1、關于焊接結構學第一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月焊接結構學 緒論焊接技術在工業部門中應用的歷史并不長，但其發展卻非常迅速。短短的幾十年中，焊接已在許多工業部門的金屬結構中，如建筑鋼結構，船體，鐵道車輛、壓力容器等幾乎全部取代了鉚接。此外，在機械制造業中，以往由整鑄整鍛方法生產的大型毛坯改成了焊接結構，目前，世界主要工業國家生產的焊接結構占到鋼產量的45%。第二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接結構的特點 與鉚接、螺栓連接的結構相比較，或者與鑄造鍛造的結構相比較，焊接結構有下列特點（優點）：1、焊接接頭強度高 鉚接、螺栓連接的結構，要在母材上鉆孔，削弱了工作

2、截面，強度下降約20% 焊接；接頭強度可達到與母材等強度甚至高于母材強度。第三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接結構的特點2、焊接結構設計靈活性大，主要表現在：焊接結構的幾何形狀不受限制：如鉚、鑄、鍛等方法無法制造空心結構，焊接則可以；結構的壁厚不受限制：兩被連接構件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；結構的外形尺寸不受限制：對大型結構可分段制成部件，現場組焊、鍛、鑄、工藝則不允許；可利用標準或非標準型材組焊接成所需要結構，段結構重量減輕。焊縫減少；可與其它工藝方法聯合使用：鑄焊 鍛焊 栓焊 沖壓焊接等聯合的金屬結構；可實現異種材料的連接：同一結構的不同部位可按需要配置不同性能

3、的材料，做到物盡其用。第四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接結構的特點3、焊接接頭密封性好 氣密性，水密性均優于其它方法，特別是在高溫，高壓容器上，只有焊接接頭才是最理想的連接形式。4、焊前準備工作簡單 由于近年來數控精密氣割設備的發展，對于各種厚度或形式狀復雜的待焊接，不必預劃線就能直接從板料上切割出來，一般不用再機械加工就可投入裝配焊接。第五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接結構的特點5、易于結構的變更和改型 鑄造鑄型（木型） 鍛造開模具 周期長、成本高 焊接、則快速、簡便、投資少6、適用于制作大型或重型、結構簡單而且是單件小批量生產的產品結構

4、結構 大 簡單 批量小 焊接占優勢 結構 小 復雜 批量大 鑄鍛占優勢7、成品率高 一旦出現缺陷，可以修復、很少產生廢品。第六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接結構的特點焊接結構所存在的問題（缺點）：1、存在較大的焊接應力和變形 焊接（局部加熱）內應力變形工藝缺欠承載能力（剛度、強度、穩定性）下降尺寸精度，尺寸穩定性下降校形增加工作量增加成本第七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接結構的特點焊接結構所存在的問題（缺點）：2、對應力集中敏感 焊接結構具有整體性，其剛度大，焊縫的布置、數量和次序等都會影響到應力分布，對應力集中敏感，而應力集中是疲勞，脆斷等

5、破壞的起源，因此在焊接結構設計時要妥善處理。第八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接結構的特點焊接結構所存在的問題（缺點）：3、焊接接頭的性能不均勻 焊接金屬是由母材料和填充金屬在焊接熱作用下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材（近縫區）受焊接熱的影響，組織和性能發生變化（謂之熱影響區），因此，焊接接頭在成分，組織和性能上都是一個不均勻體，其不均勻程度遠遠超過了鑄、鍛件，這種不均勻性對結構的力學行為，特別是斷裂行為有重要影響。第九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月焊接結構學 緒論二、焊接性分析焊接作為一種制造技術或生產手段，其目的是要獲得具有優異的連接質量和優

6、秀的使用性能的產品（或構件）。但是由于焊接過程的復雜性和眾多的影響因素、非線性問題，瞬時作用以及溫度的相關性效應等等，使得要正確描述在各種情況下產生的焊接變形和焊接殘余應力，準確把握產品質量變得非常困難。在實際工作中，人們采用焊接性的概念。作為一個分類系統，它在考慮焊接殘余應力和焊接變形的影響方面有一定的意義。隨著科學技術的不斷發展和進步，現在已經有可能將焊接性分解為熱學、力學，顯微結構等過程，從而降低了焊接性各種現象的復雜性。 第十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接性分析 1、構件焊接性 與焊接冶金課程中介紹的，“材料焊接性”的概念相比，構件焊接性含義更廣泛，它可以包含

7、以下幾方面內容：“材料的焊接適應性”、“設計的焊接可靠性”和“制造的焊接可行性”。 焊接殘余應力和焊接變形是焊接性的多要組成部分，它影響到冷、熱裂紋、影響使用性能并妨礙制造過程。 焊接性的定義第十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接性分析2、影響焊接性的因素 根據上述分類，可將影響焊接的因素按下面的方式分類：影響焊接性的因素與材料有關的因素與制造有關的因素與設計有關的因素母材和填充材料的類型(化學)成分和顯微組織結構的形狀、尺寸、支撐條件和負載，焊縫類型，厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形狀，焊接順序，多層焊，定位焊。夾緊、預熱和焊后熱處理。第十二張，PPT共一百

