焊接物理冶金 第2章 焊接传热(上)
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焊接热过程及焊接冶金传热及温度场课件
焊接接头由母材、焊缝和焊接热影响区组成，这三个区域的成分、组织和性能各不相同。 母材的成分、组织及性能是由结构所选用的材料所决定的； 焊缝的成分、组织和性能与母材、焊接材料及焊接工艺有关； HAZ的成分取决于母材，而其组织和性能还与焊接工艺所决定的焊接温度场和热循环有关。
本章内容
基本概念 焊接传热及温度场 焊接热循环 焊接冶金 焊缝的组织与性能
热量总是从物体的高温部位向低温部位流动的，总是使温度趋于一致。热的流动符合Fourier定律。
假设热流的方向为n，在与n垂直的单位面积的截面上，单位时间内流出或流入的热量为qn， qn与热流方向的温度梯度成比例。
dn
n
dT/dn
T
qn
λ表示物体导热能力的热导率（导热系数）J/cm.s.℃ ,其物理意义为：温度相差1℃，相距1cm的两个平行的截面上，单位时间内沿垂直于该截面方向上流过的热量。
1.1 焊接传热
1.1.1 焊接热过程的特点
局部集中性 瞬时性 运动性
1.1.2 焊接温度场
焊件上各点在某一瞬时的温度分布 解析式 T=f (x,y,z,t) 图解法（等温线）
X
Y
Z
v
X
Y
密
疏
X
T
陡
缓
1) 焊接传热的基本形式
热传导 热对流 热辐射
固体内部或相接触的固体之间，因为内部原子（分子）的热运动而传递热量。是金属内部热交换的唯一形式。
Fourier定律只能提示出物体中某点温度梯度与热流向量的关系，并不能指出该点的温度与邻近点的温度有何联系，更不能回答一个点的温度是怎样随时间变化的。 根据Fourier定律，结合热力学第一定律（能量守恒定律）可推导出导热方程（热传导偏微分方程）。
本章内容
基本概念 焊接传热及温度场 焊接热循环 焊接冶金 焊缝的组织与性能
热量总是从物体的高温部位向低温部位流动的，总是使温度趋于一致。热的流动符合Fourier定律。
假设热流的方向为n，在与n垂直的单位面积的截面上，单位时间内流出或流入的热量为qn， qn与热流方向的温度梯度成比例。
dn
n
dT/dn
T
qn
λ表示物体导热能力的热导率（导热系数）J/cm.s.℃ ,其物理意义为：温度相差1℃，相距1cm的两个平行的截面上，单位时间内沿垂直于该截面方向上流过的热量。
1.1 焊接传热
1.1.1 焊接热过程的特点
局部集中性 瞬时性 运动性
1.1.2 焊接温度场
焊件上各点在某一瞬时的温度分布 解析式 T=f (x,y,z,t) 图解法（等温线）
X
Y
Z
v
X
Y
密
疏
X
T
陡
缓
1) 焊接传热的基本形式
热传导 热对流 热辐射
固体内部或相接触的固体之间，因为内部原子（分子）的热运动而传递热量。是金属内部热交换的唯一形式。
Fourier定律只能提示出物体中某点温度梯度与热流向量的关系，并不能指出该点的温度与邻近点的温度有何联系，更不能回答一个点的温度是怎样随时间变化的。 根据Fourier定律，结合热力学第一定律（能量守恒定律）可推导出导热方程（热传导偏微分方程）。
焊接冶金原理02焊接热过程2
2.2焊接温度场
3、被焊金属的热物理性质
热导率、比热容、容积比热容、表面传热系数和热晗等，其中热导 率和容积比热容对温度场影响最大。
金属物理性质对温度场分布的影响
2.2焊接温度场
4、焊件的厚度及形状
焊件的板厚、几何形状和所处的状态（包括环境温度、预热及后热）对 传热过程有很大的影响，因此也影响温度场的分布。
2.2焊接温度场
有限元分析示意图
2.2.5焊接温度场的影响因素 1、热源的性质
2.2焊接温度场Leabharlann 激光焊与CO2电弧焊温度场对比
2.2焊接温度场
2、焊接线能量
焊缝单位长度上输入的热量，即热源功率与焊接速度的比值，被称为焊 接线能量，一般情况下焊接热输入可采用线能量表征
焊接热输入及参数对温度场分布的影响
通过浮力流（a）和洛伦兹力流 （b）产生的熔池对比
3、表面张力
一般情况下，液体金属的表面张力 （γ）随着温度（T）的增加而降低， 一般称为负温度梯度
表面张力对流又称Marangoni对流
2.3焊接对流传热
典型金属表面张力随温度变化
表面张力梯度引起的对流
当熔池的表面存在这某些表面活性 物质时，表面张力梯度将由负值转 变为正值，这样会引起Marangoni对 流的换向，使熔深增加。在不锈钢 焊接中，具有这种作用的活性物质 有O、S、Se和Te等等。
焊接熔池：对流换热为主 固态金属：热传导为主
焊接熔池的流动行为对冶金行为的影响： 气孔、裂纹和焊缝组织等。
焊接传热机制示意图
2.3焊接对流传热
2.3.2电弧焊对流传热
焊接熔池的流动是在各种驱动力作用下的一种传质行为。对于TIG焊，熔 池中流体流动的驱动力主要包括浮力、洛仑兹力、熔池表面张力和等离 子流力。
《焊接冶金学》每章知识点
绪论1.焊接：被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充金属，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。
2.焊接热源：电弧热、化学热、电阻热、高频感应热、摩擦热、等离子焰、电子束、激光束。
