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材料焊接冶金原理与工艺主讲：陈树海E-mail:shchen@mater.ustb.edu.cn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2.2.4焊接温度场的有限单元法1、温度场有限单元法理论基础（略）有限差分法无论是在空间还是时间上均采用插商的方法迭代求取不同时间与不同位置的节点温度值；而有限单元法是通过整体的观点利用变分原理求取空间上某一时刻的所有节点温度值，而温度场随时间的变化采用差分法迭代求解。有限差分法不含有网格内部的温度信息，仅求取节点温度；而有限元法通过插值函数能够比较精确地反应单元内部任意一点的温度信息；有限差分法在网格划分上仅能采用形式上规则的网格，不够灵活；而有限单元的网格划分比较灵活。2.2焊接温度场目前能够为焊接工作者选用的有限元软件有：ANSYS、MSC.MARC、ABAQUS、SYSWELD、ADINA、NASTRAN和MAEC等。这些大型的有限元分析软件都具有自动划分网格和自动整理计算结果，并形成可视化图形的前后处理功能。焊接工作者已经无需自己编制分析软件，可以利用上述商品化软件，必要时加上二次开发，即可得到需要的计算结果。2、焊接温度场有限元法数值模拟有限元分析示意图2.2焊接温度场2.2.5焊接温度场的影响因素1、热源的性质激光焊与CO2电弧焊温度场对比2.2焊接温度场2、焊接线能量焊缝单位长度上输入的热量，即热源功率与焊接速度的比值，被称为焊接线能量，一般情况下焊接热输入可采用线能量表征焊接热输入及参数对温度场分布的影响2.2焊接温度场3、被焊金属的热物理性质热导率、比热容、容积比热容、表面传热系数和热晗等，其中热导率和容积比热容对温度场影响最大。金属物理性质对温度场分布的影响2.2焊接温度场4、焊件的厚度及形状焊件的板厚、几何形状和所处的状态（包括环境温度、预热及后热）对传热过程有很大的影响，因此也影响温度场的分布。2.2焊接温度场2.3焊接对流传热2.3.1焊接对流传热的重要性焊接热过程除了收到热传导影响之外,还受到熔池内部热对流的影响.A-TIG焊接焊缝形貌对比(其他工艺参数相同)在液态熔池内部的热对流和热传导是不能明确分开的两个传热过程：液态金属保有的热量会在熔池流动过程中传递到其他区域；熔池内部的温度分布不均匀的，也必然会存在热传导过程。2.3焊接对流传热焊缝金属传热形式：热传导+热对流焊接熔池：对流换热为主固态金属：热传导为主焊接熔池的流动行为对冶金行为的影响：气孔、裂纹和焊缝组织等。焊接传热机制示意图2.3.2电弧焊对流传热焊接熔池的流动是在各种驱动力作用下的一种传质行为。对于TIG焊，熔池中流体流动的驱动力主要包括浮力、洛仑兹力、熔池表面张力和等离子流力。1、浮力熔池内部浮力对流原理示意图2.3焊接对流传热铝合金熔池浮力对流采用计算的方法可以对铝合金定点熔池的浮力对流进行大概估计：液体金属沿着熔池轴线向上流动，沿着熔池边界向下流动；最大速度是沿着熔池轴向的，大约2cm/s；由于加热熔化时金属膨胀，熔池表面比工件表面略高。2.3焊接对流传热2、洛仑兹力洛伦兹力对流原理示意图由洛伦兹力引起的对流场静态铝合金熔池的洛伦兹力计算：液态金属沿着熔池轴线向下流动，沿着熔池边界向上流动；最大的流动速度大约为40cm/s，比浮力对流大一个数量级。通过浮力流（a）和洛伦兹力流（b）产生的熔池对比采用一个铜加热棒与低熔点的伍德合金直接接触，这样在热传导的作用下伍德合金发生熔化，这种熔池仅有浮力流的作用。如果将铜加热棒通入75A的电流，则熔深显著增加。洛伦兹力可以使焊接熔池的熔深大大增加。2.3焊接对流传热3、表面张力表面张力梯度引起的对流一般情况下，液体金属的表面张力（γ）随着温度（T）的增加而降低，一般称为负温度梯度典型金属表面张力随温度变化表面张力对流又称Marangoni对流2.3焊接对流传热当熔池的表面存在这某些表面活性物质时，表面张力梯度将由负值转变为正值，这样会引起Marangoni对流的换向，使熔深增加。在不锈钢焊接中，具有这种作用的活性物质有O、S、Se和Te等等。含40ppm硫(a)和140ppm硫(b)的两种304不锈钢YAG激光焊接的焊缝两种不同种类的316不锈钢表面张力数据，二者相差160ppm2.3焊接对流传热熔池中Maraggoni对流的Heiple模型：（a~c）低硫钢；（d~f）高硫钢2.3焊接对流传热4、等离子流力电弧等离子体引起的对流等离子流力示意图焊接电弧呈非等截面的近锥体，电磁收缩力在其内部各处分布不均匀，不同截面上存在压力梯度，将引起高温粒子的流动的力被称为等离子流力。