8、九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接性分析 從狹義上來說，焊接性可理解為所需求的強度性能、焊接接頭的強度受到化學分成或溫度循環等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型，或預熱溫度等的影響，強度行為可用一些主要的或物理特征值來描述，而這些特征值又可能涉及另一些次要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影響強度性能的不完全的可變因素圖，由此，可看出“焊接性”的復雜性。 第十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接性分析主要影響因素主要特征值合金元素含量相、顯微組織、晶粒尺寸冷卻時間、奧氏體化時間退火時間和溫度板厚、焊縫類型等效應力、三軸度焊條藥皮、水分次要特征值碳當量焊接

9、性指數脆性指數裂紋敏感性指數（脆性）轉變溫度目標參數硬度強度延展性冷列敏感性熱烈敏感性層狀撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蝕性次要影響因素焊條類型焊接方法焊接參數焊縫類型預熱溫度層數稀釋率燒穿，夾雜物化學成分 相變、顯微組織 焊接溫度循環 焊后熱處理 構件形狀 負載條件 氫含量影響焊接接頭強度的主要因素第十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論 焊接性分析 焊接過程涉及到熱學、力學、金相學等多方面知識，將焊接性分解成溫度場、應力和變形場、顯微組織狀態場，這對焊接殘余應力和焊接變形的數值分析處理很有價值。溫度場、應力與變形場及顯微組織狀態場的分解和相互影響第十五張，PPT共一百九十一

10、頁，創作于2022年6月緒論 焊接性分析 “焊接性”是一個復雜的問題，以往對焊接性的描述多數為定性的語言描述，已經發展了一些實驗方法，可以針對某一具體情況或特定的性能參數來定量描述，但全面，宏觀上對焊接性進行定量描述卻十分復雜，也十分困難。隨著科學技術的發展，特別是計算機和數值模擬技術的進步，將焊接性分解成溫度場，應力和變形場和顯微組織狀態場、這對于定量分析焊接問題具有重要意義。 顯微組織轉變的影響第十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月緒論本課程的內容和范圍從前述內容可以看出，焊接結構的性能和質量問題涉及到三個主要方面，即熱場（溫度場），應力和變形場以及顯微組織狀態場，其對應的基

11、本理論分別為熱學（傳熱學、）、力學（流體力學、材料力學、彈塑性力學、斷裂力學）和金相學（金屬學、冶金學、金屬力學性能等）。關于顯微組織狀態場的問題，重點在焊接冶金學中解決，關于應力和變形場以及結構強度等問題則是本課程的主要內容。而熱場問題，由于沒有安排專門的課程來介紹，而其又是焊接過程的重要基礎，因此，在本學課程中一并解決，因此，本課程的主體思路為： 焊接過程加熱應力變形接頭性能結構特征焊接結構產品（實例分析）第十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程 第十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程除冷壓焊等極個別的特例之外，其它焊接過程都需

12、要加熱，即熱過程是伴隨焊接過程始終的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在熱過程的問題，如：工件在焊前進行預熱和焊接之后進行的冷卻和熱處理等過程。因此，熱過程在決定焊接質量和提高焊接生產率等方面具有重要意義。焊接的熱過程是一個十分復雜的問題，從30年代由羅塞舍爾和雷卡林開始進行了系統研究，到目前，已取得很大進展，但尚未得到圓滿解決。這一問題的復雜性主要表現在以下幾個方面：第十九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程焊接熱過程的局部性或不均勻性與熱處理工藝不同，多數焊接過程都是局部進行加熱的，只有在熱源直接作用下的區域受到加熱，有熱量輸入，其它區域則存在熱量損耗，（舉例：電弧焊

13、、電阻焊等），受熱區域的金屬熔化，形成焊接熔池，這正是引起殘余應力和變形的根源。焊接熱源的相對運動由于焊接熱源相對于工件的位置在不斷發生變化，這就造成了焊接熱過程的不穩定性。第二十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程焊接熱過程的瞬時性（非穩態性）由于金屬材料中熱的傳播速度很快，焊接將必到用高度集中的熱源，這種熱源可以在極短的瞬間內將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過程的時變性和非穩態特性，例如，在最不利的情況下，構件的初始溫度可達到-40，（在哈爾濱冬天的室外），而焊接熔池的最高溫度可以達到金屬汽化的溫度（鋼的沸點為3000），而熔池的形成是在很短時間內

14、完成的，因此其加熱速度之快，常可以達到1500/S以上。第二十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程由以上幾點可以看出焊接的熱過程是十分復雜的問題，這給分析研究工作帶來了許多困難，但是如果我們能夠了解和掌握焊接熱過程的基本規律，能夠準確知道工件任一位置在任一時刻的狀態和溫度，則對控制焊接質量，調整焊接工藝參數，清除焊接應力，減小焊接變形，預測接頭性能等方面均具有重的意義。第二十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程到目前為止，世界上許多國家的焊接工作者對焊接熱過程進行了大量的系統的研究工作，但距離上述要求還存在著差距，這主要是因為在解決一

15、些復雜的焊接傳熱問題時間不得不提出一些數學上的假設和推導，這一方面的經典工作是由前蘇聯的雷卡林完成的，雷卡林的工作對一些相對簡單的情況給出一些解析解，但其結果常存在很大偏差，有時偏差量常常可以達到100%，近期有限元理論和數值分析技術的發展，使一些復雜問題的計算得以進行，因而使計算模型的建立可以更接近實際情況，準確程度也明顯提高，但仍沒有達到完全實用化的程度，并且許多復雜的理論問題也未得到很好的解決，因此，焊接熱過程目前仍然是國際焊接界研究的熱點問題之一。 第二十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程本章以最常規的MIG焊為例來討論焊接熱源，熱場、流場的基本規律和焊

