第一章熔化焊热源及接头形成

LOGO焊接成型原理长春工业大学材料科学与工程学院课件制作：徐世伟指导教师：刘耀东第一章熔化焊热源及接头形成熔化焊热源及温度场焊接热循环熔化焊接头的形成1.11.21.3§1.1焊接热源及温度场1.1.1焊接热源的种类及其特征根据焊接生产的基本要求，不同焊接方法能够满足焊接条件的焊接热源有以下几种：（1）熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电子束、激光束、化学热。（2）压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、高频感应热。表1.11各种焊接热源的主要特性热源最小加热面积/㎡最大功率密度/(kW/cm2)正常焊接条件下温度/K乙炔火焰金属极电弧钨极氩弧(TIG)埋弧焊电渣焊熔化极氩弧焊和CO2气体保护焊等离子弧电子束激光束6107106107107108109101110121041025105105.151026510~105106105.110810~1010810~103473600080006400230024000~180001.1.2焊接热效率（1）电弧热效率：如果电弧是无感的，此时电能全部转化为热能，则电弧的功率为q=UI(1-1)式中，q为电弧功率，即电弧在单位时间内所放出的能量(W)；U为电弧的电压(V)；I为焊接电流(A)。若能量不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效热功率为qe=ηUI(1-2)式中η为加热过程中的功率有效系数或称热效率。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等。焊件所吸收的热量可分为两部分：一部分用于熔化金属而形成焊缝；另一部分使母材近缝区的温度升高以致发生组织变化从而形成组织和性能都有别于母材的热影响区。实际上，用于熔化金属形成焊缝的热量才是真正的热效率。若从保证焊接质量的角度看，形成热影响区的热量越小越好。电弧焊的热量分配如图1-1所示。图1-1电弧焊的热量分配(2)电渣焊的热效率：电渣焊时，由于渣池处于厚大焊件的中间，热能主要损失于强制焊缝成形的冷却滑块，所以热量向外散失较少。实践表明，焊件越厚，滑块带走热量的比例越小，这说明焊件的厚度越大，电渣焊的热效率越高。例如，90mm厚钢板电渣焊时，其热效率可达到80％以上。另外，电渣焊时的速度越慢，在金属熔化的同时，大量的热量向焊缝周围的母材传导，易使焊接热影响区过宽，晶粒粗大，焊接接头的机械性能下降。（3）电子束焊热效率：电子束焊时因功率密度大，能量集中，穿透力强，因此焊接时，能量的损失较少，其热效率可达90%以上。（4）激光焊接热效率：激光焊的热效率取决于工件对激光束能量的吸收程度，与焊件表面状态有关。光亮的金属表面在室温下对激光具有很强的反射作用，其吸收率在20%以下。随着温度的提高，反射率降低，吸收率提高。在金属熔点以上吸收率急剧提高。1.1.3焊件加热区的分布热源的热能传给焊件时所通过的焊件表面上的区域称为加热区或加热斑点。如果讨论的热源是电弧热，其加热区可分为活性斑点区和加热斑点区（见图1-2）。（1）活性斑点区：带电质点（电子和离子）集中轰击直径为dA的斑点面积。该部位的电能转化为热能，电流密度了的变化如图1-2中的虚线所示。（2）加热斑点区：在直径为dH的区域内，金属受热是通过电弧的辐射与周围介质的对流进行的。由图1-2可以看出，加热斑点区的热能分布是不均匀的，中心多而边缘少。在电流密度不变的条件下，电弧电压越高，则中心与边缘的热能相差越小。若电压不变时，电流密度越大，则中心与边缘的热能相差也越大。图1-2电弧作用下的加热斑点单位时间通过单位面积传递给焊件的热能称为热流密度q(r)。研究结果表明，加热斑点上的热流密度分布，可近似地用高斯分布来描述。距斑点中心O为r的任意点A的热流密度为(1-3)式中，q(r)为A点的热流密度[J／(cm2﹒s)]；qm为加热斑点中心的最大热流密度[J／(cm2﹒s)]；K为能量集中系数(cm-2)；r为A点距加热斑点中心的距离(cm)。