第一章熔化焊热源及接头形成
第一章 焊接化学冶金
37
3)、气孔 4)、组织变化和显微斑点
焊缝金属A—M时，由于氢在A有较大的 溶解度，当含氢量高的焊缝自A化，温度 冷却时，引起局部A过冷残余A增加，残 余A—M时，富氢的组织内产生大的内应 力，造成显微裂纹
5)、产生冷裂纹
第一章 焊接化学冶金
38
（四）控制氢的措施
1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分 2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污 、吸附水分 3)、冶金处理 4)、调整焊接规范 5)、焊后脱氢处理
气体保护、抽真空。对于适渣型焊条： 保护效果取决于药皮的数量及成分
2）、焊接工艺规范影响 ： 3）、焊丝成分的影响 ：增加焊丝或药
皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量d
第一章 焊接化学冶金
30
三、氢对金属的作用
（一）、氢在金属中的溶解 1、来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯 中水分，药皮中有机物为、焊件表面杂 质（锈、油）空气中水分 第一类能形成稳定氢化物金属 第二类不形成稳定氢化物的金属
第一章 焊接化学冶金
42
2.熔渣的成分和分类
1).熔渣成分：大体由氧化物、氯化
物、氟化物、硼酸盐类组成是多种 化学组成的复杂体系。
2).熔渣分为三类
第一类 氧化物型 第二类 盐—氧化物型 第三类 盐型
第一章 焊接化学冶金
43
（二）熔渣结构理论
液态熔渣的结构有两种理论：
分子理论和离子理论
分子理论可简明的定性为解释熔渣与 金属之间的冶金反应,但不能解释一 些重要现象，如导电性、电解等。
第一章 焊接化学冶金
39
四、氧对金属的作用
（一）氧在金属中的溶解
1).以原子氧形式溶解 2).以FeO形式溶解
第1章 熔焊热源及温度场
a). 热源在焊件上的分布
b). 热流密度的分布
加热斑点上热流密度的分布
(2) 双椭圆分布热源
双椭圆分布热源示意图
(3) 双椭球体积分布热源
双椭球体分布热源示意图
3. 焊接温度场
(1) 厚大焊件的温度场
厚大焊件上点状移动热源的温度场
a). 坐标示意图 b). Oxy面上沿x轴的温度分布 c). Oxy面上的等温线
材料连接原理
第1章 熔焊热源及温度场
主要内容
▲ 焊接热源的种类及特点 ▲ 焊件上的热量分布模式 ▲ 焊接温度场 ▲ 焊接热循环 ▲ 焊接热传导与熔池形态的数值模拟
1. 焊接热源的种类及特点
电弧热 化学热 电阻热 摩擦热 等离子焰 电子束 激光束
2. 焊件上的热量分布模式
(1) 热传导的有限差分法计算 (2) 热传导的有限单元法计算 (3) 焊接熔池的数值模拟
焊接熔池表面及内部的流体流动模式
a).
y / T 0
b). y / T 0
d). Oyz面上沿y轴的温度分布
c). Oyz面上的等温线
பைடு நூலகம்
(2) 薄板焊接时的温度场
薄板焊接时的温度场
a). Oxy面上平行x轴的温度分布 c). Oxy面上平行y轴的温度分布 b). Oxy面上平行y轴的温度分布 d). 坐标示意图
(3) 中厚件焊接时的温度场
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). Oxz面上的等温线 c). 中厚焊件的表面温度场 d). Oyz平面，x=0时的温度分布 e). Oyz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）
熔化焊的原理
熔化焊的原理
熔化焊是一种常见的焊接方法，通过加热金属材料，使其熔化并与其他金属材料结合在一起。
熔化焊的原理可以总结为以下几个方面：
1. 热源：熔化焊主要依靠热源来提供足够的能量使金属材料熔化。
常见的热源包括火焰、电弧、电阻加热等。
其中，火焰热源是指以燃烧为基础，通过燃料与氧气的混合产生大量热能。
电弧热源是指通过电弧放电产生的高温热能。
电阻加热则是将电流通过电阻材料产生热能。
2. 熔化：熔化焊的基本原理就是将金属材料加热到其熔点以上，使其从固态转变为液态。
当金属材料达到熔点时，其原子开始通过热运动相互分离，形成液态。
3. 流动：金属材料处于液态时，其分子间的间距增大，使得原子之间的化学键发生改变。
通过调整焊接过程中的温度和焊接材料的成分，可以实现金属材料的流动和融合。
当金属材料冷却凝固后，焊接接头的结晶组织和力学性能就被形成。
4. 冷却：在熔化焊后，焊接接头需要被冷却以恢复到固态。
冷却过程中，焊接接头中的熔融金属将重新结晶，并形成固态的晶体结构。
焊接接头的冷却速度影响着其最终的组织结构和性能。
总之，熔化焊的原理是通过加热金属材料使其熔化，然后通过流动和冷却使其与其他金属材料融合在一起。
不同的熔化焊方法有不同的热源和焊接过程，但基本
的原理和步骤是相似的。
熔化焊广泛应用于各个领域，如汽车制造、船舶建造和机械制造等。
第一章 焊接化学冶金
●熔池温度分布极不均匀，因此在熔池的前部和后部反应可以同时 向相反的方向进行。
●熔池中的强烈运动，有助于加快反应速度，并为气体和非金属夹 杂物的外逸创造了有利条件。
三 焊接化学冶金反应区及其反应条件
