第一章--焊接热过程...ppt

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1、第一章第一章焊接热过程焊接热过程 第一章第一章 焊接热过程焊接热过程热过程是伴随焊接过程始终的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在热过程的问题，如：工件在焊前进行预热和焊接之后进行的冷却和热处理等过程。因此，热过程在决定焊接质量和提高焊接生产率等方面具有重要意义。第一章第一章 焊接热过程焊接热过程焊接热过程的局部性或不均匀性焊接热过程的局部性或不均匀性焊接热源的相对运动焊接热源的相对运动焊接热过程的瞬时性（非稳态性）焊接热过程的瞬时性（非稳态性）第一章 焊接热过程国内外发展历史和研究现状19301930-罗森塞尔罗森塞尔移动热源在移动热源在固体固体中的中的热传导热传导19301930-雷雷卡卡林林（

2、苏苏）大大量量的的工工作作解解析析法法公公式式，假设假设（1 1）热源集中于一点、一线或一面）热源集中于一点、一线或一面（2 2）材材料料无无论论在在什什么么温温度度下下都都是是固固体体，不不发发生生相变相变（3 3）材料的热物理性能不随温度发生变化）材料的热物理性能不随温度发生变化（4 4）焊接构建的几何尺寸是无限的）焊接构建的几何尺寸是无限的远离热源处是准确，近处相差比较大，远离热源处是准确，近处相差比较大，100%100%第一章 焊接热过程国内外发展历史和研究现状19501950对雷卡林修正和改造但进展不大对雷卡林修正和改造但进展不大19751975佩雷（加）佩雷（加）-有限差分法（计）

3、有限差分法（计）-（1 1）热源在有限的体积内）热源在有限的体积内（2 2）材料的热物理性能随温度发生变化）材料的热物理性能随温度发生变化（3 3）工件无限长，忽略散热）工件无限长，忽略散热19761976格鲁斯（美）格鲁斯（美）-二维有限元法模型二维有限元法模型（1 1）导热系数和比热作为温度的函数）导热系数和比热作为温度的函数（2 2）考虑了相变潜热，但是还不够精确）考虑了相变潜热，但是还不够精确第一章 焊接热过程国内外发展历史和研究现状19801980S.S.丘丘有限差分有限差分（1 1）热源大小和分布）热源大小和分布（2 2）材料的热物理性能随温度发生变化）材料的热物理性能随温度发生变

4、化（3 3）熔化潜热）熔化潜热19831983唐唐慕慕尧尧（西西交交大大）陈陈楚楚（上上交交大大）-初初步步研究研究没没考考虑虑熔熔池池内内液液体体金金属属的的影影响响，只只考考虑虑了了固固体体的的传热传热19851985现在现在考虑熔池内的液体金属的传热考虑熔池内的液体金属的传热第一章第一章 焊接热过程焊接热过程焊接传热学研究的实质：焊接传热学研究的实质：用精确的用精确的数学表达式数学表达式来描述焊接传热这一物理现象来描述焊接传热这一物理现象正在接近但还远远未达到精确解正在接近但还远远未达到精确解第一章第一章 焊接热过程焊接热过程本章以最常规的本章以最常规的MIGMIG焊为例来讨论焊接热源，

5、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、热影的是为讨论焊接冶金、应力、变形、热影响区等建立基础。响区等建立基础。第一章第一章 焊接热过程焊接热过程第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理第二节第二节 整体温度场整体温度场第三节第三节 焊接热循环焊接热循环第四节第四节 对熔化区域的局部热作用对熔化区域的局部热作用第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理一、焊接热源一、焊接热源 一一般般来来说说，必必须须由由外外界界提提供

6、供相相应应的的能能量量才才能能实实现现基基本本的的焊焊接接过过程程，也也就就是是说说有有能能源源的的存存在在是是实实现现焊焊接接的的基基本本条条件件。到到目目前前为为止止，实实现现金金属属焊焊接接所所需需要要的的能能量量从从基基本本性性质质来来看看，包包括括有有电电能能，机机械械能能、光光辐辐射射能和化学能等能和化学能等。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源1 1、焊接热源的类型及特征、焊接热源的类型及特征（1 1）电弧焊热源）电弧焊热源(3000-50000K)(3000-50000K)电电弧弧焊焊时时，热热量量产产生生于于阳阳极极与与阴阴极极斑斑点点之之间间

7、气气体体柱柱（弧弧柱柱、热热等等离离子子体体）的的放放电电过过程程。焊焊接接过过程程采采用用的的是是直直接接弧弧，阳阳极极斑斑点点和和阴阴极极斑斑点点直直接接加加热热母母材材和和焊焊丝丝（或或电电极极材材料料）。电电弧弧柱柱产产生生的的辐辐射射和和对对流流（气气流流效效应）传热和电极斑点产生的辐射传热也起辅助作用。应）传热和电极斑点产生的辐射传热也起辅助作用。等等离离子子弧弧焊焊时时，应应用用非非直直接接弧弧，也也就就是是电电弧弧是是间间接接加热被焊工件。加热被焊工件。直接弧：主要作用：阴、阳极斑点直接加热母材和焊丝；直接弧：主要作用：阴、阳极斑点直接加热母材和焊丝；辅辅助助作作用用：弧弧柱柱

8、产产生生的的辐辐射射、对对流流，电电极极斑斑点点产产生生的的辐辐射等。射等。间接弧：主要依靠辐射和对流加热。间接弧：主要依靠辐射和对流加热。1 1、焊接热源的类型及特征、焊接热源的类型及特征（2 2）气体火焰焊接热源）气体火焰焊接热源 气气焊焊时时，乙乙炔炔C C2 2H H2 2在在纯纯氧氧O O2 2中中部部分分燃燃烧烧，在在环环绕绕焰焰心心的的还还原原区区形形成成一一氧氧化化碳碳COCO和和氢氢H H2 2，然然后后在在外外焰焰区区与与空空中中的的氧氧作作用用，完完全全燃燃烧烧形形成成二二氧氧化化碳碳COCO2 2和和水水H H2 2O O蒸蒸气气，焰焰流流以以高高速速冲冲击击焊焊接接区

9、表面，通过对流和辐射加热工件。区表面，通过对流和辐射加热工件。第一节第一节基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源1 1、焊接热源的类型及特征、焊接热源的类型及特征（3 3）电阻焊热源）电阻焊热源 包包括括电电阻阻点点焊焊（如如凸凸焊焊，缝缝焊焊、点点焊焊等等）、电电阻阻对对焊（压力对焊、闪光对焊）及电渣焊。焊（压力对焊、闪光对焊）及电渣焊。电电电电阻阻阻阻点点点点焊焊焊焊和和和和电电电电阻阻阻阻对对对对焊焊焊焊时时时时，最最最最初初初初起起起起主主主主要要要要作作作作用用用用的的的的是是是是被被被被焊焊焊焊构构构构件件件件间间间间（和和和和与与与与电电电电极极极极表表表表面面面

10、面间间间间）接接接接触触触触区区区区域域域域的的的的接接接接触触触触电电电电阻阻阻阻，导导导导致致致致表表表表面面面面加加加加热热热热，表表表表面面面面局局局局部部部部熔熔熔熔化化化化后后后后，接接接接触触触触电电电电阻阻阻阻减减减减弱弱弱弱甚甚甚甚至至至至消消消消失失失失，（闪闪闪闪光光光光对对对对焊焊焊焊时时时时，由由由由于于于于工工工工件件件件反反反反复复复复分分分分离离离离，使使使使接接接接触触触触电电电电阻阻阻阻得得得得以以以以保保保保持持持持），此此此此后后后后，起起起起主主主主要要要要产产产产热热热热作作作作用用用用的的的的是是是是取取取取决决决决于于于于电电电电流流流流密密密密

11、度度度度的的的的体体体体积积积积加加加加热热热热。在在在在通通通通过过过过传传传传导导导导或或或或感感感感应应应应传传传传递递递递能能能能量量量量的的的的高高高高频频频频电电电电阻阻阻阻焊焊焊焊时时时时，由由由由于于于于集集集集肤肤肤肤效效效效应应应应和和和和传传传传输输输输电电电电阻阻阻阻，首首首首先先先先使使使使极极极极薄薄薄薄的的的的表表表表面面面面层层层层被被被被加加加加热热热热；电电电电渣渣渣渣焊焊焊焊时时时时，熔熔熔熔融融融融而而而而导导导导电电电电的的的的渣渣渣渣池池池池被被被被电电电电阻阻阻阻热加热，并熔化母材和连续给进的焊丝。热加热，并熔化母材和连续给进的焊丝。热加热，并熔化

12、母材和连续给进的焊丝。热加热，并熔化母材和连续给进的焊丝。第一节第一节基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源1 1、焊接热源的类型及特征、焊接热源的类型及特征（4 4）摩擦焊）摩擦焊 磨磨擦擦焊焊时时，相相对对旋旋转转的的表表面面被被摩摩擦擦加加热热，去去除除不不纯纯材材料料层层，最最后后在在轴轴向向加加压压及及焊焊件件在在略略低低于熔点的温度下连接起来。于熔点的温度下连接起来。搅搅拌拌摩摩擦擦焊焊是是由由于于摩摩擦擦热热和和变变形形热热来来提提高高工工件件的的温温度度和和塑塑性性变变形形能能力力，并并在在压压力力下下形形成成接接头。头。振振动动焊焊接接（超超声声波波）时时，利