16、接熱過程的計算方法，以及焊接熱循環的有關問題，目的是為討論焊接冶金、應力、變形、熱影響區等建立基礎。 第二十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一章 焊接熱過程第一節 基本概念和基本原理第二節 整體溫度場第三節 焊接熱循環第四節 對熔化區域的局部熱作用第二十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過程概述 首先，我們來分析一下最典型的焊接過程-MIG焊接時都有哪些因素會影響到熱過程。1、產熱機構電弧熱：焊接過程中熱量的最主要的來源，利用氣體介質中的放電過程來產生熱量，來熔化焊絲和加熱工件；電阻熱：焊接電流過焊絲和工件時，將產生熱量；相

17、變潛熱：母材和焊絲發生熔化時將產生相變潛熱；變形熱：構件變形時將產生變形熱第二十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過程概述 2、散熱機構 環境散熱：處于高溫的工件和焊絲向周圍介質散失熱量； 飛濺散熱：飛濺除發生質量損失之外，同時也伴有熱量損失。第二十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理一、電弧焊熱過程概述3、熱量傳遞方式 熱傳導：工件和焊絲中高溫區域的熱量將向低溫區域傳導； 對流換熱：焊接熔池內部，由于各處溫度不同，加上電弧的沖擊作用產生強迫對流，工件表面處，周圍氣體介質流過時帶走熱量； 輻射換熱：電弧本

18、身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發生輻射，并傳遞熱量； 熱焓遷移：（1）具有高溫的熔滴從焊絲向母材遷移，在傳質同時傳熱；（2）飛濺從熔池向四周飛散，同時傳質傳熱。 第二十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理 從上述分析可以看出，要分析焊接熱過程，我們要處理幾方面的問題：熱源：即熱量的來源；其產熱的機構，性質、分布、效率等。熱量傳輸方式：涉及到傳導、對流、輻射等等傳質問題：流體流動（在熔池內、環境氣體、飛濺）相變問題：潛熱、熱物理參數變化位移問題：熱源與工件相對位置變化、工件變形等。力學問題；電弧力、重力、等離子流力、熱應力、拘束力、相變應力等。 綜上，可

19、見焊接熱過程是一個十分復雜的問題，涉及到多學科的知識，因此，在求解這一問題將要對各方面的知識加以綜合利用。第二十九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理二、焊接熱源 一般來說，必須由外界提供相應的能量才能實現基本的焊接過程，也就是說有能源的存在是實現焊接的基本條件。到目前為止，實現金屬焊接所需要的能量從基本性質來看，包括有電能，機械能、光輻射能和化學能等。第三十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（1）電弧焊熱源 電弧焊時，熱量產生于陽極與陰極斑點之間氣體柱（弧柱、熱等離子體）的放電過程。焊

20、接過程采用的是直接弧，陽極斑點和陰極斑點直接加熱母材和焊絲（或電極材料）。電弧柱產生的輻射和對流（氣流效應）傳熱和電極斑點產生的輻射傳熱也起輔助作用。 等離子弧焊時，應用非直接弧，也就是電弧是間接加熱被焊工件。直接弧：主要作用：陰、陽極斑點直接加熱母材和焊絲； 輔助作用：弧柱產生的輻射、對流，電極斑點產生的輻射等。 間接弧：主要依靠輻射和對流加熱。 第三十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（2）氣體火焰焊接熱源 氣焊時，乙炔C2H2在純氧O2中部分燃燒，在環繞焰心的還原區形成一氧化碳CO和氫H2，然后在外焰區與空中的氧作

21、用，完全燃燒形成二氧化碳CO2和水H2O蒸氣，焰流以高速沖擊焊接區表面，通過對流和輻射加熱工件。第三十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（3）電阻焊熱源 包括電阻點焊（如凸焊，縫焊、點焊等）、電阻對焊（壓力對焊、閃光對焊）及電渣焊。 電阻點焊和電阻對焊時，最初起主要作用的是被焊構件間（和與電極表面間）接觸區域的接觸電阻，導致表面加熱，表面局部熔化后，接觸電阻減弱甚至消失，（閃光對焊時，由于工件反復分離，使接觸電阻得以保持），此后，起主要產熱作用的是取決于電流密度的體積加熱。在通過傳導或感應傳遞能量的高頻電阻焊時，由于集膚

22、效應和傳輸電阻，首先使極薄的表面層被加熱；電渣焊時，熔融而導電的渣池被電阻熱加熱，并熔化母材和連續給進的焊絲。 第三十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（4）摩擦焊 磨擦焊時，相對旋轉的表面被摩擦加熱，去除不純材料層，最后在軸向加壓及焊件在略低于熔點的溫度下連接起來。 攪拌摩擦焊是由于摩擦熱和變形熱來提高工件的溫度和塑性變形能力，并在壓力下形成接頭。 振動焊接（超聲波）時，利用了高頻率的摩擦效應，但其溫度遠低于材料熔化溫度。第三十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接