3.加热区：①活性斑点区：带电质子集中轰击的部位，把电能转为热能。
②加热斑点区：通过电弧的辐射和周围介质的对流进行。
4.比热流：单位时间内通过单位面积传入焊件的热能。
()2Kr m e q r q -=5.焊接线能量：单位时间内，焊接电弧向单位长度焊缝输入的能量。
ννq t IVt E == 6.在熔焊的条件下，由热源传热给焊件的热量，主要以辐射和对流为主，而母材和焊条（焊丝）获得热能之后，热的传播则是以热传导为主。
7.焊接温度场：焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布。
()t z y x f T ,,,=一、焊接化学冶金1.焊接化学冶金：在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。
2.焊条加热的热能有：电阻热、电弧热、化学反应热。
3.焊条金属的平均熔化速度：单位时间内熔化的焊芯质量或长度。
I tG g P M α== 4.焊条金属的平均熔敷速度：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量。
I tG g H D D α==，熔敷系数是真正反映焊接生产率的指标。
5.损失系数：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。
PH M D M D g g g G G G αα-=-=-=ψ1 6.熔滴：1）过渡形式：①短路过渡：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭。
同时在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。
②颗粒过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，然后在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路。
③附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡。
焊接物理冶金_第二章 焊接传热
实现金属焊接所需的能量
–热能 –机械能
熔焊
焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； –快速实现焊接过程； –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
4
1.2 焊接热源 welding heat source
焊接热效率
电弧功率 ： q0 = U I 电弧有效热功率： q = η q0 焊接热效率： η= q/ q0 =（ q1＋q2 ）/ q0 熔化焊缝的热效率： ηm = q1 / （ q1＋q2 ）
往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不 同程度的影响。
数值方法
数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求
解数学模型的近似解（数值解），又称为数值模
拟或计算机模拟。
1.2 焊接热源 welding heat source
点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接
线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接
面热源（一维）plane heat source
–细棒磨擦焊
8
1.2 焊接热源 welding heat source
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。
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
32
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
tH t t
–热能 –机械能
熔焊
焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； –快速实现焊接过程； –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
4
1.2 焊接热源 welding heat source
焊接热效率
电弧功率 ： q0 = U I 电弧有效热功率： q = η q0 焊接热效率： η= q/ q0 =（ q1＋q2 ）/ q0 熔化焊缝的热效率： ηm = q1 / （ q1＋q2 ）
往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不 同程度的影响。
数值方法
数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求
解数学模型的近似解（数值解），又称为数值模
拟或计算机模拟。
1.2 焊接热源 welding heat source