不同焊接方法有不同的反应区： ◆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。 ◆熔化极气体保护焊：只有熔滴和熔池反应区。 ◆不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊接只有一个熔池
反应区。
图1-8 焊接化学冶金反应区 Ⅰ-药皮反应区 Ⅱ-熔滴反应区 Ⅲ-熔滴反应区，
焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。 热源周围的气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而
焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空 气。 焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、 油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进 入气相中。
(二)气体的产生
6Fe2O3＝4Fe3O4＋O2； 2Fe2O3＝6FeO＋O2 4Mn2O3＝2Mn3O4＋O2；6Mn2O3＝4Mn3O4＋O2
第一章 焊接化学冶金
主要内容
焊接化学冶金过程的特点 气相对金属的作用 熔渣对金属的作用 合金的过渡
第一节 焊接化学冶金过程的特点
焊条熔化→形成熔滴→过渡→形成熔池 焊接保护 化学冶金反应区 熔合比
本节概念性的内容较多，通过对本节的理解， 加以记忆
一 焊条熔化及熔池形成
(一)焊条的加热及熔化 1 焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝)的热能有： 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生电阻热，使其本身和药皮的温
焊接技术教案
本册教案目录
第 1 次课 2 学时授课时间第1周教案完成时间第-1周
第 2 次课 2 学时授课时间第1周教案完成时间第-1周
第 3 次课 2 学时授课时间第2周教案完成时间第1周
第 4 次课 2 学时授课时间第2周教案完成时间第1周
第 5 次课 2 学时授课时间第3周教案完成时间第2周
第 6 次课 2 学时授课时间第3周教案完成时间第2周
第 7 次课 2 学时授课时间第4周教案完成时间第3周
第 8 次课 2 学时授课时间第4周教案完成时间第3周
第 9 次课 2 学时授课时间第5周教案完成时间第4周
第 10 次课 2 学时授课时间第5周教案完成时间第4周
第 11 次课 2 学时授课时间第6周教案完成时间第5周
第 12 次课 2 学时授课时间第6周教案完成时间第5周
第 13 次课 2 学时授课时间第7周教案完成时间第6周
第 14 次课 2 学时授课时间第7周教案完成时间第6周
第 15 次课 2 学时授课时间第8周教案完成时间第7周
教学总结。
焊工工艺学第五版教学课件第一章 焊接技术概述
焊接技术的应用 a）多丝埋弧焊 b）焊接机器人在汽车制造业中的应用 c）三峡水轮机转轮 d）北京奥运会主体育场“鸟巢”
§1-1 焊接技术及发展概况
四、焊接技术的应用与发展
已广泛应用于航空、石油化工机械、矿山机械、起重机械、建筑 及国防等各工业部门，并成功地完成了不少重大产品的焊接，如直径为 15.7 m 的大型球形容器、万吨级远洋考察船“远望号”。
31 第 一 章 焊 接 技 术 概 述
正常焊接时的电弧 a）焊条与焊件垂直 b）焊条与焊件倾斜
§1-2 常用焊接热源
4．焊接电弧的稳定性 但在实际焊接中，由于电弧周
围气流的干扰、磁场的作用或焊条 偏心的影响，会使电弧中心偏离电 极轴线的方向，这种现象称为电弧 偏吹，如图2所示为磁场作用引起 的电弧偏吹。
第一章 焊接技术概述
1 第一章 焊接技术概述
§1-1 焊接技术及发展概况
在工业生产中，经常需要将两个或两个以上的零件按一定的形式 和位置连接起来，根据连接的特点，可以将其分为两大类：一类是可拆 卸连接，即不必毁坏零件就可以进行拆卸，如螺纹连接、键连接等；另 一类是永久性连接，只有在毁坏零件后才能进行拆卸，如铆接、焊接等， 其中应用最广泛的是焊接。据不完全统计，全世界年钢产量的50% 要经 过焊接加工出成品。
（1）弧焊电源的影响 （2）焊接电流的影响 （3）焊条药皮或焊剂的影响
30 第 一 章 焊 接 技 术 概 述
§1-2 常用焊接热源
4．焊接电弧的稳定性
（4）焊接电弧偏吹的影响 在正常情况下焊接时，电弧的 中心线总是保持着沿焊条（丝）电 极的轴线方向。即使当焊条（丝） 与焊件有一定倾角时，电弧也会跟 着电极轴线的方向而改变，如图所 示。
15 第 一 章 焊 接 技 术 概 述
金属熔焊原理及材料焊接第一章-焊接热源及其作用
焊接热源
焊接的发展趋势：焊接技术逐步向高效率、高质量、低 成本、降低劳动强度、降低能耗的方向发展。
热源的性能不仅影响焊接质量，而且对焊接生产率有着 决定性作用。
作为焊接热源应当是：能量高度集中、快速实现焊接过 程，并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的热影响区。
焊接热源
满足焊接条件的热源：
电弧热：利用气体介质中放电过程所产生的热能
• 焊接温度场：某一瞬时焊件上各点的温度分布
