1、 焊焊 接接 结结 构构第一章第一章 绪绪 论论Introduction材料成型及控制工程2012.9 焊接结构焊接结构本本 章章 内内 容容2.1 基本概念及原理基本概念及原理2.2 焊接温度场焊接温度场2.3 焊接热循环焊接热循环2.4 熔化区域的热作用熔化区域的热作用 焊接结构焊接结构2.1 基本概念与原理基本概念与原理2.1.1 电弧焊热过程概述电弧焊热过程概述（1）焊接热过程的特点：）焊接热过程的特点：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瞬时性瞬时性1800K/s热源是运动的热源是运动的焊接传热过程的复合性焊接传热过程的复合性 焊接结构焊接结构（2）产热机构）产热
2、机构电弧热：电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；电阻热：电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量；焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量；相变潜热：相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；变形热：变形热：构件变形时将产生变形热构件变形时将产生变形热 焊接结构焊接结构（3）散热机构）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量；环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量；飞溅散热：飞溅除发生
3、质量损失之外，同时也伴有热量损飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损失。失。焊接结构焊接结构（4）热量传递方式）热量传递方式l热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导；热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导；l对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的冲对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带走击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带走热量；热量；l辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生辐射，并传递热量；
4、辐射，并传递热量；焊接结构焊接结构 从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题：从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题：热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅）传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅）相变问题：潜热、热物理参数变化相变问题：潜热、热物理参数变化位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。力学问题
5、：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力等。等。综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识，综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识，因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。焊接结构焊接结构2.1.2 传热基本定律传热基本定律（1）热传导定律热传导定律 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构2.1.3 焊接热源焊接热源（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能
6、，机）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机械能、光辐射能和化学能等。械能、光辐射能和化学能等。电弧焊热源电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源、摩擦焊、摩擦焊、电子束热、电子束热源等源等（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）：1。热输入热输入 瞬时热源：采用热量瞬时热源：采用热量QJ 连续热源：采用热流量连续热源：采用热流量qJ/S 焊接结构焊接结构（3）集中热源模型的简化）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的问题分为了三类
7、：问题分为了三类：焊接结构焊接结构三维传热三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的传导，又称为传导，又称为厚板点热源模型厚板点热源模型二维传热二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维热传导，又称为热传导，又称为薄板线热源模型薄板线热源模型一维传热一维传热问题指的是
