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6 焊接物理。
6.1焊件中的热流。
熔焊过程中，需要施加能源来引起被焊材料产生所要求的熔化。即使来自能源的静能量作为热量传递到工件之后，也不是全部热量都用来引起熔化形成焊缝。某些热量从能量作用点传导到四周，使熔化区周围的材料温度升高，引起人们不希望的冶金和几何尺寸的改变。
这一周围区域称为热影响区。
在考虑热量对熔化区熔化和凝固的影响、以及对熔焊热影响区中转变和反应的影响时，重要的一点是：首先考虑热量到达工件后是如何分布的（即热是如何流动的）。热量分布方式直接影响熔化的速率和程度、熔化区冷却和凝固的速率、以及热影响区加热和冷却的速率和程度。
熔化的速率和程度又直接影响焊缝体积和形状、与对流有关的均质性、焊件收缩和变形的程度和对缺陷的敏感性。凝固速率决定了结晶组织（包括微观组织），因而决定了性能。焊缝周围区域加热的的速率和程度影响到作用于熔化区热应力的演变（会引起熔化区的缺陷）、熔化区的冷却速率（控制凝固力学，决定最后熔化区的组织和性能）、热影响区加热的速率和程度（引起性能的恶化），热影响区的冷却速率（决定这一区域最后的组织和性能），以及焊件残余应力与变形的大小与性质。
下面几小节讨论熔化焊件上的热流（热分布）。描述熔焊传热的内容，同样适用于其他采用热的连接工艺过程，如某些非熔化焊，以及钎焊。
9.1.1 热流的通用方程式。
熔化焊缝的熔化区内及附近的热状态必须维持在一定的限度内以控制焊接操作带来的冶金组织、残余应力与变形以及化学反应（如，氧化）。人们感兴趣的问题有：（1）焊缝金属的凝固速率，（2）焊接热影响区最大温度或峰值温度的分布，（3）熔化区和热影响区的冷却速率，（4）熔化区和热影响区之间的热的分布。
略）9.1.2 焊接接头形状的影响。
在影响热源施加于焊件上热流和分布的因素中，一个因素是焊件尤其是接头的尺寸和形状。是否将通用方程式（）作为一维、二维或三维问题求解，取决于焊件和焊缝的几何形状，包括焊缝是全熔透或部分熔透、焊缝边缘是平行或锥形、以及相对板厚。固定热源焊接薄板或非常薄的板准稳态焊接（焊接速度恒定，横断面均匀，远离边缘）时，可作为一维问题求解。
对于相对较薄的焊件或全熔透且焊缝边缘平行（电子束焊的情况）的较厚焊件，在估价其纵向和横向热流时二维求解是最有用的。对于部分熔透或焊缝边缘非平行（大多数单道或多层的电弧焊）的厚件，要求采用完全的三维求解。图9.
1给出了要求采用一维、二维或三维求解的情形的例子。
9.1.3 焊接热流的分析。
长期以来，人们一直试图从热流方程式（式5.1）出发获得焊接热循环的理论分析。过去，使焊接传热的实验结果符合于传热学理论的简化方程式，研发出各种技术方法计算冷却速度、热影响区的峰值温度和尺寸、以及结晶速度。
这些公式对于控制焊接过程和**期望的特定性能提供了指导。现代计算机一出现，需要把实验数据与经验曲线相逼近的理由就基本不存在了。今天，除了最复杂的情况（例如， 焊件上热流的确是三维的，必须考虑一个或一个以上热物理性能随温度的强烈变化）之外，焊接的几何尺寸和形状都能被模型考虑进去，可以用数值方法（如，有限单元法和有限差分法）获得通用热流方程式的解。
尽管可以采用计算机求解复杂的焊接热流模型的微分方程式，在**熔化区和热影响区以及凝固和凝固后的冷却速度方面，工程数据支撑的简化公式仍起着作用。毕竟，得出问题的一级近似和一般趋势也是很好的。由于问题的复杂性和高度专业化，有兴趣的读者可以从适当的焊接文献中找到计算机模拟的细节。
计算精度、复杂性和计算速度继续以惊人的进步程度在发展中，最好的信息源通常是技术期刊，如《焊接杂志》、《焊接与连接科学与技术》，以及其他专门致力于焊接（与一般性的计算机模拟相比）的期刊。
最后，具有合适精度的焊接传热**模型的价值，是能实现焊接过程的智能化控制。理想情形下，这些模型与传感器结合在一起，连续检测焊缝和焊件的状态，通过实时调整主要的焊接工艺参数以对期望状态的偏离做出反应，实现过程控制。然而，值得想起一句匿名谚语：
“不需要或不值得用千分尺测粪堆”。如此这般的愚钝，含有很大的教训：只需要足够的**精度以允许过程适当地和一致性地运行。
