第二章 焊接热过程资料
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焊接方法与设备第2章 焊条电弧焊知识讲解
细调节是通过手柄来改变一、二次侧绕组的距离进行，一、二次 侧绕组距离越大，漏磁增加，焊接电流就减小；反之，焊接电流增大。
19
(2)BX1—300型弧焊变压器 BX1—300是动铁式弧焊变压器，它由一个口字形固定铁心和一
个梯形活动铁心组成，活动铁心构成了一个磁分路，以增强漏 磁使焊机获得陡降外特性。她的一次侧和二次侧绕组各自分成 两半，分别绕在变压器固定铁心上，一次侧绕组两部分串联接 电源，二次侧绕组两部分并联接焊接回路。 BX1-300焊机的焊接电流调节方便，仅需移动铁心就可满足电流 调节要求，其调节范围为75-400A，调节范围广。当活动铁心由 里向外移动而离开固定铁心时，漏磁减少，则焊接电流增大， 反之，焊接电流减少。其梯形动铁心相对固定铁心移动调节电 流大小，如图2-9所示。
20
图2-9 动铁心相对固定铁心移动调节电流
Ⅰ—静铁心 Ⅱ—动铁心 δ—气隙长度
21
2.弧焊整流器 (1)硅弧焊整流器 硅弧焊整流器是以硅二极管作为整流元件，利用降压变 压器将50Hz的单相或三相交流电网电压降为焊接时所需的低电压，经硅整 流器整流和电抗器滤波后获得直流电的直流弧焊电源。硅弧焊整流器曾一 度是直流弧焊发电机的替代产品之一，现有被晶闸管式弧焊整流器、弧焊 逆变器替代的趋势，其型号有ZXG—160、ZXG—400等。硅弧焊整流器的组 成如图2-10所示。
16
三、 常用焊条电弧焊电源 1.弧焊变压器 (1)BX3—300型弧焊变压器 BX3—300型弧焊变压器属于动圈式，是生 产中应用最广的一种交流焊机，其外 形如图2-7所示。它是依靠一、二次 侧绕组间漏磁获得陡降外特性的。
图2-7 BX3—300型弧焊变压器外形 17
其结构如图2-8所示，它有一 个高而窄的口字形铁心。变压 器的一次侧绕组分成两部分， 固定在口形铁芯两芯柱的底部。 二次侧绕组也分成两部分，装 在两铁心柱的上部并固定于可 动的支架上，通过丝杆连接， 转动手柄可使二次侧绕组上下 移动，以改变一、二次侧绕组 间的距离，从而调节焊接电流 的大小。
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(2)BX1—300型弧焊变压器 BX1—300是动铁式弧焊变压器，它由一个口字形固定铁心和一
个梯形活动铁心组成，活动铁心构成了一个磁分路，以增强漏 磁使焊机获得陡降外特性。她的一次侧和二次侧绕组各自分成 两半，分别绕在变压器固定铁心上，一次侧绕组两部分串联接 电源，二次侧绕组两部分并联接焊接回路。 BX1-300焊机的焊接电流调节方便，仅需移动铁心就可满足电流 调节要求，其调节范围为75-400A，调节范围广。当活动铁心由 里向外移动而离开固定铁心时，漏磁减少，则焊接电流增大， 反之，焊接电流减少。其梯形动铁心相对固定铁心移动调节电 流大小，如图2-9所示。
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图2-9 动铁心相对固定铁心移动调节电流
Ⅰ—静铁心 Ⅱ—动铁心 δ—气隙长度
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2.弧焊整流器 (1)硅弧焊整流器 硅弧焊整流器是以硅二极管作为整流元件，利用降压变 压器将50Hz的单相或三相交流电网电压降为焊接时所需的低电压，经硅整 流器整流和电抗器滤波后获得直流电的直流弧焊电源。硅弧焊整流器曾一 度是直流弧焊发电机的替代产品之一，现有被晶闸管式弧焊整流器、弧焊 逆变器替代的趋势，其型号有ZXG—160、ZXG—400等。硅弧焊整流器的组 成如图2-10所示。
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三、 常用焊条电弧焊电源 1.弧焊变压器 (1)BX3—300型弧焊变压器 BX3—300型弧焊变压器属于动圈式，是生 产中应用最广的一种交流焊机，其外 形如图2-7所示。它是依靠一、二次 侧绕组间漏磁获得陡降外特性的。
图2-7 BX3—300型弧焊变压器外形 17
其结构如图2-8所示，它有一 个高而窄的口字形铁心。变压 器的一次侧绕组分成两部分， 固定在口形铁芯两芯柱的底部。 二次侧绕组也分成两部分，装 在两铁心柱的上部并固定于可 动的支架上，通过丝杆连接， 转动手柄可使二次侧绕组上下 移动，以改变一、二次侧绕组 间的距离，从而调节焊接电流 的大小。
第二章 焊接热过程
焊接结构
（2）产热机构
• 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；
• 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； • 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热； • 变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。
1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描
述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q(r) qm exp Kr 2
dn
2
3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度 在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
T
Q
hc 4at
exp
r2 4at
焊接结构
（2）薄板快速移动热源相当于面热源
T
Q/ A
1
c(4at) 2
exp
x2 4at
焊接结构
2.3 焊接热循环
焊接热循环： ① 在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由 低而高，达到最大值后又由高而低的变化 ② 描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设： ① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变； ② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的； ④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的； ⑤ 点热源不考虑散热。
（2）产热机构
• 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；
• 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； • 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热； • 变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。
1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描
述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q(r) qm exp Kr 2
dn
2
3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度 在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
T
Q
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exp
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焊接结构
（2）薄板快速移动热源相当于面热源
T
Q/ A
1
c(4at) 2
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焊接结构
2.3 焊接热循环
