热加工过程传输原理论文焊接传热传质的研究.docx

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热加工过程传输原理论文焊接传热传质的研究

热加工传输原理大作业

题目:

焊接传热传质的研究

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哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

动量、热量和质量的传输现象广泛地存在于金属热态成形时所使用的各种工程装备和仪器之中，尤其是焊接机械上显而易见。

焊接的处理过程中总是伴随着“三传现象”,所以焊接热过程是一个非常复杂的过程，它具有局部性、瞬时性、非稳态性等特点。

作为焊接传热传质过程研究的对象，主要有三个区域：

焊接电弧；焊接电弧与熔池界面；焊接熔池与周围固体材料。

同时，本文又针对摩擦焊接焊接接头金属流动过程以及焊接熔池金属传热传质有具体研究。

一、三个区域的传热传质

1.焊接电弧中的传热与传质

电弧等离子体是一个电、光、热、磁、声、力等共同作用、相互制约的统一平衡体。

其间存在着电能与其它各种能量形式之间的转换。

这种转换依赖于质量的传输，如中性粒子的电离与复合。

这些不同形式的能量都可通过系统的内能与温度联系起来。

可见，电弧是一种包含带电粒子的流体，因而它不但满足描述流体运动的控制方程，而且还满足描述电磁规律的方程组（即Maxwell方程组）。

所以对电弧传输过程的数值分析，就是在一定的边值条件下对上述方程组的解析。

在直流正极性非熔化焊接条件下，阴极与阳极表面（焊接熔池）间的电势差造成电流通过部分电离的气体，并在其间将电能转换为热能。

通过导电介质的电流会产生磁场，磁场与电场相互作用形成电磁力场。

这种复杂而相互耦合现象的最终效应是形成高温、高速等离子流。

对于焊接工作者来说，研究电弧等离子体的目的主要是探明影响电弧稳定燃烧的因素，为焊条与电极材料的选择和制造及焊接电源及其控制系统的设计提供依据；确定近工件界面处的电弧温度分布、压力分布和电流密度分布，为焊接熔池的传热传质计算模型的建立提供真实可靠的数据。

2.焊接熔池界面处的能量、动量和质量传输

在焊接电弧和焊接熔池的数值模拟中，电弧与熔池的边界是作为一个确定的热边界和电流边界来处理的。

在某种意义上说，该边界能量、动量和质量的传输决定着电弧模型和熔池模型数值计算的成败。

其间的传输过程主要有：

①电弧以辐射、对流、传导的形式将热能传于被焊工件；

②焊接电流经该区域进入被焊工件，形成电流回路，这不但影响着电弧的形态，而且还会影响工件内的电流密度分布，从而改变熔池内的电磁作用力；

③电弧力对焊接熔池做功，造成熔池变形。

这种变形的自由表面，不但会改变熔池的传热、传质条件，还会改变电弧的热流密度和电流密度分布，形成电弧-熔池的双向作用。

所以，一个完整的焊接过程数值模拟应该是焊接电弧-焊接熔池的全耦合解；

④被焊金属中合金元素的汽化；

⑤高温下气体向液态金属的溶解。

3.焊接熔池与周围固体的传输现象

该区域是焊接过程数值模拟的重点，因为这一区域的传热传质过程不仅决定着焊缝的形状、组织和性能，而且还决定着焊接热影响区的组织和性能、焊接接头中的残余应力和变形，以及焊接缺陷的产生等。

这一区域发生的主要传输过程有：

①纯固体中的传导：

发生于熔池周围的固体金属和冷却凝固后的焊缝金属中；

②熔池内的对流传输：

焊接熔池在表面张力、电磁力、浮力和电弧力的作用下，熔池内的液态金属不但有热和溶质的传导，而且存在着强烈的对流旋涡运动；

③固-液相变传热传质：

伴随着金属的熔化和凝固，固-液界面处存在潜热的吸收与释放，并发生着溶质的再分配；

④金属-蒸汽相变传热传质：

液态金属中的合金元素和微量表面活性元素在电弧热的作用下发生汽化，并伴有汽化潜热的吸收和物质的扩散对流。

二、焊接接头中金属的流动

焊接过程中，在焊接接头处热量的散发，异种原子在焊接接头的扩散，及外部能量的输入均对结晶后的焊接接头组织产生重大影响，由于组织决定性能，因此将对接头的性能产生很大影响。

