第二章 焊接成形热过程

焊接接头（welded joint）的组成： 母材（base metal） 热影响区（heat affect zone） 熔合线（bond line） 焊缝（weld）
• 熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝
两侧一定范围内发生组织和性能变化 的区域称为“焊接热影响区” 。
焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材
a
式中:
a
2
—— 导温系数，
c
；
—— 拉普拉斯运算符号。
2T 2T a x 2 y 2 t
• 二维传热：T
• 一维传热：
T 2T a t x 2
对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根
据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。
冷却时间随着线能量E和初始温度T0的提高而延长。母材的热 物理性质、焊件的形状、尺寸、接头型式、焊道的长度及层数
都会影响焊接热循环参数，
焊接热循环条件下的金属组织转 变特点
与热处理条件下的组织转变相比，其基
本原理相同，又具有与热处理不同的特点。
• 焊接过程的特殊性 • 焊接加热过程的组织转变
• 焊接时冷却过程的组织转变
焊接过程的特殊性
五个特点（以低合金钢为例）：
• 加热温度高 在熔合线附近温度可达l350～
l400℃；
• 加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几
百倍；
• 高温停留时间短 在AC3以上保温的时间很短(一般
手工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s) ；
• 在自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温
•
研究焊接热循环的意义为：
① 找出最佳的焊接热循环；
② 用工艺手段改善焊接热循环；
③ 预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。
二.焊接热循环的主要参数
焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH • 最高加热温度Ｔm • 相变温度以上
的停留时间tH
晶粒 大小
• 冷却速度ωc
(或冷却时间t8 / 5)
• 二.焊接过程热效率:
在材料加热过程中，能源所提供的热量，通常 并不能全部被利用，其中一部分热量将不可避 免地由于对流、辐射、传导以及热加工工艺方 面的因素而损失，不能真正用于加热金属材料， 因而就存在着热效率的问题。 • 假设能源提供的热量为Q0，而真正用加热金属 材料的热量为Q,那么热效率η 的定义 为η = Q/ Q0 影响热效率的因素很多，主要与热源的性质、 热加工工艺方法、被加热材料的种类、性质及 尺寸形状、以及周围介质环境等因素有关.
• 不稳定温度场：温度场不仅在空间上变
化，并且也随时间变化的温度场：
百度文库
T f x, y, z, t
• 稳定温度场： 不随时间而变的温度场
（即温度只是坐标的函数）：
T f x, y, z
热传导过程的偏微分方程
• 三维傅里叶热传导微分方程为：
T t c 2T 2T 2T x 2 y 2 z 2 a 2T
接热输入量，E = IU/v ) 一定，焊件上某点离开热源轴心
距离越远，最高温度Ｔm越低；而对焊件上某一定点，随着 线能量E 的提高，其Ｔm增高，焊接热影响区的宽度增大。 峰值温度的高低还受预热温度与焊件热物理性质的影响。
点热源（厚板）
E tH 2 (TH T0 )
线热源（薄板）
tH
(E ) 2 2 c (TH T0 ) 2
缓冷）；
• 有热应力作用状态下进行的组织转变。
焊接加热过程的组织转变
• 焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比
起等温转变时大有提高。当钢中含有较多的碳化物 形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)时，这一 影响更为明显。这是因为碳化物形成元素的扩散速 度很小(比碳小1000～10000倍)，同时它们本身 还阻碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过 程。
焊接热循环参数的计算
主要介绍焊接热源高速运动时厚板和薄板 的热循环参数的计算（推导过程略）：
• 峰值温度Ｔm的计算
• 相变温度以上的停留时间tH 的计算
• 冷却速度ωC和冷却时间的计算
点热源（厚板） 线热源（薄板）
0.234 E Tm T0 cR 2
0.242 E Tm T0 cy 由两式可以看出，当焊接线能量E（ 单位长度上的焊
特点：各线面不相交，存在
2.