焊接热循环： ① 在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由 低而高，达到最大值后又由高而低的变化 ② 描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设： ① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变； ② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的； ④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的； ⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构学教材解读
2.1.3 焊接热源
知识点：焊接过程中可能涉及到的热源类型、焊接热源的有 效热功率、构件几何尺寸的简化、焊接热源模型
7
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理 2.1.3 焊接热源
焊接热源的有效热功率
1. 热效率系数的定义 2. 有效热功率的数学表达
构件几何尺寸的简化
2.1 基本概念与基本原理 2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的局部热作用
6
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理
2.1ห้องสมุดไป่ตู้1 电弧焊热过程概述
知识点：产热机构、散热机构、热量传递方式
2.1.2 热传播基本定律
知识点：傅立叶定律、牛顿定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律、 导热微分方程及三类边界条件
3.2.1 简单杆件的应力与变形
知识点：自由变形、外观变形、内部变形及其相互关系，弹性范围
内的应力应变关系（胡克定律）
3.2.2 不均匀温度场作用下的应力与变形
知识点：平截面假设及其适用范围、长板条中心加热条件下弹性阶
段和塑性阶段的应力平衡条件（截面内应力之和为零）、板边加热
时的应力平衡条件（截面内的合力及合力矩为零）、利用平衡条件
2.4.2 电极的加热与熔化
知识点：电阻热的作用（焊丝和焊条上的温度场计算）、电 弧加热焊丝、电极熔化速度
2.4.3 焊接熔池模型（知识拓展内容）
知识点：控制方程组反映能量守恒、动量守恒及流体的连续 和不可压缩性、体积力、边界条件的确定
12
《焊接结构学》教材的重点及难点
第三章 焊接应力与变形 3.1 内应力的产生 3.2 焊接应力与变形的形成过程 3.3 焊接残余应力 3.4 焊接残余变形 3.5 焊接残余应力与变形的测量和调控
知识点：焊接过程中可能涉及到的热源类型、焊接热源的有 效热功率、构件几何尺寸的简化、焊接热源模型
7
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理 2.1.3 焊接热源
焊接热源的有效热功率
1. 热效率系数的定义 2. 有效热功率的数学表达
构件几何尺寸的简化
2.1 基本概念与基本原理 2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的局部热作用
6
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理
2.1ห้องสมุดไป่ตู้1 电弧焊热过程概述
知识点：产热机构、散热机构、热量传递方式
2.1.2 热传播基本定律
知识点：傅立叶定律、牛顿定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律、 导热微分方程及三类边界条件
3.2.1 简单杆件的应力与变形
知识点：自由变形、外观变形、内部变形及其相互关系，弹性范围
内的应力应变关系（胡克定律）
3.2.2 不均匀温度场作用下的应力与变形
知识点：平截面假设及其适用范围、长板条中心加热条件下弹性阶
段和塑性阶段的应力平衡条件（截面内应力之和为零）、板边加热
时的应力平衡条件（截面内的合力及合力矩为零）、利用平衡条件
2.4.2 电极的加热与熔化
知识点：电阻热的作用（焊丝和焊条上的温度场计算）、电 弧加热焊丝、电极熔化速度
2.4.3 焊接熔池模型（知识拓展内容）
知识点：控制方程组反映能量守恒、动量守恒及流体的连续 和不可压缩性、体积力、边界条件的确定
12
《焊接结构学》教材的重点及难点
第三章 焊接应力与变形 3.1 内应力的产生 3.2 焊接应力与变形的形成过程 3.3 焊接残余应力 3.4 焊接残余变形 3.5 焊接残余应力与变形的测量和调控
焊接冶金学-焊接化学冶金
② 以 [OH ] 溶入 （电渣焊）
氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔 [OH ] 向金属中过渡 渣，然后再以
H2O (O ) 2(OH )
(Fe2 ) 2(OH ) [Fe] 2[O] 2[ H ]
40
2
此时的溶解反应为吸热反应，故溶解度随着温 度的升高而增大，并在一定温度下达到最大值
11
气保护 用于保护熔池和溶 滴的气体应是惰性气 体，并在高温下不分 解，或是活性的不溶 于金属液体的双原子 气体(CO2)。
12
氩气
氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度 可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会 影响焊缝质量。
3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性
20
21
2）熔滴反应区
指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个 熔池 特点:
１).温度高：1800－2400℃ ２).与气体、熔渣的接触面积大 ：1000－ 10000 cm2/kg ３).时间短速度快 :0.01-0.1s;0.0001-0.001s
焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手 工电弧焊为例，加以讨论
1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药 皮熔点前发生的一些反应。(100-1200℃)
1) 水分蒸发：100 ℃吸附水的蒸发，200－400 ℃结晶 水的去除，化合水在更高温度下析出
2) 某些物质分解:形成Co，CO2，H2O，O2等气体
13
熔渣保护 利用焊剂、药芯或药 皮熔化形成的熔渣起到 保护作用。对于埋弧焊 来讲，焊剂及其熔渣的 保护效果很好。 • 防止金属氧化和吸气 • 另一方面向熔池过渡合 金元素，提高焊缝性能 • 还可以减少散热，提高 生产率，防止强光辐射
氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔 [OH ] 向金属中过渡 渣，然后再以
H2O (O ) 2(OH )
(Fe2 ) 2(OH ) [Fe] 2[O] 2[ H ]
40
2
此时的溶解反应为吸热反应，故溶解度随着温 度的升高而增大，并在一定温度下达到最大值
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气保护 用于保护熔池和溶 滴的气体应是惰性气 体，并在高温下不分 解，或是活性的不溶 于金属液体的双原子 气体(CO2)。
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氩气
氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度 可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会 影响焊缝质量。
3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性
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2）熔滴反应区