下面以摩擦焊为例，研究接头塑性金属的流动行为。

1.摩擦焊接头的金属流动性

摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连接技术，在航空航天及一般工业领域都有着巨大的应用潜力，在轻量化、高可靠性及低成本的装备制造中具有独特的优势。

摩擦焊是一个涉及温度、力学、冶金及其相互作用的高度复杂过程，此过程中以摩擦界面处材料的塑性变形为主，界面处塑性金属流动的产生以及流动行为将会影响到热源的产生以及界面的扩散与动态回复再结晶，进而影响到焊接接头的质量。

塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面，对能否形成无缺陷、优质的焊接接头具有重要影响。

因此，研究摩擦焊接过程中塑性金属流动行为非常重要。

2.旋转摩擦焊接头的金属塑性流动

摩擦热的处理都是以当量热流密度的形式从摩擦界面输入，模型简化过多，尽管部分计算结果与实验结果吻合，摩擦焊条件下的塑性流动行为仍然没有被很好地阐明。

国内在1984年采用了急停技术对45钢连续驱动摩擦焊接过程中变形层和高温区的扩展过程进行了研究。

实验开展了摩擦压力和摩擦时间对变形层和高温区扩展过程规律的研究，并揭示了在摩擦加热开始时，变形层首先在距离圆心1/2~2/3半径处的摩擦表面上形成。

变形层的厚度随摩擦压力的增大而增大。

史弼采用解析法对摩擦焊接过程中的高温塑性变形区进行研究，定性地分析了焊接参数对塑性区宽度的影响。

3.搅拌摩擦焊接过程的塑性流动

在搅拌摩擦焊接过程中，工具形状、焊接参数和待焊材料直接影响焊缝金属的塑性流动，从而决定了焊核区、热机械影响区、热影响区的大小和性能。

焊缝组织的形成过程复杂，受诸多因素影响，如焊缝金属及母材成分、焊接热循环过程、焊缝中夹杂物尺寸和分布、奥氏体晶粒成分和尺寸等等。

通过相变热力学计算，可确定铁素体、珠光体、贝氏体等形核孕育时间以及转变开始温度;通过相变动力学计算，可确定新生相晶粒生长速度并计算最终的质量百分比。

由于焊接是一个不平衡的连续冷却过程，进行热力学、动力学计算比较困难，而且组织转变过程中的部分参量尚未有明确的物理模型和数学表达式，因此，模拟接头微观组织仍然十分困难。

焊接接头微观组织的计算机模拟方法并对其中广泛应用的蒙特卡罗法和元胞自动机法用于晶粒生长微观模拟的研究现状及发展趋势。

采用计算机模拟技术研究焊接接头微观组织及其变化对材料性能的影响是近年来焊接模拟技术研究领域中的热点和前沿课题之一。

确定性方法是指在给定时刻，一定体积熔体内晶粒的形核密度和生长速率都是确定的函数。

到目前为止确定性方法已经得到了广泛的发展。

运用确定性方法建立的模型可成功预测微观组织的特征，如等轴晶的平均尺寸和柱状晶的纵向生长等。

在低合金钢焊缝奥氏体晶粒尺寸计算模型，该模型从晶粒长大的基本理论出发，考虑了焊接条件下的影响因素，综合了焊缝金属合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，建立了一个在连续冷却条件下基于碳原子扩散速率的低合金钢焊缝金属奥氏体晶粒尺寸的计算模型。

对于基于夹杂物惰性界面非扩散形成的针状铁素体连续转变动力学模型，该模型可以用来研究焊缝中针状铁素体的转变特征，包括转变温度范围、转变程度以及与焊缝化学成分、工艺参数、相变温度之间的关系、相变过程中的最大可能转变趋势等。