等温线或等温面：把焊件上瞬时温度相同的各点 连接在一起。 各等温线或等温面彼此间不能相交，存在一定的 温度差。
焊接温度场的类型： • 稳定温度场：焊接温度场各点的温度不随时间变动。 • 非稳定温度场：各点温度随时间而变动。 • 准稳定温度场：功率恒定的热源在工件上作匀速直线运
• 思考：调整焊接热循环的方法有哪些？
本章结束
源的典型焊接方法有哪些？
焊接热循环：在焊接热源作用下，焊件上某一点的温度随
时间的变化过程。
焊接热循环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，所经历的热循环不同。距焊缝越近的点，加热的最高温度 越高；越远的点，加热的最高温度越低。
焊接热循环的主要参数：
• 加热速度ωH
晶粒
• 最高加热温度Ｔm 大小
化学热：助燃和可燃气体（氧、乙炔）的燃烧火焰或铝、镁 热剂进行化学反应 电阻热：电流通过导体时产生的电阻热 摩擦热：机械摩擦而产生的热能作为焊接热源
等离子弧焊：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流 电子束焊：高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局 部表面，动能转化为热能
激光焊：受激辐射而使放射增强的光，经聚焦产生能量高 度集中的激光束。
电阻焊接过程
(最新整理)焊接冶金学基础知识
2021/7/26
25
25
2）焊缝成形系数φ
焊缝余高(a)
焊缝宽度(B)
焊缝熔深（H)
热影响区（HAZ) 焊缝成形系数—— 焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值
公式： φ = B/H (一般大于1.0—1.3，对防止裂纹有利）
综合机械性能：多层多道焊优于单层焊，因为前道焊缝对后道焊缝是预 热，后道焊缝对前道焊缝有退火作用，防止产生淬硬组织。
2021/7/26
26
26
3）焊缝余高系数
余高系数——焊缝有效宽度B与余高a的比值。 公式： Ψ = B/a（%）
4）焊缝成形过程
在热作用下，焊丝与母材被熔化，焊件上形成一个具 有一定形状和尺寸的液态熔池，熔池随着热源的移动向前 运动，在电弧后形成凝固的焊缝。
2021/7/26
27
27
5、焊接化学冶金过程（手工电弧焊）：
②熔滴反应区
使气相的氧化性下降，通常 把这个过程称为“先期脱氧”
从熔滴形成、长大到过渡到熔池中，属于熔滴反应区。
该区反应时间虽短(0.01-1S)，但温度很高(1800-2400℃)， 相(气相、液相、熔渣)接触面积大，并伴随着强烈混合作用 ，冶金反应激烈，反应进行相对完全，对焊缝影响极大。
主要的物理化学反应：金属的蒸发，气体的分解和溶解，金 属的氧化还原以及合金化等。
2021/7/26
23
23
(一)短路过渡 (二)滴状过渡 (三)渣壁过渡 (四)喷射过渡
2021/7/26
熔滴过渡的形式
小电流、低电压。熔滴长大 受到空间限制而与母材短路， 在表面张力及小桥爆破力作 用下脱离焊丝。
电弧长度较长，熔滴可自由 长大，直至下落力大于表面 张力时，脱离焊丝落入熔池， 属自由过渡。
焊接成型原理
域称为加热区或加热斑点。如果讨论的热源是电弧
热，其加热区可分为活性斑点区和加热斑点区（见 图1-2）。 （1）活性斑点区：带电质点（电子和离子）集 中轰击直径为dA的斑点面积。该部位的电能转化 为热能，电流密度了的变化如图1-2中的虚线所示。
（2 ）加热斑点区 ：在直径为dH的区域内，金
属受热是通过电弧的辐射与周围介质的对流进行 的。
9
2 10 5 10 1.5 105 5 2 10 105 105 ~ 106
3473 6000 8000 6400 2300
10
12
1.5 106 18000 ~ 24000 108 ~ 1010 108 ~ 1010
1.1.2
焊接热效率
（1）电弧热效率：如果电弧是无感的，此时电能全部 转化 为热能，则电弧的功率为 q=UI (1-1) 式中，q为电弧功率，即电弧在单位时间内所放出 的能量(W)；U为电弧的电压(V)；I为焊接电流(A)。若 能量不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效热 功率为 qe=ηUI (1-2) 式中η为加热过程中的功率有效系数或称热效率。 在一定条件下η是常数，主要取决于焊接方法、焊接 规范、焊接材料和保护方式等。
故
q e F q ( r ) dF q e
（1-4）2 Kr r m 0
(1-5)
2rdr q m K
qe
K值说明热流集中 式中，qe为电弧的有效功率，qe=ηUI。 的程度，主要取决于焊接方法、焊接工艺参数和被焊金属材 料的热物理性能等。不同焊接方法的能量集中系数K值见表1.3。 从今后的发展趋势来看，应采用K值较大的焊接方法，如电子 束和激光焊接等。
q( r ) (1-3) qme
焊接结构学2
从上述各种焊接热源来看，有些热量产生于 表面（必须通过传导将其传送至工件内部）， 有些产生于材料内部。由于构件及其坡口的几 何尺寸不同，和焊接热源的可调节将性等方面 的差异，在实际应用中有各种变化。
＜10
＜1
0.25—0.85
第一节 基本概念和基本原理
三、传热基本定律
热传导定律
金属材料焊接时，局部集中的随时间变化的热输 入，以高速度传播到构件的边远部分。在多数情况 下，输入和对流在热输入过程中，也起着重要的作 用，因而也是构件表面热热损失的主要因素。
