焊接热过程

2. 根据焊件尺寸和热源的性质
一维温度场（线性传热）：焊条或焊丝的加热（面热源，径
向无温差，如同一个均温的小平面在传热）
二维温度场（平面传热）：一次焊透的薄板，板厚方向无 温差（线热源，把热源看成沿板厚的一条线） 三维温度场（空间传热）：厚大焊件表面堆焊（点热源）
五、焊接温度场影响因素
1.热源性质 一般电弧焊，25mm以上的钢板（点状热源）； 100mm以上厚板电渣焊（线状热源） 电子束和激光：温度场范围很小； 气焊：热原作用面积大，温度场范围也大 2.焊接参数 焊接线能量：热原功率与焊接速度之比。 q一定 v增大 等温线的范围变小，热源集中程度增大 v一定 q增大 温度场的范围增大 grad T ↓ q/v一定 v 较大时 grad T ↓
（3）电子束和激光焊接的热效率 他们的特点是能量高度集中，在进行焊接 时能量损失较少，热效率可达90%以上
3、焊接温度场
一、 焊接传热的基本方式
自然界中，热量的传递主要有三种基本方式：即 热传导、对流和辐射。 焊接过程中，热源能量的传递也不外以上三种 方式，对于电弧焊来讲，热量从热源传递到焊件主 要是通过热辐射（温度越高，辐射能力越强）和热 对流方式，而母材和焊丝内部，则以热传导方式。
0.70~ 0.85
（1）电弧焊热效率 电弧输出的功率用q表示为： q=UI 若能量不全部用于加热焊件，则加热焊 件获得的有效功率为 q=ηUI η：有效功率系数 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。
（2）电渣焊热效率
电渣焊时，由于熔池处于厚大件的中间， 热能主要损失于强制焊缝的冷却滑块，热 效率可达80%以上。电渣焊易使热影响区 过宽，晶粒粗大，焊接接头的性能下降。
* qc c (T T0 ) 其中：T—固体表面温度； T0—气体或液体温度。
辐射传热定律 加热体的辐射传热是一种空间的电磁波辐射过程，可 以穿过透明体，被不透光的物体吸收后又转变成热能， 因此，任何物体间均处于相互热交换状态。 根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：受热物体单位时间内单 位面积上的辐射热量，即其热流密度q*r与其表面温度 为4次方成正比: * 4
二、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， 辐射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： T * q n
化学热
气焊时，乙炔C2H2在纯氧O2中部分燃烧，在 环绕焰心的还原区形成一氧化碳CO和氢H2， 然后在外焰区与空中的氧作用，完全燃烧 形成二氧化碳CO2和水H2O蒸气，焰流以高速 冲击焊接区表面，通过对流和辐射加热工 件。
电阻热
利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。
摩擦焊时，相对旋转的表面被摩擦加热，去除氧 化层，最后在略低于焊件熔点的温度下，轴向加压 而连接起来。 搅拌摩擦焊：是利用摩擦热和变形热来提高工件 的温度和塑性变形能力，并在压力下形成接头。
各种焊接热源的主要特性
热源 最小加热面 积（cm2） 10-2 10-3 10-3 10-3 10-3 10-4 10-5 10-7 10-8 最大功率密 正常焊接规范下 度（W/cm2） 的温度（K） 3400~3500 2×103 104 6000 8000 1.5×104 6400 2×104 104 2300 104 ~ 105 1.5×105 107 ~ 109 107 ~ 109 18000~24000 — —
线能量：E=q/v 随焊接速度v的增加,等温线的范围变小（a） 随热源功率q的增加,温度场范围随之增大（b） 等比例改变q和v时,等温线有所拉长（c）
3.母材的热物理性质
1、热导率 2、比热容 3、焓
4、表面传热系数
4.工件的形态
板厚：其他因素不变，随板厚的减小，焊件表面 的高温区域增高。
4、焊接热循环
q hUI