图1-2电弧作用下的加热斑点2)(Krmreqq由式(1—3)可知，只要知道qm和K值就可以求出任意点的热流密度。高斯曲线下所覆盖的全部热能为故（1-4）(1-5)式中，qe为电弧的有效功率，qe=ηUI。K值说明热流集中的程度，主要取决于焊接方法、焊接工艺参数和被焊金属材料的热物理性能等。不同焊接方法的能量集中系数K值见表1.3。从今后的发展趋势来看，应采用K值较大的焊接方法，如电子束和激光焊接等。mrKrmrFeqKrdreqdFqq220)(emqKq表1.3不同焊接方法K值1.1.4焊接温度场一、焊接时的热作用特点(1)热作用的集中性：焊接热源集中作用在焊件连接部位。这样，焊件上存在较大的温度梯度，形成不均匀的温度场，易引起不均匀分布的应力或应变场，以及不均匀的组织和性能变化等问题。(2)热作用的瞬时性：焊接热源在工作时始终以一定的速度运动，因而对焊件上受到热作用的任意一点来说瞬时得到的能量是有限的。当焊件上某点接近焊接热源时，该点的温度迅速升高；随着焊接热源的离开，该点的温度急剧下降。可见，焊件上受到热影响的任一点可能达到的峰值温度必然是有限的。同整体均匀加热的一般热处理过程相比，焊接传热过程要复杂得多。焊接热作用的集中性所引起的不均匀组织、性能变化及焊接变形和焊接热作用的瞬时性所引起的焊接化学冶金变化的不平衡性等，都将对焊接接头的质量产生影响。1.1.5焊接传热遵循的基本定律（1）传导传热定律（2）对流传热定律（3）辐射传热定律1.1.6焊接温度场1)焊接温度场的概念：在热源的作用下，焊件上各点的温度都在随时间的变化而变化，因此，某瞬时焊件上各点温度的分布称为温度场。温度场以某一时刻在某一空间内所有点的温度值来描述，在直角坐标系内为T=ƒ(x,y,z,t）（1-6）式中，T为焊件上某点某瞬间的温度；z，y，z为焊件上某点的空间坐标；t为时间；温度场的分布可用等温线或等温面来描述(见图1-3)。图1-3温度场中的等温线和温度梯度2)等温线（或等温面）和温度梯度焊件上瞬时温度相同的点连成的线或面称为等温线或等温面。各个等温线或等温面之间不能相交。每条线或面度差，其大小可用温度梯度表示。温度梯度是矢量，其正值为温度增加，负值为温度减小。温度梯度反映了温度场中任意点温度沿法线方向的增加率。3)稳定、非稳定和准稳定温度场当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之为稳定温度场；当焊件上各点的温度随时间变化的温度场，称之为非稳定温度场。当恒定功率的热源作用在一定尺寸的焊件上并做匀速直线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可以随着热源以同样速度移动，这样的温度场称为准稳定温度场。4).焊接温度场的计算①影响焊接温度场的因素焊接热源种类及热源能量密度对于同种材料的焊件，如果施焊时采用的焊接热源不同，则温度场会有明显差异；同一焊接方法施焊同种材料时，采用不同的焊接工艺参数，其热输入量也不同，温度场的形状和大小也不同。被焊材料的热物理性质不同金属材料的热物理性质有很大差异，在同样热输入条件下，温度场会有明显不同。表1.12是焊接工程中常用金属材料的热物理参量。表1.12焊接中常用金属材料的热物理常数平均值物理量名称符号单位物理意义焊接条件下选取的平均值低碳钢、低合金钢不锈钢铝铜热导率λW/(cm•K)沿法线方向，在单位时间内，单位距离相差1°C时经过单位面积所传输的热量0.378~0.5040.168~0.3362.653.78比热容cJ/(g•K)一克物质每升高1°C时，所需热量0.652~0.7560.42~0.501.01.22续表1.12容积比热容cρJ/(cm3•K)单位体积的物质升高1°C时所需的热量4.83~4.563.36~4.22.633.99热扩散率cm2/s传热过程中，温度传播速度0.07~0.100.05~0.071.000.95热焓HJ/g在某一温度1g物质所含热量（在0~1500°C）1331.4_________表面传热系数hJ/(cm2•s•K)传热体表面与周围介质每相差1°C时，通过单位面积在单位时间内所散失的热量（在0~1500°C）（0.63~37.8)×10-3_________ca焊件形态及接头形式焊件的几何形态、尺寸大小及所处的状（如环境温度、预热条件等）对焊接传热过程有很大影响，必然会影响焊接温度场。