23、熱源的類型及特征（5）電子束焊接 在電子束焊時，電子（由熱陰極發射，電子透鏡聚焦）被大約10M厚的表面層吸收，并產生熱量。當電子束功率密度足夠大時，焊件表面被熔化，最后導致形成很深的穿透型蒸氣毛細孔，其周圍是熔化的金屬，并由此進行加熱焊接。第三十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（6）激光焊接 聚焦的激光束直接照射焊接區域，并被大約0.5M厚的表面層吸收。如果功率密度足夠大，可以象電子束一樣形成毛化毛細管。作為實際焊接熱源，激光散焦時，通過熱傳導傳遞熱量到焊件內部。第三十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第

24、一節 基本概念和基本原理-焊接熱源1、焊接熱源的類型及特征（7）鋁熱劑焊接 這種方未能主要用于鋼軌焊接，熔池通過鋁粉和金屬氧化物的化學（放熱）反應而使工件被加熱并形成熔池，反應后形成鋁的氧化物（熔渣），填充金屬和熱量都是在反應區體積內產生的。 從上述各種焊接熱源來看，有些熱量產生于表面（必須通過傳導將其傳送至工件內部），有些產生于材料內部。由于構件及其坡口的幾何尺寸不同，和焊接熱源的可調節將性等方面的差異，在實際應用中有各種變化。第三十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源各種焊接熱源的主要特征熱源最小加熱面積（cm2）最大功率密度（W/cm2）正

25、常焊接規范下的溫度（K）乙缺火焰金屬極電弧鎢極電弧(T1G)埋弧自動焊電渣焊10-210-310-310-310-321031041510421041043200K6000K8000K6400K2000K熔化極氬弧焊CO2氣體保護焊10-4104 105等離子電子束激光10-510-710-81.5105107 1091800024000第三十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 焊接熱源對焊接溫度場（熱場、流場）的影響主要表現在熱輸入參數上：熱輸入 瞬時熱源：采用熱量QJ 連續熱源：采用熱流量qJ/S 由于在焊

26、接過程中所產生的熱量并非全部用于加熱工件，而是有一部分熱量損失于周同介質和飛濺，因此，熱源也存在一個熱效率問題。 熱效率（或稱功率系數量）h1第三十九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 電弧焊時，一般可將電弧看成是無感的純電阻，則全部電能轉變為熱能，其有效熱功率為：其中：q為電弧的有效熱功率J/S U為電弧電壓V I為電弧電流A h為功率系數 R為電弧的歐姆電阻 Ieff為有效電流A（交流情況下，用瞬時 積分得出的有效值）第四十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源2、

27、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 氣焊時，以乙炔的消耗量VAc為基本參數，有效熱功率為： 電阻焊（點焊和壓焊）時，其有效能量為其歐姆電阻R、有效電流Ieff和電流持續時間tc的乘積。 縫焊時(焊縫速度vmm/s),常用單位長度焊縫的熱輸入qwJ/mm來替代單位時間的熱輸入q，這樣比較方便。 此外，根據不同的焊接方法，還可以用單位質量熔敷金屬的熱量qm代替q和qw。第四十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-焊接熱源2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率） 在一定條件下，h是常數，其主要取決于焊接方法，焊接規范和焊接材料的種類。下表給出了鋼和鋁常用焊接方法的熱功率數

28、據。鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率數據焊接方法熱力率qkJ/s焊接速度vmm/s單位長度熱功率qwkJ/mm熱效率h藥皮焊條電弧焊氣保護金屬數弧焊氣何護鍋極電弧焊電弧焊激光焊氧乙炔1205100115525015110 515152515010 3.521100.051 0.650.900.650.900.200.500.950.950.900.950.250.85第四十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理三、傳熱基本定律熱傳導定律 金屬材料焊接時，局部集中的隨時間變化的熱輸入，以高速度傳播到構件的邊遠部分。在多數情況下，輸入和對流在熱輸入過程中，也起著重要的

29、作用，因而也是構件表面熱熱損失的主要因素。 熱傳導問題由傅立葉定律來描述：物體等溫面上的熱流密度q*J/mm2s與垂直于該處等溫面的負溫度梯度成正比，與熱導率成正比：其中： -熱導率J/mmsK T/n溫度梯度K/mm第四十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-傳熱定律對流傳熱定律 在氣體和流體中熱的傳播主要借助于物質微粒，的運動，如果這種運動僅僅由于溫度差引起的密度差而造成的，則產生自然對流，如果依靠外力來維持這種運動，則產行強迫對流（如電弧和火焰的吹力效應）。 由牛頓定律，某一與流動的氣體或液體接觸的固體的表面微元，其熱流密度q*c與對流換熱系數cJ/

30、mmsK和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（T-T0）成正比:其中：T固體表面強度； T0氣體或液體溫度。第四十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-傳熱定律輻射傳熱定律 加熱體的輻射傳熱是一種空間的電磁波輻射過程，可以穿過透明體，被不透光的物體吸收后又轉變成熱能，因此，任何物體間均處于相互熱交換狀態。 根據斯蒂芬波爾茲曼定律：受熱物體單位時間內單位面積上的輻射熱量，即其熱流密度q*r與其表面溫度為4次方成正比:其中:C0=5.6710-14J/mm2sK,適用于絕對黑體; 1為黑度系數(吸收率)。對于拋光后的金屬表面， =0.20.4,對于粗糙、被氧化

