第二章焊接力學(xué)分析焊接結(jié)構(gòu)焊接熱過程焊接應(yīng)力應(yīng)變的基本概念、產(chǎn)生原因焊接應(yīng)力（分布、對結(jié)構(gòu)的影響、調(diào)節(jié)和

控制措施）焊接變形（計算、減小和控制措施）焊接殘余應(yīng)力的測量方法2.1焊接熱源與熱功率2.1.1焊接熱源一、焊接對熱源的主要要求（1）具有高能量密度，能使材料加熱到足夠高的溫度（2）熱源性能穩(wěn)定，易于調(diào)節(jié)和控制（3）具有較高的熱效率，降低能源消耗二、常用焊接熱源（1）電弧焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、惰性氣體保護(hù)焊（TIG、MIG）等（2）電阻熱電阻點焊（如凸焊，縫焊、點焊等）、電阻對焊（壓力對焊、閃光對焊）及電渣焊（3）電磁感應(yīng)

（4）等離子束

（5）激光束

CO2激光、YAG激光（6）電子束

（7）化學(xué)熱

氧—乙炔氣焊/切割、鋁熱劑焊、鎂熱劑焊等（8）摩擦熱攪拌摩擦焊各種焊接熱源的主要特性熱源最小加熱面積（cm2）最大功率密度（W/cm2）正常焊接規(guī)范下的溫度（K）乙炔火焰金屬極電弧鎢極電弧(T1G)埋弧焊電渣焊10-210-310-310-310-32×1031041.5×1042×10410432006000800064002000熔化極氬弧焊CO2氣體保護(hù)焊10-4104—

105等離子電子束激光10-510-710-81.5×105

107—10918000—24000————2.1.2焊接熱源的熱功率主要參數(shù)：熱流量或熱功率以應(yīng)用最廣的電弧焊熱源進(jìn)行討論一、焊接電弧的熱效率一般可將電弧看成是純電阻，其總功率或熱流量為

有效功率（W）為

式中，η為功率系數(shù)，I為焊接電流（A），U為電弧電壓（V）。焊接工藝制定中，常用焊接線能量（即單位長度焊縫的熱輸入）作為焊接規(guī)范（焊接電流、焊接電壓、焊接速度）的一個綜合指標(biāo)，表示為

式中，qW為焊接線能量（J/mm）,v為焊接速度。qW對焊縫成形、熱影響區(qū)組織和焊接生產(chǎn)率等有較大影響。鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率數(shù)據(jù)焊接方法有效熱功率Φ[kJ/s]焊接速度v[mm/s]焊接線能量qw[kJ/mm]熱效率焊條電弧焊氣保護(hù)金屬極弧焊氣何護(hù)鎢極電弧焊埋弧焊電子束焊激光焊氧乙炔焊1—205—1001—155—2500.5—101—51—10＜5＜15＜15＜25＜150＜150＜10＜3.5＜2＜1＜10＜10＜0.05＜10.65—0.900.65—0.900.20—0.500.85—0.950.95—0.970.80—0.950.25—0.85二、焊接電弧的能量密度加熱斑點：受到電弧直接作用的小面積加熱區(qū)域。能量密度：單位有效面積上的熱功率，單位為W/cm2。電弧的能量密度可達(dá)104—105W/cm2。

電弧溫度分布活性斑點：加熱斑點中電弧直接作用的陰極斑點或陽極斑點。比熱流：單位面積在單位時間內(nèi)所通過的熱能。整個加熱區(qū)的比熱流分布近似于高斯正態(tài)分布，即式中，q(r)為比熱流分布函數(shù)（W/m2），qm

為加熱斑點中心的最大比熱流，k為熱能集中系數(shù)，r為距電弧中心的徑向距離。不同電弧集中系數(shù)的比熱流分布等效均勻分布比熱流的加熱斑點一般而言，在q*=0.05qm以外的區(qū)域，其熱流可忽略，由此可計算出高斯正態(tài)分布熱流的加熱斑點直徑為

