焊接冶金学——基本原理

–描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数
① 加热速度 wH
② 加热的最高温度 TM
tH TM
③ 在相变温度以上的停留时间 tH
vC
④ 冷却速度或冷却时间
vC
t8/ 5
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 实现金属焊接所需的能量
–热能 –机械能 熔焊
➢ 焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； –快速实现焊接过程； –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
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1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 焊接热源的种类
-电弧热 • 气体介质中的电弧放电
– 化学热 • 可燃气体
– 电阻热 • 电阻焊、电渣焊
– 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
t 加热过程的停留时间 t 冷却过程的停留时间
➢ 线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接
➢ 面热源（一维）plane heat source
–细棒磨擦焊
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1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 热源在焊件上的分布
➢ 热流密度的分布
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1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 焊接热效率
–电弧功率
–电弧有效热功率
–热效率
q
q0
焊接方法
焊条电弧焊 埋弧焊 电渣焊
电子束及激光束 TIG焊 钢
MIG焊 铝
η
0.77～0.87 0.77～0.90
0.83 >0.9 0.68～0.85 0.66～0.69 0.70～0.85
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
影响因素
q/v保持为常数时 同比例改变q和v
•等温线拉长 •温度场范围拉长
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
影响因素
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环
–在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随 时间由低而高，达到最大值后又由高而低的变化
化问题。
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1.1 焊接过程分析
➢ 焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→
加热过程
结晶→固态相变→接头（冷却而形成）
➢ 焊接热过程的特点
1. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 2. 瞬时性——1800K/s 3. 热源是运动的 4. 焊接传热过程的复合性
冷却过程
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1.2 焊接热源 welding heat source
Unit1 焊接传热学基础 Heat Transfer
2020年7月21日
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传热学
➢ 传热学是研究热量传递规律的一门科学。
➢ 热传递：热传导、对流和热辐射
➢ 许多学科都涉及到传热学的问题！
➢ 焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力 变形等均有重要影响！
➢ 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 ➢ 焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变
➢ 焊接热循环的主要参数 ① 加热速度
– 加热速度受许多因素影响： • 不同的焊接方法 • 不同的被焊金属 • 不同厚度 • 不同焊接热输入等
– 加热速度方面的研究还不够充分 – 特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数 ② 加热的最高温度
–热源的性质
–一维温度场 –二维温度场 –三维温度场
–焊接工艺参数 –被焊金属的热物理性质 –焊件的板厚及形状
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v
增加
影响因素
热源功率q保持为常数时 随焊接速度v的增加
•等温线的范围变小 •温度场的宽度和长度均变小 •宽度显著变小
➢ 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
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…
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 等温线
焊缝
–等温线不可能相交 –等温线、等温面之间有温差
所以，等温线的形状变得细长
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源功率q 增加
影响因素
热源移动速度v保持为常数时 随热源功率q的增加
•等温线在焊缝横向变窄 •等温线在焊缝方向伸长
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
热源移动速度v 热源功率q增加
➢ 狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布
y’
y
vt
பைடு நூலகம்
T ft (x, y, z)
O’
O
x
z’
z
➢ 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热
源周围的温度分布即“焊接温度场”
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热
– 高频感应热 • 磁性的金属高频感应产生二次 电流作为热源
– 摩擦热 • 机械高速摩擦
– 电子束 高速运动的电子轰击
– 等离子焰 • 电弧或高频放电—离子流
– 激光束 • 激光聚焦
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1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分
布 c. xoy面上的等温线 d. yoz面上沿y轴的温度分
布 e. yoz面上的等温线 f. 板厚25mm低碳钢焊件
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 典型焊接温度场
–稳定温度场 –不稳定温度场——常态
➢ 焊接温度场的影响因素
• 大小：温度梯度 • 方向：垂直于等温面
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 随着热源的移动，熔 池沿焊接方向作同步 移动
➢ 熔池前部
–母材不断地熔化
➢ 熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 度逐渐降低
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature