焊接热过程全套.ppt

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各种热源的主要特征,焊接热效率,电弧功率：,V,电弧电压（V），,I,焊接电流（A），,q,0,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：,焊接电弧热功率有效利用率，简称,焊接热效率。,q,分为两部分：,q,1,单位时间内熔化焊缝金属所需要的热量（包括,熔化潜热）,q,2,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，,表示单位时间内熔化的母材金属的热量与电弧有,效热功率的比值。,焊件上的热能分布,加热斑点,：电弧传给焊件的热能有95%落在半径为,r,H,的区域内，这个区域称为加 热斑点。,热流密度,：单位时间内通过单位面积提供给焊件的热能称为热流密度。,一般地用高斯曲线描述加热斑点上热流密度的分布：,学者一般用高斯函数表示热流分布：,q 为焊接热源分布参数。,rH、K、q 以不同的概念表示电弧热能在加热斑点的分布情况，它们具有如下关系：,3.焊接传热的基本公式,19,世纪初，傅立叶根据下述的假定条件，推导出单向传热的热传导公式。,所研究的传热载体是致密的，没有不连续的地方；,通过某截面的热量任何时间都是相同的。,那么在截面积为,F,的细棒上，沿,S,轴向流过的热量（,Q,）与温度梯度的（）,截面积（,F,）和传热时间（t）正比，即,实际上许多材质并不是完全致密的，所以上式应改为微分式，即在,dt,时间内流过的热能为,dQ,.,设,则,式中,q,-,热流密度，即法线方向单位面积、单位时间内流过的热能。,焊接传热的基本定律,热传导定律（傅立叶定律）,为热导率（W/mK）。,对流换热定律（牛顿冷却公式）,T,为流体温度与壁面温度的差值（K），,k,为对流放热系数（W/m,2,K）。,辐射换热定律,T,是物体表面的温度（K）。,C,0,=5.67(,W/m,2,K,4,)。,焊接温度场的数学描述,全部放热 综合考虑对流和辐射引入一个总的表面放热系数,，它是对流和,辐射换热系数之和。,热传导微分方程,为密度（kg/m,3,），,C,p,为定压比热容（J/kgK），,T,（K）为温度，,t,（s）为时间，,（W/mK）为热导率，坐标是,x,、,y,、,z,（m）。,对于各向同性的材料，且其材料热物理性能参数值与温度无关时，热传导微分方程简化为，,为热扩散率（导温系数）（m,2,/s）,在稳态温度场中，温度不随时间变化，热传导微分方程进一步简化为，,移动热源的热传导微分方程，,v,为焊接速度（m/s）。,热传导微分方程的数学推导,热传导微分方程式时根据傅立叶公式和能量守恒定律建立的。,体积元（,dxdydz,）同时由三个方向（,X,、,Y,、,Z,）输入热能,Q,X,、,Q,Y,和,Q,Z,，同时又向,X,、,Y,、,Z,三个方向传出热能,Q,x+dx,、,Q,y+dy,和,Q,z+dz,。,在,X,方向瞬时所积累的热能：,(,dx,),2,为高阶无穷小，忽略,同理，在,Y,和,Z,方向积累的热能：,小立方体内总共所积累的热能：,由,根据,同理,已知容积比热【单位体积的物质温度升高,1,所需要的热能】。,则可得,由于,dQ,的变化，在,dt,时间内必使微元体,dxdydz,的温度发生相应的变化，其值为,为温度变化的瞬时速度。,能量守恒（输入热量的积累温度变化,dT,所需能量）,几个特例,const,导温系数代表温度传播的速度，单位（,cm,2,/s,）,定义：,热传导微分方程：,式中,2,拉普拉斯算符,二维温度场导热方程：,热传导方程,一维温度场的导热方程：,热传导方程,稳定温度场：,热传导方程,热传导微分方程的初始条件和边界条件,初始条件：是初始时刻物体上的温度分布。,边界条件：是物体边界上的热损失条件。对于稳态热传导，没有初始条件，仅有边界条件。,热传导的边界条件,规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件：,特殊情况是，等温边界条件，即物体边界上的温度相等。,规定边界上的热流密度值，称为第二类边界条件：,特殊情况是，绝热边界条件，,规定了边界上的物体与周围介质间的换热系数及周围介质的温度,T,f,，称为第三类边界条件：,材料热物理性质的特征,材料热物理性质的特征值是随温度变化的。,热物理,参数,单位,焊接条件下选取的平均值,低碳钢,不锈钢,铝,紫铜,W/(cm,),0.3780.504,0.1680.336,2.65,3.78,C,p,J/（g,）,0.6520.756,0.420.50,1.0,1.22,C,p,J/(cm,3,),4.835.46,3.364.2,2.63,3.99,=,/,C,p,cm,2,/s,0.070.10,0.050.07,1.00,0.95,J/(cm,2,s,),(0.6337.8)10,-3,（01500）,某些金属热物理性能参数的平均值,焊件几何尺寸和热输入的简化模型,雷卡林（前苏联）、罗森塞尔（美）的假设如下：,材料热物理性能参数不随温度而变化；,材料无论在什么温度下都是固体，不发生相变，即忽略焊接熔池中的复杂过程。,焊件的几何形状是无限的。,根据焊件几何形状的大小，将其分为半无限体（三维传热）、无限大板（二维传热）和无限长杆（一维传热）。,热源集中于一点、一线或一面。,雷卡林的解析计算模型归纳为三类问题,厚大焊件焊接点热源,薄板焊接线热源,细棒焊接面热源,温度,4.瞬时集中热源的温度场,瞬时集中点状热源,热源作用在无限大焊件的某点上，即相当于点状热源。假如在瞬时把热源的热能,Q,作用在厚大焊件的某点上，则距热源为,R,的某点经,t,秒后，该点的温度可利用式下式求解，并且假定焊件的初始温度均为0,边界条件不考虑表面散热问题。,式中：Q焊件在瞬时所获得的热能（J）,R距热源的坐标距离，,t传热时间，工件获得Q热能的瞬时定为0并开始计时。,C,P,被焊材料的容积比热(J/cm,3,),a,被焊材料的导温系数（,cm,2,/s,）,假定作用在无限大体,O,点的热源，能把热量,Q,在瞬时传给,O,点，求经,t,后，距,O,点为,R,的点的温度？,即：求解方程：,可以证明：,O,x,y,z,P,讨论：（1）等温面的方程,传热时间为,t,，温度为,T,1,的等温面,令,则,（,2,）时，,T,0,，即无限远点,T,0,R,0,时，,T,按 规律而降低，开始较快，随后逐步变慢,（,3,）,R,const,，,令 ，得,T,取最大值,T,m,时时间,可见：,在熔焊的条件下，热源传给焊件的热能是通过焊件表面进行的，因此热能在被焊金属中的传播是半球状，故常称之为半无限大体。,式中，,r,=(,x,2,+,y,2,),1/2,。,瞬时集中线状热源,在厚度为,h,的无限大薄板上，当热源集中作用于某点时，即相当于线状热源（沿板厚方向热能均匀分布）。假如在瞬时把热能,Q,作用在焊件某点上，则距热源为,r,的某点，经,t,秒后，该点的温度可由二维热传导微分方程式求解。为简化计算，可假设焊件的初始温度为,0,，暂不考虑焊件与周围介质的换热问题。,瞬时集中面状热源,假设有无限长的细棒，断面为,F,处有热源作用时，即相当于面状热源传热。如在瞬时之内把热能,Q,作用在细棒的某点上（或某断面），求距热源中心为,x,的某点，经,t,秒后该点的温度可由一维热传导微分方程式求解。,为简化计算，同样也假设焊件的初始温度为,0,，边界条件暂不考虑散热。,累积原理（或叠加原理）,焊接时常遇到各种情况，如有数个热源同时作用或先后作用，或断续作用。在这种情况下，某点温度的变化是否与单独热源作用一样的求解呢？这个问题要用累积原理来解决。