要对某一物理现象进行数值模拟，首要的任务是搞清楚这一物理过程的物理本质，并对此物理过程进行数学描述。焊接过程涉及的物理现象非常复杂，以至于没有哪一个数学公式可以完全描述其整个物理过程。本章将从几个不同的侧面对焊接过程涉及的主要热、力、组织相变及流体流动等物理过程进行介绍，为焊接过程的数值模拟提供必要的理论基础。
2.1 焊接热过程
除了冷压焊等个别的焊接过程以外，大部分焊接过程需要对焊接区域进行加热，使其达到或超过材料的熔点(如熔焊)或热塑性温度(如固相焊接)，并在随后的冷却过程中形成焊缝和焊接接头。这种加热和冷却的过程称为焊接热过程，它是所有焊接后续过程(如冶金、凝固、组织性能和应力变形等)的前提。以常见的电弧焊为例，焊接的热过程具有如下特点。
1) 局部集中性。焊接热源一般只集中作用于加热点及其邻近区域，温度梯度大，加热和冷却都极不均匀。
2)热源的运动性。焊接过程中热源一般是相对于工件运动的，工件受热区域不断变化。当焊接热源接近工件某一点时，该点温度迅速升高，而当热源逐渐远
离时，该点又冷却降温。
3)焊接热过程的瞬时性。在高度集中热源作用下，焊接过程的加热速度极快(可达 1800K/S)，即在极短的时间内把大量的热能由热源传递给工件，而加热的局部集中性和热源的运动性又使冷却速率也很快。与铸造等的热过程相比，焊接热过程具有瞬时性。
4)焊接热过程的复合性。焊接熔池中的液态金属处于强烈的搅拌运动状态。在熔池内部，传热过程以流体对流为主;而在熔池外部，传热过程以固体导热为主。此外，工件与外部空间还存在对流换热及辐射换热。可见，焊接热过程具有复合性。
对焊接的热过程进行分析描述，一般可从焊接热源与焊接传热两方面进行。
2.1.1 常用焊接热源及热效率
焊接热源是实现焊接的基本条件。从性质上看，实现材料焊接所需要的能量包括电能、化学能、机械能和光辐射能等。
1.常用焊接热源
1)电弧:电弧是最常见的焊接热源，其利用气体介质中放电产生的电弧作为热源，如焊条电弧焊、埋弧焊、二氧化碳(CO,)气体保护焊、钨极惰性气体保护焊(简称 TIG 焊)、熔化极惰性气体保护焊(简称 MIG焊)等。电弧产生的热量通过热传导、对流、辐射等方式传递到工件上。
2) 电阻热:利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源，如电阻点焊和电渣焊等。前者利用工件金属本身电阻产生的电阻热进行焊接，后者利用液态焊渣的电阻产生的电阻热进行焊接。
3) 等离子束:将电弧放电或高频放电形成的等离子体通过一个水冷喷嘴引出形成等离子束电弧，通过电磁压缩作用和热压缩作用使等离子束具有较高的能量密度和极高的温度。
4) 电子束:在真空高压场作用下，高速运动的电子经过聚焦形成高能密度电子束，当它猛击金属表面时，电子动能转化为热能，这种热源焊接方法即电子束焊。电子束能量密度达10'W/mm。
5) 激光束:利用经聚焦后具有高能量密度的激光束作为焊接热源，如CO激光和 YAG 激光。激光東能量密度达 10'~10'W/mm?。
6) 电磁感应:利用涡流原理和变压器原理实现感应加热。涡流原理即将导电工件置于通以高频电流的感应线圈的感应磁场内，靠物体内感应出的涡流使物体直接产生热量。
7) 化学热:利用可燃气体燃烧反应热或铝镁热剂的化学反应热来进行焊接如以氧乙炔焰为热源的气焊、铝热剂焊和镁热剂焊等。
8)摩擦热:摩擦是机械能高效转换为热能的一种方式，如摩擦焊、搅拌摩擦焊等。不同的焊接热源形式往往在产热机理上存在较大的差异，需要在数值模拟时着重考虑。
2.焊接热源的热效率
由热源产生的热量并不是全部被工件所利用，而是有一部分热量损失于周围介质中，即工件吸收的热量要小于热源所提供的热量。从焊接热过程计算角度来看，焊接热源的热效率的准确选取是提高计算精度的先决条件。焊接热源的热效率是指单位时间内被工件吸收的有效功率与焊接热源提供的总功率的比值。
以电弧焊接为例，设焊接热源--电弧提供的总功率为q，也即电弧在单位时间内放出的能量为
式中，U--电弧电压;
I--焊接电流。
假设被工件吸收的有效功率为q，则有
式中，"--焊接热源的热效率。
值得注意的是，焊接热源的热效率在焊接过程计算中是一个重要的参数，它直接决定热输入的大小。但是在焊接工程领域，常将“焊接热输入”直接指代成“名义热输入”，而忽略热效率，如电弧焊接中的热输入为U，同时将“焊接线能量”也指代成UI/v，其中v为焊接速度。此时，要注意“名义热输入”与“有效热输入”的区别。
本书采用“有效热输入”的概念。焊接热源的热效率可以通过实验的方法测量，其大小与焊接方法和焊接参数密切相关，因此在数值上通常为一个范围，需要读者在计算过程中选取。常用焊接热源的热效率及简要说明见表 2-1。
表 2-1 常用焊接热源的热效率及简要说明
（内容、图片来源：《焊接过程数值模拟》一书，侵删）
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