1焊接物理冶金 概论

第1章

焊接物理冶金概论

本章内容 焊接物理冶金研究的内容及方法

焊接温度场与热循环 焊接应力与应变 学习本课程的目的和要求

一、焊接物理冶金研究的内容及方法1. 研究内容焊接冶金所研究的内容包括焊接所经历的各个

过程：焊接传热过程、焊接化学冶金过程、金属的结晶和相变过程。

焊接冶金

焊接化学冶金 焊接物理冶金

焊接化学冶金：研究熔化金属、熔渣、气相之 间的化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱 氧、脱硫、脱磷、掺合金、除氢等 焊接物理冶金：研究焊接加热和冷却过程中所 发生的物理冶金现象及其变化规律，如熔化、 凝固、相变、扩散、偏析、夹杂、气孔、裂纹、 脆化、断裂等。

焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终，可以说一 切焊接冶金过程都是在热过程中发生和发展的。

2. 研究方法 实验方法：实验条件、设备、目的，检测手段等 理论方法：解析法(简化、假设) 数值分析：差分法、有限元法等 数学：数据处理、数学模型 关注和运用新成果，如分形理论 计算机：数据、图表、图片的分析与处理

二、焊接温度场与热循环1. 焊接温度场

温度场基本概念 热传导过程基本方程 温度场的求解方法

焊接温度场的一般特征影响焊接温度场的因素

温度场基本概念

不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场：

T f x, y, z, t

稳定温度场： 不随时间而变的温度场(即温度只是坐标的函数):

T f x, y, z

等温面：空间具有相同温度点的组合面。 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交 线。

温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或 等温线某法线方向的温度变化率。温度梯 度越大，图形上反映为等温面(或等温线)

越密集。

热传导基本方程

三维傅里叶热传导微分方程为： T t c 2T 2T 2T x 2 y 2 z 2 a 2T

式中: a

—— 导温系数，

a

c

;

2 —— 拉普拉斯运算符号。 2T T 2T 上式表示给定点的温度变化速度同拉普拉斯运算符成比例， 二维传热： a x 2 y 2 t 换言之，在某时刻t,物体上给定点(x,y,z)附近的温度分 布越不均匀，则该点的温度变化越快。导热的结果，温度不 T 2T a 一维传热： t x 2 均匀性将逐渐减小，温度变化速度也要降低。

对具体热场用上述微分方程进行求解时，

需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。

初始条件： 初始条

件是指物体开始导热 时(即 t = 0 时)的瞬时温度分布。 边界条件： 边界条件是指导热体表面与 周围介质间的热交换情况。

常见的边界条件有三类：

第一类边界条件： 给定物体表面温度随时间的变 化关系 Tw f (t ) 第二类边界条件： 给出通过物体表面的比热流随 T 时间的变化关系 q x, y , z , t n

第三类边界条件： 给出物体周围介质温度以及物 体表面与周围介质的换热系数 T = n

Tw T f

第三类边界条件最为常见。

温度场的求解方法

解析法

数值方法

解析法

解析法是直接应用现有的数学理论和定律去 推导和演绎数学方程(或模型),得到用函 数形式表示的解，也就是解析解。 优点：物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于 直观分析各参数变化对温度高低的影响。

缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到

不同程度的影响。

数值方法

数值方法又叫数值分析法，是用计算机程

序来求解数学模型的近似解(数值解),又称为数值模拟或计算机模拟。

差分法:

差分法是把原来求解物体内随空间、时间连

续分布的温度问题，转化为求在时间域和空间域内有限

个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代 替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为 未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。

数值方法

有限元法：根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。

解题步骤：先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原

理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体

合成矩阵。

焊接温度场的一般特征

移动热源焊接过程中，焊件上各点温度随时间 及空间而变化(不稳定温度场),但经过一段 时间后，达到准稳定状态(移动热源周围的温 度场不随时间改变)。若建立与热源移动速度相同并取热源作用点为坐标原 点的动坐标系，则动坐标系 中各点的温度不随时间而变

为了研究方便，一般按照焊件的几何特征 将焊件温度场简化为三种类型。

无限大薄板，线状热源

半无限大物体，点状热源

无限大长杆，面状热源

半无限大物体表面受瞬时、固定 热源作用时温度场的解析解为：2q t r2 T ( r , t ) T0 exp( ) 3/ 2 4at c ( 4 at)

y

O

x

z

P

厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场

以热源作用点为动坐标原点建立三维移动坐标系，

在达到极限饱和状态后，焊接温度场

Tsp

q vx Rv exp 2 R 2a 2a