第3章材料成形热过程

§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
影响焊接温度场的因素
（2）焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入） 当速度v＝常数时，随q的增加，某一温度的等 温线所包围的面积增大
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
（3） 被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散 率，比焓，表面传热系数等）
金属热物理性能对温度分布的影响 E=21 kJ/cm（q=4200J/s，v=0.2 cm/s ），h=1 cm
焊接线能量/ （J/cm）
840 1680
3750 7140 19320 42000 105000
504000 672000 117600 966000
900oC时加 热速度/ （℃/s）
900oC以上停留时间/ s
加热时t’ 冷却时t’’
1700
0.4
1.2
1200
0.6
1.8
700
2.0
5.5
400
冲天炉热 效率 30%50%
预热区 20% 熔化区 60% 过热区7%
§3-1 凝固成形热过程
二、冷却凝固的热过程特点及效率
铸件成形温度场的简化 一维导热铸件凝固过程，将铸件和铸 型的温度分布用直线近似： 铸件中的导热热流密度: q1=△T1λs/x1 铸件与铸型界面换热热流密度： q2=αi △T2 铸型中的导热热流密度: q3= △T3λM/x2
90
180
15
35
105
25
75
165
35
50
95
40
80
130
35
85
180
45
100
190
60
130
200
70
160
260
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
通常随着加热速度的提高
•
相变温度提高
•
奥氏体的均匀化以及碳化
物的溶解受限
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
2 . 峰值温度 Tmax 峰值温度Tmax将直接影响到焊接热影响区的组
防止氧 化和脱 碳的措 施
采用快速加热
电感应加热 接触加热
控制炉气的性质 减少空气过剩量 减少水分
采用介质保护加热
气体保护介质 液体保护介质 固体保护介质
3-3 焊接成形热过程
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
• 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的 方式可以简化为： 1） 厚大焊件—点状热源—三维温度 场
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
（4）焊件的板厚及形状
薄板焊接的温度场分布
Review
材料成形热过程 凝固 塑性 焊接
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
3.4 焊接热循环
焊接时焊件在加热和冷却过程中温度随时间的变化。 即焊件上某点的温度是随时间由低到高达到最大值后 又由高到低的变化。称为焊接热循环。
2.5
7.0
200
4.0
13.0
100
9.0
22.0
60
25.0
75.0
4
162.0
335.0
7
36.0
168.0
3.5
125.0
312.0
3.0
144.0
395.0
冷却速度/ （ ℃ /s）
900 ℃ 550 ℃
240
60
对接不开坡口
120
30
54
12 对接不开坡口,
40
9
有焊剂垫
22
5
9
2
V型坡口对撞，
§3-1 凝固成形热过程
一、加热熔化的热过程特点及效率 1.凝固成形热过程特点
预热区 熔化区 过热区 炉缸区
§3-1 凝固成形热过程
（1）预热区的 热交换特点
1）炉气给热以 对流方式为主。
2）传递热量大 3）温度变化大
§3-1 凝固成形热过程
（2）熔化区的 热交换特点
1）炉气给热以 对流传热为主。
§3-1 凝固成形热过程
3.厚壁金属型中凝固温度的分布特点 凝固金属和铸型热阻较大，涂层薄，热阻小 热扩散过程取决于铸件和铸型的热物理性质
△T1 ：△T2：△T3 = x1/λs：1/αi ： x2/λM
厚壁金属型时凝固的温度分布
§3-1 凝固成形热过程
4.水冷金属型中凝固温度分布特点 传热主要热阻是凝固金属
5
1
有焊剂垫
1.0
0.3
2.3
0.7
0.83 0.28
0.8
0.25
双丝 三丝 板极 双丝
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
一、焊接热循环的主要参数
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
