第二章材料成型热过程

1、第二章第二章 材料成型热过程材料成型热过程2.1：焊接过程的基本特点焊接过程的基本特点1：小熔池熔炼与铸造（集中性）。：小熔池熔炼与铸造（集中性）。2：时间短（加热与冷却快），温度高（瞬时性）。：时间短（加热与冷却快），温度高（瞬时性）。3：热源移动（运动性）。：热源移动（运动性）。4：氧化、脱碳、合金化综合过程：氧化、脱碳、合金化综合过程集中性、集中性、瞬时性、运动性瞬时性、运动性2.2、焊接过程热效率与焊件热能分布、焊接过程热效率与焊件热能分布：电弧焊：电弧焊热效率热效率 如下表比较如下表比较1：焊接过程热效率焊接过程热效率UIP 0P0电弧功率电弧功率。P焊件获得有效功率焊件获得有效功率

2、。有效系数有效系数。还原。还原 如书上图如书上图2-1UIPP0厚皮焊条厚皮焊条 2.2、焊接过程热效率与焊件热能分布、焊接过程热效率与焊件热能分布：电渣焊、电子束焊与激光焊热效率电渣焊、电子束焊与激光焊热效率电子束焊电子束焊电渣焊电渣焊电渣焊热效率达电渣焊热效率达80%。电子束焊热效率高，电子束焊热效率高，一般一般达达90% ？激光焊热效率偏低，激光焊热效率偏低，一般一般710% ？2.2、焊接过程热效率与焊件热能分布、焊接过程热效率与焊件热能分布：活性光斑：活性光斑?2：焊件上热能分布焊件上热能分布 热能传递通过焊件上一定面积（电弧焊光斑）热能传递通过焊件上一定面积（电弧焊光斑）来实现。来

3、实现。 ：加热光斑：加热光斑?带电质点（电子、离子）轰击区域带电质点（电子、离子）轰击区域由弧柱辐射与介质对流传热区域由弧柱辐射与介质对流传热区域2.2、焊接过程热效率与焊件热能分布、焊接过程热效率与焊件热能分布 热能分布与热能分布与U、j关系关系？j不变不变热斑中心与热斑中心与边缘热量差边缘热量差UU不变不变热斑中心与热斑中心与边缘热量差边缘热量差j热能分布热能分布2.2、焊接过程热效率与焊件热能分布、焊接过程热效率与焊件热能分布 加热光斑加热光斑上上比热流比热流q 单位时间通过单位面积进单位时间通过单位面积进入焊件的热能，单位入焊件的热能，单位J/（cm2.s ）或或W/cm2 。 ：光斑

4、进入工件热量：光斑进入工件热量 加热斑点比热流分布图加热斑点比热流分布图 2)(krmreqqq(r)A点（离光斑中心点距离点（离光斑中心点距离r）比热流比热流。qm中心点最大比热流中心点最大比热流k热能集中系数热能集中系数(1/cm2)2.2、焊接过程热效率与焊件热能分布、焊接过程热效率与焊件热能分布单位时间通过加热斑点进入工件热量单位时间通过加热斑点进入工件热量过程、几何意义过程、几何意义？微元面积图微元面积图drreqdFqQkrmFr0)(22mqkQIUkQkqmQ有效功率有效功率焊接工艺焊接工艺k(1/cm2)埋弧焊埋弧焊6.01厚皮弧焊厚皮弧焊 1.21.4气焊气焊0.170.3

5、9热能集中系热能集中系数数k的影响的影响？2.3 焊接温度场焊接温度场2.3.1、焊接传热基本形式、焊接传热基本形式热传递基本形式热传递基本形式 焊接热传递基本形式为焊接热传递基本形式为辐射、对流传递到工件辐射、对流传递到工件，工件内部以传导形式扩散工件内部以传导形式扩散。基本基本形式形式传导传导对流对流辐射辐射2.3 焊接温度场焊接温度场 还原还原2.3.2、热、热传导传导基本方程基本方程 焊接热过程研究的焊接热过程研究的主要对象主要对象 1、傅里叶（、傅里叶（Fourier）定律）定律 焊件上各点温焊件上各点温度分布及随时间的度分布及随时间的变化规律变化规律。 即温度场及其即温度场及其变化

6、规律变化规律。dndqn热导率（热导率（J/(cm.s.)）qn比热流（比热流（J/(cm2.s)） 温度（温度（）xyzqyqy+ dqyqxqx+ dqxqzqz+ dqzdxdydz2.3 焊接温度场焊接温度场 还原还原 2、热热传导传导微分方程微分方程dydzdtdqdydzdtdqqdydzdtqdQxxxxx 在在x方向方向dt时间内时间内微元内积存热量微元内积存热量dQxdydzdtdqdQxxqn比热流（比热流（J/(cm2.s)）xyzqyqy+ dqyqxqx+ dqxqzqz+ dqzdxdydz2.3 焊接温度场焊接温度场dxxqdqxx 偏微分定义偏微分定义dydzd

7、tdqdQxx则则dxdydzdtyqdQyydxdydzdtzqdQzzdxdydzdtxqdQxx2.3 焊接温度场焊接温度场则总积存热量则总积存热量dQdxdydzdtzqyqxqdQdQdQdQzyxZYx dQ变化引起温变化引起温度变化度变化dxdydzdttcdQc比热容（比热容（J/(g.)）密度（密度（g/(cm3)） 温度（温度（）则则zqyqxqtczyx2.3 焊接温度场焊接温度场还原还原则则zqyqxqtczyx据傅里叶（据傅里叶（Fourier）定律有）定律有dzdqdydqdxdqzyx222222zyxcta热扩散率（热扩散率（cm2/s）表示物体中温度传播速度。