温度梯度
T1 T2 T S
（单位长度上的温度变化）
• 等温面：空间具有相同温度点的组合面。
• 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 • 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线
某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形
上反映为等温面（或等温线）越密集。
极限饱和状态下的焊接温度场
温度场的计算结果
异种钢接头的有限元模型
§2-3 焊接热循环
一.概念:在焊接热源的作用下，焊件上某一点的温度随时
间的变化过程称为焊接热循环。
研究焊接热循环的意义
•
焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。焊 件上距热源远近不同的位置，所受到热循环的加热参 数不同，从而会发生不同的组织与性能变化。

T q x, y , z , t n
第三类边界条件： 给出物体周围介质温度以及物体表面与 周围介质的换热系数

T ＝ n
Tw T f

• 上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。
焊接温度场的一般特征
•
移动热源焊接过程中，焊件上各点温度随时间 及空间而变化（不稳定温度场），但经过一段时 间后，达到准稳定状态（移动热源周围的温度场 不随时间改变）。
由于在电弧焊时，电弧所产生的热能不可能全部被利用，真正用 于焊接的有效功率为
不同的电弧焊方法，其热效率η值是不同的，如表所示。
• 从表中可以看出，电弧热效率η 与电弧焊方法，
电源种类以及被焊金属等因素有关。实际上，对 于同一种电弧焊方法，电源种类、极性、焊接电 流、电弧电压、焊接速度、焊接材料以及周围的 介质环境等诸多因素都会影响电弧的热效率η .
相变 组织
奥氏体→铁素体转变温度称为A3温度 共析转变温度称为Al温度
在727℃发生共析转变：s→P+Fe3C，转变产物是铁素体与渗 在1148℃发生的共晶转变：Lc→E+Fe3C，转变产物是奥氏体 在1495℃发生的包晶转变：LB＋ Fe-C相图中的3个恒温转变 碳体的机械混合物，称为珠光体。 H→YJ转变产物是奥氏体 和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体；
• 初始条件：
初始条件是指物体开始导热时
（即 t = 0 时）的瞬时温度分布。
• 边界条件：
边界条件是指导热体表面与周
围介质间的热交换情况。
• 常见的边界条件有以下三类：
第一类边界条件： 给定物体表面温度随时间的变化关系
Tw f (t )
第二类边界条件： 给出通过物体表面的比热流随时间的变 化关系
焊接时的热效率与焊接工艺方法有关，例如电弧焊时的热效率约在 70%左右，电渣焊的热效率约为80%左右，电子束焊的热效率在 90%以上。 以电弧焊为例，电弧焊时，电弧所产生的热能与电弧功率有关.
P0=UI U-电弧电压,(V);I-焊接电流,(A); P0-电弧功率，即电弧在单位时 间内放出的能量(W).
§2-2 焊接温度场
（welding temperature field）
• 温度场定义：某一瞬时工
T f x, y, z, t
T—工件上某点某一瞬时的 温度 x, y, z—工件上某点的空间 坐标 t—时间
件上各点的温度T分布称 为温度场
研究温度场的方法
1.
等温线/等温面
温度差（梯度）
焊接规范的选择
• 焊接规范的定义：焊接时，
焊接电流I（welding current） 电弧电压U (arc voltange)， 焊接速度VH (welding speed), 进条速度VT的数值的大小 焊接线能量(energy input)是焊接规范的一个综合指标， 它表示单位长度焊缝上投入的有效热量用qL表示 qL=
§2-1焊接热过程特点及热效率
一.焊接热过程特点:
1.熔焊使用的热源比较集中，焊接热源的 能量密度比较大，相对加热面积比较小。 2.焊接是一局部的不均匀的集中加热过程。 在焊接处的温度梯度很大。加热的速度很 快。这与热处理时工件缓慢加热的传热过 程有很大的区别.