8、对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整个截面，因此传热只有长度方向，又称为个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型面热源模型 焊接结构焊接结构（4）分布热源模型）分布热源模型分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。1）Gauss模型模型Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描述电弧覆盖区域内的热流密度，即述电弧覆盖区域内的热流密度，即2)(expKrqqmrK 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。为能量集中系
9、数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。kdn32 焊接结构焊接结构2）双椭球热源）双椭球热源 Goldak在在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。eabcQfqeabcQfqbzaycxbzyxbzaycxfzyx222222222222123332),(23331),(13636 焊接结构焊接结构2.2 焊接温度场焊接温度场分瞬时固定热源、移动热源两
10、种类型。分瞬时固定热源、移动热源两种类型。每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、二维线热源温度场、一维面热源温度场。二维线热源温度场、一维面热源温度场。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；焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热；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；热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；点热源不考虑散热点热源不考虑散热。温度场分析假设：温度场分
11、析假设：焊接结构焊接结构2.2.1 瞬时固定热源瞬时固定热源（1）瞬时固定点热源（不考虑散热）瞬时固定点热源（不考虑散热）nTqdtdzdydqdQxx22xTdxxqdqxxdxdydzdtxTdQx22dxdydzdtzTyTxTdQ222222dxdydzdTcdQ热传热传导导导导致的致的能量能量变化变化温度温度变化变化导致导致的能的能量变量变化化+TzTyTxTctT2222222 焊接结构焊接结构l 方程中假设初始条件为方程中假设初始条件为0，不考虑表面散热，则方程的特解，不考虑表面散热，则方程的特解为为 atratcQT4exp)4(223l 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因
12、此焊件上的热量实际一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际上集中在半个椭球内，因此上式需修正为上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:atratcQT4exp)4(2223焊件表面上等温线的形状？焊件表面上等温线的形状？焊接结构焊接结构trtcQT4exp)4(2223l温度场是半径为温度场是半径为r的的等温半球面等温半球面 trtfT4exp1223l在固定的位置在固定的位置r处，处，T与与t的关系的关系 当当t0时，时，T 当当t时，时，T 0l在固定的时间在固定的时间t时，时，T与与r的关系的关系atrfT4exp2trtcQT4exp)4(2223 焊接结构焊接结构(2)
13、瞬时线状热源（考虑散热）瞬时线状热源（考虑散热）取微元取微元hdxdy分析，上下两个表面的散热遵分析，上下两个表面的散热遵循循Newton、Stefan-Boltzmann定律，单位定律，单位时间内损失的热量为时间内损失的热量为:dxdydtTTdQ02微元体由于降温产生的热量损失为微元体由于降温产生的热量损失为 hdxdydTcdQ两个能量相等，整理得两个能量相等，整理得 bTTThcdtdT02其中其中hcb/2，称为散温系数，称为散温系数，s-1.焊接结构焊接结构bTyTxTabTyTxTctT222222222222yTxTctT瞬时线热源为二维传热，其导热微分方程及特解为：瞬时线热源
14、为二维传热，其导热微分方程及特解为：atrhtQT4exp42结合表面散热方程，结合表面散热方程，瞬时线热源导热微分方程及特解为：瞬时线热源导热微分方程及特解为：bTdtdTbtatrathcQTT4exp420焊件上温度场的分布形态？焊件上温度场的分布形态？等温线是以等温线是以r为半径的圆环为半径的圆环 焊接结构焊接结构SymbolDefinition an unitValuerDistance from weld (mm)Thermal conductivity(J/(s mmC)0.05aThermal diffusivity (mm2/s)13.94Surface heat trans
15、fer coefficient(J/(s mm2C)CSpecific heat (J/(kgC)460 Density (kg/mm3)7.8010-6温度场分析中常用符号及、含义及常用值（低碳低合金钢）温度场分析中常用符号及、含义及常用值（低碳低合金钢）焊接结构焊接结构（3）瞬时面状热源（考虑散热）瞬时面状热源（考虑散热）导热微分方程及特解：导热微分方程及特解：22xTctTtxatAcQT4exp)4(221考虑散热后为：考虑散热后为：TbxTatT*22tbtxatAcQT*2214exp)4(AcLb 其中其中为细杆散温系数。为细杆散温系数。焊件上温度场的分布形态？焊件上温度场的分布