式中：q 为电弧的有效功率[J/S] U 为电弧电压[V] I 为焊接电流[A] h 为功率有效系数
不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊
电子束及 激光焊
电渣焊 钨极氩 弧焊
熔化极氩弧焊
钢
铝
h
0.77~ 0.77~ 0.87 0.90
>0.9
0.83
0.68~ 0.85
0.66~ 0.69
在相变温度以上停留时间(tH) 在相变温度以上停留的时间越长，就会有利于奥氏体的均 匀化过程。如果温度很高时（如1100 ℃以上），即使时间不长， 对某些金属来说，也会造成严重的晶粒长大。 为了研究问题方 便，一般将tH分成两部分。即 t’—加热过程停留时间： t”—冷却过程停留时间：
冷却速度（WC）和冷却时间（t8/5或t100） 冷却速度是决定热影响区组织和性能的最重要参数之一，是 研究热过程的重要内容。通常我们说冷却速度，可以是指一定 温度范围内的平均冷却速度（或冷却时间）也可以是指某一瞬 时的冷却速度。对于低碳钢和低合复钢来说，我们比较关心的 熔合线附近在冷却过程中经过540℃时的瞬时速度，或者是从 800℃降温到500℃的冷却时间 t8/5,因为这个温度范围是相变最 激烈的温度范围。
qr C0 T
其中:C0=5.6710-14[J/mm2sK4],适用于绝对黑体; ＜1为黑度系数(吸收率)。 对于抛光后的金属表面， =0.2—0.4,对于粗糙、被氧 化的钢材表面， =0.6—0.9,黑度系数随温度的增加 而增加，在熔化温度的范围内， =0.90—0.95。
激光束
等ຫໍສະໝຸດ Baidu子焰
电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流，它本身携带 大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源（等离子 焊接、切割和喷涂）
二、焊接热源的主要特征
功率密度是指热源和工件之间有效接触 的每单位面积上传送的功率，一般以每平方 米或每平方厘米的瓦数表示 通常从以下三个方面对焊接热源进行对比： （１）最小的加热面积 （２）最大功率密度 （３）在正常的焊接工艺参数条件下能达 到的温度
其中： --热导率[J/mmsK] T/n—温度梯度[K/mm]
对流传热定律 在气体和流体中热的传播主要借助于物质微粒的运 动，如果这种运动仅仅由于温度差引起的密度差 而造成的，则产生自然对流，如果依靠外力来维 持这种运动，则产行强迫对流（如电弧和火焰的 吹力效应）。 由牛顿定律，某一与流动的气体或液体接触的固 体的表面微元，其热流密度q*c与对流换热系数 c[J/mmsK]和固体表面温度与气体或液体的温 度之差（T-T0）成正比:
摩擦热
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作为焊接热源。 热能高度集中，焊缝深宽比可达40以上，HAZ（Heat Affected Zone）很窄。 HAZ：熔焊时在集中热源的 作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
电子束
Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激辐射光放大）：经过聚焦产生能量高度集中 的激光束作为焊接热源
乙炔火焰 金属极电弧 钨极电弧(TIG) 埋弧自动焊 电渣焊
熔化极氩弧焊 CO2气体保护焊 等离子弧 电子束 激光
三、 焊接过程的热效率
在焊接过程中所产生的热量并非全部用于加热工件，而 是有一部分热量损失于周围介质和飞溅中。焊件和母材所吸 收的热量称为热源的有效功率。 焊接加热过程中的热效率（或称功率有效系数）h＜1
和发展，它直接影响这焊接的质量和生产率。
2、焊接冶金过程
高温下熔化金属、熔渣、气相之间进行着一 系列的化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱 硫、脱磷渗合金以及与氢的作用等，这些反应直 接影响焊缝金属的成分、组织和性能。
控制冶金过程是提高焊缝质量的重要措施之一。