热传导问题由傅立叶定律来描述：物体等温面上 的热流密度q*[J/mm2s]与垂直于该处等温面的负温 度梯度成正比，与热导率成正比：
第一章 焊接热过程
• 本章以最常规的MIG焊为例来讨论焊接热
源，热场、流场的基本规律和焊接热过 程的计算方法，以及焊接热循环的有关 问题，目的是为讨论焊接冶金、应力、 变形、热影响区等建立基础。
第一章 焊接热过程
到目前为止，世界上许多国家的焊接工作者对焊接 热过程进行了大量的系统的研究工作，但距离上述要 求还存在着差距，这主要是因为在解决一些复杂的焊 接传热问题时间不得不提出一些数学上的假设和推导， 这一方面的经典工作是由前苏联的雷卡林完成的，雷 卡林的工作对一些相对简单的情况给出一些解析解， 但其结果常存在很大偏差，有时偏差量常常可以达到 100%，近期有限元理论和数值分析技术的发展，使一 些复杂问题的计算得以进行，因而使计算模型的建立 可以更接近实际情况，准确程度也明显提高，但仍没 有达到完全实用化的程度，并且许多复杂的理论问题 也未得到很好的解决，因此，焊接热过程目前仍然是 国际焊接界研究的热点问题之一。
焊接冶金学基本原理【打印版】
绪论1)焊接：焊接是指被焊工件的材质（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的工艺过程。
2)焊接、钎焊和粘焊本质上的区别:焊接：母材与焊接材料均熔化，且二者之间形成共同的晶粒；钎焊：只有钎料熔化，而母材不熔化，在连接处一般不易形成共同晶粒，只有在母材和钎料之间形成有相互原子渗透的机械结合；粘焊：既没有原子的相互渗透而形成共同的晶粒也没有原子间的扩散，只是靠粘接剂与母材的粘接作用。
3)熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电子束、激光束、化学热。
压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、高频感应热。
4)焊接加热区可分为活性斑点区和加热斑点区5）焊接温度场：焊接时焊件上的某瞬时的温度分布称为焊接温度场。
6）稳定温度场：当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之7）准稳定温度场：恒定功率的热源作用在焊件上做匀速直线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可随着热源以同样速度移动。
8）焊接热循环：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。
第一章1）平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。
平均熔敷速度：单位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔敷速度。
损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属(或焊丝)质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。
熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。
熔滴的比表面积:表面积与质量之比2）熔滴过渡的形式：短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。
3）熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分就是熔池。
4）焊接过程中对金属的保护的必要性：（1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中氧和氮的含量。
（2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的化学成分。
（3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。
5）手工电弧焊时的反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。
第一章 电弧焊基础知识
下面为冷金属过渡过程及其所焊的铝合金薄板对接焊缝。 下面为冷金属过渡过程及其所焊的铝合金薄板对接焊缝。
瑞典ESAB公司发展的 瑞典ESAB公司发展的super pulse技术，在一个电流周期内可以采 公司发展的super pulse技术 技术， 用不同熔滴过渡形式的组合，即正、 用不同熔滴过渡形式的组合，即正、负半波可以分别采用不同的熔滴过 渡形式，使焊缝成形比以往更加美观、精确并且容易控制、飞溅极少。 渡形式，使焊缝成形比以往更加美观、精确并且容易控制、飞溅极少。 焊缝成形更多地依靠机器来完成， 焊缝成形更多地依靠机器来完成，大大降低了人为因素对焊缝成形的影 降低对焊工操作技能培训的要求，不但节省了生产成本， 响、降低对焊工操作技能培训的要求，不但节省了生产成本，而且使以 往难于解决的焊接问题（如极薄的铝或不锈钢板的MIG焊 变得简单， 往难于解决的焊接问题（如极薄的铝或不锈钢板的MIG焊）变得简单， 焊缝质量的稳定性、再现性得到极大的提高。 焊缝质量的稳定性、再现性得到极大的提高。 点击看双脉冲（ pulse）过渡技术（瑞典ESAB公司 公司）。 点击看双脉冲（super pulse）过渡技术（瑞典ESAB公司）。 点击了解冷金属过渡（CMT）技术（奥地利Fronius公司） 公司） 点击了解冷金属过渡（CMT）技术（奥地利Fronius公司