31、的鋼材表面， =0.60.9,黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內， =0.900.95。第四十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理-傳熱定律輻射傳熱定律 在重要的焊接條件下，相對比較小的物體（溫度為T）在相對較寬闊的環境中（溫度為T0）冷卻，通過熱輻射（和對流相比，高溫下熱輻射占主要地位）發生的熱量損失按下式計算：作為上式的線性化近似：其中：r為輻射換熱系數J/mm2sK，其在很大程度上取決于T和T0。第四十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理四、導熱微分方程 對于均勻且各向同性的連續體介質，并且其材料特征值與

32、溫度無關時，在能量守恒原理的基礎上，可得到下面的熱傳導微分方程式：其中：-熱傳導系數J/mmsK； c-質量比熱容J/gK； -密度g/mm3 ； Qv-單位體積逸出或消耗的熱能； Qv/t內熱源強度。 定義熱擴散系數a=/c，并引入拉普拉斯算子2，則上式簡化為第四十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理導熱微分方程導熱微分方程的邊界條件常分為三類：（1）已知邊界上的強度值：即：（2）已知邊界上的熱流密度分布，即：（3）已知邊界上物體與周圍介質間的熱交換，即：當邊界與外界無熱交換(即絕熱條件)時，T/n=0.其中：n-邊界表面外法線方向； qs-單位面積上的

33、外部輸入熱流; -表面換熱系數(=c+r,包括輻射和對流換熱）； T周圍介質溫度。第四十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理 五、焊接熔池計算的三維數學模型 在此，建立運動電弧用下三維TIG焊接池件的流體力學狀態和傳熱過程的數值分析的模型，電弧熱量使被焊金屬熔化并形成熔池，電弧以恒定的速度u0沿X方向移動。根據溫度分布，熔池分為前后兩部分，在熔池前部，輸入熱量大于散失的熱量，所以，隨著電弧的移動，金屬不斷熔化；在熔池后部，散失的熱量大于輸入的熱量，所以發生凝固。在熔池內部則因自然對流、電磁力和表面張力等的驅動，產生流體對流。第四十九張，PPT共一百九十一頁

34、，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型控制方程組 在固定坐標系（，y，z）中，熱能方程為其中:-密度；c比熱容；導熱系數；T溫度；t時間；u、v、w分別為x、y、z，方向上的速度分量。 上式的求解區域包括液態熔池和其周圍的固態金屬，在整個計算區域內，是一個對流與導熱的問題，由于在固體中流體的流速為零，所以在實際固體中就轉化為純導熱問題，上式就還原成導熱微分方程。第五十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型控制方程組 考慮到熱源是一個熱流密度為q(r)且以恒速運動的電弧，在此進行坐標變換，將x=-u0

35、t代入上式，就可以將固定坐標轉換為以熱源中心為坐標原點的移動坐標。其中，x為電弧移動方向上的點到熱源中心的距離。此時：上式為熱能方程，表示系統滿足能量守恒。第五十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型控制方程組 對于熔池中的流體應滿足動量守恒，即滿足動量方程；其中:流體黏度；P流體壓力； X、Y、Z 體積力在x、y、z方向上的分量。 第五十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型控制方程組 此外，流場還應滿足一個附加的約束條件，即流體是連續和不可壓續的，也就是說需滿足連續性

36、方程： 上述熱能方程，動量方程和連續性方程的就構成了焊接熔池問題求解的控制方程組，求解的結果應同時滿足上述方程。 第五十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型體積力 動量方程中出現了X、Y、Z三個體積力分量，電弧焊接熔池中的體積力包括電磁力和自然對流項，體積力為：其中：j電流強度：B磁感應強度；體積膨脹系數；g重力加速度；T溫差。 在x、y、z三個方面的分量分別為： 第五十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型邊界條件熱能方程的邊界條件為：當z=0（電弧覆蓋區域），有熱流

37、q(r)向工件輸入熱量其中：I焊接電流；U焊接電壓；q-熱流分布函數；r距電弧中心的距離；h熱效率。當z=L、z=0(上下表面的其它部分），通過對流和輻射向環境放熱，此時在固液界面上，T=Tm，Tm為材料熔點。 當y=0，表示要求解的溫度場關于中心平面(x-y)對稱，則第五十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型邊界條件動量方程和連續性方程的邊界條件在固體中和固液相界面上，在熔池表面上，第五十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理焊接熔池計算的三維數學模型 由上述控制方程組和邊界條件就構成了描述焊

38、接熔池的數學模型，求解此模型，就可以確定工件上各點的溫度和熔池中流體的狀態。但由于方程的復雜性，沒有辦法求出解析解，所以只能用數值方法。隨著計算機技術的發展，使得這種復雜問題的求解已成為可能。 第五十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理構件幾何尺寸的簡化 在進行函數解析求解時，將有關的幾何尺寸和熱輸入方式簡化，作為分析模型的一部分，是絕對必要的，這可以使最后的公式更為簡單。而在有限元求解時，原則上允許考點幾乎任何復雜的情況，但實際上要受到問題的復雜程度和計算資源的限制。 根據構件的幾何形狀，引入三種基本的幾何形體，半無限擴展的立方體（半無限體），無限擴展的