而接头形式的不同，造成传热条件的差异，同样会影响温度的分布，即对温度场造成影响。②焊接温度场的解析求解基本假设和简化假设被焊金属是均质、且各向同性的；材料的热物理量均为常数，与温度无关；不考虑焊接熔化与凝固过程，即认为被焊工件始终为固态，并且不考虑固态相变的作用。)4exp()4(222/30atRatcQTT作用于半无限大体的瞬时点热源这种情况下，假设热量为Q的热源瞬时作用于厚大焊件的某点上，则距热源为R的任何一点，经t时间后，该点的温度增量T－T0的数学表达式为(1-7)作用于无限板的瞬时线热源假设热量Q的热源瞬时作用于厚度为h的无限大薄板上，并设Q在厚度h内均匀分布，形成与厚度有关的热流密度Q/h,则距线热源r处的任何一点，经时间t后，该点的温度增量T－T0的数学表达式为：（1-8）式中,,称为传热系数；)4exp()4(20btatratchQTTchbrc/)(2222yxr作用于无限长杆的瞬时面热源假设热量Q的热源瞬时作用于具有横截面积为A的无限长杆的x=0处，并设Q均布于A上，形成与面积有关的热流密度Q/A，则距线热源x处的温度增量T－T0的数学表达式为：（1-9）式中，，P和A分别为杆的横截面的周长和面积。)4exp()4(22/10tbatxatcAQTTcAPbrc/)(Contents§1．2焊接热循环一、焊接热循环的概念：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。研究焊接热循环的意义：①找出最佳的焊接热循环；②用工艺手段改善焊接热循环；③预测焊接应力分布及改善热影响区组织。焊接热循环与焊接温度的区别：焊接温度常反映某瞬时焊接接头中各点的温度分布状态，而焊接热循环是反映焊接接头中某点温度随时间的变化规律，也描述了焊接过程中热源对焊件金属的作用。图1-4低合金钢堆焊缝邻近各点的焊接热循环曲线二、焊接热循环的特征参数（1）加热速度：焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加。对于钢铁材料而言，加热速度快，意味着发生奥氏体转变的温度提高，奥氏体的均质化和碳化物的溶解过程就越不充分，因此必然会影响到其后冷却过程组织和性能。（2）加热最高温度Tm：即峰值温度。它对焊后母材热影响区组织和性能有很大影响。接头上熔合线附近，由于温度高，引起晶粒严重长大，导致韧性降低。对于低碳钢和低合金钢，熔合线附近的最高温度可达1300~1350°C。H（3）在相变温度以上的停留时间tH：即高温停留时间。在相变温度以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大。加热温度越高，晶粒长大所需的时间越短。这会引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。高温停留时间tH由加热过程持续时间t'和冷却过程持续时间t''两部分组成，即t=t'+t''。对于一般的焊接热循环有t’=t''。(4)冷却速度wc(或冷却时间t8／5)：冷却速度是指在焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度的冷却速度。它是决定热影响区组织和性能的最重要的参数之一。对低碳钢和低合金钢来说，采用540℃左右的瞬时冷却速度作为热循环特征参数；对于合金钢，采用800～500℃的冷却时间t8／5；对易淬火钢，常用800～300℃的冷却时间t8／3和从峰值温度(Tm)冷却至100℃的冷却时间t100。总之，焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点(图1-6)，这些直接影响到焊缝的化学冶金过程，从而使接头的质量发生变化。另外，焊接热循环还使接头的组织和性能发生