实验八 焊接热循环曲线测定

图8-1 低合金钢堆焊焊缝邻近各点的焊接热循环 （注：t －电弧通过热电偶正上方时算起的时间）

实验八 焊接热循环曲线测定

一、实验目的

1、了解焊接热循环过程对焊接接头质量的影响；

2、熟悉焊接热循环测试相关仪器和设备的使用，学会用热电偶测定焊接热循环曲线的方法；

3、掌握典型焊接热循环曲线的特征及其主要表征参数。 二、实验原理

焊接热循环是指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，可以用T(x,y,z)=f(t)这一函数关系来描述。按此关系所画出的曲线称为该点的热循环曲线。

在焊接过程中，热源热量所及的焊件上任一点的温度，都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。在距离焊缝不同位置的各点所经历的这种热循环是不同的（见图8-1），离焊缝越近的点，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度越大，并且加热速度比冷却速度要大得多。焊接热循环曲线包含了焊接接头温度变化和冷却相变等重要信息，这些信息对于了解焊接冷却相变过程、接头组织、应力变形等具有重要意义。同时，焊接热循环参数是分析HAZ 组织与性能的重要数据，也是制定、评定和优化焊接工艺的重要依据。因此，测定焊接热循环曲线具有重要的理论意义和实用价值。

目前，焊接热循环曲线可以利用软件通过数值仿真计算的方法获得，但由于计算时所采用的假定条件与实际焊接条件出入较大，计算所得的理论热循环曲线对比实际测得的曲线仍有很大误差，故实际上多用实测的方法来获得热循环曲线。

测定焊接热循环的方法，大体上可分为接触式和非接触式。非接触式测定方法是利用红外测温及热成像技术，其测温原理是从熔池背面摄取温度场的热像（红外辐射能量分布图），然后把热像分解成许多像素，通过电子束扫描实现转换，在显像管屏幕上获得灰度等级不同的点构成的图像，该图像间接反映了焊接区的温度变化，经过图像处理和换算，便可得出某一瞬间或动态过程的真实温度场。接触式的测温原理是利用热电偶两端由于温度差而产生热

电势进行测量的。测温时把热电偶的热结点焊在被测点上，热电偶的另一端接在AD 转换器，进行数字采集和处理，通过数据存储或DA 转换将热循环曲线直接输出在计算机屏幕上或通过计算机打印输出。本实验也是利用热电偶测温方法来获得热循环曲线。 三、实验设备及材料

1、手工焊条电弧焊机／TIG 焊机。

2、数据采集及处理系统。

3、电容式储能焊机。

4、铂铑-铂热电偶丝／镍铬－镍硅热电偶丝。

5、300mm×200mm×20mm 低碳钢板。

6、直径4mm 的E4303焊条。

7、钻床、钻头、平头铰刀、深度尺等。 四、实验内容及步骤

本实验的主要内容是利用热电偶测温法测量工件上离熔合线不同距离的三点的热循环

曲线，具体测试方法见图8-2。 1、焊接并固定热电偶

在低碳钢板待焊焊道中心的背面钻三个直径Ф5.0mm 的测温孔。孔底锥角要大于120º，可用平头铰刀将孔底铰成平端面，孔深分别为15.0mm 、16.0mm 和17.0mm ，用深度尺实测其深度，并记录在表8-1中。

分别把每对铂铑-铂热电偶丝的端头用电容储能式焊机焊合，形成热结点。将三对热电偶的热结点分别焊到三个测温孔底部，要仔细检查焊接点的质量，务必保证焊牢。热电偶的正负极之间要隔开，以防止短路影响测量。储能焊机使用：

第1步：充电：打开“电源”开关，拨动“充电/焊接”开关至充电位置，旋转“电压调节”旋钮，使电压充电到90V 。

第2步：用黑线焊钳夹两给细丝，红线焊钳夹铜箔，两根细丝端头要齐平。

第3步：焊接：拨动“充电/焊接”开关至焊接位置，然后将细丝撞击铜箔，热结点即可形成。

将热电偶的热结点焊到测温孔底部：重复上述第1步操作过程。用黑线焊钳夹热电偶丝，红线焊钳钢板。 焊接：拨动“充电/焊接”开关至焊接位置，然后将细丝撞击测温孔底部。 2、连接数据采集系统（计算机或单片机）

把三只热电偶的另一端分别接在AD 转换器的输入端。注意，铂铑丝接正极，铂丝接负极；镍铬丝接正极，镍硅丝接负极。 3、进行焊接操作并采集数据

施焊时，当焊接电弧经过被测点上方时，就可得到离熔合线不同距离的A 、B 、C 三点的“热循环”曲线。记录施焊的焊接方法和规范参数，建议采用手工焊条电弧焊和TIG

焊

图8-2 焊接热循环曲线测定方法

两种方法，手工电弧焊焊接电流采用180A，TIG焊的焊接电流分别采用100A，焊接速度为：100mm/分，焊接电压为：25V 。

注意操作顺序：

（1）、施焊前，打开电脑，点击桌面“测温系统”，进入测温界面，点击“开始”，出现下拉菜单，输入文件名，如“材控-1”，点击保存，电脑自动绘图。

（2）、焊接。

（3）、点击“停止”，绘图结束。

（4）、将当前页面转换为图片，拷贝优盘。

（5）、关机。

表8-1 热循环曲线测定实验参数和结果

试

板编号测温

孔号

测温

孔深

/mm

最高

加热

温度

Tm/º

C

加热至

Tm所

需时间

/s

900°C

以上停

留时间

/s

800～

500℃

t8/5/s

550℃

瞬时冷

却速度

ωc,550°

C

/ºC·s-1

焊接

电流

/A

焊接

电压

/V

焊接

速度

/mm·s-

1

1 A B C

2 A B C

五、实验结果处理与分析

根据计算机自动绘制的热循环数据，将A、B、C三点热循环曲线的分析结果分别填入表8-1中。

六、问题与讨论

1、试分析焊接电流和焊接线能量对焊接热循环曲线有何影响？

2、焊接规范的其它参数，焊接电压、焊接速度和预热温度等对焊接热循环曲线有何影响？

3、如何根据热循环实验得到的主要参数与热影响区组织性能之间有何关系？