39、板（無限大板），和無限擴展的桿（無限長桿）。第五十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡化半無限體熱源作用于立方體表面的中心，為三維傳熱，半無限體可以作為厚板的模型。板厚度越大越得合這種模型。第五十九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡化無限大板認為沿板厚度方向上沒有溫度梯度，即認為是二維傳熱，熱流密度在板厚度上為常數，作用于板中心的熱源功率在板厚度方向上也是常數，這一模型適用于薄板，板越薄吻合的越好。無限長桿 可將其看成是一維傳熱,在桿的橫截面上的熱功率為常數，這種假設可用于求解焊絲上的熱場。 第

40、六十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理幾何尺寸的簡化 用簡化的無限擴展體來代替有限尺寸，在許多情況下是合理的。特別是在構件相應方向上的尺寸越大，熱傳播周期（加熱和冷卻）越短，熱擴散率越低，研究的區域離熱源越遠，及傳熱系數越大時，效果越好。但當構件的幾何尺寸與這種無限擴展體存在較大偏差時，將會帶來很大偏差，甚至產生不可解決的矛盾。 第六十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理熱源模型熱源空間尺寸形狀的簡化點熱源：作用于半無限體或立方體表面層,可模擬立方體或厚板的堆焊,熱量向X、Y、Z三個方向傳播。線熱源：將熱源看成是沿板最

41、方向一條線，在厚度方向上，熱能均勻分布，垂直作用于板平面，可模擬對接焊，一次熔透的薄板，熱量二維傳播。面熱源：作用于桿的橫截面上，可橫擬電極端面或磨擦焊接時的加熱，認為熱量在桿截面上均勻分布，此時只沿一個方向傳熱。 當計算點遠離熱源時，用集中熱源的簡化是成功的，但在接近熱源區域則很難模擬，特別是熱源中心處，成為數學處理上的一個奇異點，溫度將會開高至無限大。 第六十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理熱源模型正態分布熱源（高斯熱源）：實踐證明，在電弧，束流和火焰接焊時，更有效的方法是采用熱源密度q*為正態度分布的表面熱源，即假設熱量按概率分析中的高斯正態分布

42、函數來分布：積分得：其中：q熱源有效功率J/s； k表示熱源集中程度的系數1/mm2； r圓形熱源內某點與中心的距離。第六十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理熱源模型 當q*max相同而k不同時，熱流密度的集中程度不同，k值，熱源集中程度，熱量就更集中，所以一般電子束、激光熱度的k值大，電弧的k值適中，火焰的k值小。 按照高斯分布曲線，熱源在無限遠處才趨近于零。因此，要對熱源作用區域有個限制，即要確定加熱斑點的大小，一般取即認為加熱斑點內集中了95%以上的熱量，按此條件，正態分布熱源加熱斑點的外徑dn為： 有關文獻介紹，電極斑點直徑大約為5的電弧測量出的

43、dn=1435，而氣體火焰的dn=5584，決定于其焊矩的尺寸。 第六十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月卵形熱源（雙橢球熱源）有文獻介紹用一個近似于焊接熔池形狀和尺寸的半卵形分布的體積熱源可以描述深熔表面堆焊或對接焊縫時的移動熱源。 假設在卵形面內，其容積比熱源密度q*按高度斯正態分布，熱源密度在卵形面的中心有最大值，從中心向邊緣呈指數下降，卵形尺寸的選擇約比熔池小10%，總功率應等于焊接過程的有效熱功率，在比較計算的和測量焊的焊接熔池和溫度場的基礎上，對參數進行最后的校準。 第一節 基本概念和基本原理熱源模型第六十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概

44、念和基本原理熱源模型前半部分橢球內熱源分布為后半部分橢球內熱源分布為雙橢球形熱源形態雙橢球熱源分布函數 第六十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第一節 基本概念和基本原理熱源作用時間因素的簡化瞬時熱源認為熱源作用時間非常短（t0）。即在某一瞬間就向構件導入了熱量QJ，點焊，點固焊，栓塞焊及爆炸焊等接近于這種情況。連續作用熱源認為在熱源作用期間內，熱源以恒定的熱流密度QJ/S導入構件，對于各種連續焊接，符合這種情況。第六十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第二節 整體溫度場一、瞬時固定熱源溫度場 瞬時固定熱源可作為具有短暫加熱及隨后冷卻的焊接過程（如點焊）的簡化模型，

45、其相應的數學解還可以作為分析連續移動熱源焊接過程的基礎，因此具有重要意義。為獲得簡化的溫度場計算分式，需要做一些假設：在整個焊接過程中，熱物理常數不隨溫度而改變；焊件的初始溫度分布均勻，并忽略相變潛熱；二維或三維傳熱時，認為彼此無關，互不影響；焊件的幾何尺寸認為是無限的；熱源集中作用在焊件上是按點狀，線狀或面狀假定的。第六十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第二節 整體溫度場作用于半無限體的瞬時點熱源 在這種情況下，熱量Q在時間t=0的瞬間作用于半無限大立方體表面的中心處，熱量呈三維傳播，在任意方向距點熱源為R處的點經過時間t時，溫度增加為T-T0。 求解導熱微分方程，可有特解：