指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个 熔池 特点:
１).温度高：1800－2400℃ ２).与气体、熔渣的接触面积大 ：1000－ 10000 cm2/kg ３).时间短速度快 :0.01-0.1s;0.0001-0.001s
焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手 工电弧焊为例，加以讨论
1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药 皮熔点前发生的一些反应。(100-1200℃)
1) 水分蒸发：100 ℃吸附水的蒸发，200－400 ℃结晶 水的去除，化合水在更高温度下析出
2) 某些物质分解:形成Co，CO2，H2O，O2等气体
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熔渣保护 利用焊剂、药芯或药 皮熔化形成的熔渣起到 保护作用。对于埋弧焊 来讲，焊剂及其熔渣的 保护效果很好。 • 防止金属氧化和吸气 • 另一方面向熔池过渡合 金元素，提高焊缝性能 • 还可以减少散热，提高 生产率，防止强光辐射
焊接热-PPT精品
热影响区中的过热区，对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小。
熔合区：熔合线两侧有一个很 窄的焊缝与热影响区的过渡区。成分不均，组织为 粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而 且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。
• 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、焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH
• 最高加热温度Ｔm
晶粒 大小
• 相变温度以上 的停留时间tH
• 冷却速度Ωc (或冷却时间t8 / 5)
相变 组织
三、焊接热循环参数的计算
不易淬火钢焊接热影响区的组织分布
焊接热影响区的组织分布特征
1-熔合区；
不易 2-过热区；
淬火钢 3-相变重结晶区；
T
• 厚大当件固对定电热弧源加分
热别部作位用的在冷厚却大作件用、
3
最薄强板，和接细头长温杆度上下时，
2
x=0
降假速设度焊最件快从。热其源次获
1
r=0
是得薄的板瞬，时而热细能杆相的等，
பைடு நூலகம்
R=0
散可热以速比度较最三慢种。情况 0
t
下焊件的温度变化 速率。
图2-17 三种情况下热源直接作用 部位的温度随时间的变化曲线
4.1 焊接热循环 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
一、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。
熔合区：熔合线两侧有一个很 窄的焊缝与热影响区的过渡区。成分不均，组织为 粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而 且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。
• 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、焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH
• 最高加热温度Ｔm
晶粒 大小
• 相变温度以上 的停留时间tH
• 冷却速度Ωc (或冷却时间t8 / 5)
相变 组织
三、焊接热循环参数的计算
不易淬火钢焊接热影响区的组织分布
焊接热影响区的组织分布特征
1-熔合区；
不易 2-过热区；
淬火钢 3-相变重结晶区；
T
• 厚大当件固对定电热弧源加分
热别部作位用的在冷厚却大作件用、
3
最薄强板，和接细头长温杆度上下时，
2
x=0
降假速设度焊最件快从。热其源次获
1
r=0
是得薄的板瞬，时而热细能杆相的等，
பைடு நூலகம்
R=0
散可热以速比度较最三慢种。情况 0
t
下焊件的温度变化 速率。
图2-17 三种情况下热源直接作用 部位的温度随时间的变化曲线
4.1 焊接热循环 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
一、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。
焊接基本知识
用于薄板金属的焊接
⑶ 手工电弧焊焊条
• 涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极称为焊条
• 焊条的组成及作用
焊芯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
焊缝的填充材料 — 填充焊缝 电极传导电流 — 导电
焊条
药皮
保护的作用 稳定电弧的作用 冶金的作用 掺合金的作用 改善焊接的工艺性能
焊条芯 药皮
• 焊条药皮的组成物按其作用分为：稳弧剂、造气剂、造渣 剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂。
焊接的优点： 1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短 ； 4）易于实现机械化和自动化。
缺点： 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ； 2）要产生焊接残余应力和焊接变形； 3）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。
焊接的分类：
第二节 焊接接头
一、焊接接头的形式
• 按焊缝本身截面形式不同分为：对接焊缝、角焊缝 对接焊缝
被连接板件1
对接焊缝
名称
被连接板件2
角焊缝
特点
对接焊缝
板边要精加工（包括坡口、矫正缝距），施工不便，但用料 经济，传力平顺，无显著应力集中，承受动荷载有利
角焊缝
板边不必精加工（不需要坡口、矫正缝距），施工方便，但 有显著应力集中，传力不平顺，采用搭接接头时，需要有一 定的搭接长度，用料不经济
隙则是为了便于焊透。
三、焊接接头金属的组织与性能
1. 熔焊过程冶金特点: 熔池金属温度高于一般冶金温度,(2000k)使金属元素强
烈蒸发、烧损。
熔池金属冷却快，处于液态的时间短(10s)化学成分不均 匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。
空气对焊缝的影响严重
⑶ 手工电弧焊焊条
• 涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极称为焊条
• 焊条的组成及作用
焊芯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
焊缝的填充材料 — 填充焊缝 电极传导电流 — 导电
焊条
药皮
保护的作用 稳定电弧的作用 冶金的作用 掺合金的作用 改善焊接的工艺性能
焊条芯 药皮
• 焊条药皮的组成物按其作用分为：稳弧剂、造气剂、造渣 剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂。
焊接的优点： 1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短 ； 4）易于实现机械化和自动化。
缺点： 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ； 2）要产生焊接残余应力和焊接变形； 3）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。
焊接的分类：
第二节 焊接接头
一、焊接接头的形式
• 按焊缝本身截面形式不同分为：对接焊缝、角焊缝 对接焊缝
被连接板件1
对接焊缝
名称
被连接板件2
角焊缝
特点
对接焊缝
板边要精加工（包括坡口、矫正缝距），施工不便，但用料 经济，传力平顺，无显著应力集中，承受动荷载有利
