焊接成形热过程
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第二章 焊接成形热过程
焊接接头
焊接热过程 + 焊接化学冶金
+ 焊接物理冶金
焊接热过程
焊接加热的特点：热作用集中性(局部熔化)、热
作用的瞬时性(热源移动) 温度场、热循环
焊接化学冶金过程
熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学 冶金反应。
焊接物理冶金过程
凝固结晶、固态相变
焊接接头示意图
焊接接头（welded joint）的组成： 母材（base metal） 热影响区（heat affect zone） 熔合线（bond line） 焊缝（weld）
稳定温度场 工件上各点的温度不随时间变化
不稳定温度场 随时间变化
准稳定温度场 恒定热功率作用于焊件，开始是
不稳定的，经过一段时间便饱和
移动稳定温度场 恒功率的电源在工件上做匀速直
线运动，温度场与热源以 同样
的速度移动各点的温度只取决于
§2-2 焊接温度场 （welding temperature field）
• 温度场定义：某一瞬时工
件上各点的温度T分布称 为温度场
T f x, y, z,t
T—工件上某点某一瞬时的 温度
x, y, z—工件上某点的空间 坐标
t—时间
研究温度场的方法
1.
等温线/等温面 特点：各线面不相交，存在
为η= Q/ Q0 影响热效率的因素很多，主要与热源的性质、
热加工工艺方法、被加热材料的种类、性质及 尺寸形状、以及周围介质环境等因素有关.
焊接时的热效率与焊接工艺方法有关，例如电弧焊时的热效率约在 70%左右，电渣焊的热效率约为80%左右，电子束焊的热效率在 90%以上。 以电弧焊为例，电弧焊时，电弧所产生的热能与电弧功率有关.
例如钨极氩弧焊用线能量为840J/cm焊接 1mm钢板时，加热速度为1700 ℃ /s，焊接熔 池的中心温度很高，远远超过了被焊金属材
料的熔点，整个焊接熔池基本上是处于过热
状态，一般电弧焊熔池的平均温度在 1700~1800℃之间，熔滴的温度一般高达 1800~2400 ℃ ，而熔合区的温度仅是被焊金 属的熔点,熔池的温度梯度较大。 3.一般焊接时热源是移动的，也就是热的作 用具有瞬时性，因而焊件上任一点热的作用
下图形象地说明电弧焊时热能的分配。 这里所说的热效率η是指电弧的有效功率占电弧总功率的百分比。 电弧的有效热功率，应该包含两部分：一是被基本金属所吸收， 用于加热熔化母材形成焊缝；二是被焊接材料所吸收，用于加热 熔化焊接材料，填充焊缝。但是被母材吸收的部分热能，除了部 分热量用于熔化母材形成焊缝外，还有相当一部分热量被母材以 热传导的方式而形成热影响区，这是我们所不希望的，然而也是 不可避免的。
• 三维傅里叶热传导微分方程为：
T t
c
2T x 2
2T
y 2
百度文库
2T z 2
a 2T
式中:
a —— 导温系数，
a c
；
2 —— 拉普拉斯运算符号。
• 二维传热：T
t
a
2T x 2
是有限的，因此焊件上的传热过程是一种准 稳态的过程。
• 二.焊接过程热效率:
在材料加热过程中，能源所提供的热量，通常 并不能全部被利用，其中一部分热量将不可避 免地由于对流、辐射、传导以及热加工工艺方 面的因素而损失，不能真正用于加热金属材料， 因而就存在着热效率的问题。
• 材假料设的能热源量提为供Q的,那热么量热为效Q0率，η而的真定正义用加热金属
焊接规范的选择
• 焊接规范的定义：焊接时，
焊接电流I（welding current） 电弧电压U (arc voltange)， 焊接速度VH (welding speed), 进条速度VT的数值的大小 焊接线能量(energy input)是焊接规范的一个综合指标，
它表示单位长度焊缝上投入的有效热量用qL表示
qL=
qu UI
VH
VH
L VH= t [cm/s]
[J/cm]
L—焊缝长度 t—焊接时间
焊接规范的重要性
规范 温度场 成型
焊缝质量
手工电弧焊焊接规范的选择
电弧电压一般为20~25V，由于高温会导致药 皮的脱落，所以温度应控制在400ºC，电流不能 太大，根据经验公式:
I Kd
I—焊接电流 k—系数[一般k=30-60] d—焊丝直径
P0=UI U-电弧电压,(V);I-焊接电流,(A); P0-电弧功率，即电弧在单位时 间内放出的能量(W).