13、利用用了了高高频频率率的的摩摩擦效应，但其温度远低于材料熔化温度。擦效应，但其温度远低于材料熔化温度。第一节第一节基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源1 1、焊接热源的类型及特征、焊接热源的类型及特征（5 5）电子束焊接）电子束焊接 在在电电子子束束焊焊时时，电电子子（由由热热阴阴极极发发射射，电电子子透透镜镜聚聚焦焦）被被大大约约10M10M厚厚的的表表面面层层吸吸收收，并并产产生生热热量量。当当电电子子束束功功率率密密度度足足够够大大时时，焊焊件件表表面面被被熔熔化化，最最后后导导致致形形成成很很深深的的穿穿透透型型蒸蒸气气毛毛细细孔孔，其其周周围围是是熔熔化化的的金金属

14、属，并并由由此此进进行行加加热焊接。热焊接。第一节第一节基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源1 1、焊接热源的类型及特征、焊接热源的类型及特征（6 6）激光焊接）激光焊接 聚聚焦焦的的激激光光束束直直接接照照射射焊焊接接区区域域，并并被被大大约约0.5M0.5M厚厚的的表表面面层层吸吸收收。如如果果功功率率密密度度足足够够大大，可可以以象象电电子子束束一一样样形形成成毛毛化化毛毛细细管管。作作为为实实际际焊焊接接热热源源，激激光光散散焦焦时时，通通过过热热传传导导传传递递热热量量到焊件内部。到焊件内部。第一节第一节基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源第一节第

15、一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源1 1、焊接热源的类型及特征、焊接热源的类型及特征（7 7）铝热剂焊接）铝热剂焊接 这这种种方方未未能能主主要要用用于于钢钢轨轨焊焊接接，熔熔池池通通过过铝铝粉粉和和金金属属氧氧化化物物的的化化学学（放放热热）反反应应而而使使工工件件被被加加热热并并形形成成熔熔池池，反反应应后后形形成成铝铝的的氧氧化化物物（熔熔渣渣），填填充充金金属属和和热量都是在反应区体积内产生的。热量都是在反应区体积内产生的。从从上上述述各各种种焊焊接接热热源源来来看看，有有些些热热量量产产生生于于表表面面（必必须须通通过过传传导导将将其其传传送送至至工工件件内

16、内部部），有有些些产产生生于于材材料料内内部部。由由于于构构件件及及其其坡坡口口的的几几何何尺尺寸寸不不同同，和和焊焊接接热热源源的的可可调调节节将将性性等等方方面面的差异，在实际应用中有各种变化。的差异，在实际应用中有各种变化。各种焊接热源的主要特征热源热源最小加热面最小加热面积（积（cmcm2 2）最大功率密最大功率密度（度（W/cmW/cm2 2）正常焊接规范正常焊接规范下的温度（下的温度（K K）乙缺火焰乙缺火焰金属极电弧金属极电弧钨极电弧钨极电弧(T1G)(T1G)埋弧自动焊埋弧自动焊电渣焊电渣焊1010-2-21010-3-31010-3-31010-3-31010-3-32102

17、103 310104 41 15105104 42102104 410104 43200K3200K6000K6000K8000K8000K6400K6400K2000K2000K熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊COCO2 2气体保护焊气体保护焊1010-4-410104 4 10105 5等离子等离子电子束电子束激光激光1010-5-51010-7-71010-8-81.5101.5105 510107 7 10 109 918000240001800024000第一节第一节基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源2

18、2、焊接热源的有效热功率（热效率）、焊接热源的有效热功率（热效率）焊焊接接热热源源对对焊焊接接温温度度场场（热热场场、流流场场）的的影影响响主要表现在热输入参数上：主要表现在热输入参数上：热输入热输入 瞬时热源：采用热量瞬时热源：采用热量QJQJ 连续热源：采用热流量连续热源：采用热流量qJ/SqJ/S 由由于于在在焊焊接接过过程程中中所所产产生生的的热热量量并并非非全全部部用用于于加加热热工工件件，而而是是有有一一部部分分热热量量损损失失于于周周同同介介质质和和飞溅，因此，热源也存在一个热效率问题。飞溅，因此，热源也存在一个热效率问题。热效率（或称功率系数量）热效率（或称功率系数量）h h1

19、 1第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源2 2、焊接热源的有效热功率（热效率）、焊接热源的有效热功率（热效率）电电弧弧焊焊时时，一一般般可可将将电电弧弧看看成成是是无无感感的的纯纯电电阻阻，则全部电能转变为热能，其有效热功率为：则全部电能转变为热能，其有效热功率为：其中：其中：q q为电弧的有效热功率为电弧的有效热功率J/SJ/S U U为电弧电压为电弧电压VV I I为电弧电流为电弧电流AA h h为功率系数为功率系数 R R为电弧的欧姆电阻为电弧的欧姆电阻 I Ieffeff为为有有效效电电流流AA（交交流流情情况况下下，用用瞬瞬时时 积积分得出的有效值）分