v cm
第一节
焊接电弧
弧柱区 阳极区
二、焊接电弧的导电特性
电弧的三个区域：阴极区 电弧的三个区域： （一）弧柱区的导电特性 热电离是弧柱部分产生带电粒子的主要途径 （二）阴极区的导电特性
（阴极区长度10-5～10-6cm ,阴极区压降约为106～107 V/cm） 阴极区长度10 ,阴极区压降约为 阴极区压降约为10 V/cm）
焊接热源及熔池形成解析
gM
G t
pI
p ——焊条熔化系数
熔敷速度：单位时间内焊接材料进入焊缝金 属的质量。
gD
GD t
H I
H ——焊条熔敷系数
损失系数：飞溅、氧化和金属蒸发损失焊条金 属与熔化金属总量之比。
G GD gM gD 1 H
G
gM
p
或
M (1 ) p
焊条金属的瞬 时熔化速度
分析可知提高焊条熔化速度的途径：
单位时间内通过单位面积传入焊
件的热能）分布，可近似地用高
斯数学模型来描述。
q(r) qmeKr 2
立体高斯曲面下的总热量为
q
q(r)dF
பைடு நூலகம்
qme
Kr
2
d
r
F
0
K qm
qm
K
q
影响热能分布因素
K值说明热源的集 中程度，决定于焊接 方法、规范和材料导 热性能等。
1.1.3 焊接温度场
1）焊接传热的基本形式 电弧焊条件下，由热源传给焊件主要以辐
mtr
—
—熔滴平均质量
gcp
mtr
— —一个周期内焊芯平均熔化速度
cp
m0 mtr
1 2
平均作用时间变化范围0.01～1.0s
5）熔滴温度
对低碳钢熔滴平均温度2100～2700K。 电流 I↑，熔滴温度T↑ 焊条直径Φ↑，T↓
1.2.2 熔池的形成
熔池的形状、尺寸、温度、存在时间、 流动状态对熔池中的冶金反应、结晶方向、晶 体结构、夹杂物数量分布、焊接缺陷的产生均 有重要影响。
存在时间 tmax=L/v, 几秒～几十秒
平均作用时间
激光照射焊件，一部分被吸收，另一部分被反射。 只要被吸收就能被充分利用。
熔化焊焊接成形理论基础
绪 • 焊接：通过加热或加压，或两者并用，并且用或者不用填
充材料，使工件产生原子结合的一种成形方法。 • 焊接的特点：
a 减轻结构质量，节约大量金属材料。 b 生产率高、生产周期短，劳动强度低。 c 可以保证高的气密性，提高产品质量。 d 可以制造双金属结构。
e 便于实现机械化、自动化。 f 焊后产生应力和变形，热影响区力学性能差。
18.2 焊接接头的组织与性能
• 温度变化：焊接接头经历了升→降温热循环，焊缝经历了 一次冶金过程，附近区域经历了不同规范的热处理。
hanj的点所经历的热循环是不 同的，最高加热温度不同，加热速度和冷却速度也不同。
焊接工件上温度的变化与组织
• 种类：
熔化焊 fusion welding 固态焊 solid-state welding又称为压力焊 • 钎 焊：包括硬钎焊brazing、软钎焊soldering
• 应用：制造金属工程结构，如锅炉、压力容器、管道、船 舶、车辆、桥梁、飞机、火箭、起重机、海洋结构、冶金 设备等。也可制造机器零部件和工具，如重型机械、冶金、 锻压机械的机架、锻模、刀具等。在一些主要工业国家， 每年生产的焊接结构约占钢产量的45%。
2. 焊接裂纹 • 产生：焊接应力和致脆因子共同作用。 ① 热裂纹 • 热裂纹是焊缝和热影响区的金属在结晶过程中产生的，
其产生的原因主要是焊缝中存在着FeS等低熔点物质， 焊缝结晶时，形成液态间层，晶粒间联系被削弱，当焊 缝受到较大的焊接拉应力时，即在晶粒之间引起破裂。
✓ 焊接热裂纹（结晶裂纹）的影响因素 → a.硫的偏析 → b.焊缝的组织 → c.焊缝冷却的速度（层间温度、热输入量） → d.焊缝的形状（成形系数） → e.拘束度 ➢ 热裂纹的特征 → 热裂纹可发生在焊缝区或热影响区,沿焊缝长度方向分布。 → 热裂纹的微观特征是沿晶界开裂，所以又称晶间裂纹。因
第一单元 焊接热过程
第一单元焊接热过程模块一焊接热过程及其特点大家好，上节课咱们研究了焊接过程的实质—使两个分开的物体（焊件）达到原子结合；焊接与其他连接方法的区别；焊接方法的分类等。
这节课咱们来研究下焊接热过程及其特点还有焊接热源。
焊接热过程及其特点一、焊接的一般过程（绘制板对接平面图、绘制P5 图1-1）一般焊接部位须经历加热--熔化—冶金反应—凝固结晶—固态相变—形成接头等过程，也可归纳成三个互相交错进行而又彼此联系的过程。
详细讲述焊接热过程、冶金过程、焊接时金属的结晶和相变过程。
焊接热过程在焊接热源作用下金属局部被加热与熔化，同时出现热量的传播和分布的现象，而且这种现象贯穿整个焊接过程的始终，这就是焊接热过程。
二、焊接热过程的特点1）焊接热量集中作用在焊件连接部位，而不是均匀加热整个焊件。
2）热作用的瞬时性，焊接时，热源以一定速度移动，焊件上任一点受热的作用都具瞬时性，即随时间而变。
三、焊接热过程对焊接质量的影响1）焊接热过程决定了焊接熔池的温度和存在时间。
2）在焊接热过程中，由于热传导的作用，近缝区可能产生淬硬、脆化或软化现象。
3）焊接是不均匀加热和冷却的过程。
4）焊接热过程对焊接生产率发生影响。
