最新[哈工大精品课件]材料加工理论焊接部分第一章材料的焊接性基础讲学课件

1.2.3 焊接热效率
➢在电弧焊接过程中，电弧功率，即：电弧在单位 时间内放出的热量为：
➢q0=UI (W)，U---电弧电压（V），I---焊接电流(A)
➢电弧有效热功率
➢q=ηq0， η---焊接热效率
焊接热效率
焊接方 焊条
法
电弧焊
埋弧焊
η
077-0.87 0.77-
0.90
电渣焊 电子束 0.83 0.90
➢ 焊接热过程的特点 ✓ 局部性 ✓ 热源的运动性 ✓ 瞬时性 ✓ 传热过程的复合性
第一章 焊接热过程
1.1 焊接热过程的特点
➢ 焊接热过程的作用 ✓热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸 ✓决定了焊接熔池进行冶金反应的程度 ✓影响熔池金属凝固、相变过程 ✓不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态 ✓冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生 各种焊接裂纹和其他缺陷 ✓影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化 ✓决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率
熔化焊过程
焊接热源及焊接方法实例二 搅拌摩擦焊 Friction Stir Welding（FSW）
搅拌头
工件 搅拌肩
焊缝
搅拌针
搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding
Fra Baidu bibliotek
• 焊接过程纵剖面示意
焊接方向
旋转方向
搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding
熔化极气体保护焊--三丝焊
图例为采用电流相位控 制脉冲，电弧在三条焊 丝上轮流燃烧，在保证 电弧挺度的同时，通过 调节各焊丝之间的位置 关系及其焊接方向的夹 角，来改变能量分布， 使焊接过程稳定，从而 减少咬边及驼峰等成形 缺陷。该方法可用于角 焊缝的高速焊接，焊速 可以达到1.8 m/min。
三丝焊接系统
1.2.4 焊件上的热量分布
高斯曲线下面所覆盖的全部热功率为：
qq(r)2r 0
drKqm
qm
Kq，qUI
K值说明热流集中的程度。焊条电弧焊：1.2-1.4； 埋弧焊：6.0；TIG焊：3.0-7.0
9% 5q0rHK eqxp K2 (r)*2rdr q[1ex p KH (2r )] 0.0 5exK pH 2()r， KH 2r3 ， Kr3 H 2
✓ 摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、 搅拌摩擦焊）
✓ 电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金数 局部表面，使动能转换为热能（电子束焊）
✓ 激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集 中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）
焊接热源及焊接方法示例一 双丝焊（熔化极气体保护焊）
1.3.1焊接传热的基本定律
3、辐射换热定律
T 温度梯度。 n
2、对流换热定律 qc热流密 度 热 ； 导率；
– 对流：流体各个部分之间发生相对位移，冷、热 流体相互参混所引起的热量传递方式。
– 对流换热：流体流过物体表面时，对流和热传导 联合起作用的传递过程
qk KT
K对流传热W系 /m2数 K） （。
式中， T流体温度与壁差 面异 温 K（ ） 度； 的
[哈工大精品课件]材料加 工理论焊接部分第一章材
料的焊接性基础
焊接过程
State of the Art
熔化极气体保护焊
保护气体
焊丝
溶池 母材
焊缝
第一章 焊接热过程
1.1 焊接热过程的特点
➢ 焊接热过程：在焊接过程中， 被焊金属由于热的输入和传 播，而经历加热、熔化（或 达到热塑性状态），称之为 焊接热过程。
10-7
107~ 109
10-8
107~ 109
温度 3200℃ 6000K 8000K 6400K 2000℃
18000K ~ 24000K
1.2.3 焊接热效率
电弧焊时的热量 分配
a) 厚皮焊条 （I=150250A, U=35V）
b) 埋弧焊 （I=1000A, U=36V,v=36 mm/h
加热斑点上热流密度的分布 a)热源在焊件上的分布 b)热源密度的分布
1.2.4 焊件上的热量分布
Gaussian 分布
q(r)qmexp K(2r)
q(r)--A点的热流密度（w/m2）; qm—加热斑点中心的最大热流密度（ w/m2 ）; K—热能集中系数(1/ m2); r—A点距加热斑点的距离（m）。
金属极电弧
10-3
钨极氩弧焊（TIG）
10-3
最大功率密度 W.cm-2 2 × 103
104 1.5 × 104
埋弧焊
10-3
电渣焊
10-2
熔化极氩弧焊(MIG)
10-4
2 × 104 104
104~ 105
CO2气体保护焊
10-4
等离子焰
10-5
104~ 105 1.5 × 105
电子束 激光束
1.2.4 焊件上的热量分布
直流TIG焊时的热能集中系数 与焊接电流的关系
直流TIG焊弧长对热能集中系数
1.3 焊接温度场
1.3.1焊接传热的基本定律
1、热传导定律
– 热传导：物体各个部分之间不发生相对位移时，依靠分
子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量
传递。 – 傅利叶定律
qc
T n
1.2 焊接热源及焊接方法
1.2.1 焊接热源的种类 ✓ 电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为 热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等）
✓ 化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧 或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热 剂焊）
✓ 电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为 焊接热源（电阻焊和电渣焊）
激光焊 钨极氩弧 熔化极气体
焊
保护焊
0.90 0.68-0.85 钢：0.660.69
(铝：0.700.85)
1.2.4 焊件上的热量分布
➢ 加热斑点：热源传热给工件 的加热面积
➢ 斑点半径：电弧传给焊件的 热能中，95%落在加热斑点 内，该半径为斑点半径。
➢ 热流密度：单位时间内通过 单位面积提供给焊件的热能。
• 焊接过程顶示图(Plan view of FSW )
搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding
• 焊缝顶视图 焊接 方向
5083 铝合金
搅拌摩擦焊/Fraction Stir Welding
1.2.2焊接热源的特点
热源 乙炔火焰
最小加热面积 cm2 10-2