但这种方法往往忽略了与晶体学有关的各个因素，无法考察模壁邻近晶粒择优生长形成柱状晶区，因此无法预测发生在模壁附近的等轴晶向柱状晶的转变和柱状横截面尺寸的变化，也无法模拟晶粒向液相区生长和柱状晶向等轴晶的转变等。

搅拌摩擦焊过程热传导和材料流动有着明显的不对称性，而且随着焊接速度和搅拌头旋转速度的提高，这种不对称性也在增强。

最近，Nandan等人还建立了搅拌摩擦焊接中碳钢三维粘塑性流动和传热模型，模型采用非牛顿粘性计算了金属的流动，文献得到了不同深度的水平面流线（如图所示），流线显示了近圆的存在，且为闭合的流线，这说明搅拌针周围材料存在回流。

图中还表明材料移动主要发生在后退侧。

国内栾国红等在铝合金搅拌摩擦焊接头行为分析中详细介绍了搅拌摩擦焊接头塑性流变数值模拟所得到的结果。

在搅拌头轴肩下大约1.5mm处，搅拌摩擦焊前进侧的塑性流体结构中存在一个不稳定区域--紊流区。

这个紊流区的存在会严重改变金属材料的过渡途径。

王大勇等建立了搅拌摩擦焊过程中热塑性软化区的流动行为物理模型，并将塑性软化区分为3层:

轴肩附近、搅拌针上部和搅拌针下端附近。

通过模型的建立和计算得出3层的材料流动特征各不相同:

轴肩附近的材料首先流入因搅拌针行进而在搅拌针后部留下的空腔内，剩余材料则围绕着轴肩由前进侧流动到搅拌头的后部;搅拌针上部附近的材料以剪切的方式从搅拌针前部流动到搅拌针后部;而搅拌针下12端附近的材料以挤压的方式从搅拌针的前部流动到搅拌针的后部。

王希靖等和王训宏等均采用FLUENT流体工程仿真软件对搅拌摩擦焊焊缝金属的塑性流动进行了数值计算与模拟。

文献初步得出了搅拌摩擦焊焊缝塑性流体流动横向、纵向规律。

从已有的文献来看，采用FLUENT软件能较好地模拟FSW中流体的塑性流动，但温度场无法很好阐明。

同时，由于搅拌摩擦焊接头的特殊性，看作纯流体也是对实际过程的较大简化，结果也不太理想。

建立基于非线性连续介质力学有限元模型，研究不同参数下的搅拌摩擦焊接条件下的材料流动，模拟结果表明，焊缝前进侧存在漩涡，且漩涡中材料流动速度随着移动速度的增加而增加。

热传输现象在焊接中广泛存在，利用传输原理中的三传现象相关原理对焊接接头的微观组织进行分析可以得到很接近事实的数据。

微观组织对焊接构件的性能具有非常重要的影响，对它进行模拟和预测具有非常重大的现实意义。

三、熔池金属的传热传质：

熔池中熔化金属的对流对材料焊接区的热输送现象及所形成的焊缝形状尺寸有很大影响。

在此阐述对流热输送现象及其对母材熔化的作用。

对采用较低电流值的无添加焊丝GTA焊接，其熔池形状呈圆弧形，比较容易模型化，因而做了较多的探讨。

然而，对于相同焊接条件的GTA焊接，即使是焊接同一规格的钢材（特别是不锈钢），其对母材形状亦会出现差异。

GTA焊接，阳极和阴极之间产生的电弧热主要由从阴极到阳极流动着的电子流以及等离子体气流的热传导传送到母材，进入母材的热量使母材的热量使母材熔化并形成熔池。

该热量的绝大部分在熔池内运动着，以及通过熔池和母材的界面（固液界面）流入母材，此部分热量在母材中因热传导而散失掉，此外，熔化金属或合金成分的蒸发会从熔池带走热量。