等效均勻分布比熱流的加熱斑點直徑為

三、焊接熔池焊接電弧的加熱斑點作用于母材表面時，母材輻射瞬時的局部熔化，熔化金屬形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬稱為焊接熔池。

焊接熔池形狀焊接熔池形狀和尺寸與焊接方法、焊接規(guī)范和母材的性能等因素有關(guān)。在TIG焊時，使用的電流種類對焊接熔池形狀和尺寸有較大影響。直流反接時，陰極霧化或陰極清理作用焊接鋁、鎂及其合金時，可采用直流反接或交流TIG焊。直流正接直流反接交流高能量密度的電子束焊或激光焊時，產(chǎn)生匙孔（keyhole）效應(yīng)，形成深寬比很大的焊縫。2.2焊接傳熱分析2.2.1熱傳導(dǎo)基本概念一、溫度場

物體內(nèi)各點溫度的分布情況，可表示為空間坐標(biāo)（位置）和時間的函數(shù)，即式中，x，y，z為空間直角坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)。不穩(wěn)定溫度場：溫度場內(nèi)各點的溫度隨時間而變化。反之，為穩(wěn)定溫度場等溫面：在某個時刻相同溫度的各點所組成的平面。溫度梯度gradT：溫度場中任意一點的溫度沿等溫面法線方向的變化率式中，n為單位法向矢量，為溫度在n方向上的偏導(dǎo)數(shù)。溫度梯度是一個向量，垂直于等溫面，以溫度增加的方向為正。熱量傳輸方向指向溫度降低的方向，與溫度梯度方向相反。二、傅里葉定律（熱傳導(dǎo)定律）單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱流密度q（J/(s?mm2)或W/mm2）。物體等溫面上的熱流密度與該處等溫面的負(fù)溫度梯度成正比，即

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)（J/(s?mm?K)）

?T/?n為溫度梯度（K/mm）一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，其余依次為固體非金屬、液體、氣體。三、對流傳熱定律由牛頓定律，對于與流動的氣體或液體接觸的固體表面，其熱流密度qc與對流換熱系數(shù)αc（J/mm?s?K）和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（T-T0）成正比，即

其中：T—固體表面溫度；T0—氣體或液體溫度。四、輻射傳熱定律根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律：受熱物體單位時間內(nèi)單位面積上的輻射熱量，即其熱流密度qr與其表面溫度為4次方成正比:

其中：C0=5.67×10-14（J/mm2?s?K），適用于絕對黑體；ε＜1為黑度系數(shù)（吸收率）。對于拋光后的金屬表面，ε

=0.2-0.4，對于粗糙、被氧化的鋼材表面，ε

=0.6-0.9，黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內(nèi)，ε=0.90-0.95。四、輻射傳熱定律在焊接條件下，相對比較小的物體（溫度為T）在相對較寬闊的環(huán)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(fā)生的熱量損失按下式計算：

作為上式的線性化近似：其中：αr為輻射換熱系數(shù)（J/mm2?s?K），其在很大程度上取決于T和T0<200-300℃，對流為主；800℃時，輻射占80%五、導(dǎo)熱微分方程對于均勻且各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，并且其材料特征值與溫度無關(guān)時，在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，可得到下面的熱傳導(dǎo)微分方程式：其中：

λ--熱傳導(dǎo)系數(shù)[J/mm?s?K]；c--質(zhì)量比熱容[J/g?K]；ρ--密度[g/mm3]；Qv--單位體積逸出或消耗的熱能；?Qv/?t—內(nèi)熱源強(qiáng)度。定義熱擴(kuò)散系數(shù)a=λ/cρ，并引入拉普拉斯算子，則上式簡化為

