焊接结构力学第一、二章

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页第一、二章1.

简述构件焊接性的含义，哪些因素影响构件焊接性？答：构件的焊接性包括材料的适应焊接性、设计的焊接可靠性、发明的焊接可行性。影响构件焊接性的因素包括：与材料有关的因素：母材和填充材料的类型（化学）成分和显微组织与设计有关的因素：结构的形状、尺寸、支撑条件和负载、焊缝类型、厚度和配置与发明有关的因素：焊接主意、焊速、焊接操作、坡口形状、焊接顺序、多层焊、定位焊、夹紧、预热和焊后热处理2.

比较电弧焊（MIG）与电阻焊（点焊）过程中产热机构、散热机构和热量传递方式方面的差异。答：产热机构：电弧焊利用气体介质中的放电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件，MIG采用直接弧，阳极斑点和阴极斑点直接加热母材和焊丝，电弧柱产生的辐射和对流传热和电极斑点产生的辐射传热也起辅助作用；电阻焊以电阻热为主要热源，电阻点焊最初起主要作用的是被焊构件间的接触区域存在接触电阻，电流流过时导致表面被加热，并使表面局部熔化，此后接触电阻削弱甚至出现，热量的产生主要取决于电流密度和被加热的体积散热机构：电弧焊环境散热，即处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量，和飞溅散热，即飞溅造成热量损失电阻焊环境散热，即处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量热量传递：电弧焊热传导，即工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导；对流换热，即焊接熔池内部，因为各处温度不同，加上电弧的冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带走热量；辐射换热，即电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生辐射，并传递热量；热焓迁移，即（1）具有高温的熔滴从焊丝向母材迁移，在传质同时传热；（2）飞溅从熔池向四面飞散，同时传质传热。电阻焊热传导；对流换热3.

哪些因素会影响MIG过程产热及散热？答：4.

举例说明焊接结构过程中涉及到几种热量传递方式。答：5.

比较交流TIG焊与电阻焊的有效热功率的差异。答：6.

请给出描述焊接熔池的三维数学模型（控制方程组及边界、体积力初始条件）答：电弧以恒定的速度u0沿X方向移动。按照温度分布，熔池分为前后两部分，在熔池前部，输入热量大于散失的热量，所以，随着电弧的移动，金属不断熔化；在熔池后部，散失的热量大于输入的热量，所以发生凝结。在熔池内部则因天然对流、电磁力和表面张力等的驱动，产生流体对流。控制方程组：在固定坐标系（，y，z）中，热能方程为--密度；c—比热容；—导热系数；T——温度；t—时光；u、v、w—分离为x、y、z，方向上的速度分量。考虑到热源是一个热流密度为q(r)且以恒速运动的电弧，在此举行坐标变换，将x=-u0t代入上式，就可以将固定坐标转换为以热源中央为坐标原点的移动坐标。此式为热能方程，满意能量守恒定律。对于熔池中的流体应满意动量守恒，即满意动量方程μ—流体黏度；P—流体压力；X、Y、Z—体积力在x、y、z方向上的分量此式为延续性方程边界条件热能方程的边界条件为：当z=0（电弧笼罩区域），有热流q(r)向工件输入热量I—焊接电流；U—焊接电压；q--热流分布函数；r—距电弧中央的距离；h—热效率当z=L、z=0(上下表面的其它部分），通过对流和辐射向环境放热，此时在固液界面上，T=Tm，Tm为材料熔点。当y=0，表示要求解的温度场关于中央平面(x-y)对称，则动量方程和延续性方程的边界条件在固体中和固液相界面上，在熔池表面上，体积力：动量方程中浮上了X、Y、Z三个体积力分量，电弧焊接熔池中的体积力包括电磁力和天然对流项，体积力为：j—电流强度：B—磁感应强度；—体积膨胀系数；g—重力加速度；△T—温差。在x、y、z三个方面的分量分离为：***7.

