焊接结构学口试题解答(200题完整版)文档格式.docx
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散热机构
环境散热
飞溅散热
环境散热：
较小
飞溅散热：
顶锻损失
热量传递方式
热传导：
工件和焊丝中对流换热：
熔池内部强迫对流、气体与电弧
辐射换热：
电弧、工件
热焓迁移：
熔滴、飞溅
工件中
对流换热：
周围气体辐射换热：
工件
顶锻飞溅
3.哪些因素会影响MIG过程产热及散热？
（自想）根据产热、散热机制一个个分析；
产热：
（1）电弧电流、电弧电压——电阻热、电弧热
（2）材料热物理性质——电阻热
（3）电离气体种类——电弧热；
散热：
（1）电弧形态——对流散热、辐射散热；
（2）周围气体介质——对流散热；
（3）材料热物理性质——工件传导散热；
（4）熔滴过渡——飞溅散热；
4.举例说明焊接结构过程中涉及到几种热量传递方式。
（P6）电弧焊MIG为例：
（1）热传导：
由于温差存在，熔池、工件和焊丝上高温区域向低温区域传递热量；
（2）对流换热：
熔池内部在电弧冲击下强迫对流换热，工件表面与周围气体介质和电弧等离子流发生对流换热；
（3）辐射换热：
高温电弧想周围低温物体辐射、工件向周围辐射换热；
（4）热焓迁移：
高温的熔滴从焊丝端部向母材熔池过渡迁移，发生传质与传热；
焊接飞溅从熔池向四周飞散，传质传热。
5.比较交流TIG焊与电阻焊的有效热功率的差异。
（P11）有效热功率：
加热工件（接头）的热量/焊接过程中产生的热量
（1）交流TIG：
产热机制：
借助外部集中热源，通过对流换热、热焓迁移向工件表面传递，热量从表面向工件内部进行传导；
散热机制：
因而电弧与周围环境的对流换热散失较大。
（2）电阻焊：
从内部通过电阻热作为高温热源，电阻热在工件内传导；
因而仅工件与周围环境的对流散热、顶锻飞溅散热，程度较小。
因此，电阻焊的有效热功率大于TIG焊。
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）
（P46-P48）
举例：
TIG（非熔化极）电弧以恒定的速度u0沿X方向移动、移动坐标系：
（1）控制方程组
热能方程——能量守恒
rc[¶
T+（u-u）¶
T+v¶
T+w¶
T]=¶
（l¶
T）+
¶
T）
¶
t 0¶
x ¶
y ¶
z ¶
x
y
z
动量方程——动量守恒
r ¶
u ¶
u
P ¶
2u
c[（u-u0）¶
x+v¶
y+w¶
z]=X-¶
x+m（¶
x2+¶
y2+¶
z2）
v ¶
v
2v
z]=Y-¶
y+m（¶
w ¶
2w
z]=Z-¶
z+m（¶
x2
连续性方程——质量守恒
+
y2
+ ）
z2
u+¶
v+¶
w=0
（2）边界条件
热能方程的边界条件为：
当z=0（工件表面），热流q（r）向工件输入热量
hIU r2
q（r）=h exp（-
2ps2
2s2）
q q
当z=δ、z=0，对流和辐射向环境放热
-l¶
T=a（T-T）
z 0
在固液界面上——温度为熔点
T=Tm
y=0，温度场关于中心平面（x-y）对称
T=0
动量方程和连续性方程的边界条件：
在固体中和固液相界面上——速度与坐标相同
u=-u0,v=0,w=0
在熔池表面上——粘力与表面张力
m¶
s¶
T
z=-¶
T¶
（3）体积力初始条件
z=-¶
体积力X，Y，Z包括电磁力和自然对流项
X=（j´
B）x
Y=（j´
B）y
Z=（j´
B）z-rgbDT
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
（P46-P47）
该控制方程组主要适用于非熔化极气体保护焊TIG的熔池流体场计算。
TIG中不需考虑熔滴对熔池的撞击力，熔池内仅有自然对流，以及电磁力和表面张力等作用力作用产生的强迫对流。
因此，焊接熔池内的热量传递主要是依靠对流换热（而不是热传导），可以用热能方程、动量方程、连续性方程来描述。
8.焊接热源有几种简化方式？
其适用条件如何（举例说明）（P12-P15）集中热源：
（1）点热源——三维传热——半无限体——厚板表面堆焊
（2）线热源——二维传热——无限大板——薄板对接焊
（3）面热源——一维传热——无限长杆——焊丝、焊条、摩擦焊分布热源：
