第01讲-材料成型热过程(1)

301第一章材料成型热过程第1讲302熔化焊的基本热过程包括：加热熔化和冷却凝固焊接传热过程的共同特点是：(1)热作用的集中性焊接热源集中作用于焊件的接口部位，必然使焊件存在温度梯度，产生热传导过程。焊件上各点在某一瞬时的温度分布，一般称为温度场。焊接过程中，焊件上形成的不均匀的温度场，势必引起不均匀的应力场或应变场、不均匀的组织和性能变化以及焊接变形等问题。1.1焊接热过程的基本特点303(2)热作用的瞬时性焊接热源始终处于以一定速度运动的状态之中，因而对焊件上受到热作用的任一点而言，瞬时所能得到的热能是有限的。在这种情况下，当焊接热源接近焊件上某一点时，传导来的热量将使该点迅速加热升温，随着热源的逐渐远离，则又迅速地从该点导出热量将使该点冷却降温。可见，焊件上受到热影响的任一点可能达到的峰值温度必然是有限度的。实际上，焊件上的传热过程是一种准稳态的过程。在这种条件下所发生的各种冶金学的变化，是不容易达到平衡状态的。304焊接热过程的特点，决定了焊接传热问题的复杂性。到目前为止，还难以控制焊接传热的多变因素，对于某些传热过程的数学计算还缺少简便、可靠的方法。但是，焊接热过程将影响焊接时的物理化学冶金反应；影响焊接接头的固态相变；影响焊接接头的应力应变；影响焊接接头的质量。所以，深入研究和掌握焊接传热过程的特点及其变化规律，有很重要的意义。3051.2焊接温度场1.2.1焊接传热的基本方式焊接时，由于焊件局部受热致使焊件本身出现很大的温度差。因此，在焊件内部以及焊件与周围介质之间必然发生热能的流动。根据传热学的理论，热能传递的基本方式是传导、对流、辐射。在电弧焊条件下，热能由热源传给焊件，主要是以辐射和对流为主；母材和焊条获得热能之后则以传导为主向金属内部传递热能。焊接传热过程所研究的内容主要是：焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题，因此，研究焊接温度场，是以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。3061.2.2焊接温度场的一般特征及类型焊接温度场是指焊件上(包括内部)各点在某一瞬时温度的分布，其数学表达式为：（1-1）式中：T——为焊件上某一点在某一瞬时的温度；x,y,z——为焊件上某点的空间坐标；t——为时间。即温度场中各点的温度是其空间座标（x，y，z）和时间t的函数。只要求出相应的函数关系式，即可通过理论计算来确定焊接温度场的形状和它的变化规律。),,,(tzyxfT),,,(tzyxfT307一、温度场的一般特征温度场可以用等温线或等温面来表示。等温线或等温面：就是把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起，成为一条线或一个面。一般特征：（1）各等温线或等温面彼此不能相交，即它们是一单值函数；（2）在致密的连续物体中，等温线或等温面也是连续的；（3）各等温线或等温面之间存在温度差。单位距离间的温度差称为温度梯度；308（4）温度场的迭加原理。当有二个以上温度场同时作用于同一物体时，由于温度场是一标量场，故可以用简单迭加原理得到各个温度场的综合作用结果。温度场的迭加性对于分析焊接温度场特别有用。例如：对于连续移动热源所形成的温度场(这是焊接时的一般情况)，可以看作是许多瞬时固定热源在不同位置、不同时间形成的温度场综合作用的结果，从而使问题得以简化。在分析多层焊和焊前预热的焊接温度场时也要用迭加原理。309二、温度场的类型根据焊件上各点温度与时间的关系，可分为：（1）稳定温度场焊件上各点的温度不随时间而变化，即温度场只与焊件各点的位置有关。