材料成型理论基础(焊接)-2.pptVIP

傅里叶公式是研究传热过程的基础，可以用来解决最简单的单向（线性）传热问题。 实际焊接传热情况复杂，不仅有单向传热（细棒对接），更多的是两向传热（薄板焊接）和三向传热（厚大件焊接 ）。 必须运用更全面的计算公式。 拉普拉斯方程是根据傅里叶公式和能量守恒定律建立起来的热传导微分方程式。 小立方体中热能的累积 假设小立方体同时由三个方向（X、Y、Z）流入热能ΔQX 、ΔQY 和ΔQZ，同时流出热能ΔQX+dX 、ΔQY+dY和 ΔQZ+dZ 由傅里叶传导公式可得： ΔQX=qX·dF ·dt=qX ·dY ·dZ ·dt ΔQX+dX=qX+dX·dY ·dZ ·dt 则X方向瞬间所积累的热能为： dQX= ΔQX－ ΔQX+dX =－dqX ·dY ·dZ ·dt 2. 拉普拉斯方程 同理，在Y和Z方向瞬间所积累的热能分别为： dQY= ΔQY－ ΔQY+dY =－dqY ·dX ·dZ ·dt dQZ= ΔQZ－ ΔQZ+dZ =－dqZ ·dX ·dY ·dt 小立方体内总共所积累下来的能量： dQ= dQX+ dQY+ dQZ =－(dqX ·dY ·dZ + dqY · dX · dZ + dqZ ·dX ·dY )dt 由 及 代入上式 另外，小立方体实际所积累的热与温度的关系式： 联立得 导温系数 拉普拉斯运算符号 (5) 拉普拉斯方程 式(5)是焊接传热最基本的计算公式，是固体传热问题普遍适用的方程式。 厚大焊件： 薄板焊件： 细棒焊件： 赵兴科 焊接理论基础 第一章 焊接热过程 本章主要学习焊接热源、焊接温度场的概念、焊接传热的基本规律和焊接传热的一般计算方法、母材的加热及熔化、以及焊接热循环的有关问题。 为讨论焊接冶金、焊接缺陷、应力及变形、热影响区组织与性能等建立必要的基础。 本章目录 §1-1 焊接热源 §1-2 焊接温度场 §1-3 焊接熔池 §1-4 焊接热循环 热源是多数焊接的基本条件，对于熔化焊来讲更是不可缺少的。 焊接热源是焊接质量和焊接效率的决定性因素。 §1.1 焊接热源 上世纪初： 气焊和碳弧焊； 1930s： 厚皮焊条电弧焊； 1940s： 埋弧焊； 1950s： 电渣焊和CO2气体保护焊； 1960s： 等离子焊和电子束焊； 1970s： 激光焊。 焊接的发展过程一定程度上是焊接热源的发展过程，焊接热源的性质对焊接质量和焊接生产率有重要影响。 一、焊接热源的种类及特征 几种焊接热源的主要特性： 热源温度和功率密度增大；加热面积减小。 钢板的平焊对接 从发展的趋势看，焊接逐步向高质量、高效率、降低劳动强度和降低能量消耗的方向发展。能量密度高是现代焊接热源的显著特征： 焊接生产率高； 焊接热影响区小。 二、焊接热源的热效率 焊件吸收的热量与焊接热源提供的热量的比定义为焊接热源的热效率，用η表示。 焊接热效率只是考虑焊件吸收的热能，实际上这部分热能一方面用于熔化金属而形成焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区，因而焊接热效率不能确切反映焊接热能利用的合理性。 焊接热效率与焊接方法、焊接规范以及焊件的材质、形状、尺寸等有关。 1 电弧焊的热效率 手弧焊的热分配 ▲ 埋弧焊的热分配 ▲ 2 电子束焊与激光焊的热效率 电子束是在真空室中进行的，能量损失很少，热效率可达90%以上。 激光焊对工件的加热方式不同，由于存在光的表面反射，因此热效率在很大程度上取决于工件的材料类型与表面状态。 焊缝深宽比大，热影响区小。 三、焊接热源模型 焊接热源向焊件上传递热量是在一定的作用面积上进行的。对于电弧焊，这个面积又可分为两个不同的区域： 活性斑点区：带电质点集中轰击（电流通路），电能转化为热能的区域； 加热斑点区：弧柱辐射和电弧周围介质对流实现的传热区域。 比热流—单位时间内通过单位面积的热能。 近似地，柔性电弧在焊件加热斑点上的热能分布符合高斯模型，则距离斑点中心任意点A的比热流可以描述为： K—热能集中系数， 主要决定于焊接方法：气焊K≈0.2，手弧焊K ≈ 1.3，埋弧焊K ≈ 6。 1 高斯模型 考虑电弧的挺度与焊接速度，在高斯热源模型的基础上提出更近似的双椭球形热源模型。这种模型将焊接熔池的前、后部分分别作为1/4椭球处理，设前部分椭球的能量分数为f1，后部分的为f2，各自的比热流分别为： 2 双椭球模型 高能束焊多采用小孔焊接工艺，由于小孔的形成，束流的能量沿轴分布在焊件的整个厚度上。束流的功率密度为体热源生热，提出了高斯曲面体热源模型，比热流为： 3 高斯曲面体模型 §1.2 焊接温度场 焊接加热的具有如下特点： 局部性 工件在焊接时的加热不是整体，只是热源直接作用在附近区域，加热极不均匀； 瞬时性 焊接热源能量高度集中，加热速度快，在很短的时间内把大量的热传给焊件； 运