然而，即使相同数量的热量从电弧进入焊接熔池，因熔池内部熔化金属流动情况或热对流、热输送的不同，最终所形成的焊缝断面形状、尺寸也会有很大的差别。

熔池内部存在着液态金属的流动，力是产生液体流动的原因。

无添加焊丝GTA焊接，电弧作用下熔池内部的对流驱动力，有下图所示的4种。

图（a）所示为电弧等离子气流作用下产生的熔池金属的对流。

电弧等离子气流以电弧压力的形式作用于熔池，使熔池的中心区出现凹陷，同时又从熔池的中心区向周边区流动，把熔池表面从中心区从周边区拉伸，对熔池表面金属形成从熔池中心向熔池周边区流动。

图（b）是由于熔池表面上的表面张力差产生的对流，称作表面张力流。

流动的方向依赖于液面上的表面张力梯度和分布，是从表面张力低的部分流向表面张力高的部分。

焊接情况下，熔池表面存在着从固液界面处的熔点温度到中心高温区的温度差，通常情况下，熔化金属的表面张力差。

表面张力差出现后，熔化金属就出现了向表面张力高的部位拉伸的表面张力流。

图（c）是熔池内部流动着的电流产生的电磁力引起的对流，称作电磁对流。

从电弧进入熔池的电流在电弧正下方有着较高的电流密度，从熔池到母材内部，电流密度是逐渐降低的。

电流与其自身产生的磁场之间相互作用而产生了电磁力，该电磁力指向电流发散方向，由此产生了电磁对流。

电磁对流的流动方向如图中指示，是向着电流的发散方向即从电弧正下方熔池中心区向熔池底部流动。

图（d）是由于熔池内部熔化金属密度差引起的对流，称作浮力流，与通常的热对流有相同的机构。

焊接情况下，熔池内部的温度是从电弧正下方的高温区向固液界面处的熔点温度变化着的，形成了熔池内部的空间温度场。

液态金属是温度越高密度越低，密度高的部分受到浮力的作用向着重力的反方向运动。

电弧焊情况下，在这些对流中，以等离子气流引起的对流、表面张力流及电磁对流最为重要，浮力流相对可以忽略。

电磁对流在熔池的中心区是向下方流动，在表面上是从熔池边界区向中心区流动。

由于熔池表面的温度较高，对于平焊情况，表面的熔化金属因浮力有留在表面的倾向，对电磁对流有减弱的作用。

熔化金属的表面张力通常情况是随温度的上升而减小，因此形成从中心区向周边区的流动，仍然是与电磁对流反向。

小电流焊接时，表面张力流使熔深变浅。

进行GTA焊接的数值模拟多数采用100A到200A的电流范围。

使用150A焊接电流对铝材料的移动热源GTA焊接数值模拟，结果显示电磁对流的流动速度在轴心部位达到250mm/s程度，而浮力产生的流动勉强达到10mm/s。

在其它的计算中亦显示浮力没有多少影响。

电流200A、弧长2mm时，可以忽略等离子体气流的影响，但当弧长达到5mm程度时，等离子体气流转变成决定性的因素。

在电弧得以扩展、能够忽略表面张力流的条件下，熔池的形状只由热传导所决定。

对定点GTA电弧焊接（TIG点焊）进行三维模拟，如果忽略表面张力的作用，稍稍一点对称性偏差就会对对流及其所形成的熔池形状造成显著的影响。

如果考虑存在0.5×10-4N/（mK）程度的表面张力梯度引起的对流的话，非对称性的影响就不再显著。

在电弧收缩程度比较大时，不能忽略表面张力流的影响。

四、结语

上文所言，焊接过程中的传输现象不胜枚举，本文针对焊接传热传质过程，详谈了焊接电弧、熔池界面、熔池金属、焊接接头的“三传”过程。

集思广益，博采众长，略有所得。

热传输课程接近尾声，天下也无不散之宴席，在大作业收笔之际，我祝愿热传输课程能越办越好，薛翔老师身体健康！

同时，以希望更多的同学像我一样在“三传”世界寻找真知，愉快畅游！

参考文献：

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