它的基本原理如下：,假如有若干不相干的独立热源，作用在同一焊件上，则焊件上某点的温度等于各独立热源对该点产生温度的总和，即：,式中,r,i,第,i,个热源与计算点之间的距离；,t,i,第,i,个热源相应的传热时间。,5.焊接温度场的解析解,在厚大焊件上高速热源的温度场,v,大于36m/h可以用上述公式计算实际焊接传热,焊速越大精度越高.,2.只能用于热源作用点后方的区域,距焊缝较远的点和热源作用的前方区域不能使用.,厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场,在薄板上高速热源的温度场,细棒焊接时的温度场,（s,-1,），为细棒表面散温系数，L为细棒的周长。,焊接传热计算局限性及其发展,焊接热循环（,Weld Thermal Cycle,）,焊接热循环：焊接过程中焊件上的某点的温度随时间变化的曲线，叫做焊接热循环曲线。,描述焊接过程中热源对用材金属的热作用。在焊缝两侧距焊缝远近不同的各点，所经历的热循环是不同。距焊缝越近的各点，加热的最高温度越高。,q 为焊接热源分布参数。,焊接条件下选取的平均值,热源作用在无限大焊件的某点上，即相当于点状热源。,二维温度场导热方程：,一般地用高斯曲线描述加热斑点上热流密度的分布：,在薄板上高速热源的温度场,焊接条件下选取的平均值,电阻热电流通过导体产生的电阻热（电阻焊、电渣焊）。,电阻热电流通过导体产生的电阻热（电阻焊、电渣焊）。,那么在截面积为F的细棒上，沿S轴向流过的热量（Q）与温度梯度的（）,等离子焰电弧放电或高频放电产生高度电离的气体，利用它本身携带的大量热能和动能（等离子焊接与切割）。,表示单位时间内熔化的母材金属的热量与电弧有,rH、K、q 以不同的概念表示电弧热能在加热斑点的分布情况，它们具有如下关系：,加热斑点：电弧传给焊件的热能有95%落在半径为rH的区域内，这个区域称为加 热斑点。,4点是在预热的基础上焊接的，如焊缝的长度控制合适，那么AC3以上的停留时间仍可很短，使晶粒不易长大。,焊接热循环（Weld Thermal Cycle）,m2,冷却时间与焊接热影响区组织、硬度的关系,冷却时间与组织的关系,JG590钢,JB800钢,冷却时间与硬度的关系,SHCCT图的应用,多层焊接热循环的特点,在实际焊接生产中，很少采用单层焊，多数是采用多层多道焊接，特别是厚壁有时需要焊接几十层，研究多层焊接热循环具有更为普遍的意义。,多层焊是许多单层热循环交替作用，在相邻焊层之间彼此具有热处理性质，因此从提高焊接质量来看，多层焊比单层焊更为优越。,多层焊分为长段多层焊和短段多层焊。,长段多层焊接：每道焊缝的长度较长（1m以上），这样在焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本上冷却到较低的温度（一般多在100200以下）。,相邻各层之间有依次热处理的作用，为防止最后一层淬硬，可多加一层“退火焊道”，从而使焊接质量有所改善。,对于淬硬倾向较大的钢种，不适于长段多层焊接。因为这些钢焊完第一层后，焊接第二层之前，近缝区或焊缝由于淬硬倾向较大而有产生裂纹的可能。焊接这种钢时，应注意和其他工艺措施的配合，如焊前预热、层间温度的控制，以及后热缓冷等。,精品课件,！,精品课件,！,短段多层焊：每层焊缝长度较短（约为50400mm），这种情况下，未等前层焊缝冷却到较低的温度（如Ms点）就开始焊接下一层焊缝。,1点和4点的热循环比较理想。1点的AC3以上的停留时间较短，避免了晶粒长大，另一方面减缓了AC3以下的冷却速度，防止淬硬组织。4点是在预热的基础上焊接的，如焊缝的长度控制合适，那么AC3以上的停留时间仍可很短，使晶粒不易长大。为了防止最后一层产生淬硬组织，可多一层退火焊道，以便增长奥氏体的分解时间（从t,B,增至t,B,）,短段多层焊对于焊缝和HAZ组织都具有一定的改善作用，适于焊接晶粒易长大而又易于淬火的钢种。但操作工艺十分烦琐，生产率低，只在特殊情况下采用,谢谢观看,