8、表示物体中温度传播速度。ca 热导率与热热导率与热扩散率比较扩散率比较 2 a2.3 焊接温度场焊接温度场 上式为传热基本计算公式（传热微分方程上式为传热基本计算公式（传热微分方程-拉拉氏方程），其物理意义：氏方程），其物理意义：ca 、某时刻物体内某点、某时刻物体内某点温度变化率（速度）与该温度变化率（速度）与该物体性质（物体性质（ c 、 、 、 a ）有关）有关。、 表示物体内温度分布与变化情表示物体内温度分布与变化情况，其值越大温度分布越不均匀，该点温度变化况，其值越大温度分布越不均匀，该点温度变化越快越快。如图。如图zyx2222222222azyxct2.3 焊接温度场焊接温度场

9、上式（微分方程上式（微分方程-拉氏方程）求解方法：拉氏方程）求解方法：2.3.3、焊接温度场数学解析假设焊接温度场数学解析假设 数学分析法数学分析法？ 数值求解法数值求解法？2222222azyxct2.3 焊接温度场焊接温度场 数学分析法假设数学分析法假设 、焊件尺寸假设、焊件尺寸假设 、半无限大物体、半无限大物体 、无限大薄板、无限大薄板 、无限长细杆、无限长细杆焊件尺寸与热源形式焊件尺寸与热源形式 2.3 焊接温度场焊接温度场 数学分析法假设数学分析法假设、焊接热源（对应于焊件形式）、焊接热源（对应于焊件形式） 、点热源、点热源 、线热源、线热源 、面热源、面热源焊件尺寸与热源形式焊件尺

10、寸与热源形式 视为瞬时集中热源视为瞬时集中热源tzyxf,tyxf,txf,2.3 焊接温度场焊接温度场 数学分析法假设数学分析法假设、边界条件、边界条件焊件尺寸与热源形式焊件尺寸与热源形式 物体与周围介质绝热，无热交换。物体与周围介质绝热，无热交换。、热源能量、热源能量输出热量恒定，行进等速。输出热量恒定，行进等速。2.3 焊接温度场焊接温度场、热源作用效果、热源作用效果假设相继瞬时作用，各作用点热源互不干涉假设相继瞬时作用，各作用点热源互不干涉、相变潜热、相变潜热假设无相变潜热及其它热源。假设无相变潜热及其它热源。、材料特性、材料特性假设材料热物理参数如假设材料热物理参数如 、 c、 等恒

11、定等恒定焊件尺寸与热源形式焊件尺寸与热源形式 2.3 焊接温度场焊接温度场P28、2-8式式得得2.3.4、瞬时、瞬时热源传导方程热源传导方程2222222azyxct以瞬时集中热源为例，据传热微分方程以瞬时集中热源为例，据传热微分方程-拉氏方程拉氏方程atrexpatcQntr4422/,如图如图2.3 焊接温度场焊接温度场 还原还原讨论讨论？ 1、瞬时点热源讨论、瞬时点热源讨论n=3atrexpatcQtr44222/3,如图如图如书上如书上图图2-9 r=0, t=0, ?(击击) t0，按按t3/2规律降低，先快后慢。规律降低，先快后慢。 r 0, t=0, 均为均为0，随后，随后，温

12、度先升后降。温度先升后降。0dxdydzdxdydzcQ222zyxr2.3 焊接温度场焊接温度场求峰值温度求峰值温度-学生试作学生试作？atrexpatcQtr44222/3,如图如图如书上图如书上图2-9044424432222/322/3,atrexpatratcQatrexptatcQttrartm62则则 32/3max322recQr讨论讨论？2.3 焊接温度场焊接温度场 还原还原同理同理 2、瞬时线热源讨论、瞬时线热源讨论n=2如图如图如书上如书上图图2-9atrexpatcQntr4422/,atrexpatchQtr44/2,0,ttrartm42则则 2max/erchQr

13、讨论讨论？22yxr求峰值温度求峰值温度2.3 焊接温度场焊接温度场 还原还原同理同理 3、瞬时面热源讨论、瞬时面热源讨论n=1如图如图如书上如书上图图2-9atrexpatcQntr4422/,atxexpatcAQtx44/22/1,0,ttraxtm22则则 2/1max2/xecAQr讨论讨论？书误？书误2.3 焊接温度场焊接温度场 1、瞬时点热源讨论、瞬时点热源讨论n=3atrexpatcQntr4422/,峰值温度峰值温度时间点时间点？ 32/3max322recQrartm62 2、瞬时线热源讨论、瞬时线热源讨论n=2artm42 2max/erchQr 3、瞬时面热源讨论、瞬时

14、面热源讨论n=1axtm22 2/1max2/xecAQr峰值温度峰值温度？如书上如书上图图2-92.3 焊接温度场焊接温度场 在上述推导中按假设均未考虑表面散热问在上述推导中按假设均未考虑表面散热问题实践表明，题实践表明，忽略散热，误差不大忽略散热，误差不大2.3 焊接温度场焊接温度场2.3.5、电弧焊温度场与数学模型（动态热源）、电弧焊温度场与数学模型（动态热源） 1、厚板（半无限大物体）堆焊温度场讨论、厚板（半无限大物体）堆焊温度场讨论 、热源正常匀速移动、热源正常匀速移动v速度（速度（cm/s)q热源能量（热源能量（J/s）0 初始温度（初始温度（）（x0,y0,z0）p点当点当下温度

