《焊接结构学》章节复习试题（大学期末复习资料）.docx

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1、第一、二章1 .简述构件焊接性的含义，哪些因素影响构件焊接性？答：构件的焊接性包括材料的适应焊接性、设计的焊接可靠性、制造的焊接可行性。影响构件焊接性的因素包括：与材料有关的因素：母材和填充材料的类型（化学）成分和显微组织与设计有关的因素：结构的形状、尺寸、支撑条件和负载、焊缝类型、厚度和配置与制造有关的因素：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2 .比较电弧焊（MlG）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。答：产热机构：电笳焊向用气体介质中的放电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件，MIG采用直接弧，阳极斑点和阴极斑

2、点直接加热母材和焊丝，电弧柱产生的辐射和对流传热和电极斑点产生的辐射传热也起辅助作用；电阻焊以电阻热为主要热源，电阻点焊最初起主要作用的是被焊构件间的接触区域存在接触电阻，电流流过时导致表面被加热，并使表面局部熔化，此后接触电阻减弱甚至消失，热量的产生主要取决于电流密度和被加热的体积散热机构：电弧焊环境散热，即处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量，和飞溅散热，即飞溅造成热量损失电阻焊环境蔽热，即处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量热量传递：电弧焊热传导，即工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导；对流换热，即焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围

3、气体介质流过时带走热量；辐射换热，即电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生辐射，并传递热量；热焰迁移，即（1）具有高温的熔滴从焊丝向母材迁移，在传质同时传热；（2）飞溅从熔池向四周飞散，同时传质传热。电阻焊热传导；对流换热3 .哪些因素会影响MIG过程产热及散热？答：4 .举例说明焊接结构过程中涉及到几种热量传递方式。答：5 .比较交流TIG焊与电阻焊的有效热功率的差异。答：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）答：电弧以恒定的速度UO沿X方向移动。根据温度分布，熔池分为前后两部分，在熔池前部，输入热量大于散失的热量，所以，随着电弧的移动，金属不断熔化

4、；在熔池后部，散失的热量大于输入的热量，所以发生凝固。在熔池内部则因自然对流、电磁力和表面张力等的驱动，产生流体对流。控制方程组：在固定坐标系（3y,z）中，热能方程为idTxa巩一政、。石。丁、pc（+U+V+W）=（A）+（A）H（）dtyzyyzzp密度；c比热容；导热系数；T温度；t一时间；u、v、w分别为x、y、z,方向上的速度分量。考虑到热源是一个热流密度为q（r）且以恒速运动的电弧，在此进行坐标变换，将XY-Uot代入上式，就可以将固定坐标转换为以热源中心为坐标原点的移动坐标。,d,aW、a,aa力、dt。为yzyyzz此式为热能方程，满足能量守恒定律。对于熔池中的流体应满足动量

5、守恒，即满足动量方程r/.uudu、.P.2u2u2u.pc(u-)-v-vv-1=X-A(7VT7Tvv)xoyzxoxyzrz、加v3叭P,2v2v2v.pcU-Wn)+V+WJ=Y+(-r+7+-7)xyzyx2y2z2 ) P.2W 2W=Z+ M-7 + 7 +zx2 yJ、加wwpcw0)-+v-+vv-U流体黏度；P流体压力；X、Y、Z体积力在x、y、Z方向上的分量+=Oxyz此式为连续性方程边界条件热能方程的边界条件为：当Z=O（电弧覆盖区域），有热流q（r）向工件输入热量I焊接电流；U焊接电压；oq-热流分布函数；r距电弧中心的距离；他一热效率当Z=L、z=0（上下表面的其它

6、部分），通过对流和辐射向环境放热，此时打-=a（T-o）OZ在固液界面上，T=Tm,Tm为材料熔点。当y=0,表示要求解的温度场关于中心平面（xy）对称，则艺=0Gy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，U=-Mo,V=O,W=O在熔池表面上，vTu-=zTyuT=zTx体积力：动量方程中出现了X、Y、Z三个体积力分量，电弧焊接熔池中的体积力包括电磁力和自然对流项，体积力为：Fb=（jxB）-pgj电流强度：B磁感应强度；体积膨胀系数；g重力加速度；温差。在x、y、Z三个方面的分量分别为：X=（jB）Y=（jB）yZm-PgAT*7.如何理解焊接熔池流场计算模型中控制方程组得以

7、成立的物理基础答：控制方程组包括三个方程：热能方程（能量守恒）、动量方程（动量守恒）、连续性方程（流体是连续和不可压缩的）8 .焊接热源有几种简化方式？其适用条件如何（举例说明）答：集中热源简化模型点热点;作用于半无限体或立方体表面层,可模拟立方体或厚板的堆焊,热量向X、Y、Z三个方向传播。配合半无限体几何模型使用。线热源：将热源看成是沿板厚方向一条线，在厚度方向上，热能均匀分布，垂直作用于板平面，可模拟对接焊，一次熔透的薄板，热量二维传播。配合无限大板几何模型使用。面热源：作用于杆的横截面上，可横拟电极端面或磨擦焊接时的加热，认为热量在杆截面上均匀分布，此时只沿一个方向传热。配合无限长杆儿何

