第三节--焊接温度场

第二章焊接冶金学基本原理.焊接热过程焊接热过程.1.焊接热源2.焊接温度场3.焊接热循环1.1焊接热源的类型及特征电弧热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。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。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。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。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作为焊接热源。热能高度集中，焊缝深宽比可达40以上，HAZ（HeatAffectedZone）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。激光束Laser（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation,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等离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）各种焊接热源的主要特性热源最小加热面积（cm2）最大功率密度（W/cm2）正常焊接规范下的温度（K）乙炔火焰金属极电弧钨极电弧(TIG)埋弧自动焊电渣焊10-210-310-310-310-32×1031041.5×1042×1041043400~35006000800064002300熔化极氩弧焊CO2气体保护焊10-4104~105等离子弧电子束激光10-510-710-81.5×105107~109107~10918000~24000——1.2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＜1UIqh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TIG焊MIG焊钢铝h0.77~0.870.77~0.900.90.830.68~0.850.66~0.690.70~0.85三、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。3.1焊接温度场1）焊接温度场的概念焊件上（包括内部）某瞬时焊件上的的温度分布，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。3.2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：正常焊接条件下，当功率恒定的热源在一定长度的工件上匀速直线运动时，经过一段时间后焊接过程稳定，形成一个与热源同步运动的不变温度场。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。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）3.3焊接温度场影响因素1.热源性质2.焊接参数热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场分布也就不同。热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。有效热功率与焊接速度影响最大随焊接速度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）被焊金属的热物理性质对温度场的影响热导率比热容焓热扩散率表面散热系数AB3.1焊接热循环的概念焊接热循环在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程3.2焊接热循环主要参数加热速度（H）加热最高温度(Tmax)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。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(或冷却时间)(c)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。3.3焊接热循环的影响因素1.焊接规范和线能量2.预热和层间温度3.焊件尺寸4.接头形式5.焊道长度谢谢大家！