15、（下温度（） 还原还原ttarexpttactqdttzyxd442),(22/3000如图如图来历（来历（2-12式）式）？令令 得得2.3 焊接温度场焊接温度场 还原还原ttt 2222t vtxvrr 来历来历？如图如图 t at vrexpavxexpt actqdtzyxd44242),(222/3000点温度变化时间段，到从pttt0 ttttzyxd00000),(上页上页2.3 焊接温度场焊接温度场 ttttzyxd00000),(t dt at vrexpavxexpt acqt 0222/34242t dt at vt arexpt1avxexpacqt3/2 0222/3

16、44242。；，；，从从t dt dtttttt 00上页上页ttt 如图如图2.3 焊接温度场焊接温度场t datvt arexpt1avxexpacqt3/2 0222/344242.42,4,43222dart dt arart 设dar4aravexpr4aavxexpacqatr23/22324/22222/324242d4aravexpra4avxexpacqatr24/2222/342422.3 焊接温度场焊接温度场d1avrexpavxexprqatr4/2222/342d4aravexpra4avxexpacqatr24/2222/34242，则则令令kavr4/dkexpa

17、vxexprqatr24/222/32ac2.3 焊接温度场焊接温度场04/atrt，则则传传热热极极限限饱饱和和后后，及及dkexpavxexprqatr24/222/32dkexpavxexprq20222/32有有超超越越函函数数2kexp22dkexp2022 kavxexprqr22222/32.3 焊接温度场焊接温度场 kavxexprqr22222/3厚板、匀速热源厚板、匀速热源 rx2av-exprqr2/322 上式是一个比较实用公式。分析书上图上式是一个比较实用公式。分析书上图？ p34、图、图2-11如图如图avrk4/温度场分布图温度场分布图2.3 焊接温度场焊接温度场

18、 还原还原 、热源高速移、热源高速移动近似解动近似解如速度对等温线影响图如速度对等温线影响图 分析书上图分析书上图？ p36、2-12 2-14。输入一定焊速对等温线影响图输入一定焊速对等温线影响图高速运动点热源模型高速运动点热源模型 如高速运动点热源模型（线热源），温度场如高速运动点热源模型（线热源），温度场为：为：atrexptvqtr42/2,22yxr适于焊缝附近温度场适于焊缝附近温度场atrexpatchQtr44/2,来历来历？2.3 焊接温度场焊接温度场 2、薄板熔透对接焊温度场讨论、薄板熔透对接焊温度场讨论（热源高速移动）（热源高速移动）如图如图来历（来历（2-26式）式）？近

19、似解（近似解（面热源面热源）如面热源温度场如面热源温度场2-18式式atyexpatchEatyexpatcAQty42/44/22/122/1, E=q/v2.3 焊接温度场焊接温度场 2、薄板熔透对接焊温度场讨论、薄板熔透对接焊温度场讨论（热源高速移动）（热源高速移动）近似解（近似解（面热源面热源）atyexpatchEty42/22/1, 式中式中t计算起点是从热源到达计算起点是从热源到达 所求点所求点p所在截所在截面时才开始。面时才开始。如图如图2.3 焊接温度场焊接温度场2.3.6、影响弧焊温度场的因素、影响弧焊温度场的因素 1、热源性质、热源性质 书上关于板厚与工艺书上关于板厚与工

20、艺 电渣焊电渣焊 线热源线热源如书上图如书上图2-16a如图如图 2、工艺参数、工艺参数 、焊接速度、焊接速度如书上图如书上图2-16b如图如图 、热源能量、热源能量2.3 焊接温度场焊接温度场 3、被焊金属、被焊金属热物理性质热物理性质如书上图如书上图2-16c如图如图 、恒输入、（、恒输入、（E不变同时增减不变同时增减q、v） 被焊金属热物理性质对焊接的影响，如书上被焊金属热物理性质对焊接的影响，如书上图图2-18；2-4表表。2.3 焊接温度场焊接温度场 厚板厚板结构结构热源可视作热源可视作点热源点热源（低碳钢大于低碳钢大于25mm，不锈钢大于不锈钢大于20mm，铜大于铜大于？mm ）。

21、）。 4、焊件板厚与形状、焊件板厚与形状 、 厚板结构厚板结构 薄板薄板结构结构热源可视作热源可视作线热源线热源（低碳钢小于低碳钢小于8mm，不锈钢小于不锈钢小于5mm）。如书上图）。如书上图2-19、 薄板结构薄板结构2.3 焊接温度场焊接温度场 接头形式的影响如书上图接头形式的影响如书上图2-20、 接头形式接头形式2.4 焊接热循环焊接热循环2.4.1、焊接热循环概念焊接热循环概念 随热源移动，焊件上每一点温度都要经过由低随热源移动，焊件上每一点温度都要经过由低到高，再由高到低的过程，这一过程叫到高，再由高到低的过程，这一过程叫焊接热循环焊接热循环。如书上图如书上图2-212.4 焊接热

22、循环焊接热循环2.4.2、焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数关于求导法关于求导法？，参看书上表参看书上表2-5 如点热源如点热源如图如图、 vh加热速度。加热速度。峰值温度影响因素，其对焊接质量的影响峰值温度影响因素，其对焊接质量的影响？、 max 峰值温度。峰值温度。 如厚板高速热源如厚板高速热源2.4 焊接热循环焊接热循环 f2、 f3点、线热源的修正系数（点、线热源的修正系数（f2 、 f3 按图按图2-23查。其对焊接质量的影响查。其对焊接质量的影响？如图如图、 tH 高温停留时间。高温停留时间。0max3EftH点热源：20max22/chEftH线热源：0max0p2.4 焊