16、形态？等温线是以等温线是以x为距离的平面为距离的平面 焊接结构焊接结构2.2.2 连续移动集中热源的温度场连续移动集中热源的温度场 连续移动热源及多热源的温度场可以采用叠加原理进行分析，即某点的温度等连续移动热源及多热源的温度场可以采用叠加原理进行分析，即某点的温度等于每一个热源单独作用后产生的温度之和。连续热源可以看成是多个固定热源于每一个热源单独作用后产生的温度之和。连续热源可以看成是多个固定热源连续作用的结果。连续作用的结果。（1）连续移动点热源）连续移动点热源tzyxtcQT4exp)4(222223移动热源在每一个瞬时移动热源在每一个瞬时dt内对某点温度的贡内对某点温度的贡献为：献为
17、：202020234exp412ttzyvtxttcUIdtdTtttzyvtxttcQdtT0202020234exp412连续移动点热源的温度场：连续移动点热源的温度场：焊接结构焊接结构由于由于x=x0-vt，y=y0，z=z0，令，令 ，则连续移动点热源温度场为，则连续移动点热源温度场为 ttttatzyatvtdtavxcqT0202022323 44 exp 2exp412arxvrqTxr2exp2,其达到极限状态时温度场为其达到极限状态时温度场为 焊接结构焊接结构厚大焊件上点状移动热源的温度场厚大焊件上点状移动热源的温度场TT 焊接结构焊接结构移动热源温度场与固定热源温度场的比较
18、移动热源温度场与固定热源温度场的比较移动点热源移动点热源固定点热源固定点热源前沿陡降前沿陡降前后沿一致前后沿一致 焊接结构焊接结构atrathcQT4exp42（2）连续移动线状热源）连续移动线状热源同点热源的分析可得：同点热源的分析可得：44 exp 2exp4220),(trbtttdtxhqTttyx其达到极限状态时温度场为其达到极限状态时温度场为 abarKaxhqTtyx42exp220),(K0为贝瑟尔函数为贝瑟尔函数hcbrc2散温系数散温系数 焊接结构焊接结构线状移动热源的温度场分布线状移动热源的温度场分布 焊接结构焊接结构（3）连续移动面状热源）连续移动面状热源txatAcQ
19、T4exp)4(221采用与点热源的分析相同的方法，利用叠加原理可得：采用与点热源的分析相同的方法，利用叠加原理可得：)()(4)(exp)(41202),(10ttbttatxttaAcqdtTttx 42 exp 2exp4/122022),(11tbatxattqdtaxacAqTttx采用移动式坐标，经整理后可得采用移动式坐标，经整理后可得 极限饱和面状热源的传热公式为极限饱和面状热源的传热公式为 xavAPavvAcqTrc24exp22 焊接结构焊接结构（1）热源的性质（热源能量的集中性）热源的性质（热源能量的集中性）瞬时点状、线状、面状热源的温度梯度瞬时点状、线状、面状热源的温度
20、梯度222zyx22yx 热源热源Qeqnr备注备注点热源点热源Q=2qt3线热源线热源Q=qt/h2h-厚度厚度面热源面热源Q=qt/A1xA-截面积截面积atratcQT4exp)4(2223atrathcQT4exp42txatAcQT4exp)4(221atratcQTneq4exp)4(222.2.3 影响焊接温度场的因素影响焊接温度场的因素 焊接结构焊接结构（2 2）焊接规范）焊接规范即焊接热输入即焊接热输入 焊接结构焊接结构（3）被焊金属的热物理性质被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）（热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）焊接结构
21、焊接结构（4）焊件的板厚及形状焊件的板厚及形状 焊接结构焊接结构2.2.4 快速移动大功率热源的温度场快速移动大功率热源的温度场（1）厚板快速移动热源）厚板快速移动热源相当于线热源的作用结果。在整个长度方向热源热量分布是均匀的，某相当于线热源的作用结果。在整个长度方向热源热量分布是均匀的，某点的温度相当于若干个点的温度相当于若干个dx上的线热源作用的总和。上的线热源作用的总和。atrathcQT4exp42 焊接结构焊接结构（2）薄板快速移动热源相当于面热源）薄板快速移动热源相当于面热源 atxatcAQT4exp)4(/221 焊接结构焊接结构2.3 焊接热循环焊接热循环焊接热循环：焊接热循
22、环：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)(tfTiiizyx 焊接结构焊接结构2.3.1 焊接热循环主要参数焊接热循环主要参数 加热速度 加热的最高温度 在相变温度以上的停留时间 冷却速度或冷却时间HwMTHtCv8/5tMTHt 焊接结构焊接结构 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
23、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Hw 焊接结构焊接结构 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MT 焊接结构焊接结构Htttt Htt加热过程的停留时间冷却过程的停留时间 在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间 焊接结构焊接结构 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织性能决定热影响区组织性能指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度指焊件上某点热循环的冷却过程中
