多层焊30