1.加热速度 ωH
加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响
§3-2 塑性成形热过程
材料的热扩散性好， 即表明加热时温度在金属内部传播的速度快，
因而在材料断面上的温差就 小
由此产生的温度应力就小； 因而可以采用快速加热的方法提高生产率。
§3-2 塑性成形热过程
热扩散率与温度T的关系曲线
低温阶段各种钢的热 扩散率相差很大（高 合金钢热扩散性较差， 故应缓慢加热）
为了方便，在理论计算的基础上建立了 不同条件下从线算图上直接获取τ8/5或τ8/3的图 解法。
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
a）τ8/5
b)τ8/3
手弧焊线算图
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
冷却时间τ100与E，h，T0的关系（B-预热宽度）
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
离焊缝不同距离各点的焊接热循环
焊接的加热不均匀性是导致焊接接头组织不均匀性 和性能不均匀性的重要原因
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
回顾：铁碳合金相图
A
B
H
L
1400 N J
1200
L+A
A
E
C
1000 G A+F
800
Acm线
A+Fe3C
FP S
钢种
相变点
平衡状 态/ ℃
45号
AC1
730
AC3
770
40Cr
AC1
740
AC3
780
23Mn
AC1
735
AC3
830
AC1
740
30CrMnSi
AC3
820
AC1
710
18Cr2WV
AC3
810
加热速度ωH/（ ℃ /s）
6-8
40-50
250300
14001700
770
775
790
840
820
感谢您的听课！
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
5. 冷却时间τc（τ8/5或τ8/3及τ100）
对于一般碳钢及低合金钢常采用固态相 变温度范围的800～500℃冷却时间τ8/5；而对 于 淬 硬 倾 向 比 较 大 的 钢 种 有 时 采 用 800 ～ 300℃冷却时间τ8/3或由峰值温度冷至100℃的 冷却时间τ100。
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
影响焊接温度场的因素
（1）热源的性质（热源能量的集中性） 以电弧焊为例，电弧能量越集中，温度 场范围越小，温度梯度越大
Βιβλιοθήκη Baidu
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
影响焊接温度场的因素 （2）焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入）
当热源能量（功率）q＝常数，随焊接速度v的增加， 某一温度的等温线的宽度和长度都变小，用等温线 表示的温度场的形状变的细长
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
3. 高温停留时间 τH •对于钢来说tH越长，越有利于奥氏体的均 匀化 •温度太高，将会使奥氏体晶粒严重长大， 造成晶粒脆化。
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
4. 冷却速度ω（或冷却时间τ8/5，τ8/3） 冷却速度，特别是在固态相变温度范围
内冷却速度，即800～500℃及800～300℃ 时的冷却速度是焊接热循环中极其重要的 参数，它将决定焊接接头的组织、性能及 接头质量。
高温阶段，各种钢的 热扩散率基本趋于一 致，都较低。但高温 阶段钢具有良好的塑 形，加热引起的应力 并无危险，此时均可 快速加热。
§3-2 塑性成形热过程
2.钢在加热过程中的氧化及脱碳
氧化铁皮形成过程
§3-2 塑性成形热过程
影响氧化 的因素
炉气性质 加热温度 加热时间 钢的化学成分
§3-2 塑性成形热过程
835
860
950
735
750
770
840
775
800
850
940
750
770
785
830
810
850
890
940
740
775
825
920
790
835
890
980
800
860
930
1000
860
930
1020 1120
AC1和AC3的温度/ ℃
40-50
250300
14001700
45
60
110
65
△T1 ：△T2：△T3 = x1/λs：1/αi ： x2/λM
水冷薄壁金属型中凝固的温度分布
3-2 塑性成形热过程
§3-2 塑性成形热过程 一、塑性成形热过程的基本特点
对于热塑性加工来说，成形前的加热是一个不可缺 少的重要环节。