20、得出的有效值）第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源2、焊接热源的有效热功率（热效率）气焊时，以乙炔的消耗量VAc为基本参数，有效热功率为：电阻焊（点焊和压焊）时，其有效能量为其欧姆电阻R、有效电流Ieff和电流持续时间tc的乘积。缝焊时(焊缝速度vmm/s),常用单位长度焊缝的热输入qwJ/mm来替代单位时间的热输入q，这样比较方便。此外，根据不同的焊接方法，还可以用单位质量熔敷金属的热量qm代替q和qw。2 2、焊接热源的有效热功率（热效率）、焊接热源的有效热功率（热效率）在在一一定定条条件件下下，h h是是常常数数，其其主主要要取取决决于于焊焊接接方方法法，

21、焊焊接接规规范范和和焊焊接接材材料料的的种种类类。下下表表给给出出了了钢钢和和铝常用焊接方法的热功率数据。铝常用焊接方法的热功率数据。钢和铝常用熔焊方法的热功率数据钢和铝常用熔焊方法的热功率数据焊接方法焊接方法热力率热力率qkJ/sqkJ/s焊接速度焊接速度vmm/svmm/s单位长度热功率单位长度热功率q qw wkJkJ/mm/mm热效率热效率 h h药皮焊条电弧焊药皮焊条电弧焊气保护金属电弧焊气保护金属电弧焊气保护钨极电弧焊气保护钨极电弧焊电弧焊电弧焊电子束焊电子束焊激光焊激光焊氧乙炔氧乙炔12012051005100115115525052500.5-100.5-101515110 1

22、10 5 515151515252515015015015010 10 3.53.52 21 1101010100.050.051 1 0.650.900.650.900.650.900.650.900.200.500.200.500.650.950.650.950.950.970.950.970.800.950.800.950.250.850.250.85第一节第一节基本概念和基本原理基本概念和基本原理-焊接热源焊接热源第一节 基本概念和基本原理二、传热基本定律二、传热基本定律第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理二、传热基本定律热传导定律热传导定律 金属材料焊接时，局部集中的随

23、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。热传导问题由傅傅立立叶叶定定律律来描述：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：其中：-热导率J/mmsK T/n温度梯度K/mm第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理-传热定律传热定律对流传热定律对流传热定律对流传热定律对流传热定律 在气体和流体中热的传播主要借助于物质微粒，的运动，如果这种运动仅仅由于温度差引起的密度差而造成的，则产生自然对流，如果依靠外力来维持这种运动，则产行强迫对流（

24、如电弧和火焰的吹力效应）。由由牛牛顿顿定定律律，某一与流动的气体或液体接触的固体的表面微元，其热流密度q*c与对流换热系数cJ/mmsK和固体表面温度与气体或液体的温度之差（T-T0）成正比:其中：T固体表面强度；T0气体或液体温度。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理-传热定律传热定律辐射传热定律辐射传热定律辐射传热定律辐射传热定律 加热体的辐射传热是一种空间的电磁波辐射过程，可以穿过透明体，被不透光的物体吸收后又转变成热能，因此，任何物体间均处于相互热交换状态。根据斯斯蒂蒂芬芬波波尔尔兹兹曼曼定定律律：受热物体单位时间内单位面积上的辐射热量，即其热流密度q*r与其表面温度为4

25、次方成正比:其中:C0=5.6710-14J/mm2sK,适用于绝对黑体;1为黑度系数(吸收率)。对于抛光后的金属表面，=0.20.4,对于粗糙、被氧化的钢材表面，=0.60.9,黑度随温度的增加而增加，在熔化温度的范围内，=0.900.95。第一节 基本概念和基本原理-传热定律辐射传热定律辐射传热定律辐射传热定律辐射传热定律 在重要的焊接条件下，相对比较小的物体（温度为T）在相对较宽阔的环境中（温度为T0）冷却，通过热辐射（和对流相比，高温下热辐射占主要地位）发生的热量损失按下式计算：作为上式的线性化近似：其其中中：r r为为辐辐射射换换热热系系数数J/mmJ/mm2 2sKsK，其其在在很

26、很大大程程度度上上取决于取决于T T和和T T0 0。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理三、导热微分方程 对于均匀且各向同性的连续体介质，并且其材料特征值与温度无关时，在能量守恒原理的基础上，可得到下面的热传导微分方程式：其中：-热传导系数J/mmsK；c-质量比热容J/gK；-密度g/mm3；Qv-单位体积逸出或消耗的热能；Qv/t内热源强度。定义热扩散系数a=/c，并引入拉普拉斯算子2，则上式简化为第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理导热微分方程导热微分方程导热微分方程的边界条件常分为三类：导热微分方程的边界条件常分为三类：（1 1）已知边界上的强度值：即：）