六、初始條件和邊界條件（1）初始條件

（2）邊界條件第一類邊界條件已知邊界上的溫度值，即

第二類邊界條件已知邊界上的熱流密度分布，即

第三類邊界條件已知邊界上物體與周圍介質(zhì)間的熱交換，即表面換熱系數(shù)當(dāng)邊界與外界無熱交換(即絕熱條件)時，T/n=02.2.2焊接溫度場的解析分析焊接溫度場的幾何模型焊接熱源模型----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：將熱源看成是沿板厚方向的一條線，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，可模擬電極端面或磨擦焊接時的加熱，認(rèn)為熱量在桿截面上均勻分布，此時只沿一個方向傳熱。當(dāng)計算點遠(yuǎn)離熱源時，用集中熱源的簡化是成功的，但在接近熱源區(qū)域則很難模擬正態(tài)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(tài)度分布的表面熱源，即假設(shè)熱量按概率分析中的高斯正態(tài)分布函數(shù)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(shù)[1/mm2]；

r—圓形熱源內(nèi)某點與中心的距離。前半部分橢球內(nèi)熱源分布為后半部分橢球內(nèi)熱源分布為雙橢球形熱源形態(tài)雙橢球熱源一、焊接溫度場計算的基本方程為使問題簡化，須作如下假設(shè)：（1）在焊接過程中，熱物理參數(shù)是常數(shù)，不隨溫度而改變；（2）不考慮熔化、結(jié)晶、相變過程的熱效應(yīng)對傳熱過程的影響；（3）焊件的初始溫度分布均勻，并且不考慮焊件周圍介質(zhì)間的熱交換過程；（4）焊件具有無限大邊界尺寸；（5）熱源是點狀、線狀或面狀集中熱源。為考慮熱源的移動，引入動坐標(biāo)，動坐標(biāo)和靜坐標(biāo)的關(guān)系為

不考慮內(nèi)熱源，動坐標(biāo)系中的導(dǎo)熱微分方程移動點熱源周圍的溫度場形狀不隨時間而變化，即?T/

?t=0，則得到等速移動焊接溫度場的微分方程

二、焊接溫度場計算的基本公式（1）移動點熱源的溫度場對于移動點狀熱源半無限體三維傳熱情況，求解等速移動焊接溫度場的微分方程得式中，R—半無限體上任意點與移動熱源的距離（mm）a=λ/cρ為熱擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）移動熱源運動軸線上的熱源后方各點（y=0，z=0，ξ=-R）的溫度分布為移動熱源運動軸線上的熱源前方各點（y=0，z=0，ξ=R）的溫度分布為熱源移動速度越大，熱源前方的溫度下降越急劇移動熱源中心的橫向（ξ=0）溫度分布為半無限體上的移動點熱源周圍的溫度分布圖（2）移動線熱源的溫度場厚度為h的無限平板上做勻速直線移動的線狀熱源（厚度方向的熱功率為Φ/h），距移動熱源r處的溫度分布為

式中，h—板厚（mm）；r—所考慮點到熱源的距離（mm），；K0

—第一類貝塞爾函數(shù)；b—散熱系數(shù)，無限板上的移動線熱源周圍的溫度場相同熱功率和熱源移動速度條件下，不同材料平板上移動線熱源周圍的溫度場（3）面熱源對作用于無限長桿件（桿的橫截面周長為P，面積為A）的勻速移動的面狀熱源（速度為v，單位面積上的熱功率為Φ/A），距移動熱源x出（x>0，在熱源前方；x<0，在熱源后方）的溫度分布為在x=0處的最高溫度為（4）快速移動熱源半無限體上作用的快速移動點熱源的溫度分布為式中，無限板上作用的快速移動線熱源的溫度分布為對于低碳鋼焊接，焊接速度大于36m/h，就可以應(yīng)用高速移動熱源計算公式2.2.3焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)：在連續(xù)移動熱源焊接溫度場中，焊接區(qū)某點所經(jīng)受的急劇加熱和冷卻的過程。特點：加熱速度快、溫度高（在熔合線附近接近母材的熔點）、高溫停留時間短和冷卻速度快等（1）加熱速度（2）加熱最高溫度半無限體上作用的移動點熱源后方附近各點的最高加熱溫度為無限板上作用的移動線熱源后方附近各點的最高加熱溫度為（3）高溫停留時間

高溫停留時間是指在相變點溫度以上停留的時間。（4）瞬時冷卻速度半無限體上作用的快速移動點熱源焊縫上的冷卻速度