Unit 焊接传热学基础.pptx

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1、1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！应力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。度变化

2、问题。第1页/共30页21.1 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第2页/共30页31.2 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

3、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。熔焊第3页/共30页41.2 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磁性的金属高频感应产生二次电流作为热源次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

4、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？！第4页/共30页51.2 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第5页/共30页61.2 焊接热源 welding heat source热源在焊件上的分布热源在焊

5、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第6页/共30页71.2 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0.700.700.850.85第7页/共30页81.3 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，热源周围的温度分布热源周围的温度分布即即“焊接温度焊接温度场场”vtOOy yz zx 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,焊接物理焊接物理冶金过程冶金过程和和焊接化学冶焊接化学冶金过程金

7、过程至关至关重要。重要。第8页/共30页91.3 焊接温度场 field of weld temperature焊条电弧焊时，焊接电弧做为热源，焊条电弧焊时，焊接电弧做为热源，对焊条和母材进行加热对焊条和母材进行加热在焊接热源作用下，母材上所形成的在焊接热源作用下，母材上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分称具有一定几何形状的液态金属部分称为为熔池熔池焊接熔池形状示意图焊接熔池形状示意图第9页/共30页101.3 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第10页/共30页11商业软件：商业软件：ABAQUS

8、,ANSYS,FLUENT,MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,.第11页/共30页121.3 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：垂直于等温面焊缝第12页/共30页131.3 焊接温度场 field of weld temperature随着热源的移动，熔池沿焊接方向作随着热源的移动，熔池沿焊接方向作同步移动同步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，温度逐渐降熔池

9、金属不断凝固，温度逐渐降低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-熔池尾部熔池尾部第13页/共30页141.3 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轴的温度轴的温度分布分布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轴的温度轴的温度分布分布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第14页/共30页151.3 焊接温

10、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第15页/共30页161.3 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

11、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影响因素影响因素影响因素影响因素第16页/共30页171.3 焊接温度场 field of weld temperature热源移动速度v=常数，热输入量q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影响因素影响因素第17页

12、/共30页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 field of weld temperatureq/v=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影响因素影响因素影响因素影响因素第18页/共30页191.3 焊接温度场 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影响因素影响因素第1

13、9页/共30页201.4 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时间由低而高，达到最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第20页/共30页211.4 焊接热循环 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第21页/共30

14、页221.4 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第22页/共30页231.4 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

15、缝远近不同的各点，加热的最高温度不同第23页/共30页241.4 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第24页/共30页251.4 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的冷却速度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

16、来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围第25页/共30页261.4 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

17、时所用时间时所用时间扩散氢扩散氢第26页/共30页271.4 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第27页/共30页281.4 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-电渣焊电渣焊第28页/共30页291.4 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第29页/共30页30感谢您的观看。第30页/共30页