3、焊接时金属的结晶和相变过程
在焊接条件下，热源离开后被熔化的金属便快 速凝固冷却，并发生结晶和相变过程，最后形成 焊缝。在这一过程中有可能在焊缝金属中产生偏 析、夹杂、气孔、热裂纹、淬硬、脆化、冷裂纹 等缺陷。 控制和调整焊缝金属的结晶和相变过程是保证 焊接质量的又一关键。
4.2 焊接热循环的特征
1）加热最高温度（即峰值温度）随着离焊缝中心线
距离的增大而迅速下降； 2）达到峰值温度所需的时间随着离焊缝中心线距离 的增大而增加； 3）加热速度和冷却速度都随着离焊缝中心线距离的 增大而下降，即曲线从陡峭变为平缓。
4.3焊接热循环主要参数
加热速度（H）
加热最高温度(Tmax )
三、 焊接温度场的概念及表征
1）焊接温度场的概念
焊接过程中，工件上的各点温度都是在随时间而有规律的变
化。焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布，称为焊接温度场
T=f（x，y，z，t）
T—工件上某点某瞬时的温度； x，y，z——工件上某点的空间坐标
t—时间 2）焊接温度场的表征 焊接温度场可用等温线或等温面的分布来表征。等温线或
等温面：把焊件上瞬时温度相同的点连接在一起，成为一 条线或一个面。
移动热源焊接过程中，焊件上各点温度随时 间及空间而变化（不稳定温度场），但经过一段 时间后，达到准稳定状态（移动热源周围的温度 场不随时间改变）。 焊件传热方式以传导为主。
若建立与热源移动速度相 同并取热源作用点为坐标原点 的动坐标系，则动坐标系中各
4）焊接热过程对焊接生产率发生影响。
2、焊接热源
一、焊接热源的类型
利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产 生的热能为焊接热源。电弧热是目前应用最广泛的
焊接热源，如手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气保焊。
电弧热
气焊：利用助燃（氧 气）和可燃气体（乙 炔）或铝、镁热剂进 行化学反应时所产生 的热能作为焊接热源。
第一单元 焊接热过程
焊接热过程
.
1. 焊接热过程及其特点 2. 焊接热源 3. 焊接温度场 4. 焊接热循环
1、焊接热过程及其特点
一、焊接的一般过程 1、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。 一切焊接物理化学过程都在这种过程中发生
点的温度不随时间而变。
四、 焊接温度场的类型
1.根据温度随时间变化
稳定温度场：焊接温度场各点的温度不随时间而变； 非稳定温度场：绝大多数情况下，焊件上各点温度随时 间而变； 准稳定温度场：暂时稳定的温度场。如采用移动坐标系， 坐标原点与热源中心重合，则焊件上各点的温度只取决于这 个系统的空间坐标，而与热源的移动距离和速度无关。据此 移动坐标，不同焊接情况下的温度场数学模型
在相变温度以上停留时间(tH) 冷却速度(或冷却时间)(c)
上图给出了几个焊接热循环的主要参数
加热速度（H） 焊接加热速度要比热处理时的加热速度快得多，这种快速 加热使体系处于非平衡状态，因而在其冷却过程中必然影响热 影响区的组织和性能；如：H(加热速度)—TP(相变温度)， 会导致奥氏体化程度 和碳化物溶解程度。 加热最高温度(Tmax ) Tmax指工件上某一点在焊接过程中所经历的最高温度，即 该点热循环曲线上的峰值温度。考察位置不同最高温度不同 冷却速度不同焊接组织不同性能不同。例如：熔合线附近 （对一般低碳钢和低合金钢来说，其Tm可达1300—1350℃）， 由于温度高，其母材晶粒发生严重长大，导致塑性降低。
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 。
4.1 焊接热循环的概念
在焊接过程中，工件的温度 随着瞬时热源或移动热源的作用 而发生变化，温度随时间由低而 高，达到最大值后，又由高而低 的变化被称为焊接热循环。简单 地说，焊接热源循环就是焊件上 温度随时间的变化，它描述了焊 接过程中热源对母材金属的热作 用。
低合金钢堆焊焊缝附近各点的焊接热循环