角焊缝
板边不必精加工（不需要坡口、矫正缝距），施工方便，但 有显著应力集中，传力不平顺，采用搭接接头时，需要有一 定的搭接长度，用料不经济
隙则是为了便于焊透。
三、焊接接头金属的组织与性能
1. 熔焊过程冶金特点: 熔池金属温度高于一般冶金温度,(2000k)使金属元素强
烈蒸发、烧损。
熔池金属冷却快，处于液态的时间短(10s)化学成分不均 匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。
空气对焊缝的影响严重
第2章熔焊基本原理
（2）磁偏吹产生的原因：
电弧两侧磁力线分布不均匀（可由接线不当、电弧两侧铁磁物质分布 不均引起）。
（1）导线接线位置不当：
焊接时不只是通过焊条的电流会在电弧空间产生磁场而且通过工件的 电流也会在电弧空间产生磁场，如果接线位置不当如图2-7（c）、（d）那 样接线，由于电流通路在电弧处相互垂直，则在电弧左侧（c图）或右侧 （d图）的空间为两段电流导体（电弧和工件）产生的同方向的磁力线相互 迭加从而提高了该处的磁力线密度，而电弧另一侧的空间只有电弧本身产 生的磁力线，因此电弧俩侧的磁力线分布不均匀，故磁力线密度大的一侧 对电弧产生的推力大，磁力线密度小的一侧对电弧产生的推力小，由此使 电弧偏离焊条轴线。
第二章 熔焊基本原理
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 §2-6
焊接电弧 焊接热过程 焊接冶金 焊接裂纹 焊接接头的金相组织和机械性能 焊缝及焊接接头的形式和特点
§2-1 焊接电弧
实现焊接过程必需由外界提供相应的 能量，对于熔化焊来讲，采用的能源主要 是热能源，而焊接电弧就是热能源中应用 最为广泛的一种。
焊接电弧的稳定性是指电弧电 压和焊接电流能否保持相对稳定， 同时保持一定的弧长不偏吹、不摇摆、 不熄灭 。
影响电弧稳定性的因素
1、弧焊电源 2、焊条药皮 3、气流 4、焊接处不清洁 5、电弧的磁偏吹
1、弧焊电源：
弧焊电源的种类和极性都影响电弧的稳定性。 直流电源的电弧要比交流电源的电弧稳定； 空载电压较高的弧焊电源其电弧较空载电压低的 稳定； 有良好动特性的弧焊电源容易保证电弧稳定； 采用直流电源焊接时，如果用碱性焊条则必须采 用直流反接才能使电弧稳定燃烧，而不能用直流 正接。
焊接
第一章焊接化学冶金名词解释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，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接工艺过程(p1)2.扩散氢：由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢（p40)3.残余氢：还有一部分氢聚集到陷阱（金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙）中，结合为氢分子，因其半径大，不能自由扩散，故称之为残余氢4.合金过渡：就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程（p68）5.合金过渡系数：合金元素的过渡系数等于它在熔敷金属中的试剂含量与它的原始之比填空1熔滴过度的形式：短路过渡，颗粒状过渡和附壁过渡(p17)2手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区，熔滴反应区和熔池反应区(p24)3氢分为2种：扩散氢，残余氢（p40)4氧对金属的作用？（p46-50)5焊渣的分类：a盐型熔渣；b盐—氧化物型熔渣；c氧化物型熔渣；6活性熔渣对焊缝金属的氧化可分为两种基本形式：扩散氧化和置换氧化看图：1-8熔合比：在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例(p27)焊接区内的气体：H2 O2 N2 H2 （氧，氮，水气)简答：1.（课后）氢对焊接质量的影响及控制措施？影响：1.氢脆，2.白点3.形成气孔4.产生冷裂纹(p41)控制措施：a 限制焊接材料中的含氢量；b 清除焊丝和焊件表面上的杂质；c 冶金处理；d 控制焊接工艺参数；e 焊后脱氢处理；2熔渣的作用？A 机械保护作用：焊接时形成的熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上，把液态金属与空气隔开，防止液态金属的氧化和氮化。
熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可防治处于高温的焊缝金属受空气的有害作用。
B改善焊接工艺性能的作用：良好的焊接工艺性能是保证焊接化学冶金过程顺利进行的前提。
在熔渣中加入适当的物质可使电弧容易引燃，稳定燃烧，减少飞溅，保证具体良好的操作性，脱渣性和焊缝成形等。
熟悉焊接热过程
1.2.2相关知识
一、焊接温度场的一般特征 焊接温度场是研究焊件在某一范围内温度分布的状况。我们把正常焊接
过程中某一瞬时焊件各点的温度分布称为焊接温度场。在研究焊接温度 场时，应注意:①与磁场、电场一样，焊接温度场考察的对象是一定空间 范围内的温度分布情况;②焊接温度场是某个瞬时的焊接温度场。
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任务1. 1 分析焊接热过程对焊接的影响
(2)化学热。利用可燃气体(如乙炔、液化气)或铝、镁热剂与氧或氧化 物发生强烈的放热反应产生的热量作为热源，如氧一乙炔火焰气焊 (3)电阻热。利用电流流过导体所产生的电阻热作为焊接热源。这种热源
往往需要较大的电力支持，如电渣焊 (4)等离子焰。利用电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流所携带的
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任务1. 2 分析焊接温度场的变化规律
如果采用移动坐标系，令坐标原点与热源中心重合，不稳定温度场就转 变为准稳定温度场，图1 -2就是采用移动坐标系的准稳定温度场，在分 析焊接区内温度分布时，均采用的是这种准稳定温度场.
根据焊件的尺寸和热源的性质，温度场可分为三维温度场(空间传热)、 二维温度场(平面传热)和一维温度场(单向传热)。厚大件表面堆焊时，热 量是向焊件的三个方向(x,y,z方向)传递的，属于三维温度场，如图1-3 (a)所示，此时热源是点状热源;一次焊透的薄板，可以认为在厚度上没 有温差，热量是向焊件的两个方向(x,y方向)传递的，属于二维温度场， 如图1-3 (b)所示，此时热源是线状热源;细棒的对焊，可以认为在细棒截 面上是没有温差的，热量是向焊件的一个方向(x向)传递的，属于一维温 度场，如图1-3(c)所示，此时热源是面状热源。
有效的，流失于介质的热量是无效的。 (3)焊接热过程影响焊接接头的范围、组织变化和焊接应力与变形，同时
一、焊接温度场的一般特征 焊接温度场是研究焊件在某一范围内温度分布的状况。我们把正常焊接
过程中某一瞬时焊件各点的温度分布称为焊接温度场。在研究焊接温度 场时，应注意:①与磁场、电场一样，焊接温度场考察的对象是一定空间 范围内的温度分布情况;②焊接温度场是某个瞬时的焊接温度场。
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任务1. 1 分析焊接热过程对焊接的影响
(2)化学热。利用可燃气体(如乙炔、液化气)或铝、镁热剂与氧或氧化 物发生强烈的放热反应产生的热量作为热源，如氧一乙炔火焰气焊 (3)电阻热。利用电流流过导体所产生的电阻热作为焊接热源。这种热源
往往需要较大的电力支持，如电渣焊 (4)等离子焰。利用电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流所携带的
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任务1. 2 分析焊接温度场的变化规律
如果采用移动坐标系，令坐标原点与热源中心重合，不稳定温度场就转 变为准稳定温度场，图1 -2就是采用移动坐标系的准稳定温度场，在分 析焊接区内温度分布时，均采用的是这种准稳定温度场.