例如钨极氩弧焊用线能量为840J/cm焊接 1mm钢板时，加热速度为1700 ℃ /s，焊接熔 池的中心温度很高，远远超过了被焊金属材 料的熔点，整个焊接熔池基本上是处于过热 状态，一般电弧焊熔池的平均温度在 1700~1800℃之间，熔滴的温度一般高达 1800~2400 ℃ ，而熔合区的温度仅是被焊金 属的熔点,熔池的温度梯度较大。 3.一般焊接时热源是移动的，也就是热的作 用具有瞬时性，因而焊件上任一点热的作用 是有限的，因此焊件上的传热过程是一种准 稳态的过程。
由公式可以看出，在其它条件不变的情况下，提高
线能量 E，高温停留时间 tH 延长，也就是说发生粗晶
脆化的可能性增大。提高初始温度 T0（预热温度），
也会在一定程度上延长高温停留时间 tH。
• 冷却速度：
厚板
(TC T0 ) 2 C 2 E
薄板
(TC T0 ) 3 C 2 c (E ) 2
若建立与热源移动速度相
同并取热源作用点为坐标原点 的动坐标系，则动坐标系中各 点的温度不随时间而变。
焊接温度场的数学表达式：
T=f(x,y,z,t)
为了研究方便，一般按照焊件的几何特征将焊件温度场 简化为三种类型见下图。
无限大薄板，线状热源
半无限大物体，点状热源
无限大长杆，面状热源
半无限大物体表面受瞬时、固 定热源作用时温度场的解析解 为： 2qt r2
T ( r , t ) T0 c ( 4at)
3/ 2
y
O
x
z
P
exp(
4at
)
厚大焊件点状连续移动热源的准稳定温度场的计算 方程
以热源作用点为动坐标原点建立三维移动坐标系，在
达到极限饱和状态后，焊件上的焊接温度场见图4-4。
Tsp
q vx Rv exp 2R 2a 2a
第二章 焊接成形热过程
焊接接头 焊接热过程 + 焊接化学冶金 + 焊接物理冶金
焊接热过程
焊接加热的特点：热作用集中性(局部熔化)、热 作用的瞬时性(热源移动) 温度场、热循环
焊接化学冶金过程
熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学 冶金反应。
焊接物理冶金过程
凝固结晶、固态相变
焊接接头示意图
qu UI VH VH
[cm/s]
[J/cm]
L VH= t
L—焊缝长度 t—焊接时间
焊接规范的重要性
规范 温度场
成型
焊缝质量
手工电弧焊焊接规范的选择
电弧电压一般为20~25V，由于高温会导致药 皮的脱落，所以温度应控制在400º C，电流不能 太大，根据经验公式:
I K d
I—焊接电流 k—系数[一般k=30-60] d—焊丝直径
• 冷却时间：
E 2
厚板
薄板
1 1 (E ) 2 1 1 t8 5 t 8 5 4 c 2 500 T0 800 T0 2 500 T0 800 T0 冷却速度ωc随着线能量E和初始温度T0的提高而降低，
温度场的分类
稳定温度场 工件上各点的温度不随时间变化 不稳定温度场 随时间变化 准稳定温度场 恒定热功率作用于焊件，开始是 不稳定的，经过一段时间便饱和 移动稳定温度场 恒功率的电源在工件上做匀速直 线运动，温度场与热源以 同样 的速度移动各点的温度只取决于 空间坐标，与时间无关形成相对 稳定的温度场(相当于半个鸡蛋壳 壮的等温面向前移动
下图形象地说明电弧焊时热能的分配。 这里所说的热效率η是指电弧的有效功率占电弧总功率的百分比。 电弧的有效热功率，应该包含两部分：一是被基本金属所吸收， 用于加热熔化母材形成焊缝；二是被焊接材料所吸收，用于加热 熔化焊接材料，填充焊缝。但是被母材吸收的部分热能，除了部 分热量用于熔化母材形成焊缝外，还有相当一部分热量被母材以 热传导的方式而形成热影响区，这是我们所不希望的，然而也是 不可避免的。