例如：将一个恒定功率的热源作用于工件上某一点固定不移动，经过一段时间后，即形成了稳定温度场，在焊接中相当于定位点固焊或补焊情况。3010（2）非稳定温度场焊件上各点的温度随时间而变化。大多数焊接温度场均属于非稳定温度场。当一恒定功率的固定热源开始作用于焊件上一段时间内，由于热传播尚未达到饱和状态，焊件上各点温度在不断升高，此时是非稳定温度场。另外，恒定功率的连续移动热源形成的温度场也是非稳定温度场。3011（3）准稳定温度场①当热源功率不变，在焊接过程进行了一个阶段之后，焊件传热达到了饱和状态，就形成了暂时稳定的温度场。例如固定热源在补焊缺陷时就会出现这种情况。②对于正常焊接条件下的移动热源，在经过一定时间以后，焊件上也会形成准稳定温度场。这时焊件上各点的温度虽然随时间而变化，但各点温度能跟随热源一起移动。30121.2.3热传导的基础方程一、傅里叶定律热总是从物体的高温部位向低温部位流动，同时服从傅里叶定律。即在沿法线方向单位面积、单位时间内所流过的热量与温度梯度成正比，其数学表达式为：(1-2)式中：q——热流，即单位时间单位面积上传递的热量。热流是矢量，矢量方向是最大热流方向；λ——导热系数，J/(cm·s·℃)，决定于材料的性质，表示一定物质的导热能力，其值可因温度而异，且不同材料的λ值随温度变化的特性也不相同。STq3013在均质材料中热流矢量与温度梯度是“共线”的，但方向相反，因此，在式(1-2)中加以负号。傅里叶定律揭示了物体中某点温度梯度与热量的关系，是研究传热过程的基础，对于最简单的传热情况，如单向(线性)传热是有效的。但它未回答出物体中某点的温度与邻近点的温度有何联系，更未回答一个点的温度是如何随时间变化的，同时对焊接时的复杂传热情况也不适用。3014二、Laplace热传导微分方程式热传导微分方程式是根据能量守恒定律(热力学第一定律)和傅里叶定律推导得出的。它揭示了连续温度场在空间与时间领域里的内在联系。其适用条件是：①物体是均质的；②物性量λ、c、ρ是常数；③无附加热源(如物体相变潜热)，不发生温度突变。3015对于固体导热，最通用的形式为：(1-3)式中：a——导热系数或热扩散率，cm2／s，；c——比热容；J／(g·℃)；ρ——密度，g／cm3；T——温度，℃；τ——时间，s。TazTyTxTcT22222223016式(1-3)从理论上得出了物体上坐标、温度和时间三者的关系，它表示给定点温度变化速度同拉普拉斯运算符号成正比，换言之，在某时刻τ、物体上给定点P(x，y，z)邻近的温度分布越不均匀，则该点的温度变化也越快。导热的结果，温度不均匀性将逐渐减小，温度变化速度也要降低。30171.2.4焊接温度场的数学表达式一、求解导热问题的一般方法通常求解热传导方程的方法分为两类：精确解法：数学分析求解；近似解法：如数值计算法等。分析解优点：求解过程中物理概念与逻辑推理清晰，解的结果能清楚地表示各因素(边界条件、物性条件、时间条件等)对温度分布的影响。缺点：只能用于求解比较简单的方程。对于不规则及材料物性量不是常数等复杂情况，往往无法分析求解。3018数值解法是将方程离散化后得到代数方程组，可以利用计算机进行求解，对于实际问题有很大的适应性。如对于复杂的几何形状、变化的热物理参量等情况，用数值解法都能较好地加以解决。所采用的离散化方法主要有：有限差分法和有限元素法。