点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接
线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接
面热源（一维）plane heat source
–细棒磨擦焊
8
1.2 焊接热源 welding heat source
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。
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
32
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
tH t t
焊接物理冶金 概论PPT学习教案
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 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
Tw f (t)
T qx, y, z, t
n
第 三 类 边 界 条件最 为常见 。
T ＝
n
Tw
Tf
第9页/共38页
0.2 3 4E
点 热 源 （ 厚 板）
Tm T0 cR 2
E = IU/v
0.242E
线 热 源 （ 薄 板）
Tm T0 cy
当焊接热输入E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，随着热 输入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
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）。
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
第14页/共38页
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。
异种钢接头的有限元模型
第24页/共38页
第25页/共38页
2 焊接热循环
研究焊接热循环的 意义
焊接热循环的特征 参数 第26页/共38页
研究焊接热循环的意义
在焊接热源的作用下，焊件上某 点的温度随时间的变化过程称为 焊接热循环。
焊接热循环反映了热源对焊件金属的热作用。焊件 上距离热源不同的点，所经历的热循环不同，从而 发生不同的组织与性能变化。
焊接物理冶金：焊丝的加热熔化与熔滴过渡
() 熔滴过渡类型 电弧焊的熔滴过渡大体上可归纳成自由过渡、接触过渡和渣壁过渡三种类型。表 ( * + * ( 是熔滴过渡的分类及其形态特征。 （"）自由过渡 熔滴从焊丝端部脱落后，经电弧空间自由地飞行而落入熔池，焊丝端头和熔池之间 不发生接触。按过渡形态不同分成滴状过渡、喷射过渡和爆炸过渡。 "）滴状过渡! 当电流较小时，电弧力作用小，随着焊丝熔化，熔滴逐渐长大，当熔滴 的重力能克服其表面张力的作用时，就以较大的颗粒脱离焊丝，落入熔池实现滴落过渡。 如果有斑点压力作用且大于熔滴的重力（ 如在 ,-、.( 和 /( 等多原子气氛中）熔滴在脱离 焊丝之前就偏离了 焊 丝 轴 线，甚 至 上 翘，脱 离 之 后 不 能 沿 焊 丝 轴 向 过 渡 时，成 为 排 斥 过 渡。这两种过渡的熔滴都较大，一般大于焊丝直径，属大滴过渡。大滴过渡的熔滴大，形 成时间长，影响电弧稳定性，焊缝成形粗糙，飞溅较多，生产中很少采用。当电流较大时， 电磁收缩力较大，熔滴的表面张力减小，熔滴细化，其直径一般等于或略小于焊丝直径， 熔滴向熔池过渡频率增加，飞溅少，电弧稳定，焊缝成形较好，这种过渡形式称细颗粒过 渡，在生产中被广泛应用。 (）喷射过渡! 随着焊接电流的增加，熔滴尺寸变得更小，过渡频率也急剧提高，在电 弧力的强制作用下，熔滴脱离焊丝沿焊丝轴向飞速地射向熔池，这种过渡形式称喷射过 渡。根据熔滴大小和过渡形态又分射滴过渡和射流过渡。前者的熔滴直径和焊丝直径 相近，过渡时有明显熔滴分离，后者在过渡时焊丝末端呈“ 铅笔尖状”以小于焊丝直径的 细小熔滴快速而连续地射向熔池。 喷射过渡焊接过程稳定，飞溅小，熔深大，焊缝成形美观。平焊位置、板厚大于 011 的工件多采用这种过渡形式，不宜焊接薄板。
! 滴 !
落 !
过 !
! 滴 !
落 !
过 !
焊接原理电子教案第二章 焊接化学冶金PPT课件
溶解方式：
①分子形式溶入; ②原子形式溶入; ③ NO 形式溶入.
N2 2[N]
由质量作用定律得出氮的平衡溶解度：
SN KN2 pN2
K
N
—氮溶解反应的平衡常数
2
p N 2 —气相中氮分子的分压
17
氮在液态铁中的溶解度与温度的关系：
50
H2
40
N2
30
L
20
γ 10 α
δ
0
600 1000 1400 1800
熔滴反应时间即熔滴的存在时间. 随焊接电流增大而变短， 随电弧电压的升高而延长.
(3)
熔渣有效作用系数
G熔化渣与作用
G熔池
手弧焊: kb
埋弧焊:
kf
G 熔渣 G 熔池
IG 熔池 G 熔渣 kf
UG 熔池 G 熔渣 kf
4. 冶金过程具有不平衡性，但存在平衡趋势
温度、时间、相界面等.