46、式中；Q焊件瞬時所獲得的能量J； R距熱源的距離，R2=X2+Y2+Z2； t傳熱時間s； c焊件的容積J/mm2； a導溫系數mm2/s。第六十九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第二節 整體溫度場特解的證明： 由導熱微分方程式 我們只要證明 是上面微分方程一個特解即可。 在此令 則第七十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第二節 整體溫度場特解的證明： 同樣，求 ，即在ox方向上的溫度梯度： 則 同理第七十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第二節 整體溫度場特解的證明： 將上面個式代入導熱微分方程： 等式兩端完全相等，說明特解正確。因此，只要確定常數項，

47、即可得到通解。第七十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 此時溫度場是一個半徑為R的等溫球面，考慮到焊件為半無限體，熱量只在半球中傳播，則可對溫度場計算公式進行修正，即認為熱量完全為半無限體獲得：T0為初始溫度。 在熱源作用點（R=0）處，其溫度為在此點，當t=0時，T-T0，這一實際情況不符合（電弧焊時，Tmax約為2500，這是點熱源簡化的結果）。第二節 整體溫度場第七十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 隨著時間t延長，溫度T隨1/t3/2呈雙曲線趨勢下降，雙曲線高度與Q成正比。在中心以外的各點，其溫度開始時隨時間t的增加而升高，達到最大值以后，逐漸隨t0而下降

48、到環境強度T0。第二節 整體溫度場第七十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第二節 整體溫度場 作用于無限大板的瞬時線熱源 在厚度為h的無限大板上，熱源集中作用于某點時，即相當于線熱源（即沿板厚方向上熱能均勻分布）。 t=0時刻，熱量Q作用于焊件，焊接初始強度為T0。求解距熱源為R的某點，經過t妙后的溫度。此時可用二維導熱微分方程求解，對于薄板來說，必須考慮與周圍介質的換熱問題。第七十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限大板的瞬時線熱源 當薄板表面的溫度為T0時，在板上取一微元體hdxdy，在單位時間內微元體損失的熱能為dQ:式中；2考慮雙面散熱 表面散熱系數

49、J/mm2sK T板表面溫度 T0周圍介質溫度 由于散熱使微元體hdxdys的溫度下降了dT， 則此時失去的熱能應為dQ:第二節 整體溫度場第七十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限大板的瞬時線熱源上兩式相等，整理得：式中，b=2/ch被稱為散溫系數s-1。 因此，焊接薄板時如考慮表面散熱、則導熱微分方程式中應補充這一項，即： 第二節 整體溫度場第七十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限大板的瞬時線熱源此微分方程的特解為： 此為薄板瞬時線熱源傳熱計算公式，可見，其溫度分布是平面的，以r為半徑的圓環。在熱源作用處（r=0），其溫度增加為： 溫度以1/t

50、雙曲線趨勢下降，下降的趨勢比半無限體緩慢。第二節 整體溫度場第七十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限長桿的瞬時面熱源 熱量Q在t=0時刻作用于橫截面為A的無限長桿上的X=0處的中央截面，Q均布于A面積上，形成與面積有關系的熱流密度Q/A，熱量呈一維傳播。第二節 整體溫度場 同樣考慮散熱的問題，求解一維導熱微分方程，可得：式中，b*=L/cA,為細桿的散溫系數1/s,=c+r L為細桿的周長mm； A為細桿的截面積mm2 。第七十九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限長桿的瞬時面熱源在熱源作用處（X=0），溫度升高為熱流單向，在X=0處，溫度隨1/t1

51、/2沿雙曲線下降，而趨勢更緩和。 第二節 整體溫度場第八十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 疊加原理 焊接過程中常常遇到各種情況，工件上可能有數個熱源同時作用，也可能先后作用或斷續作用，對于這種情況，某一點的溫度變化可象單獨熱源作用那樣分別求解，然后再進行疊加。疊加原理：假設有若干個不相干的獨立熱源作用在同一焊件上，則焊件上某一點的溫度等于各獨立熱源對該點產生溫度的總和，即其中；ri第i個熱源與計算點之間的距離， ti第i個熱源相應的傳熱時間。第二節 整體溫度場第八十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 疊加原理舉例：薄板上，A熱源作用5秒鐘后， B熱源開始作用，求B

52、熱源作用10秒鐘后，P點的瞬時溫度。由題意可知：tA=15s，tB=10s,則第二節 整體溫度場 有了迭加原理后，我們就可處理連續熱源作用的問題，即將連接熱源看成是無數個瞬時熱源迭加的結果。第八十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月連續熱源作用下的溫度場 焊接過程中，熱源一般都是以一定的速度運動并連續用于工件上。前面討論的瞬時熱源傳熱問題為討論連續熱源奠定了理論基礎。 在實際的焊接條件下，連續作用熱源由于運動速度（即焊接速度）不同，對溫度場會產生較大影響。一般可分為三種情況。 熱源移動速度為零，即相當于缺陷補焊時的情況，此時可以得到穩定的溫度場。 當熱源移動速度較慢時，即相當于手工

53、電弧焊的條件，此時溫度分布比較復雜，處于準穩定狀態，理論上雖能得到滿意的數學模型，但與實際焊接條件有較大偏差。 熱源穩動速度較快時，即相當于快速焊接（如自動焊接）的情況，此時溫度場分布也較復雜，但可簡化后建立教學模型，定性分析實際條件下的溫度場。第二節 整體溫度場第八十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于半無限體上的移動點熱源 連續作用的移動熱源的溫度場的數學表達式可從迭加原理獲得，迭加原理的應用范圍是線性微分方程式，而線性微分方程式則應建立在材料特征值均與溫度無關的假設基礎上，這種線性化在很多情況下是可以被接受的。第二節 整體溫度場第八十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2

