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20222022年年6 6月月5 5日日2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等均有重要影响！变形等均有重要影响！p 焊接传热的形式
2、：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。31.1 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. 热源是运动的热源是运动的4.4. 焊接传热过程的复合性
3、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41.2 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51.2 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 电阻热电阻热 电阻焊、电渣焊电阻
4、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? ?新焊接能源？！新焊接能源？！61.2 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 s
5、ource薄板焊接薄板焊接面热源（一维）面热源（一维）plane heat sourceplane heat source细棒磨擦焊细棒磨擦焊71.2 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q:q:电弧的有效功率电弧的有效功率q qmm: :加热斑点中心的最大比热流加热斑点中心的最大比热流d dH H: :回执斑点直径回执斑点直径加热斑点的比热流分布加热斑点的比热流分布-立体高斯锥体立体高斯锥体81.2 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
6、电弧有效热功率热效率热效率UIq 00qq0qq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0.680.680.850.85MIGMIG焊焊钢钢0.660.660.690.69铝铝0.700.700.850.8591.3 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
7、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 zx( , , )tTf x y z 焊件上各焊件上各点瞬时温度点瞬时温度分布的温度分布的温度场对分析场对分析焊焊接传热过程接传热过程, ,焊接物理冶焊接物理冶金过程金过程和和焊焊接化学冶金接化学冶金过程过程至关重至关重要。要。101.3 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
8、形状的液态金属部分称为金属部分称为熔池熔池焊接熔池形状示意图焊接熔池形状示意图111.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature焊接熔池表面积内部的流体流动模式焊接熔池表面积内部的流体流动模式12商业软件：商业软件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT, MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,.131.3 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STTT
9、21141.3 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熔池温度分布熔池温度分布1-1-熔池中部熔池中部 2-2-熔池前部熔池前部 3-3-熔池尾部熔池尾部151.3 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
10、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厚大焊件上点状厚大焊件上点状移动热源的温度移动热源的温度场场161.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld 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17
11、1.3 焊接温度场焊接温度场 field of weld temperature热输入量热输入量q q= =常数，常数，热源移动速度热源移动速度v v对温度场的影响对温度场的影响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181.3 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=常数，常数，热输入量热输入量q对
12、温度场的影响对温度场的影响热源功率热源功率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19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=常数，热输入量及热源移动速度常数，热输入量及热源移动速度等比例变化时对温度场的影响等比例变化时对温度场的影响q/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等温线拉长等温线拉长温度场范围拉长温度场范围拉长201.3 焊接温度场焊接
13、温度场 field of weld temperature在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下不同材料板上移动线热源周围的温度场不同材料板上移动线热源周围的温度场211.4 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)(tfTiiizyx221.4 焊接热循环焊接热循
14、环 weld thermal cycle焊接热循环的主要参数 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焊接热循环的参数焊接热循环的参数HwMTHtCv8/5tMTHtCv231.4 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
15、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Hw241.4 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MT251.4 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Htttt Htt加热过程的停留时间冷却过程的停留时间261.4 焊接热循环焊接热循环 weld ther
16、mal 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Cv8/5t271.4 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
17、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58t100t8 3t281.4 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 多层焊多层焊距焊缝距离变近距焊缝距离变近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 多层焊多层焊不同焊接方法的焊接热循环不同焊接方法的焊接热循环1-1-手弧焊手弧焊 2-2-埋弧焊埋弧焊 3-3-电渣焊电渣焊301.4 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 多层焊多层焊短道多层焊接热循环短道多层焊接热循环