第二节 气相对金属的作用
14
1 Po2 V n 0 n n 0 n
kP
Po 2
4 RT
n2
n0 n
V n02 n 2 4 RT n 2 ( n 0 n )
11 [ 1]
4P a2
即： a
KP K P 4P
将 kP= f(T)、P= 1 atm = 101 kp 等关系代入上式，即可算出上 述图2-2所示的 a-T关系图.
一、焊接区内的气体
1. 气体的来源
（1）焊接材料 （2）铁锈、油污、氧化皮 （3）坡口表面氧化物 （4）挥发物和蒸汽
2.气体的产生
（1）有机物的分解和燃烧 （2）碳酸盐和高价氧化物的分解
碳酸钙：开始分解 T=545℃，剧烈分解T=910℃； 碳酸镁：开始分解 T=325℃，剧烈分解T=650℃。
①分子形式溶入; ②原子形式溶入; ③ NO 形式溶入.
N2 2[N]
由质量作用定律得出氮的平衡溶解度：
SN KN2 pN2
K
N
—氮溶解反应的平衡常数
2
p N 2 —气相中氮分子的分压
17
氮在液态铁中的溶解度与温度的关系：
50
H2
40
N2
30
L
20
γ 10 α
δ
0
600 1000 1400 1800
熔滴反应时间即熔滴的存在时间. 随焊接电流增大而变短， 随电弧电压的升高而延长.
(3)
熔渣有效作用系数
G熔化渣与作用
G熔池
手弧焊: kb
埋弧焊:
kf
G 熔渣 G 熔池
IG 熔池 G 熔渣 kf
UG 熔池 G 熔渣 kf
4. 冶金过程具有不平衡性，但存在平衡趋势
温度、时间、相界面等.
第二节 气相对金属的作用
14
1 Po2 V n 0 n n 0 n
kP
Po 2
4 RT
n2
n0 n
V n02 n 2 4 RT n 2 ( n 0 n )
11 [ 1]
4P a2
即： a
KP K P 4P
将 kP= f(T)、P= 1 atm = 101 kp 等关系代入上式，即可算出上 述图2-2所示的 a-T关系图.
一、焊接区内的气体
1. 气体的来源
（1）焊接材料 （2）铁锈、油污、氧化皮 （3）坡口表面氧化物 （4）挥发物和蒸汽
2.气体的产生
（1）有机物的分解和燃烧 （2）碳酸盐和高价氧化物的分解
碳酸钙：开始分解 T=545℃，剧烈分解T=910℃； 碳酸镁：开始分解 T=325℃，剧烈分解T=650℃。
《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第二章
熔渣
埋弧焊、电渣焊、不含造气成分的焊条和药芯焊丝焊接
气体
熔渣和气体 真空 自保护
气焊、在惰性气体和其他保护气体(如CO2、混合气体)中焊接
具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接 真空电子束焊接 用含有脱氧、脱氮剂的所谓自保护焊丝焊接
表2-2 熔焊方法的保护方式
2.1.1 焊接过程中对金属的保护
各种保护方式的保护效果是不同的。例如,埋弧焊是利用焊剂及其熔化 以后形成的熔渣隔离空气保护金属的,焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度 和结构。多孔性的浮石状焊剂比玻璃状的焊剂具有更大的表面积,吸附的 空气更多,因此保护效果较差。试验表明,焊剂的粒度越大,其松装密度(单位 体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮量越高,说明保护效果 越差(见表2-3)。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。因为当熔池 中有大量气体析出时,如果松装密度过大,则透气性过小,将阻碍气体外逸,促 使焊缝中形成气孔,使焊缝表面出现压坑等缺欠,所以焊剂应当有适当的透 气性。埋弧焊时焊缝的含氮量一般为0.002%~0.007%(质量分数),比焊条 电弧焊的保护效果好。
180
20~40
伸长率(%)
25~30
5~10 冲击吸收能量/J 117.6 3.92~19.6
表2-1 低碳钢无保护焊时焊缝的性能 2.保护的方式和效果
事实上,大多数熔焊方法都是基于加强保护的思路发展和完善起来的。迄 今为止,已找到许多保护材料(如焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯、保护 气体等)和保护手段(见表2-2)。
550 800 1000 1200
3800 3000 2500 2000
0.0094 0.0043 0.0022 0.0022
表2-3 中锰高硅低氟焊剂(HJ331)的松装密度与焊缝含氮量的关系
焊接冶金学 各章重点难点及作业
焊接冶金学各章重点、难点及作业0 绪论思考题1.了解焊接温度场。
焊接温度场－焊接时焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布称为“温度场”。