根据焊件的尺寸和热源的性质，温度场可分为三维温度场(空间传热)、 二维温度场(平面传热)和一维温度场(单向传热)。厚大件表面堆焊时，热 量是向焊件的三个方向(x,y,z方向)传递的，属于三维温度场，如图1-3 (a)所示，此时热源是点状热源;一次焊透的薄板，可以认为在厚度上没 有温差，热量是向焊件的两个方向(x,y方向)传递的，属于二维温度场， 如图1-3 (b)所示，此时热源是线状热源;细棒的对焊，可以认为在细棒截 面上是没有温差的，热量是向焊件的一个方向(x向)传递的，属于一维温 度场，如图1-3(c)所示，此时热源是面状热源。
有效的，流失于介质的热量是无效的。 (3)焊接热过程影响焊接接头的范围、组织变化和焊接应力与变形，同时
5焊接热影响区的组织与性能
图4-3 距焊缝不同距离各点的热循环 （低碳钢，板厚20mm,手弧焊）
图4-4 不同焊接方法的焊接热循环
1—手弧焊 2—埋弧焊 3—电渣焊
一、焊接热循环的主要参数
• 1.加热速度( WH ) • 2.加热的最高温度( Tm ) • 3.在相变温度以上的停留时间(tH) • 4.冷却速度(Wc)或冷却时间（ t8/5 、
少 痴 情 ， 多 少柔情 蜜意， 都在红 尘烟雨 中渐渐 飘走。
撑 一 把 油 纸 伞，在 寂寥的 雨巷中 ，哀怨 又彷
第一节 焊接热循环
焊接热循环:焊接过程中热源沿焊件移动时， 焊件上某点温度由低而高，达到最高值后， 又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。 它是描述焊接过程中热源对被焊金属的热作 用。距焊缝不同距离的各点，所经历的热循 环是不同的，如图4-3所示。另外，由于焊接 方法不同，热循环曲线的形状也发生较大的 变化。
三.焊接条件下CCT图的建立及其应用
T图的建立:采用焊热热模拟试验装置来 建立某种钢的CCT图.
2.意义:在新钢种投产之前,可预先估计热影 响区的组织性能,或作为制定工艺,焊接线能 量的依据.
T图的应用: 通过CCT图可得到在不同的 冷却速度下的组织,即估计组织及预测性能.
图4-23是16Mn钢的CCT图及组织和硬度的变化。
（二）加热的最高温度（Tm）
金属的组织和性能除化学成分的 影响之外,主要与加热的最高温度Tm 和 冷却速度ωc有关。例如低碳钢和低合 金钢焊接时，在熔合线附近的过热区， 由于温度高(1300～1350℃)，晶粒发 生严重长大，从而使韧性严重下降。
（三）在相变温度以上的停留时间（th）
在相变温度Th以上停留的时间越长，越 有利于奥氏体的均质化过程，但温度太高 时(如1100℃以上)即使停留时不长，也会产 生严重的晶粒长大。为便于分析研究，把 高温停留时间th分为加热过程的停留时间t’ 和冷却过程的停留时间t’’,即th ＝t’十t’’(参见 图4-5)。
焊接温度场
焊接加热过程中的热效率（或称功率有效系数）h＜1
q hUI
式中：q 为电弧的有效功率[J/S] U 为电弧电压[V] I 为焊接电流[A]
h 为功率有效系数
不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊 电子束及 电渣焊 TIG焊 激光焊
MIG焊
钢
铝
h 0.77~ 0.77~ >0.9
0.87 0.90
电子束
Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激辐射光放大）：经过聚焦产生能量高度集中 的激光束作为焊接热源
激光束
等离子焰
电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流，它本身携带 大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源（等离子 焊接、切割和喷涂）
热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场分 布也就不同。 热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离 子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。
2.焊接参数
有效热功率与焊接速度影响最大
随焊接速度v的增加,等温线的范围变小（a） 随热源功率q的增加,温度场范围随之增大（b） 等比例改变q和v时,等温线有所拉长（c）
.
第二章 焊接冶金学基本原理
焊接热过程
焊接热过程
.
1. 焊接热源 2. 焊接温度场 3. 焊接热循环
1.1 焊接热源的类型及特征
利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产 生的热能为焊接热源。电弧热是目前应用最广泛的 焊接热源，如手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气保焊。
电弧热
气焊：利用助燃（氧 气）和可燃气体（乙 炔）或铝、镁热剂进 行化学反应时所产生 的热能作为焊接热源。
q hUI
式中：q 为电弧的有效功率[J/S] U 为电弧电压[V] I 为焊接电流[A]
h 为功率有效系数
不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊 电子束及 电渣焊 TIG焊 激光焊
MIG焊
钢
铝
h 0.77~ 0.77~ >0.9
0.87 0.90
电子束
Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激辐射光放大）：经过聚焦产生能量高度集中 的激光束作为焊接热源
激光束
等离子焰
电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流，它本身携带 大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源（等离子 焊接、切割和喷涂）
热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场分 布也就不同。 热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离 子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。
2.焊接参数
有效热功率与焊接速度影响最大
随焊接速度v的增加,等温线的范围变小（a） 随热源功率q的增加,温度场范围随之增大（b） 等比例改变q和v时,等温线有所拉长（c）
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第二章 焊接冶金学基本原理
焊接热过程
焊接热过程
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1. 焊接热源 2. 焊接温度场 3. 焊接热循环
1.1 焊接热源的类型及特征
利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产 生的热能为焊接热源。电弧热是目前应用最广泛的 焊接热源，如手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气保焊。
电弧热
气焊：利用助燃（氧 气）和可燃气体（乙 炔）或铝、镁热剂进 行化学反应时所产生 的热能作为焊接热源。
第二章第二节气焊
1、减压器活门或活门座上 有污物
2、减压器活门或活门座有 损坏
3、副弹簧损坏
1、去除污物 2、更换减压器活门 3、更换副弹簧
减压器使用时压力下降过大 减压活门密封不良或有堵塞
工作过程中，发现供气不足或 1、减压活门产生冻结
压力表指针有较大摆动
2、氧气瓶阀开启不足
高低压力表指针不回到零值 压力表损坏
去除污物或更换密封填 料
3、气焊熔剂
气焊熔剂的选择要根据焊件的成分及其性质 而定。
1〕、一般碳素构造钢气焊时不需要气焊熔剂
2〕、不锈钢、耐热钢、铸铁、铜及铜合金、铝 及铝合金气焊时，那么必须采用气焊熔剂 〔见表、参考资料〕
4、火焰的性质及能率 气焊火焰的性质应该根据焊件的不同材料合理选择
气焊火焰能率主要是根据每小时可燃气体〔乙炔〕的消耗量 〔L/h)来确定而气体消耗消耗量又取决于焊嘴的大小
液化石油减压器
丙烷减压器
4〕减压器常见故障及排除
故障特征
可能产生原因
排除方法
减压器连接部分漏气
1、螺钉配合松动 2、垫圈损坏
1、拧紧螺钉 2、更换垫圈
安全阀漏气
活门填料与弹簧产生变形
调整弹簧或更换活门填 料
减压器罩壳漏气
弹性薄膜装置中薄膜损坏 更换薄膜
调节螺钉已旋松，但低 压力表缓慢上升的自流 现象
