熔化焊连接原理

1.1 熔化焊热过程及接头形成
(2)熔滴过渡
熔滴----焊条端部熔化形成滴状液态金属
药皮焊条焊接时,三种形式
碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡； 酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。 1）熔滴的比表面积S：
S=Ag/ρVg=4πR2/(4/3πR3ρ)=3/Rρ • I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。 • 熔滴的比表面积是相当大的，S=1000—
一.熔化焊的热源种类及其特性
1、热源的发展 • 上个世纪80年代 发现碳弧焊； • 1891年 金属极电弧焊； • 本世纪初 薄皮焊条电弧焊和氧乙炔气焊； • 30年代，厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氦气保护焊； • 40年代，埋弧焊和电阻焊； • 50年代，CO2气体保护焊和电渣焊； • 60年代，电子束焊和等离子弧焊与切割； • 70年代，激光焊焊接与切割； • 80年代，逐步完善电子束焊接和激光焊接工程； • 90年代，寻找新能源，如太阳能、微波等。
飞溅
用于熔化金属 形成焊缝
使母材近缝区 温度升高， 形成热影响区
1.1 熔化焊热过程及接头形成
三.熔化焊温度场
热能作用的集中性、瞬时性 不均匀 有限
传热学中，热能传递的3种方式：传导、对流、辐射
对流、 辐射
热传导
热源--------工件---------工件内部
某瞬时焊件上各点温度的分布——？
等温面（等温线）—— “瞬时同温” ,表示温度场的分布
最高加热温度: 间接判断焊件产生内应力的情况和塑性变形区的范围. 在相变温度以上的停留时间:
晶粒长大,加热温度越高,长大的时间越短,接头粗晶脆化
冷却速度（某温度范围内的冷却时间）:
决定热影响区组织和性能的最重要参数 t8/5 t8/3 t100——Tm~100的冷却时间 加热快,温度高,冷却快,相变温度以上停留时间不易控制
4.焊接热循环的影响因素 1)材质 2)接头形状尺寸 3)焊道长度 4)预热温度 5)线能量
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1.1 熔化焊热过程及接头形成
五.熔化焊接头的形成 1.焊接材料熔化与熔池形成 (1)焊接材料熔化 焊条,焊丝----熔滴 焊条金属的平均熔化速度gM与焊接电流成正比 损失系数Ψ ~飞溅 氧化 蒸发 焊条金属的平均熔敷速度gH ~进入熔池 gH=(1- Ψ) gM
10000Cm2/kg
熔滴过渡 短路过渡 颗粒过渡 附壁过渡
1.1 熔化焊热过程及接头形成
2）熔滴的平均作用时间 指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯的平均熔化速度之比。 • τcp=(m0/mtr+1/2) τ • 其中：τcp=0.01—1.0s 3）熔滴的温度 • 手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度不超过
四.焊接热循环 ——定点 焊件某点的温度随时间的变化过程
决定焊接热循环特征的基本参数
焊接接头某点温度随时间变化的规律, 描述了热源对焊件金属的作用
基本参数
瞬时焊接接头各点的温度分布状态--？
加热速度
最高加 热温度
在相变温 度以上的 冷却速度 停留时间
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加热速度: 若过快,相变过程不充分
稳定温度场，非稳定温度场，准稳定温度场
1.1 熔化焊热过程及接头形成
准稳定温度场
当恒定功率的热源,一定尺寸的焊件,匀速直线运动,经过一段时间,焊件传热 达到饱和,温度场暂时稳定,随着热源同样速度移动
温度场分类： 三维，二维，一维 厚大焊件表面堆焊，一次焊透薄板，细棒电阻焊
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5）激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高 度集中的激光束作为热源。
6）电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热 7）摩擦热：由机械摩擦而产生的热能 8）高频感应热：对于有磁性的金属 材料可利用高频感应所产生的二次电流作 为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。如高频焊管等。
理想的焊接热源；加热面积小、功率密度高、加热温度高
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1）电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能
2）化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能
3）等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量 的热能和动能，利用这种能量进行焊接。 4）电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使 这种动能转化为热能。
1.1 熔化焊热过程及接头形成
熔化焊是最基本的焊接方法。 根据焊接能源的不同，熔化焊可分为电弧焊、气焊、电渣 焊、电子束焊、激光焊和等离子焊等。
获得良好接头的条件: 合适的热源,良好的熔池保护,焊缝填充金属
焊接热过程,焊接化学冶金,焊接物理冶金
1.1 熔化焊热过程及接头形成
1.1 熔化焊热过程及接头形成
影响的板厚
临界板厚δcr的计算
δ/δcr>0.75 厚板 三维传热
δ/δcr<0.75 薄板 二维传热
1.1 熔化焊热过程及接头形成
3.多层焊接热循环
厚板连接 预热 后热
长段多层焊
每道焊缝的长度较长，第一层基本冷至较低的温度。 短段多层焊
每道焊缝长度较短，未等前层焊缝冷却到较低温度就开始焊接下道焊缝。
1900K • 熔滴的比表面积越大,与周围介质作用时间越长 ,熔滴温度
越高,越有利于加强冶金反应
1.1 熔化焊热过程及接头形成
(3)熔渣过渡 药皮溶化后的熔渣向熔池过渡形式: • 薄膜形式,包在熔滴外面或夹在熔滴内 • 直接从焊条端部流入熔池或滴状落入 • 不超过1900K
1.1 熔化焊热过程及接头形成 (4)熔池的形成
焊接热影响区
1.1 熔化焊热过程及接头形成
2.焊接热循环参数的数值模拟(自学)
最高温度Tm的计算 厚板,点热源 薄板,线热源
瞬时冷却速度ωc的计算,计算焊缝的冷却速度
相变温度以上停留时间的tH计算薄板比厚板易过热
冷却时间tB的计算用t8/5代替
临界板厚δcr的计算线能量E一定时,对ωc和t8/5不发生
1.1 熔化焊热过程及接头形成
二.熔化焊的热效率
热源
• 电弧的功率：P=UI
产生的热量
焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率为
Pe=ηUI
（手工电弧焊时η为0.77~0.87;
电子束焊,等离子弧焊和激光焊热效率 0.9以上)
向周围介质 工件吸收 辐射
• 反映焊件吸收的热量大小，不反映热 量在焊缝和热影响区的分配