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第2章 焊接热源模型 焊接热源的物理模型，涉及两个问题。一是热源的热能有多少作用在工件之上；二是已经作用于工件上的热量，是如何在工件上分布的。因此，建立焊接热源的物理模型，是进行焊接热过程和熔池行为分析或数值模拟的前提和条件。本章针对上述两个问题展开讨论。 2.1焊接热效率和焊接熔化效率 电弧焊接时通过电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热和熔化焊条与工件。熔化极焊接时，焊接过程中焊丝 (或焊条)熔化，熔滴把加热和熔化焊丝 (或焊条)的热量带熔池。而钨极氩弧焊，电不熔化．母材利用一部分电弧的热量。电弧功率可由下式表示 (2-1) 式中，电弧电压(V),I焊接电流(A)是电弧功率(), 即电弧在单位时间内所析出的能量。由于能量不是用在加热焊件，真正有效用于加热焊件的功率为 (2-2) 式中，为电弧功率有效利用系数或称为热效率，它与焊接方法、焊接和焊接材料的种类(焊条、焊丝、保护气等)有关。各种弧焊方法在常用下的见表21。 2-1 各种弧焊方法的热效率 药皮焊条手工焊埋弧自动焊C02气体保护焊熔化板氩弧焊(MIG)钨极氩弧焊(TIG)0.80-0.90 0.75-0.90 0.70-0.80 0.65-0.70 在其他条件不变的情况下，值随着弧长的增加电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。应当指出，这里所说的热效率，只是考虑焊件所能吸收到的热能。实际上这部分能一方面用于熔化金属而形成焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区。值并有反映出这两部分热量的比例。是电弧在单位时间内输入到工件内部的热量与电弧总功率的比值，即 （2-3） （2-4） （2-5） 式中，—单位时间内熔化焊缝金属（处于液态时，为熔点）所需的热量（包括熔化潜热）；—单位时间内使焊缝金属处于过热状态（）的热量和向焊缝四周传导热量的总和。 式（2-5）说明，已进入焊件的热量也不是全部用来熔化焊缝金属。因此，定义焊缝金属熔化的热有效利用率（简称为焊接熔化热效率）为单位时间内被熔化的母材金属在时（处于液态）的热量与电弧有效热功率的比值 （2-6） 根据以上定义， （2-7） 式中，为焊接速度，为焊缝横截面积，为被焊材料密度，为液态金属的重量热焓： （2-8） 其中，为比热，为熔点，为熔化潜热。 将（2-7）和（2-8）式代入（2-6）式，得 （2-9） 值可由下式求出 （2-10） 从焊接热过程计算的角度来看，焊接热效率的准确选取是提高计算精度的先决条件。关于值的确定方法，国内外的许多研究者从不同的角度进行了研究[109-112]。概括来说，主要有测试法、计算—测试法和电弧物理分析法。但不同的研究者给出的值差别较大。下面分别介绍一下这三种方法。 2.1.1 电弧物理分析法 Quigley等人[109]从电弧物理的角度，以一个例子来研究TIG电弧传给工件的热量。该例子的工艺条件为：氩气保护直流正接TIG电弧，钨极直径为2 mm，焊接电流为100 A，电弧电压为16 V，试件为低碳钢。通过全面考虑所有的加热和冷却过程，求得TIG电弧传给阳极的能量。 1．逸出功 当电子进入阳极时，会将电子发射时从阴极吸收的逸出功传给阳极。对大多数金属来说，逸出功在4 V左右。钢的比较合理的逸出功数值是4.2 V0.3 V。对100 A的电弧来说，电子逸出功投射在阳极（钢材）上的热量为420 W30 W。 应当注意，如果电弧极性变了，工件为阴极，那么电子逸出功会使得工件不再是加热，因而焊接热效率就会降低。TIG焊接方法正是利用电子发射使得钨极（为阴极）冷却，从而可在较大的电流范围内应用。 2．电子热能 电子从温度较高的弧柱进入温度较低的阳极时，会从弧柱带来一部分与弧柱温度相对应的热能，电子离开弧柱时所具有的自由能时，是玻尔兹曼常数， J/K，是弧柱温度。当电子到达阳极时，温度为。