如何理解焊接熔池流场计算模型中控制方程组得以成立的物理基础答：控制方程组包括三个方程：热能方程（能量守恒）、动量方程（动量守恒）、延续性方程（流体是延续和不可压缩的）8.

焊接热源有几种简化方式？其适用条件如何（举例说明）答：扩散热源简化模型点热源：作用于半无限体或立方体表面层,可模拟立方体或厚板的堆焊,热量向X、Y、Z三个方向传扬。配合半无限体几何模型使用。线热源：将热源看成是沿板厚方向一条线，在厚度方向上，热能匀称分布，垂直作用于板平面，可模拟对接焊，一次熔透的薄板，热量二维传扬。配合无限大板几何模型使用。面热源：作用于杆的横截面上，可横拟电极端面或磨擦焊接时的加热，认为热量在杆截面上匀称分布，此时只沿一个方向传热。配合无限长杆几何模型使用。分布热源简化模型正态分布热源（高斯热源）：热源密度q*为正态度分布的表面热源，即假设热量按概率分析中的高斯正态分布函数来分布：卵形热源（双椭球热源）：假设在卵形面内，其容积比热源密度q*按高度斯正态分布，热源密度在卵形面的中央有最大值，从中央向边缘呈指数下降，卵形尺寸的挑选约比熔池小10%，总功率应等于焊接过程的有效热功率，在比较计算的和测量焊的焊接熔池和温度场的基础上，对参数举行最后的校准。前半部分椭球内热源分布为后半部分椭球内热源分布为9.

热源空间尺寸的简化会造成何种偏差？其使用范围如何？答：10.

给出高斯分布热源的表达式，并说明式中各参数的含义及决定主意。答：高斯分布热源的表达式：其中为最大热流密度；为热源扩散系数，表示热源扩散程度的系数；为电弧笼罩区域内某一点到热源中央的距离。由积分式：可得：电弧笼罩区域是有限的，其大小可以通过实验来决定。通常，取电弧笼罩区域的直径为，并假定在此区域内扩散力电弧绝大部分（95%以上）的热量。11.

证实瞬时点热源作用于半无限体时，温度场的准确性。答：瞬时点热源作用于半无限体情况可理解为，热量在时光的瞬时作用于半无限大立方体表面的中央处，热量呈三维传扬。其热量的传扬满意导热微分方程（*）。要证实其温度场的准确性，只需证实此温度场表达式为导热微分方程的一个特解即可。在此设：则而因为所以则同理将上面各式代入微分方程式（*），得因为，所以，微分方程两端相等，即说明确实是微分方程的特解。12.瞬时点热源作用于半无限体t=0时，热源作用点的温度为多少？为什么？答：瞬时点热源作用于半无限体，热源作用点的温度为当时，。这与实际情况不符，这是点热源模型简化的结果。13.说明瞬时点热源、线热源及面热源作用时的温度场特征及彼此的差异。答：瞬时点热源作用于半无限体：瞬时线热源作用于无限大板：瞬时面热源作用于无限长杆：14.

薄板上A热源作用5秒钟后，B热源开始作用，B热源作用5秒钟后，A热源停止作用。求板上任一点P在A热源开始作用15秒钟后的温度表达式。答：15.移动点热源作用下，构件上哪点的温度与热源移动速度无关？答：在运动坐标系下看见，温度场为：考虑极限状态，，并设，代入上式中的定积分部分，因为所以此即为以恒定速度沿半无限体表面运动、不变功率的点热源的热传扬状态方程式。当时，，此处的温度值与热源移动速度无关。16.迅速移动热源作用下的温度场有何特征，为什么？答：17.高斯热源作用于厚板上的温度场表达式。分析其与线热源和面热源的关系？答：18.什么是热饱和？热饱和时光的含义是什么？如何决定？答：热饱和：热源长时光作用后可导致极限状态，在固定热源的情况下，其相应的温度场是稳定温度场，即各点的温度与时光无关，在移动热源情况下，其相应的温度场是准稳定的温度场，即在一相同的移动坐标中，各点的温度与时光无关。从开始热输入起，至获得局部温度的极限状态的时光称为热饱和时光。19.什么是温度匀称化？温度匀称化时光的含义是什么？如何决定？答：当热源停止加热后，将开始一个与热饱和相反的过程，由热源造成的温度的不匀称性逐渐被平衡，直至物体达到某一恒定的温度，因为前期热源作用，此温度比原始温度略有升高，此过程即为温度匀称化，与此过程有关的时光间隔被称为温度的匀称化时光。决定主意：引入一个等效热沉（具有负的热功率），此热沉与“延续并且未停止作用”的热源（具有正的热功率，）相迭加，以模拟热源终止之后的情况。在热源停止加热时热沉开始作用，负热饱和曲线与正的热饱和曲线相减，得到热源终止后的情况。匀称化时光内的温度如下计算：20.