左向焊法----焊炬指向焊件未焊部分，焊接过 程自右向左，而且焊炬是跟着焊丝走。这种 方法操作简便，容易掌握，适于薄板的焊接 是普遍应用的方法。左焊法时焊炬与焊
左向焊法缺点----焊缝易丝端氧头化的，位 冷却较快，热 量利用率低
7、焊接速度
一般情况下，厚度大、熔点高的焊件，焊接速度要 慢些，以免产生未焊透的缺陷；厚度小、熔点低的 焊件，焊接速度要快些，以免烧穿和使焊件过热， 降低产品质量。总之，在保证焊接质量的前提下， 应尽量加快焊接速度，以进步消费率。
第二章 焊接方法—栓焊
三、栓焊的材料及设备
1.栓钉 栓钉成品表面应无有害的皱皮、飞边、裂纹、扭弯、锈蚀等；
必须通过焊接段的质量评定；其形状及尺寸应符合GB/T 10433—2002 《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》的规定。
2.瓷环 焊接瓷环是服务于栓焊的一次性辅助焊接材料，熔化焊栓钉使
用的瓷环可分为穿透型瓷环和普通型瓷环。（瓷环是每焊一个栓钉需要配
湿度（≤ 90% ） 3.机具准备： 熔化焊栓钉机、焊枪、 经纬仪、游标卡尺、盒尺、 钢直尺、记号笔、气割枪、 烘干箱、电动砂轮等。 4.栓焊参数： 电流、通电时间、栓钉伸出 长度及提升高度。
1）焊枪要与工件四周成90o角，瓷环就位，焊枪夹住栓钉 放入瓷环压实。
2）扳动焊枪开关，电流通过引弧剂产生电弧，在控制时 间内栓钉熔化，随枪下压，回弹、弧断，焊接完成。
栓钉的规格： 公称直径Ф10～25mm， 焊接前总长度40～300mm。
非穿透焊
一、栓钉简介
栓钉属于一种高强度刚性连接的紧固件，用于各种钢结构工程中，在不同连 接件中起刚性组合连接作用。
在国内，大部分高层建筑的承重结构都使用劲性柱，即在型钢外层包裹 混凝土。在型钢柱，如H型钢、十字柱、圆管柱上焊接栓钉，可以极大地加 强型钢柱与混凝土的连接强度，提高劲性柱的整体受力性能。
图3 栓钉质量验收过程
若钢板上有镀锌夹层时，栓钉不能迅速与钢梁表面形成熔池并焊接在一 起，导致焊缝融合度不符合要求。
《规范》上对于穿透焊的施工要求规定：准备进行栓焊的构件表面不宜进行涂装。 当构件表面已涂装并对焊接质量有影响的涂层时，焊接前应全部或局部清除。
若压型钢板铺设时未及时清理钢梁表面的灰渣或点焊不牢产生的间隙可 导致电阻增大，通过加大电流的方式后压型钢板焊缝附近有烧穿成洞的现 象。因此通过加强压型钢板的施压、增点焊等方法，控制好压型钢板与钢 梁间的间隙可解决问题。
5焊接热影响区的组织和性能
钢种
冷却速度
铁素体
45钢
4
18
30
60
5(10) 1(3) 1(1) 0(0
40Cr
4
1（0）
14
0（0）
22
0（0）
36
0（0）
组 织 （%）
马氏体
0（0） 90（27） 92（69） 98（98）
75（95） 90（98） 95（100） 100（100）
珠光体及中间组 织
95（90） 9（70） 7（30） 2（2）
相反，40Cr钢在焊接条件下的CCT曲线比热处理条 件下的CCT曲线向左移动，也就是在同样冷却速度下 焊接时比热处理时的淬硬倾向小。例如，焊接条件 下当冷却速度为36℃／s时，可得到l00％的马氏体， 而热处理条件下只要22℃／s即可得到l00％马氏体。
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34
根据金属学原理可以知道，碳化物合金元素
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23
由此可见，短段多层焊对焊缝和热影响 区组织都具有一定的改善作用，适于焊接 晶粒十分繁琐， 生产率低，只有在特殊情况下才采用。
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24
第二节 焊接热循环条件下的 金属组织转变特点
特点： 1.加热温度高 热处理加热温度都不超过Ac3以上 100～200℃
11
（三）在相变温度以上的停留时间（th）
在相变温度Th以上停留的时间越长，越 有利于奥氏体的均质化过程，但温度太高 时(如1100℃以上)即使停留时不长，也会产 生严重的晶粒长大。为便于分析研究，把 高温停留时间th分为加热过程的停留时间t’ 和冷却过程的停留时间t’’,即th ＝t’十t’’(参见 图4-5)。
24（5） 10（2） 5（0） 0（0）
焊接学复习资料
第一章认识焊接1•焊接：通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子（分子）间结合的连接方法。
（名词解释）2.焊接方法的分类：熔焊、压焊、钎焊。
（填空）焊接方法的未来趋势：（论述题）⑴提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力。
⑵提高准备车间的机械化、自动化水平。
⑶焊接过程自动化、智能化是提高焊接质量稳定性、解决恶劣劳动条件的重要方向。
⑷ 新技术，新材料的发展。
⑸热源的研究与开发。
⑹节能技术的发展。
3.弧光辐射：弧光是由紫外线、强可见光和红外线组成。
紫外线过度照射造成电光性眼炎、红外线与强可见光造成早期老光。
（填空或者判断）4.高空焊接作业：焊工距离基面人于等于2米。
第二章焊条电弧焊的操作1•焊条电弧焊的特点优点一一灵活性好：操作方便，对焊前装配要求求低，可焊材料广缺点一一①生产率低；②人为影响因素强2.电源外特性：在规定范|韦|内，弧焊电源稳态输出的电流与电源输出端电压的关系，称为电源外特性。
3.空载电压：当弧焊电源不带有负载时其输出端的电压。
（名词解释）4.短路电流：当电极和工件短路时，电压为零，此时焊接电源输出的电流。
5.焊接电源的动特性：电弧电压和焊接电流不断发生瞬间变化，焊接电源能不断调整输出的电流和电压，即焊接电源具有良好的动特性。
6.焊条：焊芯和药皮。
（填空或者简述）焊芯的作用：一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能；二是焊芯本身熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。
即既是电极又是填充金属。
药皮的作用：（1）机械保护作用。
⑵冶金处理渗合金作用⑶改善焊接工艺性能7.常用焊条⑴等强度原则即选用同强度等级的焊条。
一般用于低碳钢和低合金钢。
（2）同成分原则即选用与母材化学成分相同或相近的焊条。
一般用于焊接耐热钢、不锈钢等。
⑶抗裂纹原则选用抗裂性好的碱性焊条，以免在焊接过程中接头产生裂纹。
⑷抗气孔原则如呆受焊接工艺条件的限制，，对焊接接头部位的油污、铁锈等不便清理，应选用抗气孔能力好的酸性焊条，以免焊接过程中气体滞留于焊缝中，形成气孔。
第二章搅拌摩擦焊 ppt课件
第二节 搅拌摩擦焊工艺
一 影响FSW焊接的因素 影响FSW焊接过程稳定性和焊接质量的因素，主要有搅拌头的形状、搅拌头的位 置、搅拌头的转速、焊接速度、接头精度以及材料拘束等。表2-1列出了影响FS W焊的主要工艺因素和它们的内容要点
表2-1 搅拌摩擦焊的工艺因素
工艺因素
内容
搅拌头的形状 搅拌头的位置 搅拌头的转速 焊接速度 接头精度 材料拘束
本章详细介绍了搅拌摩擦焊原理、特点，并且针对铝及其合金的搅 拌摩擦焊的工艺及应用作了详细的阐述。
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第二章 搅拌摩擦焊
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第一节 搅拌摩擦焊的基本原理
一、搅拌摩擦焊的原理
搅拌摩擦焊的原理如图2-1所示。 它是利用带有特殊形状的硬质搅拌指棒的搅拌头旋转着插入被焊接 头，与被焊金属摩擦生热，通过搅拌摩擦，同时结合搅拌头对焊缝 金属的挤压，使接头金属处于塑性状态，搅拌指棒边旋转边沿着焊 接方向向前移动，在热-机联合作用下形成致密的金属间结合，实 现材料的连接。
(2) 搅拌指棒的形状
搅拌指棒的形状为单纯圆柱形或加工成稍带锥形的圆柱形；也有
得把单纯圆柱形加工成螺纹牙型或浅牙形，而端部形状一般为半球
形。
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第二节 搅拌摩擦焊工艺
TWI采用FSW焊接75m特大厚板时，采用的搅拌头表面如图2-2（a） 所示，切削成螺纹牙型的螺旋沟，目的是增加对被焊金属的搅拌力。 图2-2（b）所示为较为复杂形状的搅拌指棒 。
图2-4 搅拌头前pp进t课件角对焊缝金属的塑性流动停滞点位置的19影响
第二节 搅拌摩擦焊工艺
5.搅拌头的位置
搅拌头的位置是被焊金属与搅拌头的相对位置有关的参数。为了获得没 有缺陷的良好接头，被焊金属必须通过搅拌作用向板厚方向输入摩擦热。 这就要求搅拌头的肩部必须完全与被焊金属表面接触，使搅拌指棒完全插 入板厚的状态保持稳定。搅拌头中心线的位置正好处于接头中心线上。