（1）高斯热源（正态分布热源）——面热源——薄板熔透焊+电弧
挺度小
高斯热源拉长——带状热源——高速焊接
（2）双椭球热源（卵形热源）——体热源——厚板高能束焊
清华大学激光深熔小孔焊是高斯旋转体热源
9.热源空间尺寸的简化会造成何种偏差？
其使用范围如何？
（P11-P12）
当计算点远离热源时，用集中热源的简化是成功的，但在接近热源区域则很难模拟，特别是热源中心处，成为数学处理上的一个奇异点，温度将会开高至无限大。
实践证明，在电弧，束流和火焰接焊时，更有效的方法是采用分布热源模型。
集中热源：
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确定方法。
（P13）
max
表达式：
（qr）=q* exp（-kr2）
k——表示热源集中程度的系数[1/mm2]；
当q*max相同而k不同时，热流密度的集中程度不同，k值↑，热源集中程度↑，热量就更集中，所以一般电子束、激光束的k值大，电弧的k值适中，火焰的k值小。
k可被时间常数1/（4at0）替代。
q*max——最大热流密度[J/mm2s]；
¥
2 p k
q=q（r）dF=q e-kr2prdr，q= q ，\q* = q（q——热源有效功
ò
ò
max
kmax max p
F 0
率[J/s]；
）
r——圆形热源内某点与中心的距离[mm]；
q* =0.05q*
min max
认为加热斑点内集中了95%以上的热量，按此条件，正态分布热源加热
3
k
斑点的外径dn为：
dn=2 /
有关文献介绍，电极斑点直径大约为5㎜的电弧测量出的dn=14〜35㎜，而气体火焰的dn=55〜84㎜，决定于其焊矩的尺寸。
11.证明瞬时点热源作用于半无限体时，温度场T=Qexp（-R2/4at）/cρ（4πat）3/2
的正确性。
（P18）
瞬时点热源Q在t=0瞬时作用于半无限大立方体表面的中心处，热源无移动，因而u=v=w=0，热量呈三维传播，是一个纯导热问题，只需证明将该式为热能方程的一个特解
T=
l ¶
2T
（
+¶
2T+
t cr
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？
（P19）
在热源作用点（R=0）处，其温度为
（T-T0）
R=0
= 2Q
cr（4pat）32
在此点，当t=0时，T-T0→∞，这一实际情况不符合（电弧焊时，Tmax约为
2500℃，这是点热源简化的结果，造成了热源作用点处的奇异）。
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。
（P17-P21）
共同特征：
随着时间t延长，温度T随1/tm/2呈双曲线趋势下降，双曲线高度与
Q成正比。
在中心以外的各点，其温度开始时随时间t的增加而升高，达到最大值以后，逐渐随t→∞而下降到环境强度T0。
差异特征：
√1/（4at）的指数：
（1）3D——3次——半无限体
（2）2D——2次——无限大板
（3）1D——1次——无限长杆降温速度从3D-1D变缓。
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。
（P21、P23）
某一点的温度变化可由单独热源作用分别求解，然后再进行叠加。
n
叠加原理：
假设有若干个不相干的独立热源作用在同一焊件上，则焊件上某一点的温度等于各独立热源对该点产生温度的总和，即
T=å
T（ri,ti）
i=1
其中；
ri——第i个热源与计算点之间的距离，
ti——第i个热源相应的传热时间。
有了叠加原理后，我们就可处理连续热源作用的问题，即将连接热源看成是无数个瞬时热源迭加的结果。
由题意可知：
相当于v=0的移动点热源（固定连续热源），tA=10s，tB=10s，故不能直接用书上的瞬时热源公式，下面的是错误的：
T=QA exp[
（AP）2
-b´
10]
A
hcr（4pa´
10） 4a´
10
T=QB exp[
（BP）2
-b´
B
TP=TA+TB
正确的做法是，利用2-58的固定连续点热源极限状态温度公式，计算Tlim：
T（R,x）-T= q
=
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