2.3焊接对流传热弧长2mm和弧长8mm的低碳钢定点钨极气体保护焊焊缝弧长2mm和弧长8mm的含有18ppm和77ppm硫的304不锈钢定点钨极气体保护焊缝在TIG焊中长电弧产生的等离子剪切应力有可能大于熔池的洛伦兹力和沿熔池的表面张力梯度作用，使熔深变浅，熔宽变宽；即使在钢种存在活性物质时，在长电弧条件下等离子流力驱动的强制对流仍然居于主导地位2.3焊接对流传热2.3.3激光焊接熔池对流传热热导焊，熔池的内部主要是存在着Marangoni对流热导焊熔池流动示意图热导焊焊缝截面2.3焊接对流传热深熔未穿透焊熔池流动深熔未穿透焊焊缝截面激光未穿透焊的上表面存在着Marangoni对流2.3焊接对流传热深熔穿透焊熔池流动深熔穿透焊焊缝截面激光未穿透焊的上下两个表面都存在着Marangoni对流2.3焊接对流传热激光焊缝熔池流动行为数值模拟2.3焊接对流传热匙孔前壁局部蒸发极其产生的熔池波动实际上激光焊接过程中匙孔是剧烈波动的，这会引起熔池流动行为的变化带来一系列冶金问题。2.3焊接对流传热熔池中钨颗粒的运动轨迹匙孔后部涡流示意图采用X射线方法可以观测到匙孔的波动行为，在熔池中放入钨颗粒借助X射线可观测到熔池的流动行为。2.3焊接对流传热2.4焊接热循环2.4.1焊接热循环的特点在焊接热源作用下，焊件上某一点温度随时间的变化，叫做焊接热循环。距焊缝不同距离各点的热循环材料在焊接热循环条件下，可以看作是一种特殊的热处理过程。与一般热处理过程相比较，焊接热循环具有如下特点：（1）加热速度快。焊接过程中加热速度极快，电弧焊每秒钟可高达几百摄氏度，高能束焊更快，材料在瞬间即被熔化，最高加热速度可达每秒钟上千摄氏度；（2）高温停留时间短。焊接过程中高温停留时间很短，大约在几秒~数十秒范围内。这一特点导致在焊接过程中的热影响区的组织转变可能并不充分，而且具有非平衡的特征；（3）空间不均匀。焊接是一个不均加热和冷却的过程，也可以说是一种能够特殊的热处理，从而使热影响区造成不均匀的组织和性能。同时也会产生复杂的应力与应变，给焊接结构的安全稳定性带来了许多复杂的问题。2.4焊接热循环2.4.2焊接热循环的特征参数1、加热速度焊接热循环参数，TH—相变温度焊接时的加热速度比在热处理条件下要快的多与许多因素有关，例如不同的焊接方法、焊接线能量、板厚及几何尺寸，以及被焊金属的热物理性质等2.4焊接热循环2、峰值温度是推断组织变化的重要依据；可以间接地判断焊件产生内应力的情况和塑性变形区的范围。3、高温停留时间高温持续时间可以是相变温度停留时间；分为加热过程的停留时间t’和冷却过程的停留时间t’’。4、冷却速度冷却速度是决定热影响区组织性能最重要的参数之一；常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变化，如采用800~500℃的冷却时间t8/5，800~300℃的冷却时间t8/3和从缝值温度Tm冷却至100℃的冷却时间t100等2.4焊接热循环板厚(mm)焊接方法焊接线能量(J/cm)900℃时加热速度(℃/s)900℃以上停留时间(s)冷却速度(℃/s)备注加热时t’冷却时t’’900℃540℃1钨极氩弧焊84017000.41.224060对接不开坡口2钨极氩弧焊168012000.61.812030对接不开坡口3埋弧焊37807002.05.55412对接不开坡口，有焊剂垫5埋弧焊71404002.57409对接不开坡口，有焊剂垫10埋弧焊193202004.013225V形坡口，有焊剂垫15埋弧焊42001009.02292V形坡口，有焊剂垫25埋弧焊1050006025.07551V形坡口，有焊剂垫50电渣焊5040004162.03351.00.3双丝100电渣焊672000736.01682.30.7三丝100电渣焊11760003.5125.03120.830.28板极220电渣焊9660003.01443950.80.25双丝单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数2.4焊接热循环2.4.3焊接热循环的影响因素1、焊接方法的影响电弧焊与激光焊热影响区附近热循环比较（实际测量）a)电弧焊，b)激光焊2.4焊接热循环CLAM钢TIG焊与电子束焊热影响区t8/5对比（数值模拟）电弧焊与激光焊焊缝热循环对比图（数值模拟）2.4焊接热循环2、焊接热输入的影响焊缝边界t8/5与线能量E之间的关系峰值温度TP与线能量E及T0的关系2.4焊接热循环3、预热温度的影响焊缝边界附近热循环曲线特性与E及T0的关系2.4焊接热循环4、接头尺寸形状的影响接头尺寸形状对t8/5的影响2.4焊接热循环5、焊道长度的影响焊道长度对瞬时冷却速度ωc的影响（E=19kJ/cm）2.4焊接热循环2.4.4多层多道热循环多道焊时，开始焊接后继焊道时前一焊道所具有的最低温度，称为层间温度。对于后一焊道而言，层间温度相当预热温度；对于前一焊道而言，后一焊道会产生“后热”的作用。焊道道数N对焊缝边界最高硬度的影响2.4焊接热循环1、长段多层焊焊接热循环长短多层焊，即每道焊缝的长度较长（一般在1m以上），这样在焊完第一层再焊第二层时，第一层已经基本冷至较低的温度（一般在100~300℃以下）多层焊热循环特性变化示意图2.4焊接热循环3、短段多层焊焊接热循环短段多层焊，就是每道焊缝长度较短（约为50~400mm），在这种情况下，未等前层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始焊接下一道焊缝。短段多层焊接热循环a)1点的热循环，b）4点的热循环，tB—由Ac3冷却至Ms的冷却时间（s）2.4焊接热循环