Unit 焊接传热学基础教案.pptx

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1、会计学1Unit 焊接传热学基础焊接传热学基础2传热学传热学n n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。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。n n热传递：热传导、对流和热辐射热传递：热传导、对流和热辐射热传递：热传导、对流和热辐射热传递：热传导、对流和热辐射n n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！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！pp焊接传热焊接传热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、组织性能和应对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应对焊接

2、接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应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！力变形等均有重要影响！力变形等均有重要影响！力变形等均有重要影响！pp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。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。pp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焊接传热过程研究内容：主要

3、是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题。变化问题。变化问题。变化问题。第1页/共30页31.1 焊接过程分析焊接过程分析n n焊接过程焊接过程n n热源加热热源加热热源加热热源加热熔化熔化熔化熔化冶金反应冶金反应冶金反应冶金反应 结晶结晶结晶结晶固态相变固态相变固态相变固态相变接头（冷却而形成）接头（冷却而形成）接头（冷却而形成）接头（冷却而形成）n n焊接热过程的特点焊接热过程的特点1.1.1.1.局部性局部性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加热和冷却过程极不均匀加热和冷却过程极不均匀2.2.2.2.瞬时性瞬时性瞬时性瞬时性1800K1800K1800K1800K

4、/s/s/s/s3.3.3.3.热源是运动的热源是运动的热源是运动的热源是运动的4.4.4.4.焊接传热过程的复合性焊接传热过程的复合性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41.2 焊接热源焊接热源 welding heat sourcewelding heat source n n实现金属焊接所需的能量实现金属焊接所需的能量n n热能热能热能热能n n机械能机械能机械能机械能n n焊接热源的特点：焊接热源的特点：n n能量密度高度集中；能量密度高度集中；能量密度高度集中；能量密度高度集中；n n快速实现焊接过程；快速实现焊接过程；快速实现焊

5、接过程；快速实现焊接过程；n n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。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51.2 焊接热源焊接热源 welding heat sourcewelding heat source n n焊接热源的种焊接热源的种类类 -电弧热电弧热电弧热电弧热n n气体介质中的电弧放电气体介质中的电弧放电气体介质中的电弧放电气体介质中的电弧放电n n化学热化学热化学热化学热n n可燃气体可燃气体可燃气体可燃气体n n电阻热电阻热电阻热电阻热n n电阻焊、电渣焊电阻焊、

6、电渣焊电阻焊、电渣焊电阻焊、电渣焊n n高频感应热高频感应热高频感应热高频感应热n n磁性的金属高频感应产生磁性的金属高频感应产生磁性的金属高频感应产生磁性的金属高频感应产生二次电流作为热源二次电流作为热源二次电流作为热源二次电流作为热源n n摩擦热摩擦热摩擦热摩擦热n n机械高速摩擦机械高速摩擦机械高速摩擦机械高速摩擦n n电子束电子束电子束电子束l l高速运动的电子轰击高速运动的电子轰击高速运动的电子轰击高速运动的电子轰击n n等离子焰等离子焰等离子焰等离子焰n n电弧或高频放电弧或高频放电弧或高频放电弧或高频放电电电电离子流离子流离子流离子流n n激光束激光束激光束激光束n n激光聚焦激

7、光聚焦激光聚焦激光聚焦?新焊接能源？！新焊接能源？！第4页/共30页61.2 焊接热源焊接热源 welding heat sourcewelding heat sourcen n点热源（三维）点热源（三维）point heat point heat sourcesourcen n厚大焊件焊接厚大焊件焊接厚大焊件焊接厚大焊件焊接n n线热源（二维）线热源（二维）linear heat linear heat sourcesourcen n薄板焊接薄板焊接薄板焊接薄板焊接n n面热源（一维）面热源（一维）plane heat plane heat sourcesourcen n细棒磨擦焊细棒磨擦焊

8、细棒磨擦焊细棒磨擦焊第5页/共30页71.2 焊接热源焊接热源 welding heat sourcewelding heat sourcen n热源在焊件上的分布热源在焊件上的分布热源在焊件上的分布热源在焊件上的分布n n热流密度的分布热流密度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81.2 焊接热源焊接热源 welding heat sourcewelding heat source