等温线及等温面。
从各种焊接方法的能量集中程度可以了解不同方法的温度场差异，从而知道采用不同方法的温度场分布情况和最高峰值温度，从而知道方法由于这个不同造成组织和性能也不同。
2. 影响温度场的主要物理因素。
主要是热导率、表面散热系数（比热容及体积比热容）热导率大，金属通过传导传热的能力强，那热量会更快地传导给熔池附近金属，因此温度场范围更大、但峰值温度更低。
对薄板而言，由于传导传热散失的热量少、且由于熔池附近金属的质量小而包容的热量也小，因此薄板散热不如厚板，此时通过金属表面与介质热交换的作用就更明显或起主要作用。
因此对于薄板，表面散热系数大，散热快，温度场范围小且峰值温度也小。
影响温度场除这几个物理参数外，还有焊件结构（坡口焊还是表面堆焊、对接还是角接）、母材壁厚等有较大影响3.为什么实际焊接中多采用多层多道焊？在多层多道焊时，可能保证第一道的冷却速度一开始就不降至马氏体生成温度以下（一般均是在第一道焊缝前采用预热手段保证冷却速度不至于太大造成生成马氏体等淬硬组织），再随多道焊接的完成相对缓慢下降，这有利于产生贝氏体组织代替马氏体。
且后层（道）焊缝对前层（道）焊缝具有热处理的作用，相当于对前层（道）焊缝进行了一次正火处理，因而改善了二次组织。
而在焊接最后一道焊缝时，由于预热的结果，有利于其冷却速率的降低。
对第一道及最后一道焊缝（同样也适用于中间各焊道），其奥氏体化时间相对均很小，避免了不良的晶粒粗化。
所焊后焊缝塑性高、且不易产生裂纹等缺陷。
但这时需控制层间温度，层间温度过高，冷却速度太小而造成晶粒处于高温的时间太长而晶粒长大明显，相反冲击韧性下降。
4.工艺焊道及工艺焊道的作用。
工艺焊道是指在完成最后的焊接后在最后焊道上再加焊一道焊缝，起到对焊缝的最后一道焊缝退火的作用。
山大焊接物理冶金PPT
提。
时还需要考虑生产效率和经济性等因素。
焊接缺陷的形成与防止
焊接缺陷是指在焊接过程中或焊接后出现 的各种不符合设计要求或技术标准的问题 ，如裂纹、气孔、夹渣、未熔合等。
为了防止焊接缺陷的产生，需要采取一系列 措施，如提高材料质量、加强工件加工和装 配质量的控制、选择合理的焊接工艺参数等 。
焊接缺陷的形成与多种因素有关，如 材料质量、加工精度、装配质量、焊 接工艺参数等。
焊接结构的使用性能与安全评定
01
焊接结构是指通过焊接方法连接而成的结构件，广泛应用于机械、建筑、船舶 、化工等领域。
02
焊接结构的使用性能是指其承受载荷的能力、工作稳定性和耐久性等方面，这 些性能需要通过试验和计算进行评价。
03
安全评定是指对焊接结构的承载能力进行评估，以确保其在正常工作条件下能 够安全可靠地工作。安全评定需要考虑多种因素，如载荷大小和分布、材料特 性、结构形式和尺寸等。
焊接结构的安全评定与寿命预测
焊接结构的完整性评估
通过无损检测、力学性能试验等方法对焊接结构的完整性进行评 估，确保其安全可靠。
寿命预测与可靠性分析
基于焊接接头的疲劳性能、断裂力学等理论，对焊接结构的寿命进 行预测和可靠性分析。
环境因素对焊接结构的影响
研究环境因素（如温度、湿度、腐蚀等）对焊接结构的影响，为其 在各种环境下的安全使用提供保障。
THANKS FOR WATCHING
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焊接物理冶金的重要性
提高焊接质量
通过深入理解焊接过程中的物理 和化学现象，可以更好地控制焊 接质量，减少焊接缺陷，提高结
构的可靠性和安全性。
促进新材料的应用
焊接物理冶金为新材料的应用提供 了理论基础和技术支持，有助于推 动新材料在工程领域的发展。
第2篇焊接物理冶金焊接热过程及其特点
! ! 氧 + 乙炔焊时，乙炔在氧中的燃烧分两个阶段。第一阶段在焊炬端部小焰心内，发
生乙炔分解反应，生成一氧化碳和氢，释放出对焊接最有用的热，其总热量为 & - 456：
第二阶段的反应是氢燃烧成水蒸气，一氧化碳燃烧成二氧化碳，其释放热量为 #.(23 -
456，这些热量发生在外层火焰，对焊件预热有用，且降低了氧 + 乙炔焊温度梯度和冷却
第二篇! 焊接物理冶金
式中! !———热输入（ " # $%）；
"———电弧电压（ &）；
#———焊接电流（ ’）；
$———焊接速度，即电弧移动速度（ $% # (）；
!) ———热效率，见表 * + * + *。 实际上，热输入是热源的总有效输入功率 ,（ " # (）与热源移动速度 （$ $% # (）之比，它
“ 热度”的尺度，可作为各种焊接热源比较的指标。表 ’ ) ’ ) * 是各种焊接热源主要特性
比较。
*+ 电孤焊的热
很多焊接方法都用电弧作为热源，因电弧热可以有效地加以集中和控制。电弧功率
可用下式计算：
式中! !, ———电弧功率（ "）； "———电弧电压（ .）；
