焊接冶金原理课件 02焊接热过程1.pptx
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1、材料焊接冶金原理与工艺,主 讲:陈树海 E-mail: 电 话:010-62334859,第2章 焊接热过程,2.1 焊接传热学基础 1.2 焊接温度场 1.3 焊接熔池对流传热 1.4焊接热循环,焊接热过程的特点 焊接热源的集中性 局部加热,焊接热源需要能量高度的集中,确保被加热区域温度迅速升高使之熔化。 焊接热源的运动性 热源相对于工件是运动的,焊接区某点温度快速上升与下降。除了焊件的导热特性之外,焊接热源的运动性是决定焊件某点温度时变特性的主要因素。 焊接热过程的瞬时性 一般的电弧焊大约在十几至数十秒内完成焊接过程;而激光焊和电子束等焊接方法在几秒内即可完成焊接过程。 焊接热过程的复合性
2、 热传导、热对流和热辐射是热传递的三种基本方式。在焊接过程中,这三种热传递方式往往同时存在。,2.1焊接传热学基础,2.1.1傅立叶定律,热流密度:可把单位时间单位面积上传递的热量定义为热流密度,记作q,单位为W/m2。热流密度是一个向量,其方向是某点最大的热流方向。,傅立叶定律:在热传导过程中,通过给定截面的热流密度正比于该截面法线方向上的温度梯度。傅立叶定律的数学表达式为:,式中 为热导率W/(mK);T是温度(K);gradT是温度梯度(K/m); n表示单位法向矢量; 表示在温度在n方向上的热导率。式中的负号表示热量传递方向指向温度降低的方向。,热导率表征材料的导热能力,其值与温度有关
3、,且不同的材料的热导率随温度变化的特性也不尽相同,在dt时间内,沿x方向进入微元体的热量为:,沿x方向流出微元体的热量为:,沿x方向在微元体内积蓄的热量为:,2.1.2导热微分方程,2.1焊接传热学基础,微元体中热传导示意图,同理可得:,因此,在微元体中总积蓄的热量为:,将傅立叶定律代入上式,得:,2.1焊接传热学基础,根据热力学第一定律有:,以上两式联立可得,一般情况下, 和 都是x,y,z,T的函数。如果认为二者均为常数,则可化简为,式中 , 为导温系数或热扩散系数,单位是m2/s,2.1焊接传热学基础,在不稳定导热过程中,各点温度受到了两个方面的制约: 1、热量的热传输过程,在一定的温度
4、梯度条件下取决于导热系数 ,反应了材料的散热能力,其本质遵循傅立叶定律; 2、温度的变化过程,在吸收一定热量的条件下主要取决于体积热熔 ,反应了材料存储热量的能力,其本质是遵循热力学第一定律。 热扩散系数 正是把这两个因素,即材料的热散失与存储热量的能力,联系起来,使我们可以获得温度在空间与时间领域的变化。,导热微分方程的理解,2.1焊接传热学基础,思考:含有内热源的导热微分方程表达式?,2.1.3边值条件,1)给定了边界上的温度值,称为第一类边界条件:,2)给定了边界上的热流密度值,称为第二类边界条件:,3)给定了边界上物体与周围介质间的换热系数及周围介质的温度 ,称为第三类边界条件:,当
5、或者 ,即 时, ,即为等温边界条件,此时换热系数很大,而导热系数很小,以致表面温度接近于周围介质的温度;当 或者 ,即 时, ,极为绝热边界情况,此时换热系数十分小而导热系数非常大,通过边界表面热流趋近于零。,2.1焊接传热学基础,2.1.3叠加原理,当一系列热源共同作用时,热传播过程中的温度就可以看作为每一热源单独作用时的温度总和,被称为叠加原理。 叠加原理的意义: 在时间域上,可以从瞬时热源作用下的温度场计算公式,来推导连续热源作用下的温度场计算公式,因为连续作用的热源可以看成是无数个瞬时热源作用在不同瞬间的共同作用; 在空间域上,可以从集中热源作用下的温度场计算公式,来推导分布热源作用
6、下的温度场计算公式,因为分布作用的热源可以看成是无数个集中作用的热源在不同的位置的共同作用。,2.1焊接传热学基础,但是,叠加原里的应用是有限制的,在下列情况下将不再适用: 1)材料的热物性参数和以及传热系数 随温度的变化而改变; 2)要考虑联系到吸热或放热的物态变化(熔化、凝固和相变等等) 这是因为,此时的导热微分方程及边界条件都是非线性的。,2.2焊接温度场,焊接工件内各个点上温度的集合称为焊接温度场。温度场通常是空间坐标(x,y,z)和时间变量的函数,即T=(x,y,z,t)。不随时间而变的温度场称为稳态温度场,即T=(x,y,z)。,焊接温度场示意图,2.2.1焊接热源,对焊接热源的要
7、求是:热源高度集中、快速实现焊接过程,保证得到高质量焊缝和最小的热影响区。,2.2焊接温度场,1、焊接热效率,在电弧焊过程中,电弧功率可由下式表示:,式中 P电弧的有效功率,即电弧在单位时间内提供的有效能量; U电弧电压; I焊接电流。 加热过程中的功率有效系数或称热效率。,不同焊接方法的热效率,2.2焊接温度场,2、焊接热源模型,按照热源作用方式:集中热源、平面分布热源和体积分布热源。,1)集中热源 所谓集中热源,就是把焊接电弧的热能看作是集中作用在某一点(点热源)、某条线(线热源)或某个面(面热源)。 条件:当关心的焊件部位离焊缝中心线比较远时,可近似将焊接热源当作集中热源来处理。 厚大焊
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