27、已知边界上的强度值：即：（2 2）已知边界上的热流密度分布，即：）已知边界上的热流密度分布，即：（3 3）已知边界上物体与周围介质间的热交换，即：）已知边界上物体与周围介质间的热交换，即：当边界与外界无热交换当边界与外界无热交换(即绝热条件即绝热条件)时，时，T/T/n=0.n=0.其中：其中：n-n-边界表面外法线方向；边界表面外法线方向；q qs s-单位面积上的外部输入热流单位面积上的外部输入热流;-表面换热系数表面换热系数(=c c+r r,包括辐射和对流换热包括辐射和对流换热）；）；TT周围介质温度。周围介质温度。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理构件几何尺寸的简化构

28、件几何尺寸的简化 在在进进行行函函数数解解析析求求解解时时，将将有有关关的的几几何何尺尺寸寸和和热热输输入入方方式式简简化化，作作为为分分析析模模型型的的一一部部分分，是是绝绝对对必必要要的的，这这可可以以使使最最后后的的公公式式更更为为简简单单。而而在在有有限限元元求求解解时时，原原则则上上允允许许考考点点几几乎乎任任何何复复杂杂的的情情况况，但实际上要受到问题的复杂程度和计算资源的限制。但实际上要受到问题的复杂程度和计算资源的限制。根根据据构构件件的的几几何何形形状状，引引入入三三种种基基本本的的几几何何形形体体，半半无无限限扩扩展展的的立立方方体体（半半无无限限体体），无无限限扩扩展展的

29、的板板（无限大板），和无限扩展的杆（无限长杆）。（无限大板），和无限扩展的杆（无限长杆）。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理几何尺寸的简化几何尺寸的简化半无限体（点热源）热源作用于立方体表面的中心，为三维传热，半无限体可以作为厚板的模型。板厚度越大越得合这种模型。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理几何尺寸的简化几何尺寸的简化无限大板（线热源）认为沿板厚度方向上没有温度梯度，即认为是二维传热，热流密度在板厚度上为常数，作用于板中心的热源功率在板厚度方向上也是常数，这一模型适用于薄板，板越薄吻合的越好。无限长杆（面热源）可将其看成是一维传热,在杆的横截面上的热功率为

30、常数，这种假设可用于求解焊丝上的热场。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理几何尺寸的简化几何尺寸的简化 用简化的无限扩展体来代替有限尺寸，在许多情况下是合理的。特别是在构件相应方向上的尺寸越大，热传播周期（加热和冷却）越短，热扩散率越低，研究的区域离热源越远，及传热系数越大时，效果越好。但当构件的几何尺寸与这种无限扩展体存在较大偏差时，将会带来很大偏差，甚至产生不可解决的矛盾。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理热源模型热源模型热源空间尺寸形状的简化点热源：作用于半无限体或立方体表面层,可模拟立方体或厚板的堆焊,热量向X、Y、Z三个方向传播。线热源：将热源看成是沿板

31、最方向一条线，在厚度方向上，热能均匀分布，垂直作用于板平面，可模拟对接焊，一次熔透的薄板，热量二维传播。面热源：作用于杆的横截面上，可横拟电极端面或磨擦焊接时的加热，认为热量在杆截面上均匀分布，此时只沿一个方向传热。当当计计算算点点远远离离热热源源时时，用用集集中中热热源源的的简简化化是是成成功功的的，但但在在接接近近热热源源区区域域则则很很难难模模拟拟，特特别别是是热热源源中中心心处处，成成为为数数学学处处理理上上的的一一个个奇奇异异点点，温温度度将将会会开开高至无限大。高至无限大。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理热源模型热源模型 正态分布热源（高斯热源）：实践证明，在电弧

32、，束流和火焰接焊时，更有效的方法是采用热源密度q*为正态度分布的表面热源，即假设热量按概率分析中的高斯正态分布函数来分布：积分得：其中：q热源有效功率J/s；k表示热源集中程度的系数1/mm2；r圆形热源内某点与中心的距离。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理热源模型热源模型 当q*max相同而k不同时，热流密度的集中程度不同，k值，热源集中程度，热量就更集中，所以一般电子束、激光热度的k值大，电弧的k值适中，火焰的k值小。按照高斯分布曲线，热源在无限远处才趋近于零。因此，要对热源作用区域有个限制，即要确定加热斑点的大小，一般取 即认为加热斑点内集中了95%以上的热量，按此条件，

