母材的熔化和焊缝成形

第三章 母材的熔化和焊缝成形
2.焊接熔池的特征参数
可以根据式（3-4）计算出熔池前部长度L1、 熔池尾部长度L2。
L1在x轴上，计算L1时取L1 =r；计算L2长度时取L2 =-r。T=Tm,通过计算，得到表达式如下：
l1
a v
(ln
p
2 Tm
ln l1)
a v
ln
p
2 Tm
式中，Tm是被l2 焊2材pT料m 的熔化温度。
是焊接热输入功率；
η是电弧加热工件的热效率； U是电弧电压；
I是焊接电流。 1焦耳=0.24卡
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用交流电焊接时热输入公式计算：
P＝ 0.24ηKUI
交流电焊接时,考虑到波形的非正弦性,乘以系数 K,K=0.7-0.9;
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表3-1 各种弧焊方法的热效率η 弧焊方法
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1. 焊接温度场的解析计算
由于影响焊件实际温度场的因素很多，为了使问题 简化，计算焊接温度场时作如下假定：
1) 材料的物理特征值导热系数、密度、比热等均不随温度 变化。
2) 在任何时刻和任何温度下材料都处于固态，不发生任何 相变。材料各向同性，材质均匀。
3) 焊件为半无限大体，热源集中作用在半无限大体表面上 的体积为零的点上。
AM：熔化的母材在焊缝横截面积中所占的 面积； Ah：填充金属在焊缝横截面中所占的面积。
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影响因素:焊接方法;焊件的坡口形式;焊接参 数. 重要性:在焊接中碳钢,合金钢和有色金属时易 产生裂纹,力学性能降低,可通过改变熔合比的 大小来调整焊缝的化学成分.控制冶金反应， 降低裂纹的敏感性和提高焊缝的力学性能.
2 r
T:点A的加热温度；
r:点A到动坐标系原点O的空间距离； x:是运动坐标系中点A在轴上的坐标； v:是点热源的运动速度；
由于在半无限大体 内等于材料熔点的等温 面所包围的液体金属区 域就是焊接熔池，因此 可以计算得到熔池形状 及其温度分布。
第三章 母材的熔化和焊缝成形 图3-4 熔池形状示意图
第三章 母材的熔化和焊缝成形
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第三章 母材的熔化和焊缝成形
3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸
3.1.1 焊缝形成过程 电弧焊时，焊缝的形成一般要经历加热、熔化、化
学冶金、凝固和固态相变等一系列冶金过程。其中， 熔化和凝固是两个必不可少的过程。
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3.2.3 焊件比热流与焊接参数的关系
实际上电弧不是点热源，可以近似认为热量以正态分布 规律，通过分布半径为r的圆面积输入工件。
• 焊件的比热流分布
图3-1 熔池内沿焊缝纵向轴线上的温度分布示意图 1－熔池前部 2－熔池尾部
第三章 母材的熔化和焊缝成形 图3-2熔池结晶过程示意图
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3.1.2 焊缝形状尺寸
焊缝的形状一般是指焊缝横截面的形状。 焊缝的表示参数： 焊缝熔深H：指母材熔化的深度； 焊缝熔宽B：两焊趾之间的距离 焊缝余高h： 焊缝成形系数φ：φ＝B/H 余高系数Ψ：Ψ＝B/h
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图3-3 对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸 H－焊缝熔深，B－焊缝熔宽，h－焊缝余高， Ah－填充金属熔化面积，AM－母材熔化面积
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熔合比γ：指单道焊时，在焊缝横截面上熔
化的母材所占的面积与焊缝的总面积之比。
熔合比γ用下式计算： γ= AM/( AM+ Ah) （3－1）
金属熔化时吸收熔化潜热，熔池尾部的金属凝固时放出潜热； （3）实际焊接热源是分布热源，热源作用在焊件的一定的区域上，在不
同的条件下以不同的分布形态输入焊件，而不是作用于一点上的点状 热源； （4）实际熔池的液体金属表面在电弧力等各种力的作用下发生变形；熔 池金属的流动使传热不再局限于固体内的热传导等等。 因此，用点状热源等公式计算出的熔池形状和尺寸与实际情况有较大 差异。
(3-5) (3-6)
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结果： 熔池尾部的长度与p成正比，与热源移动速度 无关。 熔池前部长度与焊接速度成反比
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3. 实际焊接条件与解析计算的假设条件的差异
实际焊接时与假定条件有很大差异： （1）焊接工件尺寸总是有限的，边界上的散热条件与假设条件不同； （2）材料加热和冷却时要发生相变，不是始终处于固态；熔池前部的
4）半无限大体表面上表面为绝热面，即热源的热能全部 向物体内部传导。
5）初始温度为零。 6）不考虑力的作用和熔池金属的流动。 7）物体上的传热过程已达到极限饱和状态，即t=∞。
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对于作用在半无限物体表面上以v速移动 点热源, 焊件上任意一点A点的温度解析表达 式：
T (r, x) p exp v(x r) / 2a
尽管如此，解析计算公式可以清楚地表述各个物理量之间的关系以 及某些条件变化时的焊接温度场分布的变化规律，这也是很有意义的。
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4.工件热输入和焊速对熔池尺寸和体积的影响. ① p增大熔池体积增加 ② p增加熔池长度增加. ③ p增加熔池宽度也增加. ④ v增加熔池体积Vm明显减小. ⑤ v增大熔池长度虽然有些减小但变化不大. ⑥ v增大熔池宽度B减小.
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3.2 熔池形状与焊接电弧热的关系
电弧的热量使工件受热熔化，但电弧的热 量中输入工件的只是一部分。因此，要先知 道电弧的热输入、热效率及工件上温度分布， 才能知道熔池形状尺寸。
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3.2.1 焊接电弧的热输入功率
用直流电焊接时热输入公式计算：
p＝ 0.24ηUI
焊条电弧焊
η 0.65～0.85
埋弧自动焊
0.80～0.90
CO2气体保护焊 熔化极氩弧焊（MIG）
0.75～0.90 0.70～0.80
钨极氩弧焊
0.65～0.70
第三章 母材的熔化和焊Байду номын сангаас成形
3.2.2 焊接温度场
焊接温度场是指焊接过程中某一瞬间焊接接 头上各点的温度分布状态，通常用等温线或等 温面来表示。为了了解熔池形状与焊接电弧热 之间的关系，人们试图利用焊接温度场解析法 求出熔池的形状和尺寸。