什么是焊接热循环？描述焊接热循环的参数有哪些？答：在焊接过程中，工件的温度随着瞬时热源或移动热源的作用而发生变化，温度随时光由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化被称为焊接热循环。描述焊接热循环的参数：加热速度（）焊接加热速度要比热处理时的加热速度快得多，这种迅速加热使体系处于非平衡状态，因而在其冷却过程中必然影响热影响区的组织和性能；加热最高温度()指工件上某一点在焊接过程中所经历的最高温度，即该点热循环曲线上的峰值温度。考察位置不同最高温度不同冷却速度不同焊接组织不同性能不同。在相变温度以上停歇时光()在相变温度以上停歇的时光越长，就会有利于奥氏体的匀称化过程。倘若温度很高时（如1100℃以上），即使时光不长，对某些金属来说，也会造成严重的晶粒长大。普通将分成两部分。即—加热过程停歇时光：—冷却过程停歇时光：冷却速度(或冷却时光)()冷却速度是决定热影响区组织和性能的最重要参数之一，是研究热过程的重要内容。通常我们说冷却速度，可以是指一定温度范围内的平均冷却速度（或冷却时光）也可以是指某一瞬时的冷却速度。对于低碳钢和低合复钢来说，我们比较协助的熔合线附近在冷却过程中经过540℃时的瞬时速度，或者是从800℃降温到500℃21.请在典型焊接热循环曲线上标出各热循环参数并解释其意义。答：22.

如何计算迅速移动点热源作用下的热循环最高温度？23.

在20mm厚的钢板上堆焊焊道已知热源功率q=1000卡/秒，移动速度V=1mm/秒，热物理系数：λ=0.1卡/厘米秒℃，Cρ=1.0卡/cm,a=0.1cm2/秒。计算沿纵向平面XOY，位置在上表面和下表面上并在热源后方20mm处的A点和B点的极限状态温度。以及在热源正下方C点的温度。（A点坐标：x=-20mm,y=0,z=0;B点坐标：x=-20mm,y=o,z=20mm;c点坐标：x=0,y=0,z=20mm）24.

如何计算迅速移动线热源作用下的最高温度？25.

巨型钢件表面堆焊，电流I=200A，电弧电压V=20v,电弧移动温度V=2mm/s,求最高温度为500℃处离堆焊轴线的距离，（η=0.7526.

如何计算相变温度以上的停歇时光？27.

比较长段多层焊与短段多层焊的特点和使用范围。28.

对15mm厚的14MnMoNbB钢采用手工短段多层对接焊。已知：Ms=400℃λ=0.4J/cm••s•℃,cρ=5.25J/cm3•℃,T0=25℃,用φ4的结857焊条，I=200AU=25V,γ=0.2cm/s,η=0.7,求合适的焊缝长度。29.

分析：明弧、埋弧和潜弧焊时哪种热效率高？30.

分析熔化极和非熔化极焊接哪种的热效率高。31.

焊条上的电阻加热如何计算？32.

焊条上的电弧加热升温如何计算？33.

焊丝上的温度分布如何计算？34.

一电弧作固定用于一巨型工件表