!, - "#
（’ ) ’ ) *）
综合了焊接主要工艺参数对焊件热的影响。从物理冶金角度看，希望用最小的热输入实
现金属的熔焊。
*- 电阻焊的热
电阻焊的热源是电流通过焊件时产生的电阻热。电阻热量按下式计算：
% . #* &’
（* + * + /）
式中! %———产生的电阻热（ "）或（ 0·(）；
焊接-冶金第二章
保护气体
保护气体的作用
保护气体在焊接过程中起到保护熔池、 防止空气中的有害气体对焊接接头造 成不良影响的作用。
常见保护气体
保护气体的选用
选用保护气体时，需要考虑焊接材料 的种类、焊接工艺和工作环境等因素。
常见的保护气体有氩气、氦气、二氧 化碳等。
焊接材料选择
焊接材料选择的原则
根据母材的化学成分、机械性能和工作环境等因素，选择合适的 焊接材料，以保证焊接接头的质量和使用性能。
焊接设备应符合安全 标准，定期进行检查 和维护。
焊接环境影响
焊接过程中会产生烟尘、气体 和辐射等污染物，对环境造成 一定影响。
焊接烟尘中含有多种有害物质， 如金属氧化物、氮氧化物等， 对人体健康产生危害。
焊接气体中含有二氧化碳、一 氧化碳等温室气体，对气候变 化产生影响。
焊接废弃物处理
焊接废弃物应分类收集、储存和 处理，避免对环境和人体健康造
焊接材料选择的方法
可以采用实验法、经验法或计算法等方法进行焊接材料的选择。
焊接材料的质量控制
为确保焊接质量，应对焊接材料进行质量控制，包括材料的采购、 验收、保管和使用等环节的管理。
03 焊接工艺
焊接方法
熔化焊
通过熔化母材和填充材料形成接头，包括电弧焊、 气焊和激光焊等。
压力焊
通过施加压力使母材连接在一起，如电阻焊和摩 擦焊。
焊接环境控制
对焊接环境进行监测和 控制，如温度、湿度、 风速等，以确保焊接质
量的稳定。
焊工技能培训
对焊工进行技能培训和 考核，确保其具备合格
的焊接技能。
05 焊接安全与环境影响
焊接安全
焊接操作人员应接受 专业培训，掌握安全 操作规程和防护技能。
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热源在焊件上的分布
热流密度的分布
q:电弧的有效功率 qm:加热斑点中心的最大比热流
dH:回执斑点直径
加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体
9
双椭圆分布热源示意图
半椭球体分布热源示意图
双椭球体分布热源示意图
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布
焊接传热学基础
传热学
传热学是研究热量传递规律的一门科学。
热传递：热传导、对流和热辐射
许多学科都涉及到传热学的问题！
焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力 变形等均有重要影响！
焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变
25
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v 热源功率q增加
影响因素
q/v保持为常数时 同比例改变q和v
•等温线拉长 •温度场范围拉长
q/v=常数，热输入量及热源移动速度 等比例变化时对温度场的影响
26
1.2 焊接热源 welding heat source
点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接
线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接
面热源（一维）plane heat source
–细棒磨擦焊
8
1.2 焊接热源 welding heat source
化问题。
2
1.1 焊接过程分析
焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→
加热过程
结晶→固态相变→接头（冷却而形成）
焊接热过程的特点
1. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 2. 瞬时性——1800K/s 3. 热源是运动的 4. 焊接传热过程的复合性
冷却过程
3
1.2 焊接热源 welding heat source
熔化焊缝的热效率： ηm = q1 / （ q1＋q2 ）
加热斑点
热源把热量传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行 的，对于电弧焊而言该面积称为加热斑点。
热流密度在热斑点上的分布可用高斯曲面来描述。
表1-1 不同焊接方法的η值
图1-1 电弧焊时的热量分布