24、某一瞬时温度的冷却速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800500的冷的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因为这一温度区间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是相变的主要温度范围Cv8/5t 焊接结构焊接结构 冷却时间冷却时间从从800oC冷却到冷却到500oC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800oC冷却到冷却到300oC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300oC左右左右)从高温冷却到从高温冷却到100oC时所用时间时所用时间扩散氢扩散氢58t100t8
25、 3t 焊接结构焊接结构2.3.2 焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素（1 1）距离）距离 焊接结构焊接结构（2 2）焊接方法）焊接方法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 焊接结构焊接结构短道多层焊接热循环短道多层焊接热循环 多层焊多层焊（3）焊接工艺的影响）焊接工艺的影响多层焊多层焊 焊接结构焊接结构 长段焊道差不多在长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊缝基本上冷却到缝基本上冷却到100-200以下。以下。焊接结构焊接结构 焊件尺寸形状的影响
26、焊件尺寸形状的影响 焊接结构焊接结构 接头形式的影响接头形式的影响 焊接结构焊接结构焊道长度的影响焊道长度的影响 焊接结构焊接结构预热温度的影响预热温度的影响预热温度-t8/5 焊接结构焊接结构2.3.3 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算（1）Tmax根据温度场函数求导数根据温度场函数求导数dT/dt=0的点的温度。的点的温度。trtqT4exp22420rtm2020234.02rcqrceqTm线热源线热源 焊接结构焊接结构同样，线热源的同样，线热源的Tmax：0max242.0hycqTtytchqT4exp)4(2021从理论上讲，当从理论上讲，当r0和和y0=0时，时，Tma
27、x=，这当然是不可能的。因此应考，这当然是不可能的。因此应考虑金属熔点的限制更为合理，所以根据传热学的理论推导，可得经验公虑金属熔点的限制更为合理，所以根据传热学的理论推导，可得经验公式。式。焊接结构焊接结构00011TTEecrTTMm厚板厚板 薄板薄板 000121TTEhyceTTMm式中式中 T0-初始温度；初始温度；TM-熔点温度熔点温度 Tm-焊件上某点的最高温度焊件上某点的最高温度 E 线能量线能量 H thickness r0，y0-某点距熔化边界的垂直距离某点距熔化边界的垂直距离 c-容积比热容容积比热容 焊接结构焊接结构（2）相变温度以上停留时间）相变温度以上停留时间tHt
28、H的计算非常复杂，可以采用计算法和图解法求解。的计算非常复杂，可以采用计算法和图解法求解。03TTqftmH厚板厚板 薄板薄板 2022TTcqftmH 焊接结构焊接结构（3）瞬时冷却速度）瞬时冷却速度vc可通过对温度场函数进行微分获得。在可通过对温度场函数进行微分获得。在r=0处处trtqTtr4exp220),(022tqdtdTqTTdtdTc202tqTtr2),(0Tqt2厚板厚板 焊接结构焊接结构同样道理利用薄板高速热源的温度场公式同样道理利用薄板高速热源的温度场公式 tytchqTT4exp)4(202102202hqTTcdtdTc 焊接结构焊接结构当板厚发生变化时，由于散热条
29、件不同冷却速度也会发生变化，产生当板厚发生变化时，由于散热条件不同冷却速度也会发生变化，产生了薄板与厚板的区分。当热输入相同时，随着板厚增大到一定程度，了薄板与厚板的区分。当热输入相同时，随着板厚增大到一定程度，冷却速度将不再发生变化，此时即为厚板。若定义冷却速度不再发生冷却速度将不再发生变化，此时即为厚板。若定义冷却速度不再发生变化的板厚为临界板厚，则根据厚板冷却速度与薄板冷却速度相等得：变化的板厚为临界板厚，则根据厚板冷却速度与薄板冷却速度相等得：2202022hqTTcqTTdtdTc0TTcEhcr 焊接结构焊接结构（4）t8/5 当当r0=0，y0=0时，只要时，只要t0，就是冷却阶
30、段，整理后即可得出热影响区，就是冷却阶段，整理后即可得出热影响区熔合线附近冷却到某一温度熔合线附近冷却到某一温度Tc时的冷却时间时的冷却时间tc。trtqT4exp22tytchqT4exp)4(2021)(20TTEtcc202)(4)/(TTchEtcc厚板厚板 薄板薄板)800(20800TEt)500(20500TEt0058800150012TTEt 焊接结构焊接结构tytchqT4exp)4(2021202)(4)/(TTchEtcc薄板薄板 2020258800150014TTchEt 焊接结构焊接结构00800150012TTcEhcr00358800150012TTEFt20
31、202258800150014TTchEFt临界板厚：临界板厚：引入电弧热效率和接头形式参数，以上公式变为引入电弧热效率和接头形式参数，以上公式变为式中式中F3、F2分别接头形状系数分别接头形状系数 焊接结构焊接结构2.4 熔化区域的局部热作用熔化区域的局部热作用 焊接结构焊接结构2.5 焊接热循环测试焊接热循环测试050100150030060090012001500 Temperature oCTime s 8mm 7mm 6mm 5mm 焊接结构焊接结构作业：作业：1.综述焊接热源的描述方法。综述焊接热源的描述方法。2.针对埋弧焊的热循环，分析其主要热循环参数及其影响针对埋弧焊的热循环，分析其主要热循环参数及其影响因素。因素。