33、正态分布热源加热斑点的外径dn为：有关文献介绍，电极斑点直径大约为5的电弧测量出的dn=1435，而气体火焰的dn=5584，决定于其焊矩的尺寸。卵形热源（双椭球热源）卵形热源（双椭球热源）卵形热源（双椭球热源）卵形热源（双椭球热源）有有有有文文文文献献献献介介介介绍绍绍绍用用用用一一一一个个个个近近近近似似似似于于于于焊焊焊焊接接接接熔熔熔熔池池池池形形形形状状状状和和和和尺尺尺尺寸寸寸寸的的的的半半半半卵卵卵卵形形形形分分分分布布布布的的的的体体体体积积积积热热热热源源源源可可可可以以以以描描描描述述述述深深深深熔熔熔熔表表表表面面面面堆堆堆堆焊焊焊焊或或或或对对对对接接接接焊缝时的移动热

34、源。焊缝时的移动热源。焊缝时的移动热源。焊缝时的移动热源。假设在卵形面内，其容积比热源密度假设在卵形面内，其容积比热源密度假设在卵形面内，其容积比热源密度假设在卵形面内，其容积比热源密度q q q q*按高度斯正按高度斯正按高度斯正按高度斯正态分布，热源密度在卵形面的中心有最大值，从中态分布，热源密度在卵形面的中心有最大值，从中态分布，热源密度在卵形面的中心有最大值，从中态分布，热源密度在卵形面的中心有最大值，从中心向边缘呈指数下降，卵形尺寸的选择约比熔池小心向边缘呈指数下降，卵形尺寸的选择约比熔池小心向边缘呈指数下降，卵形尺寸的选择约比熔池小心向边缘呈指数下降，卵形尺寸的选择约比熔池小10%

35、10%10%10%，总功率应等于焊接过程的有效热功率，在比，总功率应等于焊接过程的有效热功率，在比，总功率应等于焊接过程的有效热功率，在比，总功率应等于焊接过程的有效热功率，在比较计算的和测量焊的焊接熔池和温度场的基础上，较计算的和测量焊的焊接熔池和温度场的基础上，较计算的和测量焊的焊接熔池和温度场的基础上，较计算的和测量焊的焊接熔池和温度场的基础上，对参数进行最后的校准。对参数进行最后的校准。对参数进行最后的校准。对参数进行最后的校准。第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理热源模型热源模型第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理热源模型热源模型前半部分椭球内热源分布为前

36、半部分椭球内热源分布为后半部分椭球内热源分布为后半部分椭球内热源分布为双椭球形热源形态双椭球热源分布函数 第一节第一节 基本概念和基本原理基本概念和基本原理热源作用时间因素的简化热源作用时间因素的简化瞬时热源瞬时热源认认为为热热源源作作用用时时间间非非常常短短（t0t0）。即即在在某某一一瞬瞬间间就就向向构构件件导导入入了了热热量量QJQJ，点点焊焊，点点固固焊焊，栓栓塞塞焊焊及及爆炸焊等接近于这种情况。爆炸焊等接近于这种情况。连续作用热源连续作用热源认认为为在在热热源源作作用用期期间间内内，热热源源以以恒恒定定的的热热流流密密度度QJ/SQJ/S导导入入构构件件，对对于于各各种种连连续续焊焊

37、接接，符符合合这这种种情情况。况。第二节 整体温度场一、瞬时固定热源温度场一、瞬时固定热源温度场 瞬瞬时时固固定定热热源源可可作作为为具具有有短短暂暂加加热热及及随随后后冷冷却却的的焊焊接接过过程程（如如点点焊焊）的的简简化化模模型型，其其相相应应的的数数学学解解还还可可以以作作为为分分析析连连续续移移动动热热源源焊焊接接过过程程的的基基础础，因因此具有重要意义。此具有重要意义。为获得简化的温度场计算分式，需要做一些假设：为获得简化的温度场计算分式，需要做一些假设：在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热；焊

38、件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热；二维或三维传热时，认为彼此无关，互不影响；二维或三维传热时，认为彼此无关，互不影响；焊件的几何尺寸认为是无限的；焊件的几何尺寸认为是无限的；热热源源集集中中作作用用在在焊焊件件上上是是按按点点状状，线线状状或或面面状状假假定定的。的。第二节 整体温度场 焊焊接接温温度度场场：在在焊焊接接过过程程中中，某某一一时时刻刻所所有有空间各点温度的总计和分布。空间各点温度的总计和分布。可以用等温面或等温曲线来描述可以用等温面或等温曲线来描述第二节 整体温度场作用于半无限体的瞬时点热源作用于半无限体的瞬时点热源 在在这这种种情情况况下下，热热量量Q Q在在时时间间t=