9、n n焊接热效率焊接热效率n n电弧功率电弧功率电弧功率电弧功率n n电弧有效热电弧有效热电弧有效热电弧有效热功率功率功率功率n n热效率热效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0.680.680.850.85MIGMIG焊焊钢钢0.660.660.690.69铝铝0.700.700.850.85第7页/共30页91.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturef

10、ield of weld temperaturen n狭义定义：某瞬时工件上各点的狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布温度分布n n某个热流密度的热源以恒定的速某个热流密度的热源以恒定的速度沿度沿x x轴移动，轴移动，热源周围的温度热源周围的温度分布分布即即“焊接温度场焊接温度场”vtOOy yz zx 焊件上各点瞬时温度分布的温度场对分析焊件上各点瞬时温度分布的温度场对分析焊接传热过程焊接传热过程,焊接物理冶金过程焊接物理冶金过程和和焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程至关重要。至关重要。第8页/共30页101.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld t

11、emperaturefield of weld temperaturen n焊条电弧焊时，焊焊条电弧焊时，焊接电弧做为热源，接电弧做为热源，对焊条和母材进行对焊条和母材进行加热加热n n在焊接热源作用下，在焊接热源作用下，母材上所形成的具母材上所形成的具有一定几何形状的有一定几何形状的液态金属部分称为液态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第9页/共30页111.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield 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

12、模式第10页/共30页12商业软件：商业软件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT,MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,.第11页/共30页131.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield of weld temperaturen n等温线等温线n n等温线不可能相等温线不可能相等温线不可能相等温线不可能相交交交交n n等温线、等温面等温线、等温面等温线、等温面等温线、等温面之间有温差之间有温差之间有温差之间有温差n n大小：温度梯度大小：温度梯度大小：温度梯度大小：温度梯度n n方向：垂直于等方向：

13、垂直于等方向：垂直于等方向：垂直于等温面温面温面温面焊缝第12页/共30页141.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield of weld temperaturen n随着热源的移随着热源的移动，熔池沿焊动，熔池沿焊接方向作同步接方向作同步移动移动n n熔池前部熔池前部n n母材不断地母材不断地母材不断地母材不断地熔化熔化熔化熔化n n熔池尾部熔池尾部n n熔池金属不熔池金属不熔池金属不熔池金属不断凝固，温断凝固，温断凝固，温断凝固，温度逐渐降低度逐渐降低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

14、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151.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield of weld temperaturea.a.a.a.坐标示意图坐标示意图坐标示意图坐标示意图b.b.b.b.xoyxoyxoyxoy面上沿面上沿面上沿面上沿x x x x轴的温度轴的温度轴的温度轴的温度分布分布分布分布c.c.c.c.xoyxoyxoyxoy面上的等温线面上的等温线面上的等温线面上的等温线d.d.d.d.yozyozyozyoz面上沿面上沿面上沿面上沿y y y y轴的温度轴的温度轴

15、的温度轴的温度分布分布分布分布e.e.e.e.yozyozyozyoz面上的等温线面上的等温线面上的等温线面上的等温线板厚板厚板厚板厚25mm25mm25mm25mm低碳钢焊件低碳钢焊件低碳钢焊件低碳钢焊件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第14页/共30页161.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield of weld temperaturen n典型焊接温度场典型焊接温度场n n稳定温度场稳定温度场稳定温度场稳定温度场n n不稳定温度场不稳定温度场不稳定温度场不稳定温度场常态常态常态常态n

16、n一维温度场一维温度场一维温度场一维温度场n n二维温度场二维温度场二维温度场二维温度场n n三维温度场三维温度场三维温度场三维温度场n n焊接温度场的焊接温度场的影响因素影响因素n n热源的性质热源的性质热源的性质热源的性质n n焊接工艺参数焊接工艺参数焊接工艺参数焊接工艺参数n n被焊金属的热被焊金属的热被焊金属的热被焊金属的热物理性质物理性质物理性质物理性质n n焊件的板厚及焊件的板厚及焊件的板厚及焊件的板厚及形状形状形状形状第15页/共30页171.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield of weld tem

17、perature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影响因素影响因素影响因素影响因素第16页/共30页181.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield of weld temperature

18、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影响因素影响因素第17页/共30页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 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield 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