3019二、分析解的简化条件由于焊件尺寸的形状多种多样，焊接热源的作用情况也有很大差异，如何确定求解条件是相当困难的，需要在以下几方面再给出一些假定：(1)焊件尺寸形状对焊件的尺寸形状的假设，可概括为三种模型：①半无限大物体(图1-1(a))x，y，z三个方向空间导热，厚板表面堆焊可视为这种情况；图1-1焊件及热源形式（a）半无限大物体，点热源；（b）无限薄物体，线热源；（c）无限大物体，面热源3020②无限大薄板(图1-1(b))x，y两个方向平面导热，薄板对接焊接属于此种情况；③无限长细杆(图1-1(c))只在x方向线性导热，钢筋及棒类焊件端接属于此种情况。图1-1焊件及热源形式（a）半无限大物体，点热源；（b）无限薄物体，线热源；（c）无限大物体，面热源3021(2)焊接热源假定焊接热源一律视为瞬时作用于微元体上的集中热源，对应于焊件形式假定有三种典型热源：①点热源在半无限大物体中的三维导热的热源(图1-1(a))；图1-1焊件及热源形式（a）半无限大物体，点热源；（b）无限薄物体，线热源；（c）无限大物体，面热源),,,(tzyxfT3022②线热源在无限大薄板中的二维导热的热源(图1-1(b))；③面热源在无限长细杆中的一维导热的热源(图1-1(c))，。图1-1焊件及热源形式（a）半无限大物体，点热源；（b）无限薄物体，线热源；（c）无限大物体，面热源),,(tyxfT),(txfT3023⑶边界条件半无限大物体的上表面为绝热面，即热源的能量全部向物体内部传导；无限大薄板的上下表面及无限长细杆的周围均与介质发生热交换，即表面散热。⑷相变潜热假定在相变时无潜热产生，也就是除焊接热源以外，再无其它任何热的来源。⑸热源能量假定焊接热源在单位时间内放出的能量在整个焊接过程中保持恒定；除固定位置的补焊或点焊外，热源应保持直线等速运动。3024⑹热源作用效果假定热源在运动过程中所产生热作用的效果，可认为是相继瞬时作用于各不同点的无数集中热源连续作用的总和，而多个瞬时热源相互之间并不发生影响。瞬时热源是指热源作用时间Δt与热的传播持续时间t相比为极其微小的情况，即：⑺材料热物理参量假定金属材料的热物理参量，如λ，c等与温度无关，为常数。0/tt3025三、瞬时热源的热传导方程（1）点热源时的特解设在半无限大物体内部某一微元体dxdydz上作用有一个点热源，在t=0瞬时提供的有限热能。显然，热能将以热源作用点为中心，均等地向周围传导。在距离中心任意半径的球面上各点的温度应该相等。也就是距离中心任一球面上的某一瞬时温度与r有关。222zyxrtqQ3026假设在t=0时物体的初始温度T0=0，微元体dzdydz中的热能可使其温度升高到T，则（1-4）在这种初始条件下，下列关系式能满足热传导微分方程，即其特解为（1-5）dxdydzcQT)4exp()4(),(22/3atratcQtrT3027如果热源瞬时作用于半无限大物体，如图1-2中的abcd表面上的O点，并假定此表面为绝热面，则该点受到热作用的温度将为无限大物体内部热源作用时的一倍，因而式(1-5)应该写成(1-6))4exp()4(2),(22/3atratcQtrT图1-2半无限大物体上表面的瞬时热源3028根据式(1-6)的计算结果该点热源温度场及其变化如图1-3所示。可见，在r=0的原点，当t=0时，T→∞；当t≠0时，其温度按t3/2的规律降低，开始时降低较快，以后逐步变慢。显然，离热源中心越近，峰值温度越高，且达到峰值温度的时间越短。图1-3半无限大物体表面点热源瞬时作用的温度变化3029（2）线热源时的特解线热源可以看作是无数点热源同时沿z轴作用的情况。如果单位长度的热能为Q1（J／cm），则Q=Q1dz，于是沿z轴对式(1-6)进行积分，即可求得线热源的特解。因为在有限厚度为δ(cm)时，Q1=Q/δ，则：(1-7)式中，。)4exp()4(/),(2atratcQtrT22yxr3030本讲小结焊接传热过程的共同特点温度场的一般特征温度场的类型分析解的简化条件