23、接热循环焊接热循环如图如图、 vc冷却速度。冷却速度。atrexptvqtr42/2,atyexpatchEty42/22/1,2-25;2-26式式令令r 、 y=0，再求某，再求某温度温度 下下tc。高速面热源高速面热源高速点热源高速点热源tvqtr2/,2/1,2/atchEtyc2.4 焊接热循环焊接热循环ccEt2222/cccahEt 在在tc 偏导，即偏导，即vc。高速面热源高速面热源高速点热源高速点热源tEtr2,2/1,2/atchEtytytr,、EtEvtccctttrc22,22232/32/1,/24/hEctachEvccctttyc高速面热源高速面热源高速点热源高

24、速点热源2.4 焊接热循环焊接热循环如图如图Evtcctttrc2,223,/2hEcvcctttyc高速面热源高速面热源高速点热源高速点热源如初始温度为如初始温度为0 ，EtEvccc202222302/32/1/24/hEctachEvcc高速面热源高速面热源高速点热源高速点热源2.4 焊接热循环焊接热循环EtEvccc202222302/32/1/24/hEctachEvcc高速面热源高速面热源高速点热源高速点热源 、上式可知，、上式可知，瞬时冷却速度瞬时冷却速度vc与与E 、 、 c 、 有关。有关。 、由于涉及因素较多，、由于涉及因素较多，上式误差较大（与上式误差较大（与实际）。实际

25、）。 、瞬时冷却速度、瞬时冷却速度vc重要性重要性？2.4 焊接热循环焊接热循环 关于关于t8/5 、 t8/3 、 t100的应用的应用？如图如图、 tc（t8/5 、 t8/3 、 t100）冷却时间。冷却时间。淬火倾向淬火倾向02ccEt2024/ccchEt高速面热源高速面热源高速点热源高速点热源 关于关于t8/5 、 t8/3 、 t100计算并考虑初始温度的影响计算并考虑初始温度的影响2.4 焊接热循环焊接热循环012ccEmt20224/ccchEmt高速面热源高速面热源高速点热源高速点热源 考虑考虑r 、 y=0 的影响，引入修正系数。的影响，引入修正系数。 关于关于t8/5

26、、 t8/3 、 t100的计算参看书上式的计算参看书上式2-41、2-42。另查表（图）法如下。另查表（图）法如下？2.4 焊接热循环焊接热循环 碳钢：知碳钢：知E 、 h 、 求室温（预热）求室温（预热）t8/5 ？ 图图2-24a 高合金钢：知高合金钢：知0 、 h 、 E求预热求预热 t8/3 ？图图2-24b 高合金钢：知高合金钢：知0 、 h 、 E求预热求预热 t100 ？图图2-250 、 hA+Et8/3 碳钢、低合金钢：求碳钢、低合金钢：求t8/5。高合金（高淬透性）钢：。高合金（高淬透性）钢：求求t8/3 、t100 ？ 如图如图2.4 焊接热循环焊接热循环2.4.3、影

27、响、影响焊接热循环的因素焊接热循环的因素 E 对对max 、 tH 、 tc的的影响。影响。如书上图如书上图2-262-281、 焊接热输入焊接热输入E的的影响影响。2、 预热温度预热温度0的的影响影响。如书上图。如书上图2-29Emax 、 tH 、 tc0tH 、 tc2.4 焊接热循环焊接热循环 h 、 b对对tc的的影响。影响。如书上图如书上图2-303、 焊件形状、尺寸的焊件形状、尺寸的影响影响。如图如图 接头形式对接头形式对t8/5的的影响影响？ 如书上如书上图图2-32有误有误t8/5v20=15，t8/5L20=5（非非书上书上1.5倍倍）。）。4、 接头形接头形式的式的影响影

28、响。焊接热循环图焊接热循环图h 、 btc2.4 焊接热循环焊接热循环焊道长度对冷却速度焊道长度对冷却速度vc的的影响影响。 如书上图如书上图2-335、 焊道长度的焊道长度的影响影响。 钢板垫、石棉垫、石棉覆盖对冷却过程钢板垫、石棉垫、石棉覆盖对冷却过程的的影响。影响。如书上图如书上图2-346、 冷却条件的冷却条件的影响影响。Lvc2.4 焊接热循环焊接热循环2.4.4、多层焊的多层焊的热循环热循环长段多层焊热循环图长段多层焊热循环图1、 长段长段多层焊的多层焊的热循环热循环。如多层多道焊示意图如多层多道焊示意图多层焊含义，分析热循环多层焊含义，分析热循环近焊缝近焊缝4点热循环点热循环示意

29、图示意图2、 短段短段多层焊的多层焊的热循环热循环。近焊缝近焊缝1点热循环点热循环示意图示意图分析热循环。分析热循环。2.4 焊接热循环焊接热循环 关于多层焊的关于多层焊的热循环理论计算与实际比较热循环理论计算与实际比较吻合吻合。如书上埋弧焊如书上埋弧焊热循环实测与理论计算比较热循环实测与理论计算比较图图2-37、2-38。埋弧焊埋弧焊 结论：结论：理论计算与实测比较吻合，并随计理论计算与实测比较吻合，并随计算机的发展与运用，不断算机的发展与运用，不断松弛理论计算假设松弛理论计算假设，更接近实际更接近实际。2.5 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能 焊缝区：焊接熔池冷凝后焊缝区：

30、焊接熔池冷凝后形成的焊缝金相组织区域。形成的焊缝金相组织区域。熔化焊熔化焊接头接头焊缝区焊缝区热影热影响区响区 热影响区：焊缝周围受到焊接热作用而发生组织和热影响区：焊缝周围受到焊接热作用而发生组织和性能变化（未熔化或半熔化状态）的那部分金属。性能变化（未熔化或半熔化状态）的那部分金属。2.5 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能2.5.1、焊接热影响区组织转变特点焊接热影响区组织转变特点1、 相变温度提高相变温度提高。如碳钢如碳钢临界转变温度临界转变温度 2、 易产生偏析易产生偏析性能分散如书上图性能分散如书上图2-39。3、 晶粒变化晶粒变化。如如熔化焊接头熔化焊接头vc =