19、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影响因素影响因素影响因素影响因素第18页/共30页201.3 1.3 焊接温度场焊接温度场焊接温度场焊接温度场 field of weld temperaturefield 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19页/共30页211.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热

20、循环 weld thermal cycleweld thermal cyclen n焊接热循环焊接热循环n n在焊接过程中热源沿焊件移动时，在焊接过程中热源沿焊件移动时，在焊接过程中热源沿焊件移动时，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，焊件上某点的温度随时间由低而高，焊件上某点的温度随时间由低而高，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达到最大值后又由高而低的变化达到最大值后又由高而低的变化达到最大值后又由高而低的变化n n描述焊接热源对被焊金属的热作用描述焊接热源对被焊金属的热作用描述焊接热源对被焊金属的热作用描述焊接热源对被焊金属的热作用过程

21、过程过程过程第20页/共30页221.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycleweld thermal cyclen n焊接热循环的主要参数加热速度加热速度加热速度加热速度加热的最高温度加热的最高温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第21页/共30页231.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal cyclewel

22、d thermal cyclen n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n n加热速度受许多因素影响：加热速度受许多因素影响：加热速度受许多因素影响：加热速度受许多因素影响：n n不同的焊接方法不同的焊接方法不同的焊接方法不同的焊接方法n n不同的被焊金属不同的被焊金属不同的被焊金属不同的被焊金属n n不同厚度不同厚度不同厚度不同厚度n n不同焊接热输入等不同焊接热输入等不同焊接热输入等不同焊接热输入等n n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n n特别是新工艺、如真空电子束焊特别是新工艺、如真空电

23、子束焊特别是新工艺、如真空电子束焊特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏接等数据很缺乏接等数据很缺乏接等数据很缺乏第22页/共30页241.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycleweld thermal cyclen n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n n据焊缝远近不同的各点，加热的据焊缝远近不同的各点，加热的据焊缝远近不同的各点，加热的据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同最高温度不同最高温度不同最高温度不同第23页/共30页251.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld

24、thermal cycleweld thermal cyclen n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261.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycleweld thermal cyclen n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决定热影响区组织性能定热影响区组织性能n n指焊件上某点热循环的冷指焊件上某点热循环的冷指焊件上某点热循环的冷指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度的却过程中某一瞬时温度的却过程中某一瞬时温度的却过程中某

25、一瞬时温度的冷却速度冷却速度冷却速度冷却速度n n为了便于测量和分析比较，为了便于测量和分析比较，为了便于测量和分析比较，为了便于测量和分析比较，采用采用采用采用800800800800500500500500o o o oCCCC的冷却的冷却的冷却的冷却时间来代替瞬时冷却速度，时间来代替瞬时冷却速度，时间来代替瞬时冷却速度，时间来代替瞬时冷却速度，因为这一温度区间是相变因为这一温度区间是相变因为这一温度区间是相变因为这一温度区间是相变的主要温度范围的主要温度范围的主要温度范围的主要温度范围第25页/共30页271.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal

26、 cycleweld thermal cyclen n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n n从从从从800800800800o o o oCCCC冷却到冷却到冷却到冷却到500500500500o o o oCCCC时所用时间时所用时间时所用时间时所用时间n n碳钢、不易淬火的低合金钢碳钢、不易淬火的低合金钢碳钢、不易淬火的低合金钢碳钢、不易淬火的低合金钢n n从从从从800800800800o o o oCCCC冷却到冷却到冷却到冷却到300300300300o o o oCCCC时所用时间时所用时间时所用时间时所用时间n n易淬火的低合金钢易淬火的低合金钢易淬火的低

27、合金钢易淬火的低合金钢(马氏体相变点马氏体相变点马氏体相变点马氏体相变点300300300300o o o oCCCC左右左右左右左右)n n从从从从高温高温高温高温冷却到冷却到冷却到冷却到100100100100o o o oCCCC时所用时间时所用时间时所用时间时所用时间n n扩散氢扩散氢扩散氢扩散氢第26页/共30页281.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycleweld thermal cyclen n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291.4 1

28、.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycleweld thermal cyclen n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301.4 1.4 焊接热循环焊接热循环焊接热循环焊接热循环 weld thermal cycleweld thermal cyclen n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