第二章 点焊
规定：锥台形电极头端面尺寸 的增大△D＜15％D．同时对 由于不断锉修电极头而带来的 与水冷端距离h的减小也要给 予铝控合制金。点低焊碳h＞钢4点m焊m。h＞3mm，图1直8 径接D头的拉关剪系载(荷低F碳w钢与δ电=1极m头m端) 面
3.3 焊接参数间相互关系及选择
点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。当电
② 焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其对承受动载 或有脆性倾向的材料(可淬硬钢、铝合金等)，较长的焊接 时间将产生较大的不良影响。
3. 电极压力Fw
点焊时通过电极施加在焊件上 的压力一般要致千牛(N)。
图16表明，电极压力过大或过小都 会使焊点承载能力降低和分散性变 大，尤其对拉伸裁荷影响更甚。
电阻焊中，完成一个焊点(缝)所包括的全部程序。
1. 焊接循环示意图
图13 复杂点焊焊接循环示意图
1-加压程序 2-热量递增程序 3-加热1程序 4-冷却1程序 5-加热2程序 6-冷却2程序
7-加热3程序 8-热量递减程序 9-维持程序 10-休止程序)
Fpt— 预压压力 Ffo—锻压力 tfo—施加锻压力时刻(从断电时刻算起)
缺点：
1. 易造成焊点压痕深，接头变形大，表面质量差 2. 电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大
硬规范
硬规范的特点与软规范基本相反。
1. 硬规范适用于铝合金、奥氏体不锈钢、低碳钢及不等厚度板材的焊 接。
2. 软规范较适用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、钛合金等。
调节I、t使之配合成不同的硬、软规范时，必须相应改 变电极压力Fw，以适应不同加热速度及不同塑性变形能 力的要求。
一般认为，在增大电极压力的同时，适 当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊 接区加热程度不变。
3.3 焊接参数间相互关系及选择
点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。当电
② 焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其对承受动载 或有脆性倾向的材料(可淬硬钢、铝合金等)，较长的焊接 时间将产生较大的不良影响。
3. 电极压力Fw
点焊时通过电极施加在焊件上 的压力一般要致千牛(N)。
图16表明，电极压力过大或过小都 会使焊点承载能力降低和分散性变 大，尤其对拉伸裁荷影响更甚。
电阻焊中，完成一个焊点(缝)所包括的全部程序。
1. 焊接循环示意图
图13 复杂点焊焊接循环示意图
1-加压程序 2-热量递增程序 3-加热1程序 4-冷却1程序 5-加热2程序 6-冷却2程序
7-加热3程序 8-热量递减程序 9-维持程序 10-休止程序)
Fpt— 预压压力 Ffo—锻压力 tfo—施加锻压力时刻(从断电时刻算起)
缺点：
1. 易造成焊点压痕深，接头变形大，表面质量差 2. 电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大
硬规范
硬规范的特点与软规范基本相反。
1. 硬规范适用于铝合金、奥氏体不锈钢、低碳钢及不等厚度板材的焊 接。
2. 软规范较适用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、钛合金等。
调节I、t使之配合成不同的硬、软规范时，必须相应改 变电极压力Fw，以适应不同加热速度及不同塑性变形能 力的要求。
一般认为，在增大电极压力的同时，适 当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊 接区加热程度不变。
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第一章 绪 论 Introduction
材料成型及控制工程 2012.9
焊接结构
本章内 容
2.1 基本概念及原理
2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的热作用
焊接结构
2.1 基本概念与原理 2.1.1 电弧焊热过程概述 （1）焊接热过程的特点： – 局部性——加热和冷却过程极不均匀 – 瞬时性——1800K/s – 热源是运动的 – 焊接传热过程的复合性
焊接结构
（4）热量传递方式
热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导； 对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的 冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带 走热量； 辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发 生辐射，并传递热量；
焊接结构
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力 等。
T
2Q c (4at)
3 2
r2 exp 4at
焊件表面上等温线的形状？
焊接结构
T
2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
Tmax
2Q c (4t )
3 2
在固定的位置r处，T与t的关系
1 r 2 T f 3 2 exp t 4t
电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子束热
源等 （2）焊接热源的有效热功率（热效率）：＜1。
热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S]
焊接结构
（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的 问题分为了三类：
焊接结构
温度 变化 导致 的能 量变 化
2 2 2 T T T T 2T 2 2 2 t c y z x
焊接结构
方程中假设初始条件为0℃，不考虑表面散热，则方程的特解 为 r2 Q T exp 3 4 at 2 c (4at) 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:
① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；
② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的；
④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；
⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构
2.2.1 瞬时固定热源
（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）
热传 导导 致的 能量 变化
dQx dqx dy dz dt
T 2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
焊接结构
（4）分布热源模型 分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描 述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q( r ) qm exp Kr
2
dn
2 3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度
在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
q1( x , y , z ) q2 ( x , y , z )
6 3 f1Q abcf 6 3 f 2Q abcb
e e
3 x2 3 y 2 3 z 2 c12 a 2 b2
3 x2 3 y 2 3 z 2 c22 a 2 b2
焊接结构
2.2 焊接温度场
• 分瞬时固定热源、移动热源两种类型。 • 每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、 二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设：