a) 厚皮焊条（I=150~250A，U=35V）分布 b) 埋弧焊（I=1000A，U=36V，v=36m/h）
q 4200W , 0.42W /(cmC), 0.1cm2 / s b0 28 10 4 / s, 1cm
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
典型焊接温度场
–稳定温度场 –不稳定温度场——常态
焊接温度场的影响因素
–热源的性质
q 4200W , 0.42W /(cmC), 0.1cm2 / s
b0 28 10 4 / s, 1cm
图1-10 中厚焊件焊接时的温度场
a) 中厚件上表面不同y值时x方向上的温度分布曲线 b) xOz平面上的等温线 c) 中厚焊件的上表面温度场 d) 中厚焊件的下表面温度场 e) yOz平面，x=0时的温度分布 f) yOz平面，x=0时的热流分布 I区相当厚大焊件，III区相当于薄板，II区为无定型传热区
–一维温度场 –二维温度场 –三维温度场
–焊接工艺参数 –被焊金属的热物理性质 –焊件的板厚及形状
23
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v
增加
影响因素
热源功率q保持为常数时 随焊接速度v的增加
•等温线的范围变小 •温度场的宽度和长度均变小 •宽度显著变小
布 c. xoy面上的等温线 d. yoz面上沿y轴的温度分
布 e. yoz面上的等温线
板厚25mm低碳钢焊件
厚大焊件上点状 移动热源的温度
场
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图1-9 薄板焊接时的温度场
a) xOy面上平行x轴的温度分布 b) xOy面上的等温线 c) xOy面上平行y轴的温度分布
图1-8 薄板焊接时x轴上各点的温度分布
焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热
焊接熔池形状示意图
在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池
14
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
焊接熔池表面积内部的流体流动模式
15
…
商业软件： ABAQUS, ANSYS, FLUENT,
所以，等温线的形状变得细长
热输入量q=常数， 热源移动速度v对温度场的影响
24
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源功率q 增加
影响因素
热源移动速度v保持为常数时 随热源功率q的增加
•等温线在焊缝横向变窄 •等温线在焊缝方向伸长
热源移动速度v=常数， 热输入量q对温度场的影响
O’ z’
y’
vt O z
y
T ft (x, y, z)
x
• 焊件上各 点瞬时温度 分布的温度 场对分析焊 接传热过程, 焊接物理冶 金过程和焊 接化学冶金 过程至关重 要。
某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热 源周围的温度分布即“焊接温度场”
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
随着热源的移动，熔 池沿焊接方向作同步 移动
熔池温度分布 1-熔池中部 2-熔池前部 3-熔池尾部
熔池前部
–母材不断地熔化
熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 度逐渐降低
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分
MARC, PHOENIX,
ADINA, SYSWELD,
…..
16
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
等温线
焊缝
–等温线不可能相交 –等温线、等温面之间有温差
• 大小：温度梯度 • 方向：垂直于等温面
T T1 T2 S
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
实现金属焊接所需的能量
–热能 –机械能 熔焊
焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； –快速实现焊接过程； –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
4
1.2 焊接热源 welding heat source
焊接热效率
电弧功率 ：
q0 = U I
电弧有效热功率： q = ηq0
焊接热效率：
η= q/ q0 =（ q1＋q2 ）/ q0