这就是说，焊接热流分析的问题，在这里更多地是从历史观点的角度来加以**的， 后面将提供某些有用的具有大致数量级精度的**公式。目标就是：对涉及的问题和以足够快速度获得答案的能力提供评鉴，以便不需要时间和金钱的巨大投资就解决特定问题。
而对于计算能力和精度高得多的计算机模拟，却需要时间和金钱的巨大投资。很明显，如果业务上确有必要（因为不同焊接产品的数量、体积或价值的需要），那末，计算机模拟（或控制）就是最终的答案。
下面介绍罗森塞尔简化解法。
值得简要地看看最早的并仍在广泛应用的对通用热流方程式的一个解法，即罗森塞尔简化解法（1938，1945，1946）。罗森塞尔解法的关键是准稳态的假设（准稳态意味着，起弧和热量施加较短的时间后，在离开工件边缘处，围绕移动热源的等温线就稳定了，似乎随热源一起运动）。
罗森塞尔提出的第一个重要假设是来自焊接热源的能量输入是均匀的、并以恒定速度v沿固定直角坐标系的x轴移动，如图9.2所示。对于大多数情形，这并不是一个坏的假设，如果只考虑热源开始向工件施加能量之后一段时间的传热问题、以及从传热观念来看工件无限大（即，没有边缘的影响）。
电弧焊的热能由下式给出，，式中是焊接过程的传热效率，e和i分别是焊接电压和电流。罗森塞尔进而假设热源是一个点热源，进入焊件的全部能量作用于一个点上。这个假设避免了不同热源能量密度分布的复杂性、将传热分析限于在热影响区（在熔化区或熔池外部）。
（考虑到能量密度分布的重要性，这不是一个好的假设，相反地，是可能带来严重后果的假设，如后面所述）。
接着，罗森塞尔用两种方式对通用热流方程式做出简化：（1）假设被焊材料的热物理性能（导热率、比热与密度的乘积）是常数，（2）把固定坐标系转化成移动坐标系。热物理性能为常数的假设是严重缺陷，因为这些性能参数随温度做剧烈的变化（常常变化2-5倍），尤其是考虑到熔焊涉及的温度范围很宽。
（只是近来使用计算机数值解法才克服了这一缺点）。移动坐标系是一个完全合理的假设，……
略）9.1.4 焊接参数对热分布的影响。
熔焊时熔化区域的尺寸尤其是形状，影响到凝固结晶的力学和动力学状态，因而影响到最终焊缝的的组织和性能。焊接熔池的形状尤其是尺寸，以及周围热影响区的尺寸和形状，也影响到作用于焊件的热应力，这导致缺陷的形成或残余应力与变形。热影响区的尺寸，以及形状（在较小的程度上），影响总体的焊件性能。
因此，了解热流和温度分布（与热应力和应变有关）对包含焊缝的这一主要区域尺寸（或范围）和形状的影响，对于了解、**和最终控制焊缝和焊件的性能，是非常重要的。
熔池的形状，尽管不必是它的物理尺寸，是材料、焊速和焊接功率（电压乘电流）的函数，可以根据计算出的等温线来确定，而等温线是通过求解热流方程获得的。注意到：导热率增高引起施加的热量扩散，那末在给定的热输入和熔化温度下，这会使焊缝尺寸变小。
然而，不能忽略熔化温度的影响，这是明显的。对于给定的热输入，熔点越低，焊缝尺寸越大。
焊接速度的影响，是使熔池和热影响区的形状都发生变化。对于定点（点焊）焊，从热源向下看工件时，熔池和热影响区平面图是圆的；熔池和热影响区三维形状（假设是集中点热源）是近似的半球体。一旦热源以恒定速度运动，熔池和热影响区就被拉长，变为椭圆（平面图）和拉长的半球体（三维）。
随着焊速增加，熔池和热影响区的椭圆特性变得越来越明显；最后，在某一焊速时（与材料有关），熔池和热影响区变为“泪珠”状，“泪珠”尾部就是熔池尾部。原因在于凝固潜热的释放。一旦呈“泪珠”状，增加焊速使这种形状越来越明显，使熔化区和热影响区的宽度越来越窄（总的熔化体积不变）。
（在非常高的焊速时，“泪珠”状熔池的尾部实际上被分离，把液态金属区域孤立起来，导致沿焊缝中心线的收缩裂纹）。焊件厚度的影响，是随着厚度朝无限大增加，熔池和热影响区变得越来越小而其形状变化不大。这是因为传热区域质量对热分布有影响。
最后需提到的影响是，在给定热输入、焊件材料和几何尺寸时能量密度的影响。增加能量密度会提高熔化效率，因而会增大熔化的金属量（尤其在深度方向）并减小热影响区的尺寸。
热影响区的形状几乎完全是由熔池形状所决定的，而两者的形状都会由于接头的不对称而发生畸变，这是不令人奇怪的。这样的不对称可能是被焊件热质量（如厚度）造成的，也可能是其相对的热物性（包括熔点、导热率和热容）不同造成的。
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