39、0t=0的的瞬瞬间间作作用用于于半半无无限限大大立立方方体体表表面面的的中中心心处处，热热量量呈呈三三维维传传播播，在在任任意意方方向向距距点点热热源源为为R R处处的的点点经经过过时时间间t t时时，温温度度增增加为加为T-TT-T0 0。求解求解导热微分方程导热微分方程，可有特解：，可有特解：式中；式中；QQ焊件瞬时所获得的能量焊件瞬时所获得的能量JJ；RR距热源的距离，距热源的距离，R R2 2=X=X2 2+Y+Y2 2+Z+Z2 2 ；tt传热时间传热时间ss；c c 焊件的容积焊件的容积J/mmJ/mm2 2；aa导温系数导温系数mmmm2 2/s/s。第二节 整体温度场特解的证明

40、：特解的证明：由导热微分方程式由导热微分方程式 我们只要证明我们只要证明 是上面微分方程一个特解即可。是上面微分方程一个特解即可。在此令在此令 则则第二节 整体温度场特解的证明：同样，求 ，即在ox方向上的温度梯度：则 同理第二节 整体温度场特解的证明：将上面个式代入导热微分方程：等式两端完全相等，说明特解正确。因此，只要确定常数项，即可得到通解。此时温度场是一个半径为R的等温球面，考虑到焊件为半无限体，热量只在半球中传播，则可对温度场计算公式进行修正，即认为热量完全为半无限体获得：T0为初始温度。在热源作用点（R=0）处，其温度为在此点，当t=0时，T-T0，这一实际情况不符合（电弧焊时，T

41、max约为2500，这是点热源简化的结果）。第二节 整体温度场 随着时间t延长，温 度 T随1/t3/2呈双曲线趋势下降，双曲线高度与Q成正比。在中心以外的各点，其温度开始时随时间t的增加而升高，达到最大值以后，逐渐随t0而下降到环境强度T0。第二节 整体温度场补充概念有效热功率（J/s）线能量（J/mm）表面散热系数：对流+辐射第二节 整体温度场 作用于无限大板的瞬时线热源 在厚度为h的无限大板上，热源集中作用于某点时，即相当于线热源（即沿板厚方向上热能均匀分布）。t=0时刻，热量Q作用于焊件，焊接初始强度为T0。求解距热源为R的某点，经过t妙后的温度。此时可用二维导热微分方程求解，对于薄板

42、来说，必须考虑与周围介质的换热问题。作用于无限大板的瞬时线热源 当薄板表面的温度为T0时，在板上取一微元体hdxdy，在单位时间内微元体损失的热能为dQ:式中；2考虑双面散热 表面散热系数J/mm2sK T板表面温度 T0周围介质温度 由于散热使微元体hdxdys的温度下降了dT，则此时失去的热能应为dQ:第二节 整体温度场作用于无限大板的瞬时线热源上两式相等，整理得：式中，b=2/ch被称为散温系数s-1。因此，焊接薄板时如考虑表面散热、则导热微分方程式中应补充这一项，即：第二节 整体温度场作用于无限大板的瞬时线热源此微分方程的特解为：此为薄板瞬时线热源传热计算公式，可见，其温度分布是平面的

43、，以r为半径的圆环。在热源作用处（r=0），其温度增加为：温度以1/t双曲线趋势下降，下降的趋势比半无限体缓慢。第二节 整体温度场作用于无限长杆的瞬时面热源 热量Q在t=0时刻作用于横截面为A的无限长杆上的X=0处的中央截面，Q均布于A面积上，形成与面积有关系的热流密度Q/A，热量呈一维传播。第二节 整体温度场 同样考虑散热的问题，求解一维导热微分方程，可得：式中，b*=L/cA,为细杆的散温系数1/s,=c+r L为细杆的周长mm；A为细杆的截面积mm2。作用于无限长杆的瞬时面热源在热源作用处（X=0），温度升高为热流单向，在X=0处，温度随1/t1/2沿双曲线下降，而趋势更缓和。第二节 整

44、体温度场 叠加原理 焊接过程中常常遇到各种情况，工件上可能有数个热源同时作用，也可能先后作用或断续作用，对于这种情况，某一点的温度变化可以像单独热源作用那样分别求解，然后再进行叠加。叠加原理：假设有若干个不相干的独立热源作用在同一焊件上，则焊件上某一点的温度等于各独立热源对该点产生温度的总和，即其中；ri第i个热源与计算点之间的距离，ti第i个热源相应的传热时间。第二节 整体温度场 叠加原理举例：薄板上，A热源作用5秒钟后，B热源开始作用，求B热源作用10秒钟后，P点的瞬时温度。由题意可知：tA=15s，tB=10s,则第二节 整体温度场 有了迭加原理后，我们就可处理连续热源作用的问题，即将连