31、300/s； 900，t=3s时硬度分散时硬度分散450HV 。 vc = 7/s； 900，t=100s时硬度分散时硬度分散200HV 2.5 焊接热影响区的组织与性能焊接热影响区的组织与性能2.5.2、焊后冷却组织转变焊后冷却组织转变1、焊后连续冷却组织转变焊后连续冷却组织转变如图如图 碳钢焊接连续冷却曲线右移碳钢焊接连续冷却曲线右移? 合金钢焊接连续冷合金钢焊接连续冷却曲线左移却曲线左移? 如图如图 奥氏体的高中温转变奥氏体的高中温转变 2、热影响区组织与性能变化热影响区组织与性能变化 溶合区、过热区、相变重结晶区（正火区）、不溶合区、过热区、相变重结晶区（正火区）、不完全重结晶区（部分

32、相变区）。完全重结晶区（部分相变区）。2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热2.6.1、液态成型温度场概念液态成型温度场概念如图如图 液态浇注后，知道铸件温度场随时间变化，液态浇注后，知道铸件温度场随时间变化，便可采取适当措施使之向有利于提高产品质量，便可采取适当措施使之向有利于提高产品质量，防止废品方向发展。防止废品方向发展。2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热一、一、液态成型温度场概念的数学模拟液态成型温度场概念的数学模拟1、凝固过程凝固过程温度场温度场微分方程微分方程 液态成型冷却过程复杂，液固相共存；金属液态成型冷却过程复杂，液固相共存；金属液流动呈紊流状态（液流动呈紊流状态（雷

33、诺数雷诺数 ）。）。2300RedRet , z , y, xf222222zyxat液态成型温度场液态成型温度场温度场微分方程温度场微分方程还原还原 P28,2-8式式2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热2、数学解析假设条件数学解析假设条件、液体结晶温度、液体结晶温度范围小范围小（恒温结晶）。（恒温结晶）。、忽略潜热。、忽略潜热。、热物理参数不变、热物理参数不变、铸件与铸型接触良好，传热方式为热传导。、铸件与铸型接触良好，传热方式为热传导。22221111,c ,a;,c ,a如图如图 2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热3、半无限大圆柱体温度场概念的数学模型半无限大圆柱体温度场概念

34、的数学模型 假设半无限大圆柱体，砂型、铸件均质、合假设半无限大圆柱体，砂型、铸件均质、合金已充满型腔并停止流动。铸件与砂型初始温度金已充满型腔并停止流动。铸件与砂型初始温度为为10、20 。则则如图如图 0z;0y222222xat原式原式 2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热其通解为其通解为22xat高斯误高斯误差函数差函数at2xerf.DC边界条件边界条件iiCtx，得，得，、2100101010iDxt。得得、，有铸件有铸件温度场温度场ta2xerf.110ii1还原还原如图如图 初始条件初始条件、对铸件、对铸件2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热iiCtx，得，得，、1200

35、iDxt202020。得得、，铸型温铸型温度场度场ta2xerf.2i20i2at2xerf.DC如图如图 边界条件边界条件初始条件初始条件高斯误高斯误差函数差函数、对铸型、对铸型2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热铸件温度场铸件温度场据热流连续性，据热流连续性，有：有：傅里叶定律傅里叶定律2qq10 x220 x11xxtax110i0 x1过程过程？同理同理tax2i200 x2则则？tata2i202110i121202101ibbbb1111cb2222cb还原还原2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热21202101ibbbb1111cb2222cb铸件温铸件温度场度场？ta2

36、xerf.bbbbbbb型温铸型温度场度场taxerfbbbbbbbb2211012012120210122.上式上式书上有误书上有误 高斯函数高斯函数 如图如图 蓄热系数蓄热系数还原还原铸件铸型铸件铸型温度场温度场2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热二、二、用测温法测定温度场用测温法测定温度场如书上图如书上图2-46,p66 按图讲解：图按图讲解：图2-46b、d图。类似材料图。类似材料C曲线绘制曲线绘制。结论结论 此凝固温度场数学解析法此凝固温度场数学解析法得式得式误差误差大，（尤其非特定形状）实用价值不大。大，（尤其非特定形状）实用价值不大。测

37、温法测定温度场直观、可靠，但测试测温法测定温度场直观、可靠，但测试难度大，甚至有些地方不可能。难度大，甚至有些地方不可能。2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热2.6.2、铸件凝固时间计算铸件凝固时间计算 铸件凝固时间铸件凝固时间:冲型完毕到凝固完成所需时间。冲型完毕到凝固完成所需时间。 铸件凝固速度铸件凝固速度:单位时间凝固层增加厚度值。单位时间凝固层增加厚度值。1、铸件凝固时间铸件凝固时间 t 理论计算法（无限理论计算法（无限大平板铸件大平板铸件）同半无限大同半无限大圆柱体铸型圆柱体铸型温度场温度场ta2xerf.2i20i22.6 液态成型过程传热液态成型过程传热求铸型温度在求铸型温度

38、在x=0处偏导处偏导tax2i200 x2tbtaxqiix20222020222流入铸型比流入铸型比热流（热流（J/cm2.s）tbdttbQiti202020222铸型吸热铸型吸热 （J/cm2）如上式如上式积分积分2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热如图如图 AtbAQQi.2.20222铸型总吸铸型总吸热热 （J）铸件放总铸件放总热（热（J）s101111cHVQs 铸件固相线温度铸件固相线温度还原还原H铸件结晶潜热（铸件结晶潜热（J/g）sicHVAtb10111202.2据热平衡据热平衡2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热 还原还原无限大平板铸件无限大平板铸件铸件凝固时间铸