8、模型使用。分布热源简化模型正态分布热源（高斯热源）：热源密度q*为正态度分布的表面热源，即假设热量按概率分析中的高斯正态分布函数来分布：4*=lLexp（M）O卵形热源（双椭球热源）：焊接方向COQ = qr)dF = qek, 2rdr =假设在卵形面内，其容积比热源密度q*按高度斯正态分布，热源密度在卵形面的中心有最大值，从中心向边缘呈指数下降，卵形尺寸的选择约比熔池小10%,总功率应等于焊接过程的有效热功率，在比较计算的和测量焊的焊接熔池和温度场的基础上，对参数进行最后的校准。前半部分椭球内热源分布为633x23V23z2q（x,y,z）=Lf=exp（一一-）exp（-r）exp（一一

9、-）abCabcl后半部分椭球内热源分布为z、6y3frQ/3/3/zq（x,y,Z）=exp（一一-）ep（-才）exp（-abc2Jab9 .热源空间尺寸的简化会造成何种偏差？其使用范围如何?答：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。答：高斯分布热源的表达式：=exp（一女产）其中为最大热流密度；Z为热源集中系数，表示热源集中程度的系数；厂为电弧覆盖区域内某一点到热源中心的距离。由积分式：q = Jq(r)db = FOq-e可得：=-Q电弧笼罩区域是有限的，其大小可以通过实验来确定。通常，取电弧笼罩区域的直径为dn,并假定在此区域内集中力电弧绝大部分（95%

10、以上）的热量。O厂11 .证明瞬时点热源作用于半无限体时，温度场T=丫exp（一）的正确性。cp（aty4at答：瞬时点热源作用于半无限体情况可理解为，热量。在时间，=0的瞬时作用于半无限大立方体表面的中心处，热量呈三维传播。其热量的传播满足导热微分方程包=4t Cp言哆）。要证明其温度场T=前悬尸呻（一高）的正2n确性，只需证明此温度场表达式为导热微分方程a=3r+/+京）的一个特解即可。在此设：Q.r2.rrT(uv)vuU=TjT-,V=cx(),T=WV,=UFVCm4;Taf产4atttttTQ/、/1、/、/、Q=v7()(-r)exp()+exp()记则tc(4at)24at24

11、m4atc(4at)3=T(4at2H T T dr ro =x dr x cp(at)2rdrr2rdr-7()exp()=T()3/24atx4川4atx由于，=炉+,2+z2,2rdr=2xdx,二:所以xr则2T.TdXTXTTXXTx2_I1,I/I-，,I/II-IIx2xxx2at2at2atxIatIat2at2atIat闩璐2T_Ty22TTz2n同理大f=-(=-(DxIatIatxIatIat将上面各式代入微分方程式(*),得T(r23、2rTzX21y21z2ZT1x2+z23、t4at2cp2at2at2at2attcpa4at2因为_=。，所以，微分方程两端相等，即

12、说明T=exp(一二)确实是CPcp(4aty4at微分方程T2T2TT1了=7(而+.+弱的特解。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？答：瞬时点热源作用于半无限体，热源作用点的温度为(T_T._2。4;皿严当/=O时，T-7io这与实际情况不符，这是点热源模型简化的结果。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。答：瞬时点热源作用于半无限体：T=-rexp(-)cp(atyi4at瞬时线热源作用于无限大板：T=exp(-二一4)/=必称为散温系数hcp(4atr4。，cph瞬时面热源作用于无限长杆：T=2-尸cxp(-b*t)

13、,=ACP(4rm)4atAcp14 .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。答：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？答：在运动坐标系下观察，温度场为：T(x,y,ZJ)=:4九exP(-/)j*exP(-r-一工T)J=IT为热源作用时间cp(dil2ary4a4atA*V/*1(t代入上式中的定积考虑极限状态，并设一二A-=m、du=五F，4at4a2(4a)/2t3f2分部分，由于exp(-w2-)du=-exp(-2n)=-exp(-)Jf)u222a所以T(AX) =喜访exp噫)冬Xp(-=q r V .exp-(x+r)此即为以恒定速度沿半无限体表面运动、不变功率的点热源的热传播状态方程式。当工=-时，T-T0=-,此处的温度值与热源移动速度无关。2r16 .快速移动热源作用下的温度场有何特征，为什么？答：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？答：18 .什么是热饱和？热饱和时间的含义是什么？如何确定？答：热饱和：热源长时间作用后可导致极限状态，在固定热源的情况下，其相应的温度场是稳定温度场，即各点的温度与时间无关，在移动热源情况下，其相应的温度场是准稳定的温度场，即