由于在电弧焊时，电弧所产生的热能不可能全部被利用，真正用 于焊接的有效功率为
不同的电弧焊方法，其热效率η值是不同的，如表所示。
• 从表中可以看出，电弧热效率η与电弧焊方法，
电源种类以及被焊金属等因素有关。实际上，对 于同一种电弧焊方法，电源种类、极性、焊接电 流、电弧电压、焊接速度、焊接材料以及周围的 介质环境等诸多因素都会影响电弧的热效率η.
温度差（梯度）
2.
温度梯度
T T1 T2 S
（单位长度上的温度变化）
• 等温面：空间具有相同温度点的组合面。 • 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 • 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线
某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形 上反映为等温面（或等温线）越密集。
温度场的分类
• 熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝
两侧一定范围内发生组织和性能变化 的区域称为“焊接热影响区” 。
焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材
§2-1焊接热过程特点及热效率
一.焊接热过程特点:
1.熔焊使用的热源比较集中，焊接热源的 能量密度比较大，相对加热面积比较小。 2.焊接是一局部的不均匀的集中加热过程。 在焊接处的温度梯度很大。加热的速度很 快。这与热处理时工件缓慢加热的传热过 程有很大的区别.
空间坐标，与时间无关形成相对
稳定的温度场(相当于半个鸡蛋壳
壮的等温面向前移动
• 不稳定温度场：温度场不仅在空间上变
化，并且也随时间变化的温度场：
T f x, y, z, t
• 稳定温度场： 不随时间而变的温度场
（即温度只是坐标的函数）：
T f x, y, z
热传导过程的偏微分方程
焊接接头
焊接热过程 + 焊接化学冶金
+ 焊接物理冶金
焊接热过程
焊接加热的特点：热作用集中性(局部熔化)、热
作用的瞬时性(热源移动) 温度场、热循环
焊接化学冶金过程
熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学 冶金反应。
焊接物理冶金过程
凝固结晶、固态相变
焊接接头示意图
焊接接头（welded joint）的组成： 母材（base metal） 热影响区（heat affect zone） 熔合线（bond line） 焊缝（weld）
稳定温度场 工件上各点的温度不随时间变化
不稳定温度场 随时间变化
准稳定温度场 恒定热功率作用于焊件，开始是
不稳定的，经过一段时间便饱和
移动稳定温度场 恒功率的电源在工件上做匀速直
线运动，温度场与热源以 同样
的速度移动各点的温度只取决于
§2-2 焊接温度场 （welding temperature field）
• 温度场定义：某一瞬时工
件上各点的温度T分布称 为温度场
T f x, y, z,t
T—工件上某点某一瞬时的 温度
x, y, z—工件上某点的空间 坐标
t—时间
研究温度场的方法
1.
等温线/等温面 特点：各线面不相交，存在
为η= Q/ Q0 影响热效率的因素很多，主要与热源的性质、
热加工工艺方法、被加热材料的种类、性质及 尺寸形状、以及周围介质环境等因素有关.
焊接时的热效率与焊接工艺方法有关，例如电弧焊时的热效率约在 70%左右，电渣焊的热效率约为80%左右，电子束焊的热效率在 90%以上。 以电弧焊为例，电弧焊时，电弧所产生的热能与电弧功率有关.