模块二焊接热源焊接需要外加能量，对于熔焊主要是热能。
现代焊接发展趋势是逐步向高质量、高效率、低劳动强度和低能耗的方向发展。
用于焊接的热量总是希望高度集中，能快速完成焊接过程，并能保证得到热影响区最窄及焊缝致密的接头。
1、常用的焊接热源焊接热源的性质与功率，决定了焊接加热的速度、加热的温度和加热的范围，将直接影响焊接质量和生产率。
因此，不断研制和开辟新的热源，对焊接技术的发展有重要作用。
生产中常用的焊接热源有以下几种：(1)电弧热电弧热利用熔化或不熔化的电极与焊件之间的电弧所产生的热量进行焊接。
电弧是目前应用最广的焊接热源。
(2)化学热化学热利用可燃性气体（如乙炔、液化石油气等）燃烧时放出的热量，或热剂（由一定成分的铝粉或镁粉、氧化铁粉、铁屑或铁合金等按一定比例配制而成）在一定温度下进行反应所产生的热量进行焊接。
第一章 熔化焊连接原理12
１.按制造方法分类
(１)熔炼焊剂：将原料按配方比例配成炉料，放在电炉或火焰 炉中熔炼，这种焊剂叫熔炼焊剂。
(２)非熔炼焊剂：依烘熔温度不同分为粘结焊剂和烧结焊剂。
2.按焊剂化学成分分类
(1)按氧化物性质分 (3)按MnO含量分
(2)按SiO2含量分 (4)按CaF2含量分
1.2 熔化焊接化学冶金
按SiO2含量分类 a. 高硅焊剂：焊剂含SiO2 >30% b. 中硅焊剂：焊剂含SiO2 10～30％ c. 低硅焊剂：焊剂含SiO2 <10%
2、焊条
1.2 熔化焊接化学冶金
1.2 熔化焊接化学冶金
焊条的组成
（１） 焊芯—焊丝 作用：导电、填充金属
焊芯材料有选择性:用量最多的是H08、H08A，还有 H08E。
（2） 药皮 作用：①机械保护作用
②冶金处理作用 ③工艺性能良好 药皮的组成？
1.2 熔化焊接化学冶金
药皮的组成？
①稳弧剂 :改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为 易电离或电离势低的物质。
塑性或滑润性物质。 如云母、白泥、滑石等。
1.2 熔化焊接化学冶金
（3）焊条的分类和性能 1）用途和化学成分
焊条牌号
焊条型号
序 号
焊条分类 （按用途分类）
代号
焊条分类
汉字（字母） （按化学成分分类）
代号
国家标准
结构钢焊条
1 2
钼及铬钼耐热钢 焊条
3 低温钢焊条
不锈钢焊条：
4
1.铬不锈钢焊条 2.铬镍不锈钢焊
并可采用直流反接焊接
表示焊条适用于全位 置焊接
表示熔敷金属抗拉强度的 最小值
E5015(J 507) 焊条为例
金属熔化焊原理
熔池结晶时氢的溶解度突然降低，容易造成氢残 留在焊缝金属中，当焊缝金属的结晶速度大于逸出速 度，形成气孔。
二.焊接化学冶金过程
2) 产生白点和氢脆 （1）白点 焊缝含氢量高时，在焊缝拉断面上出现如鱼目
状的直径为0.5-5 mm的白色圆形斑点。 （2）氢脆 氢在室温时使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。 白点和氢脆使焊缝金属塑性严重下降。 3) 产生冷裂纹 (3)控制氢的措施 1)焊前清理干净焊件及焊丝表面的铁锈、油污、
电流增大，熔滴变细，过渡频率提高，电弧 较稳定、飞溅减小，呈细滴过渡，电弧焊采用。
一 .焊条和母材的熔化
2）短路过渡
焊条端部的熔滴与熔池短路接触，直接向熔 池过渡称为短路过渡。
短路过渡在小电流、低电弧电压下，实现稳 定的熔滴过渡和稳定的焊接过程。短路过渡适合 于薄板或低热输入的焊接。 C02保护电弧焊。
焊接电弧的温度高，6 000-8 000度，金属剧烈蒸发， 电弧周围C02、N2、H2等大量分解，分解后的气体原子 或离子溶解在液态金属中形成气孔。
熔池温差大，平均温度在2 000以上，并被周围的冷
却金属包围，温度梯度大，焊件易产生应力并引起变形， 甚至产生裂纹
二.焊接化学冶金过程
（2)．熔池体积小，熔池存在时间短
一. 焊条和母材的熔化
(3)电磁压缩力 垂直作用在金属熔滴表面上， 熔滴的细颈部分，也是电磁压 缩力作用最大。随着颈部逐渐 变细，电流密度增大，电磁压 缩力也增强，则促使熔滴很快 地脱离焊条端部向熔池过渡， 保证了熔滴在任何空间位置都
能顺利地过渡到熔池。所以
电磁压缩力在任何焊接位置都 是促使溶滴过渡的力。
平焊时，金属熔滴的 重力起促进熔滴过渡 的作用。立焊、仰焊时 熔滴的重力阻碍了 熔滴向熔池过渡， 成为阻碍。
《金属熔焊原理及材料焊接》习题答案
《金属熔焊原理及材料焊接》习题答案绪论一、填空题1．连接金属材料的方法主要有____________、____________、____________、____________等形式，其中，属于可拆卸的是___________、____________属于永久性连接的是____________、____________。
2．按照焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接分为___________、___________ 和__________三类。
3．常用的熔焊方法有_____________、_______________、_______________等。
4．焊接是通过____________或___________或两者并用，用或不用______________，使焊件达到结合的一种加工工艺方法。
5．压焊是在焊接过程中，必须对焊件施加___________，以完成焊接的方法。