综上，可见焊接热过程是一个十分杂的问题，涉及到多学科的知识， 因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。
焊接结构
2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
2.1.3 焊接热源
（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机 械能、光辐射能和化学能等。
• 三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体 积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的 传导，又称为厚板点热源模型 • 二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整 个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维 热传导，又称为薄板线热源模型 • 一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整 个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型
T q n
q x 2T dqx dx 2 x x
2T dQx 2 dxdydzdt x
2T 2T 2T dQ 2 2 2 dxdydzdt x y z
+
dQ cdxdydzdT
焊接结构
（2）产热机构
• • • 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件； 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；
•
变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。
材料成型及控制工程 2012.9
焊接结构
本章内 容
2.1 基本概念及原理
2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的热作用
焊接结构
2.1 基本概念与原理 2.1.1 电弧焊热过程概述 （1）焊接热过程的特点： – 局部性——加热和冷却过程极不均匀 – 瞬时性——1800K/s – 热源是运动的 – 焊接传热过程的复合性
焊接结构
（4）热量传递方式
热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导； 对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的 冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带 走热量； 辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发 生辐射，并传递热量；
焊接结构
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力 等。
T
2Q c (4at)
3 2
r2 exp 4at
焊件表面上等温线的形状？
焊接结构
T
2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
Tmax
2Q c (4t )
3 2
在固定的位置r处，T与t的关系
1 r 2 T f 3 2 exp t 4t
电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子束热
源等 （2）焊接热源的有效热功率（热效率）：＜1。
热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S]
焊接结构
（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的 问题分为了三类：
焊接结构
温度 变化 导致 的能 量变 化
2 2 2 T T T T 2T 2 2 2 t c y z x
焊接结构
方程中假设初始条件为0℃，不考虑表面散热，则方程的特解 为 r2 Q T exp 3 4 at 2 c (4at) 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:
① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；
② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的；
④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；
⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构
2.2.1 瞬时固定热源
（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）
热传 导导 致的 能量 变化
dQx dqx dy dz dt
T 2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
焊接结构
（4）分布热源模型 分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描 述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q( r ) qm exp Kr
2
dn
2 3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度
在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
q1( x , y , z ) q2 ( x , y , z )
6 3 f1Q abcf 6 3 f 2Q abcb
e e
3 x2 3 y 2 3 z 2 c12 a 2 b2
3 x2 3 y 2 3 z 2 c22 a 2 b2
焊接结构
2.2 焊接温度场
• 分瞬时固定热源、移动热源两种类型。 • 每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、 二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设：
综上，可见焊接热过程是一个十分杂的问题，涉及到多学科的知识， 因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。
焊接结构
2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
2.1.3 焊接热源
（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机 械能、光辐射能和化学能等。
• 三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体 积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的 传导，又称为厚板点热源模型 • 二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整 个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维 热传导，又称为薄板线热源模型 • 一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整 个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型
T q n
q x 2T dqx dx 2 x x
2T dQx 2 dxdydzdt x
2T 2T 2T dQ 2 2 2 dxdydzdt x y z
+
dQ cdxdydzdT
焊接结构
（2）产热机构
• • • 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件； 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；
•
变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。