例如钨极氩弧焊用线能量为840J/cm焊接 1mm钢板时，加热速度为1700 ℃ /s，焊接熔 池的中心温度很高，远远超过了被焊金属材
料的熔点，整个焊接熔池基本上是处于过热
状态，一般电弧焊熔池的平均温度在 1700~1800℃之间，熔滴的温度一般高达 1800~2400 ℃ ，而熔合区的温度仅是被焊金 属的熔点,熔池的温度梯度较大。 3.一般焊接时热源是移动的，也就是热的作 用具有瞬时性，因而焊件上任一点热的作用
下图形象地说明电弧焊时热能的分配。 这里所说的热效率η是指电弧的有效功率占电弧总功率的百分比。 电弧的有效热功率，应该包含两部分：一是被基本金属所吸收， 用于加热熔化母材形成焊缝；二是被焊接材料所吸收，用于加热 熔化焊接材料，填充焊缝。但是被母材吸收的部分热能，除了部 分热量用于熔化母材形成焊缝外，还有相当一部分热量被母材以 热传导的方式而形成热影响区，这是我们所不希望的，然而也是 不可避免的。
• 三维傅里叶热传导微分方程为：
T t
c
2T x 2
2T
y 2
百度文库
2T z 2
a 2T
式中:
a —— 导温系数，
a c
；
2 —— 拉普拉斯运算符号。
• 二维传热：T
t
a
2T x 2
是有限的，因此焊件上的传热过程是一种准 稳态的过程。
• 二.焊接过程热效率:
在材料加热过程中，能源所提供的热量，通常 并不能全部被利用，其中一部分热量将不可避 免地由于对流、辐射、传导以及热加工工艺方 面的因素而损失，不能真正用于加热金属材料， 因而就存在着热效率的问题。
• 材假料设的能热源量提为供Q的,那热么量热为效Q0率，η而的真定正义用加热金属
焊接规范的选择
• 焊接规范的定义：焊接时，
焊接电流I（welding current） 电弧电压U (arc voltange)， 焊接速度VH (welding speed), 进条速度VT的数值的大小 焊接线能量(energy input)是焊接规范的一个综合指标，
它表示单位长度焊缝上投入的有效热量用qL表示
qL=
qu UI
VH
VH
L VH= t [cm/s]
[J/cm]
L—焊缝长度 t—焊接时间
焊接规范的重要性
规范 温度场 成型
焊缝质量
手工电弧焊焊接规范的选择
电弧电压一般为20~25V，由于高温会导致药 皮的脱落，所以温度应控制在400ºC，电流不能 太大，根据经验公式:
I Kd
I—焊接电流 k—系数[一般k=30-60] d—焊丝直径
P0=UI U-电弧电压,(V);I-焊接电流,(A); P0-电弧功率，即电弧在单位时 间内放出的能量(W).
由于在电弧焊时，电弧所产生的热能不可能全部被利用，真正用 于焊接的有效功率为
不同的电弧焊方法，其热效率η值是不同的，如表所示。
• 从表中可以看出，电弧热效率η与电弧焊方法，
电源种类以及被焊金属等因素有关。实际上，对 于同一种电弧焊方法，电源种类、极性、焊接电 流、电弧电压、焊接速度、焊接材料以及周围的 介质环境等诸多因素都会影响电弧的热效率η.
温度差（梯度）
2.
温度梯度
T T1 T2 S
（单位长度上的温度变化）
• 等温面：空间具有相同温度点的组合面。 • 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 • 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线
某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形 上反映为等温面（或等温线）越密集。
温度场的分类
• 熔焊时在高温热源作用下，靠近焊缝
两侧一定范围内发生组织和性能变化 的区域称为“焊接热影响区” 。
焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材
§2-1焊接热过程特点及热效率
一.焊接热过程特点:
1.熔焊使用的热源比较集中，焊接热源的 能量密度比较大，相对加热面积比较小。 2.焊接是一局部的不均匀的集中加热过程。 在焊接处的温度梯度很大。加热的速度很 快。这与热处理时工件缓慢加热的传热过 程有很大的区别.
空间坐标，与时间无关形成相对
稳定的温度场(相当于半个鸡蛋壳
壮的等温面向前移动
• 不稳定温度场：温度场不仅在空间上变
化，并且也随时间变化的温度场：
T f x, y, z, t
• 稳定温度场： 不随时间而变的温度场
（即温度只是坐标的函数）：
T f x, y, z
热传导过程的偏微分方程