45、接热源看成是无数个瞬时热源迭加的结果。连续热源作用下的温度场 焊接过程中，热源一般都是以一定的速度运动并连续用于工件上。前面讨论的瞬时热源传热问题为讨论连续热源奠定了理论基础。在实际的焊接条件下，连续作用热源由于运动速度（即焊接速度）不同，对温度场会产生较大影响。一般可分为三种情况。热源移动速度为零，即相当于缺陷补焊时的情况，此时可以得到稳定的温度场。当热源移动速度较慢时，即相当于手工电弧焊的条件，此时温度分布比较复杂，处于准稳定状态，理论上虽能得到满意的数学模型，但与实际焊接条件有较大偏差。热源稳动速度较快时，即相当于快速焊接（如自动焊接）的情况，此时温度场分布也较复杂，但可简化后建立教学模

46、型，定性分析实际条件下的温度场。第二节 整体温度场作用于半无限体上的移动点热源 连续作用的移动热源的温度场的数学表达式可从迭加原理获得，迭加原理的应用范围是线性微分方程式，而线性微分方程式则应建立在材料特征值均与温度无关的假设基础上，这种线性化在很多情况下是可以被接受的。第二节 整体温度场作用于半无限体上的移动点热源第二节 整体温度场现假定：有不变功率为 q的连续作用点热源沿半无限体表面匀速直线移动，热源移动速度为v。在t=0时刻热源处于o0位置，热源沿着o0 x0坐标轴运动。从热源开始作用算起，经过t时刻，热源运动到o点，o0o的距离为vt，建立运动坐标系oxyz，使ox轴与o0 x0重合，

47、o为运动坐标系的原点，oy轴平行于o0y0,oz轴平行于o0z0。第二节 整体温度场 现考察开始加热之后的时刻t，热源位于o（vt,0,0）点，在时间微元dt内，热源在o点发出热量dQ=qdt。经过t-t时期的传播，到时间t时，在A点(x0,y0,z0)引起的温度变化为dT(t)。在热源移动的整个时间t内，把全部路径o0o上加进的瞬将热源和所引起的在A点的微小温度变化迭加起来，就得到A点的温度变化T(t)应用瞬时点热源的热传播方程:此时 热源持续时间是t-t0，则有第二节 整体温度场 上式属于固定是坐标系(o0,x0,y0,z0)，对于运动坐标系(o,x,y,z)来说，由于 设t=t-t,带入

48、上式，得 如果忽略焊接热过程的起始和收尾阶段（即不考虑起弧和收弧），则作用于无限体上的匀速直线运动的热源周围的温度场，可认为是准稳态的温度场。如果将此温度场放在运动坐标系中，就呈现为具有固定场参数的稳态温度场。第二节 整体温度场 下面，我们考虑极限状态t，并设 由于 经一系列变换之后，以等速度沿半无限体表面运动的、不变功率的点热源的热传导过程极限状态方程式，在运动坐标系(oxyz)中，为：其中，R动坐标系中的空间动径，即所考察点A到坐标原点o的距离；xA点在动坐标系中的横坐标。第二节 整体温度场讨论：当v=0,即为固定热源时，等温面为同心半球，温度随呈双曲线下降;当x=-R(热源后方)，该点与

49、运动速度v无关;当x=R(热源前方)，可见，运动速度v越大，热源前方的温度下降就越快，当v极大时，热量传播几乎只沿横向进行。第二节 整体温度场 半无限体上移动点热源半无限体上移动点热源前方和后方的温度分布，前方和后方的温度分布，准稳定状态，移动坐标系准稳定状态，移动坐标系第二节 整体温度场半无限体上的移动点热源周围的温半无限体上的移动点热源周围的温度场，度场，a),b)xa),b)x、y y轴线上的温度，轴线上的温度，c),d)c),d)表面和横截面上的等温线表面和横截面上的等温线作用于无限大板上的移动线热源 无限扩展的平板上作用匀速、直线运动线状热源（速度为v，厚度方向的热功率为q/h）,距

50、移动热源r处的温度T为：其中：r2=x2+y2，第二节 整体温度场作用于无限大板上的移动线热源为考察准稳态温度场，取极限状态，设t，并设 则第二节 整体温度场 由于 K0(u)可看作参数u的函数，叫做第二类虚自变量零次贝塞尔函数，其数值可以查表，u,则K0(u)。而 由此得极限状态方程：为散温系数。第二节 整体温度场 平板上移动线热源准稳态温度场如下图所示。第二节 整体温度场 对 于 固 定 线 热 源(v=0)，连续加热达到稳定时(t)此时，等温面的为同心圆柱。温度随r的下降b比半无限体时要缓慢，并取决于即取决于传热和热扩散的比例。作用于板上的移动线热源周围的温度作用于板上的移动线热源周围的