39、件凝固时间20is101211cHAb2Vt结论结论 此铸件凝固时间数学解析法得式误差此铸件凝固时间数学解析法得式误差大，（尤其非特定形状）实用价值不大大，（尤其非特定形状）实用价值不大sicHVAtb10111202.22.6 液态成型过程传热液态成型过程传热2、经经验计算法（半无限经经验计算法（半无限大平板铸件大平板铸件）tbdttbQiti2020202220t 铸型吸热铸型吸热 （J/cm2）0t 铸件放总热铸件放总热（J/cm2）s10111cHQ如上式如上式0t 平板平板凝固厚度凝固厚度tktcHb2s101120i22.6 液态成型过程传热液态成型过程传热 还原还原tktcHb2

40、s101120i222kt结论结论 著名著名平方根定律平方根定律，铸件凝固时间与凝，铸件凝固时间与凝固厚度的平方成正比，尤其适合于大平固厚度的平方成正比，尤其适合于大平板、结晶板、结晶范围小范围小的合金铸件。的合金铸件。k凝固系数，可实验凝固系数，可实验求得求得？参看表参看表2-92.6 液态成型过程传热液态成型过程传热3、折算厚度法（无限大平板铸件）折算厚度法（无限大平板铸件）平方根平方根定律定律无限大平板铸件无限大平板铸件铸件凝固时间铸件凝固时间20is101211cHAb2VtkRcHb2AVts101120i21折折算算厚厚度度或或凝凝固固模模数数令令、 RAV122kRt 2.6 液

41、态成型过程传热液态成型过程传热22kRt 结论结论 折算厚度法考虑了铸件形状影响主因折算厚度法考虑了铸件形状影响主因,更更接近实际接近实际,是平方根定律的修正和发展。是平方根定律的修正和发展。折折算算厚厚度度或或凝凝固固模模数数 RAV122kt平方根定律平方根定律2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热2.6.3、典型、典型铸件温度分布特点铸件温度分布特点1、绝热铸型中凝固的温度分布绝热铸型中凝固的温度分布 如图如图 绝热铸型绝热铸型砂型、石膏型、陶瓷型、熔模精密砂型、石膏型、陶瓷型、熔模精密铸型等。铸型等。2、金属铸型中凝固的温度分布金属铸型中凝固的温度分布 如图如图 绝热界面绝热界面较薄

42、铸件在金属铸型与铸件较薄铸件在金属铸型与铸件界面涂界面涂有防火涂料有防火涂料铸型中铸造。铸型中铸造。2.6 液态成型过程传热液态成型过程传热3、厚壁金属型中凝固的温度分布厚壁金属型中凝固的温度分布 如图如图 界面绝热涂层较薄界面绝热涂层较薄厚壁金属型、铸件热阻都厚壁金属型、铸件热阻都不可忽略。不可忽略。4、水冷壁、水冷壁金属铸型中凝固的温度分布金属铸型中凝固的温度分布 如图如图 凝固热阻以凝固热阻以凝固层热阻为主凝固层热阻为主界面绝热涂热阻忽略界面绝热涂热阻忽略 参看表参看表2-10、铸铁与铸型热物理参量。、铸铁与铸型热物理参量。本章结束本章结束请认真复习并做完作业请认真复习并做完作业P71：

43、1、2、3、5、6焊接热源特性焊接热源特性 还原还原热源热源最小加热面最小加热面积积cm2最大功率密度最大功率密度W/cm2正常焊接规范正常焊接规范下温度下温度乙炔火焰乙炔火焰金属极电弧金属极电弧钨极氩弧钨极氩弧TiG埋弧自动焊埋弧自动焊电渣焊电渣焊10-210-310-310-310-32 1021 104 1.5 1042 1041 10432006000K8000K6400K2000熔化极氩弧熔化极氩弧MiGCO2气体保护焊气体保护焊10-4104 105等离子弧等离子弧电子束电子束激光激光10-510-710-81.5 1051 107107 10918000K 24000K不同焊接焊

44、接方法不同焊接焊接方法值值 还原还原焊焊接接方方法法电弧电弧焊焊厚皮厚皮焊条焊条电弧电弧焊焊埋弧焊埋弧焊 钨极氩弧焊钨极氩弧焊熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊交流交流直流直流钢钢铝铝0.50.650.770.870.770.990.680.850.780.850.660.690.700.85埋弧焊埋弧焊埋弧焊示意图埋弧焊示意图 还原还原厚皮焊厚皮焊电渣焊（丝极）示意图电渣焊（丝极）示意图 还原还原10引出板10引入板8成型铜板5焊缝6熔池4渣池3焊丝2导电嘴1焊件7引弧板9热量分配见书上图热量分配见书上图2-2真空电子束焊接示意图真空电子束焊接示意图 还原还原灯 丝阴 极阳 极聚 焦 电 磁 透 镜工

45、 件电 子 束交 流 电 源直 流 电 源直 流 高 压 电 源排 气 装 置真 空 室+偏 转 线 圈厚皮焊条电弧热功率的分配厚皮焊条电弧热功率的分配 还原还原损失于周围介质损失于周围介质中中 20% 20%飞溅损失飞溅损失 5% 5%熔滴过渡热量熔滴过渡热量2525厚皮电弧焊（I=150-250A；U=35V）厚皮电弧焊（I=150-250A；U=35V）电弧有效热功率基体金属收热量焊条金属收热量电弧全部热功率埋弧焊热功率的分配埋弧焊热功率的分配 还原还原熔熔化化焊焊剂剂热热量量 1 18 8% %飞飞溅溅损损失失 1 1% %埋埋弧弧焊焊（I I= =1 10 00 00 0A A；U