54、022年6月作用于半無限體上的移動點熱源第二節 整體溫度場 現假定：有不變功率為 q的連續作用點熱源沿半無限體表面勻速直線移動，熱源移動速度為v。在t=0時刻熱源處于o0位置，熱源沿著o0 x0坐標軸運動。從熱源開始作用算起，經過t時刻，熱源運動到o點，o0o的距離為vt，建立運動坐標系oxyz，使ox軸與o0 x0重合，o為運動坐標系的原點，oy軸平行于o0y0,oz軸平行于o0z0。第八十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月第二節 整體溫度場 現考察開始加熱之后的時刻t，熱源位于o（vt,0,0）點，在時間微元dt內，熱源在o點發出熱量dQ=qdt。經過t-t時期的傳播，到時間

55、t時，在A點(x0,y0,z0)引起的溫度變化為dT(t) 。在熱源移動的整個時間t內，把全部路徑o0o上加進的瞬將熱源和所引起的在A點的微小溫度變化迭加起來，就得到A點的溫度變化T(t)第八十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月應用瞬時點熱源的熱傳播方程:此時 熱源持續時間是t-t0，則有第二節 整體溫度場第八十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 上式屬于固定是坐標系(o0,x0,y0,z0)， 對于運動坐標系(o,x,y,z)來說，由于 設t=t-t,帶入上式，得 如果忽略焊接熱過程的起始和收尾階段（即不考慮起弧和收弧），則作用于無限體上的勻速直線運動的熱源周圍的

56、溫度場，可認為是準穩態的溫度場。如果將此溫度場放在運動坐標系中，就呈現為具有固定場參數的穩態溫度場。 第二節 整體溫度場第八十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 下面，我們考慮極限狀態t，并設 由于 經一系列變換之后，以等速度沿半無限體表面運動的、不變功率的點熱源的熱傳導過程極限狀態方程式，在運動坐標系(oxyz)中，為：其中，R動坐標系中的空間動徑，即所考察點A到坐標原點o的距離； xA點在動坐標系中的橫坐標。第二節 整體溫度場第八十九張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月討論： 當v=0,即為固定熱源時， 等溫面為同心半球，溫度隨呈雙曲線下降; 當x=-R(熱源后方)

57、， 該點與運動速度v無關; 當x=R(熱源前方)， ，可見，運動速度v越大，熱源前方的溫度下降就越快，當v極大時，熱量傳播幾乎只沿橫向進行。 第二節 整體溫度場第九十張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 半無限體上移動點熱源前方和后方的溫度分布，準穩定狀態，移動坐標系第二節 整體溫度場半無限體上的移動點熱源周圍的溫度場，a),b)x、y軸線上的溫度，c),d)表面和橫截面上的等溫線第九十一張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限大板上的移動線熱源 無限擴展的平板上作用勻速、直線運動線狀熱源（速度為v，厚度方向的熱功率為q/h）,距移動熱源r處的溫度T為：其中：r2=x

58、2+y2， 第二節 整體溫度場第九十二張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限大板上的移動線熱源為考察準穩態溫度場，取極限狀態，設t，并設 則第二節 整體溫度場第九十三張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 由于 K0(u)可看作參數u的函數，叫做第二類虛自變量零次貝塞爾函數，其數值可以查表，u,則K0(u) 。而 由此得極限狀態方程： 為散溫系數。第二節 整體溫度場第九十四張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 平板上移動線熱源準穩態溫度場如下圖所示。第二節 整體溫度場 對于固定線熱源(v=0)，連續加熱達到穩定時(t )此時，等溫面的為同心圓柱。溫度隨r的下

59、降b比半無限體時要緩慢，并取決于即取決于傳熱和熱擴散的比例。 作用于板上的移動線熱源周圍的溫度場，在運動坐標系上的準穩定狀態，a),b)為坐標軸x和y上的溫度T分布，c)班平面上的等溫線第九十五張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月作用于無限長桿上得移動面熱源熱源移動速度為v，單位面積上的熱功率為q/A，距離熱源x處的溫度為：在x=0處（熱源位置）：T=Tmax=q/Acv。其中，P桿橫截面周長, A桿橫截面積。第二節 整體溫度場第九十六張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 作用于半無限體表面上的瞬時圓形熱源 第二節 整體溫度場高斯分布熱源 有效功率為Q，集中系數為k的高斯熱

60、源在t=0時刻瞬時施加于半無限體的表面上，此表面不與周圍介質換熱，熱源中心與xyz坐標系原點o重合，熱源在xoy面上的分布為：第九十七張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 作用于半無限體表面上的瞬時圓形熱源將熱源作用的xoy整個平面劃分為微元平面dF=dxdy,在t=0時，施加到物體表面的B(x,y)點的微元面積上的熱量dQ=q(r)dxdydt，可視同瞬時點熱源。這種點熱源在半無限體內的熱傳播過程可描述為：其中：R物體上任一點到瞬時點熱源B點的距離;整理得：第二節 整體溫度場高斯分布熱源第九十八張，PPT共一百九十一頁，創作于2022年6月 作用于半無限體表面上的瞬時圓形熱源 將整