二、判断题（正确的划“√”，错的划“×”）1．焊接是一种可拆卸的连接方式。
﹙﹚2．熔焊是一种既加热又加压的焊接方法。
﹙﹚3．钎焊是将焊件和钎料加热到一定温度，使它们完全熔化，从而达到原子结合的一种连接方法。
﹙﹚4．钎焊虽然在宏观上也能形成不可拆卸的接头，但在微观上与压焊和熔焊是有本质区别的。
﹙﹚5．焊接接头由焊缝和因焊接热传递的影响而产生组织和性能变化的焊接热影响区构成。
﹙﹚6．焊接是通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种方法。
﹙﹚答案一、填空题1．螺纹连接键连接铆接焊接螺纹连接键连接铆接焊接2．熔焊钎焊压焊3．气焊焊条电弧焊 CO气体保护焊24．加热加压填充材料5．压力二、判断题1．×2．×3×4．√5．√第一章焊接热源及其热作用一、填空题1．常用焊接热源有_____________热、_____________热、_____________热、_____________和_____________等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
q( r ) q m e
Kr 2
(1-3)
式中，q( r) 为A点的热流密度[J ／(cm2﹒s)]；qm 为加热斑点中心的最
大热流密度[J／(cm2﹒s)] ； K为能量
集中系数(cm-2)；r为A点距加热斑 点中心的距离(cm)。
图 1-2 电弧作用下的加热斑点
由式(1—3)可知，只要知道qm和K值就可以求出任意点的
等离子弧 电子束 激光束
108
109 1011
10
12
2 10 3473 5 6000 10 1.5 105 8000 5 2 10 6400 105 2300 105 ~ 106 6 1.5 10 18000 ~ 24000 8 10 10 ~ 10 108 ~ 1010
1.1.2 焊接热效率
___ （在 0~1500 °C） （0.63~ 37.8)× 10-3
___
___
焊件形态及接头形式
焊件的几何形态、尺寸大小及所处的状 （如环境温度、预热条件等）对焊接传热过
程有很大影响，必然会影响焊接温度场。而
接头形式的不同，造成传热条件的差异，同
样会影响温度的分布，即对温度场造成影响。
② 焊接温度场的解析求解 基本假设和简化 假设被焊金属是均质、且各向同性的；材料的热物理量 均为常数，与温度无关；不考虑焊接熔化与凝固过程， 即认为被焊工件始终为固态，并且不考虑固态相变的 作用。 作用于半无限大体的瞬时点热源 这种情况下，假设热量为Q的热源瞬时作用于厚大焊件 的某点上，则距热源为R的任何一点，经t 时间后，该点 的温度增量T－T0的数学表达式为
LOGO
焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作：徐世伟 指导教师：刘耀东
第一章
熔化焊热源及接头形成
1.1
熔化焊热源及温度场
1.2
焊接热循环
1.3
熔化焊接头的形成
§ 1.1
焊接热源及温度场
1.1.1 焊接热源的种类及其特征 根据焊接生产的基本要求，不同焊接方法能 够满足焊接条件的焊接热源有以下几种： （1）熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电
（1）电弧热效率：如果电弧是无感的，此时电能全部转化 为热能，则电弧的功率为 q=UI (1-1) 式中，q为电弧功率，即电弧在单位时间内所放出的能 量(W)；U为电弧的电压(V)；I为焊接电流(A)。若能量 不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效热功率为 qe=ηUI (1-2) 式中η为加热过程中的功率有效系数或称热效率。在一
定条件下η是常数，主要取决于焊接方法、焊接规范、焊
接材料和保护方式等。
焊件所吸收的热量可分为两部分：一部分用于熔化金 属而形成焊缝；另一部分使母材近缝区的温度升高以致发 生组织变化从而形成组织和性能都有别于母材的热影响区 。实际上，用于熔化金属形成焊缝的热量才是真正的热效 率。若从保证焊接质量的角度看，形成热影响区的热量越 小越好。电弧焊的热量分配如图1-1所示。
4).焊接温度场的计算
① 影响焊接温度场的因素
焊接热源种类及热源能量密度 对于同种材料的焊件，如果施焊时采用的焊接热源不同， 则温度场会有明显差异；同一焊接方法施焊同种材料时， 采用不同的焊接工艺参数，其热输入量也不同，温度场的 形状和大小也不同。
被焊材料的热物理性质
不同金属材料的热物理性质有很大差异，在同样热输入 条件下，温度场会有明显不同。表1.12是焊接工程中常 用金属材料的热物理参量。
（3）在相变温度以上的停留时间tH：即高温停留时
间。在相变温度以上停留时间越长，越有利于奥氏体的
均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长 大。加热温度越高，晶粒长大所需的时间越短。这会引 起接头脆化现象，从而降低接头的质量。 高温停留时间tH由加热过程持续时间t'和冷却过程 持续时间t''两部分组成，即t=t'+t''。对于一般的焊接 热循环有t’=t''。
影响区组织。
焊接热循环与焊接温度的区别： 焊接温度常反映某瞬时焊接接头中各点的温度分布状态， 而焊接热循环是反映焊接接头中某点温度随时间的变化规 律，也描述了焊接过程中热源对焊件金属的作用。