46、U= =3 36 6V V；v=36m/h）电弧有效热功率基体金属收热量熔滴过渡热量电弧全部热功率焊件上热能分布焊件上热能分布 还原还原q (r )jr加 热 光 斑活 性 光 斑dAdH焊件上热能分布焊件上热能分布 还原还原q (r )jr加 热 光 斑活 性 光 斑dAdH加热斑点比热流分布图加热斑点比热流分布图 还原还原0 xyqrqmq(r)dHA比热流分布积分微元面积图比热流分布积分微元面积图 还原还原0 xyqrqmq(r)dH2)(krmreqq热导率与热扩散率热导率与热扩散率 还原还原a热扩散率（热扩散率（cm2/s）表示物体中温度传播速度。表示物体中温度传播速度。ca 热导率

47、（热导率（J/(cm.s.)）表示表示物体中物体中热量热量传播速度传播速度。热导率与热扩散率热导率与热扩散率 还原还原a热扩散率（热扩散率（cm2/s）表示物体中温度传播速度。表示物体中温度传播速度。ca 热导率（热导率（J/(cm2.s.)）表示表示物体中物体中热量热量传播速度传播速度。焊件尺寸与热源形式焊件尺寸与热源形式yy0z0zxyy0 xxo0oo0oo0焊件尺寸与热源形式焊件尺寸与热源形式 还原还原yy0z0zxyy0 xxo0oo0oo0焊件尺寸与热源形式焊件尺寸与热源形式 还原还原yy0z0zxyy0 xxo0oo0oo0半无限大物体上作用集中热源半无限大物体上作用集中热源 点

48、热源点热源yzxoyxzabcdratrexpatcQntr4422/,R、n、QatrexpatcQntr4422/,热源热源Q/Jnr/cm点点Q=qt1(x2+y2+z2)1/2线线Q/h2(x2+y2)1/2面面Q/A3x线热源线热源面热源面热源yzxoyxzabcdr半无限大物体上作用集中点热源半无限大物体上作用集中点热源 还原还原atrexpatcQtr44222/3,yzxoyxzabcdr半无限大物体上作用集中点热源半无限大物体上作用集中点热源 还原还原atrexpatcQtr44222/3,线热源线热源n 还原还原yxoyxr面热源面热源n 还原还原xo0d x 薄板高速热源

49、薄板高速热源厚板运动点热源厚板运动点热源 还原还原y0z0 x x0o0aocdyzvtx0 xy= y0brp(x,y,z)vz=z0ttarexpttactqdttzyxd442),(22/3000ottvrtvd t v 厚板运动点热源厚板运动点热源 还原还原y0z0 x x0o0aocdyzvt*v(t-t*)vdtvtx0 xyzbrp(x,y,z)vttv2222t vtxvrr t v ro厚板运动点热源厚板运动点热源 还原还原y0z0 x x0o0aocdyzvt*v(t-t*)vdtvtx0 xyzbrp(x,y,z)vttvt v ro。；，；，从从t dt dtttttt

50、 00ttt y0z0 x x0o0aocdyzvt*v(t-t*)vdtvtx0 xyzbrp(x,y,z)vr*o*厚板运动点热源厚板运动点热源 还原还原半无限大物体运动点热源图半无限大物体运动点热源图 还原还原yx(cm)zov半无限大物体运动点热源图半无限大物体运动点热源图 还原还原yx(cm)zov xoy平面温度场 yoz平面温度场x ( c m )31- 1- 2- 302y = 1 c my = 0 c mx ( c m )y1- 1- 2- 3- 4- 501 0 0 01 6 0 07 0 05 0 04 0 023xoy平面温度场 还原还原 yx(cm )zov- 304

51、4 0 08 0 01 2 0 01 6 0 0yzyz = 1 c m3201 5 0 01 0 0 0yoz平面温度场 还原还原 yx(cm )zov焊接速度对焊接速度对1500等温线的影响等温线的影响 还原还原x(cm)y12345-1-2-3-4-5焊焊接接速速度度v对对 等等温温线线形形状状的的影影响响（q=2000J/s）v=0.0cm/sv=0.1cm/sv=0.5cm/sv=5.0cm/s 实物图实物图1500热输入一定（热输入一定（E=q/v=2000J/cm）时焊接速度）时焊接速度对对1500等温线的影响等温线的影响 还原还原x(cm)y1-1-2-3-4-50v=2.0c

52、m/s1.00.50.20.1高速运动点热源模型高速运动点热源模型 2、瞬时线热源讨论、瞬时线热源讨论n=2atrexpatchQtr44/2,22yxr高速运动点热源模型高速运动点热源模型 还原还原y0 x0(cm)z0ovorMKLNMKLNodx=MM=vdtdQ=qdtdQ=2qdtdQ/h=2qdt/dxdQ/h=2q/v薄板高速运动点热源模型薄板高速运动点热源模型 还原还原y0 x0(cm)z0ovorMKLNMKLNoMM=vdtdQ=qdthp 面热源面热源薄板高速运动点热源模型薄板高速运动点热源模型 还原还原y0 x0(cm)z0ovorMKLNMKLNoMM=vdtdQ=q