固体金属材 料的加热过 程，
对流 辐射 热传导
热源对金属加热
金属内部传递热 量，使金属材料 的温度逐步均匀 化。
§3-1 凝固成形热过程
△T1 λs/x1=αi △T2= △T3λM/x2 △T1 ：△T2：△T3 =x1/λs：1/αi ： x2/λM
1/λs
1/αi
热阻：热阻大，温降大， 传热的控制环节
1/λM
§3-1 凝固成形热过程
铸件和铸型的温度分布简化为四种情况： 1.铸件在绝热铸型中凝固温度分布特点 铸型热物理性质是决定整个系统散热过程的重要因素
§3-2 塑性成形热过程
1.金属材料的热扩散率是温度的函数 热扩散率又叫导温系数，它表示物体在加热或冷却 中，温度趋于均匀一致的能力。
在传热分析中，热扩散率α（单位是m^2/s）是热 导率λ与比热容c和密度ρ的乘积之比。 α=λ/（ρ·c） 其中：热导率λ（单位：W/(m·K)）
比热容c（单位：J/(kg·K)） 密度ρ（单位：kg/(m^3)）。
脱碳 钢在高温加热时，其表层的碳和炉气中的氧化性气 体，氧、一氧化碳、水以及还原性气体氢气，发生 化学反应，造成钢表层含碳量减少，这种现象称为 脱碳。
影响 脱碳 因素
炉气成分 加热温度 加热时间
§3-2 塑性成形热过程 表面变软
脱碳的危害
强度降低
耐磨性降低
脱碳层厚度与机械加工余量的关系 精密锻造
§3-2 塑性成形热过程
△T1 ：△T2：△T3 = x1/λs：1/αi ： x2/λM
绝热铸型凝固温度分布
§3-1 凝固成形热过程
2. 以金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固温度分布特点 金属-铸型界面处的热阻大，热扩散取决于涂层的热物理性
能
△T1 ：△T2：△T3 = x1/λs：1/αi ： x2/λM
以界面热阻为主的温度分布
短段多层焊接热循环曲线
§3-4 焊接成形热过程 焊接热循环 800500℃冷却时间τ8/5实测值与计算值对比（低合金钢埋弧焊）
二、多层焊接热循环
1.长段多层焊接热循环 长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时， 第一层焊缝基本上冷却到100℃~200℃以下
§3-4 焊接成形热过程 焊接热循环
低合金钢V形坡口三层焊时1点的冷却曲线
§3-4 焊接成形热过程 焊接热循环
2.短段多层焊接热循环 短段焊道一般约50~400mm左右，在这种情况下，前层焊缝 还未冷却到较低温度（如Ms点）时，就开始焊接下一层焊缝。
第三章 材料成形热过程
第三章 材料成形热过程
3-1、凝固成型热过程 3-2、塑性成形热过程 3-3 、焊接成形热过程
3-1、凝固成型热过程
凝固成形的基本热过程
加热熔化
冷却凝固
一、加热熔化的热过程及热效率 二、冷却凝固的热过程特点及热效率
§3-1 凝固成形热过程
一、加热熔化的热过程特点及效率
§3-1 凝固成形热过程
织和性能。 • 峰值温度过高，将使晶粒严重长大，甚至产生过热
的 魏氏体组织，造成晶粒脆化； • 同时还影响到焊接接头的应力应变，形成较大的焊
接残余应力或变形。
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
3. 高温停留时间 τH 高温停留时间：指在相变温度Ac1以上停留 时间。
加热过程+冷却过程 对于相的溶解、奥氏体的扩散均匀化以及 晶粒度都有很大影响。
焊件及热源形式
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
• 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式 可以简化为： 2） 薄板焊件—线状热源—二维温度场
焊件及热源形式
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
• 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式 可以简化为： 3） 细棒对接—面状热源—一维温度场
焊件及热源形式
600
Q
A3线
400
A1线
F+Fe3C
200
Fe
1
2
3 w(c)% 4
5
D L+Fe3C
F
K
Fe3C
6 6.69
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数
焊接方 法
钨极氩 弧焊
埋弧自 动焊
电渣焊
板厚 /mm
1 2
3 5 10 15 25
50 100 100 220
2）呈凹形分布。 3）高度波动大。
§3-1 凝固成形热过程
（3）过热区 热交换的特点
1）铁水的受热以与焦炭接触传导 导热为主。 2）传热强度大。
§3-1 凝固成形热过程
（4）炉缸区的 热交换特点
没有空气， 焦炭不燃烧， 是冷却区
有空气， 焦炭燃烧， 过热区的一部分 与过热区相仿
§3-1 凝固成形热过程