焊接结构学口试题解答(200题完整版)

QA ( AP) 2 TA exp[ b 10] hc (4 a 10) 4a 10 QB ( BP) 2 exp[ b 10] hc (4 a 10) 4a 10 TP TA TB 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： q UI Tlim ( R, x)-T0 2 R 2 R 之后利用热饱和和热均匀来计算：
T 0 y
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
v z T u z T

T y T x
（3）体积力初始条件 体积力 X，Y，Z 包括电磁力和自然对流项
3
v v2 R, 3 t ，查下表获得热饱和函数 ( i , i ) ， 2a 4a
A 点造成 P 的温升： 先饱和后热均匀时， T (t ) T0 Tli [(t ) (t 10)] ，t=15s 时的温度； B 点造成 P 的温升：
只有热饱和过程， T (t ) T0 ( i , i )Tli ，计算 10s 的温度； 之后二者相加 TP TA TB 。 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？（P22-P23） 条件：有不变功率为 q 的连续作用点热源沿半无限体表面匀速直线移动，热源 移动速度为 v。忽略起始阶段与收尾阶段，并认为在准稳态温度场。我们考虑极 限状态 t∞，以等速度沿半无限体表面运动的、不变功率的点热源的热传导过 程极限状态方程 q Rx T ( R, x) exp( v) 2 R 2a q 当 x=-R(热源后方)， T 该点与运动速度 v 无关。 2 R 16. 快速移动热源作用下的温度场有何特征，为什么？（P31） 运动速度 v 越大，热源前方的温度下降就越快，当 v 极大时，热量传播几乎 只沿横截面进行。 往往，快速移动大功率热源工艺参数 q 和 v 成比例增加，以保证单位长度焊 缝上的热输入 qw=q/v 为常熟。 （焊接时间减少，因此具有重要的实际意义。 ） 此时，加热区的长度于速度成比例增加，其宽度趋近于一个极限值。当移动 速度极高时， 热传播主要在垂直于热源运动的方向上进行，在热源运动方向上传 热很少，可以忽略。 应用： 作用于半无限体上的快速移动大功率热源——线热源——二维传播 作用于无限大板上的快速移动大功率热源——带状热源——一维传播 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？ （P27-P28、P31+自想） （1）瞬时高斯热源： 瞬时高斯热源在半无限体内的热传播过程是线性热传播过程表达式和平面 径向热传播过程表达式的乘积。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
斑点的外径 dn 为： dn 2 3 / k 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
v v v P 2v 2v 2v c[(u u0 ) v w ] Y ( 2 2 2 ) x y z y x y z w w w P 2w 2w 2w c[(u u0 ) v w ] Z ( 2 2 2 ) x y z z x y z
c[
T T T T T T T (u u0 ) v w ] ( ) ( ) ( ) t x y z x x y y z z
动量方程——动量守恒
c[(u u0 )
u u u P 2 u 2 u 2u v w ] X ( 2 2 2 ) x y z x x y z
* q r） qmax exp(kr 2 ) 表达式： （
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]；
T 2T 2T 2T ( ) t c x 2 y 2 z 2
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 c (4 at )3 2
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。
《焊接结构学》口试试题库及解答 第一部分（焊接传热学）
1. 简述构件焊接性的含义，哪些因素影响构件焊接性？（P2） （1）构件焊接性广义上包括了：材料的焊接适应性（即材料焊接性） 、设计的焊 接可靠性、 制造的焊接可行性。 从狭义上来说构件焊接性可理解为所需求的强度 性能。
（2）影响结构焊接性的因素 材料相关：母材和填充材料的化学成分和显微组织 设计相关：结构的形状、尺寸、支撑条件和负载，焊缝类型，厚度和配置 制造相关：焊接方法、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。 PS：焊接性：是指金属材料适应焊接加工，并获得满足使用性能的焊接接头的 难易程度。 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。 （P6、P9） 电弧焊（MIG） 电阻焊（点焊） 电弧产热（最主要来源） ： 电阻热（最主要来源） ： 气体放电产生热量 产热机构 接触处电阻大，产热多 电阻热：焊丝上产生热量 相变潜热、 变形热 （忽略） 相变潜热、 变形热 （忽略） 环境散热 环境散热：较小 散热机构 飞溅散热 飞溅散热：顶锻损失 热传导：工件和焊丝中 热传导：工件中 对流换热：熔池内部强迫 对流换热：周围气体 热量传递方式 对流、气体与电弧 辐射换热：工件 辐射换热：电弧、工件 热焓迁移：顶锻飞溅 热焓迁移：熔滴、飞溅
T T (ri , ti )
i 1
n
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：
连续性方程——质量守恒
u v w 0 x y z
（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
q(r )
h IU r2 exp( ) 2 2 2 q 2 q
当 z=δ、z=0，对流和辐射向环境放热 T a(T T0 ) z 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
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。 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
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： 产热机制：从内部通过电阻热作为高温热源，电阻热在工件内传导； 散热机制：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
X ( j B) x Y ( j B) y Z ( j B) z g T
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 PS：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： （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 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）
q q(r )dF qmax e kr 2 rdr，q
2


k
* qmax， qmax
k
F
0

q（q——热源有效功
率[J/s]； ） r——圆形热源内某点与中心的距离[mm]；
* * qmin 0.05qmax
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