53、dthp电渣焊（丝极）示意图电渣焊（丝极）示意图 还原还原10引出板10引入板8成型铜板5焊缝6熔池4渣池3焊丝2导电嘴1焊件7引弧板9线热源线热源线热源线热源 还原还原yxoyxr电渣焊电渣焊等温椭圆线变化等温椭圆线变化还原还原 q不变，不变，v增大，同温度等温线包围面积减小，增大，同温度等温线包围面积减小，等温椭圆线变细长。如书上图等温椭圆线变细长。如书上图2-16a v不变，不变， q增大，同温度等温线包围面积增大，增大，同温度等温线包围面积增大，等温椭圆线形状不变。如书上图等温椭圆线形状不变。如书上图2-16b E （ q/ v ）不变，不变，v与与q同时增大，同温度等温线同时增大，同

54、温度等温线包围面积增大，等温椭圆线宽度不变，长度变长。如包围面积增大，等温椭圆线宽度不变，长度变长。如书上图书上图2-16c。还原还原热输入一定（热输入一定（E=q/v=2000J/cm）时焊接速度）时焊接速度对对1500等温线的影响等温线的影响 还原还原x(cm )y1-1-2-3-4-50v=2.0cm /s1.00.50.20.1物质的热物理性质物质的热物理性质 还原还原热导率热导率比热容比热容容积比热容容积比热容cc.J/（cm2.s . ）J/（g.）J/（cm3. ）热扩散率热扩散率比热焓比热焓表面传热系数表面传热系数a = /（ c. ）hcm2/sJ/gJ/（cm2. s. ）

55、比热焓比热焓单位质量物质具有的全部热能。铸型单位质量物质具有的全部热能。铸型物质的热物理性质物质的热物理性质 还原还原热导率热导率比热容比热容容积比热容容积比热容cc.J/（cm2.s . ）J/（g.）J/（cm3. ）热扩散率热扩散率比热焓比热焓表面传热系数表面传热系数a = /（ c. ）hcm2/sJ/gJ/（cm2. s. ）比热焓比热焓单位质量物质具有的全部热能。单位质量物质具有的全部热能。焊接热循环主要参数焊接热循环主要参数 还原还原t温 度tH加 热 期冷 却 期CCHmaxt t0焊接热循环主要参数焊接热循环主要参数 还原还原t温 度tH加 热 期冷 却 期CCHmaxt t

56、0 vct8/5 、 t8/3 、 t100厚板高速移动点热源近似解厚板高速移动点热源近似解 还原还原atrexptvqtr42/2, 设预热（初始温度为设预热（初始温度为0），有），有 令令 ，可求，可求max0t22max242. 0/2rcEercvq2020max242. 0/2rcEercvq p36,2-25式式书上书上2-27式式问题问题？共析钢共析钢C曲线和冷却曲线曲线和冷却曲线 还原还原稳定AM+ARAMB下B上PAB下AB上APMfA1Ms时间(s)1101001000 08007006005004003002001007271AB下AB上AP23 碳钢碳钢、合金钢合金钢共

57、析钢共析钢C曲线和冷却曲线曲线和冷却曲线 还原还原稳定AM+ARAMB下B上PAB下AB上APMfA1Ms时间(s)1101001000 08007006005004003002001007271共析钢共析钢C曲线和冷却曲线曲线和冷却曲线 还原还原稳定AM+ARAMB下B上PMfA1Ms时间(s)1101001000 080070060050040030020010072712AB下AB上AP3共析钢共析钢C曲线和冷却曲线曲线和冷却曲线 还原还原稳定AM+ARAMB下B上PAB下AB上APMfA1Ms时间(s)1101001000 08007006005004003002001007271AB

58、下AB上AP23板对焊示意图板对焊示意图 还原还原yx(cm)zovhb焊接热循环主要参数焊接热循环主要参数 还原还原t温 度tH加 热 期冷 却 期CCHmaxt t0多层多道焊多层多道焊 还原还原长段多层焊热循环长段多层焊热循环 还原还原t111122223 333344111122223333温度第一层第二层第三层第四层MsA1max/短段多层焊近焊缝短段多层焊近焊缝1点热循环点热循环 还原还原t温度第一层第二层第三层第四层MsAc31tBtB/max退火层热循环t温度第一层第二层第三层第四层Ms4退火层tBtBtB短段多层焊近焊缝短段多层焊近焊缝4点热循环点热循环 还原还原/Btmax

59、退火退火t温 度第 一 层第 二 层第 三 层第 四 层Ms4退 火 层tBtBtB退 火 层热 循 环Ac3焊缝焊缝4点热循环点热循环 还原还原/Btmax临界转变温度临界转变温度碳素钢的相临界转变温度碳素钢的相临界转变温度 还原还原FeP+Fe3CP+FFPAc1A1Ar1AccmAcmArcmA3Ac3Ar3埋弧焊示意图埋弧焊示意图 还原还原低碳钢焊接接头的组织变化图低碳钢焊接接头的组织变化图 还原还原0.77%2.11%C温度()7009001100130015004、部分相变区3、正火区2、过热区1、熔合区熔化金属(焊缝区)温度()晶粒变化晶粒变化碳素钢的相临界转变温度碳素钢的相临界

60、转变温度 还原还原FeP+Fe3CP+FFPAc1A1Ar1AccmAcmArcmA3Ac3Ar3长段多层焊热循环长段多层焊热循环 还原还原t111122223 333344111122223333温度第一层第二层第三层第四层MsA1max/低碳钢焊接接头的组织变化图低碳钢焊接接头的组织变化图 还原还原0.77%2.11%C温度()7009001100130015004、部分相变区3、正火区2、过热区1、熔合区熔化金属(焊缝区)温度()等温（连续冷去曲线）等温（连续冷去曲线）还原还原稳定AMfA1Ms时间(s)1101001000 0800700600500400300200100727VKV