图1-4
低合金钢堆焊缝邻近各点的焊接热循环曲线
二、焊接热循环的特征参数
（1）加热速度
H
：焊接热源的集中程度较高，引
热流密度。高斯曲线下所覆盖的全部热能为
Kr 2r 故 q e F q ( r ) dF （1-4） q e 2 rdr q m m 0 K
qm
K
qe
(1-5)
式中，qe为电弧的有效功率，qe=ηUI。K值说明热流 集中的程度，主要取决于焊接方法、焊接工艺参数和被焊金属 材料的热物理性能等。不同焊接方法的能量集中系数K值见表 1.3。从今后的发展趋势来看，应采用K值较大的焊接方法， 如电子束和激光焊接等。
起焊接时的加热速度增加。对于钢铁材料而言，加热速度
快，意味着发生奥氏体转变的温度提高，奥氏体的均质化 和碳化物的溶解过程就越不充分，因此必然会影响到其后
冷却过程组织和性能。
（2）加热最高温度Tm：即峰值温度。它对焊后母材 热影响区组织和性能有很大影响。接头上熔合线附近，由 于温度高，引起晶粒严重长大，导致韧性降低。对于低碳 钢和低合金钢，熔合线附近的最高温度可达 1300~1350°C。
图1-3 温度场中的等温线和温度梯度
2)等温线（或等温面）和温度梯度 焊件上瞬时温度相同的点连成的线或面称为等温线或 等温面。各个等温线或等温面之间不能相交。 每条线或面度差，其大小可用温度梯度表示。温度梯
度是矢量，其正值为温度增加，负值为温度减小。温
度梯度反映了温度场中任意点温度沿法线方向的增加 率。
由图1-2可以看出，加热 斑点区的热能分布是不均
匀的，中心多而边缘少。
在电流密度不变的条件下， 电弧电压越高，则中心与 边缘的热能相差越小。若 电压不变时，电流密度越
大，则中心与边缘的热能
相差也越大。
图 1-2 电弧作用下的加热斑点
单位时间通过单位面积传递给焊 件的热能称为热流密度q( r )。研究结 果表明，加热斑点上的热流密度分布， 可近似地用高斯分布来描述。距斑点 中心O为r的任意点A的热流密度为
子束、激光束、化学热。
（2）压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、 高频感应热。
表1.11
热源
各种焊接热源的主要特性
最大功率密度 /(kW/cm2)
4
最小加热面积/㎡
6
正常焊接条件下温 度/K
乙炔火焰 金属极电弧 钨极氩弧(TIG) 埋弧焊 电渣焊
10 107
107 107 106
熔化极氩弧焊和 CO2气体保护焊
化而变化，因此，某瞬时焊件上各点温度的分布称为温度
场。温度场以某一时刻在某一空间内所有点的温度值来描 述，在直角坐标系内为
T = ƒ(x , y , z , t）
件上某点的空间坐标；t为时间；
（1-6）
式中，T为焊件上某点某瞬间的温度；z，y，z为焊 温度场的分布可用等温线或等温面来描述(见图1-3)。
3)稳定、非稳定和准稳定温度场
当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之为稳定
温度场； 当焊件上各点的温度随时间变化的温度场，称之为非稳
定温度场。
当恒定功率的热源作用在一定尺寸的焊件上并做匀速直 线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态， 温度场会达到暂时稳定状态，并可以随着热源以同样速 度移动，这样的温度场称为准稳定温度场。
Q x2 T T0 exp( b t ) （1-9） 1/ 2 cA(4at ) 4at
式中， b ( ) P / cA ，P和A分别为杆的横截 c r 面的周长和面积。
Contents
§ 1．2 焊接热循环
一、焊接热循环的概念： 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。 研究焊接热循环的意义：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
响区过宽，晶粒粗大，焊接接头的机械性能下降。
（3）电子束焊热效率 ：电子束焊时因功率密度大，
能量集中，穿透力强，因此焊接时，能量的损失较少，
其热效率可达90%以上。 （4）激光焊接热效率：激光焊的热效率取决于工件对 激光束能量的吸收程度，与焊件表面状态有关。光亮 的金属表面在室温下对激光具有很强的反射作用，其
热扩散 率
a
c
0.07~0. 10
0.05 ~0.0 7
1.00
0.95
热焓
H
J/g
在某一温度1g物 质所含热量
（在 0~1500 °C） 1331.4
___
___
___
表面传 热系数
h
J/ 传热体表面与周 (cm2•s•K) 围介质每相差 1°C时，通过单 位面积在单位时 间内所散失的热 量
3.78
比热容
c
J /(g•K)
一克物质每 0.652~0. 升高1°C时，756 所需热量
0.42~0.5 1.0 0
1.22
续表1.12
容积比 热容 cρ J 单位体积的物质 /(cm3•K) 升高1°C时所需 的热量 cm2/s 传热过程中，温 度传播速度 4.83~4. 56 3.36 ~4.2 2.63 3.99
表1.3 不同焊接方法K值
1.1.4
焊接温度场
一、焊接时的热作用特点
(1)热作用的集中性：焊接热源集中作用在焊件
连接部位。这样，焊件上存在较大的温度梯度，形成 不均匀的温度场，易引起不均匀分布的应力或应变场， 以及不均匀的组织和性能变化等问题。