焊接原理PPT电子教案课件-第一章 焊接温度场与熔池形成.ppt

第一章 焊接温度场与 熔池形成,第一节 焊接温度场,一、焊件的加热 1. 对焊接热源的要求 (1) 能量集中，能实现快速焊接； (2) 能形成致密的焊缝和尽可能小的热影响区. 2. 焊接的加热过程 焊接电弧（辐射、对流） 工件 （传导） 工件,(1)焊接过程的热效率 焊接电弧单位时间内产热能： q 0 = iu ( j / s ) 单位时间内进入工件中的热能： q 工件 =iu ( j / s ) 为热效率加热功率的有效系数 仅指焊件所能吸收到的热能 损失的热能：光热辐射、对流、金属蒸发、飞溅. 在一定条件下为一常数. 主要取决于热源、焊法、焊材、 母材性质及尺寸.,1-1,(2)焊接热能通过一定的作用面积（加热区）进入工件,图 1-2,3. 焊件上加热区的热能分布 (1) 活性斑点区 活性斑点区是带电质点（电子和离子）集中轰击的部位，并把电能转为热能，该斑点的直径为da. (2) 加热斑点区 加热斑点区焊件受热是通过电弧的 辐射和周围介质的对流进行的. 加热斑点的直径为 dh，在该区内热量的分布是不均匀的，中心高，边缘低，形如立体高斯锥体.,焊接热能分布图,图 1-3,加热斑点区的比热流分布为： 其中，q m为斑点中心之最大比热流，k为热流集中系数，r为任意点距中心点的距离. 上式用于计算： a. 加热区内任意点的比热流qr ; b. 电弧的全部有效热能： c. 由此式还可以求出：,二、焊接温度场 1. 焊接温度场： (1) 定义：某瞬时，焊件上的温度分布称为“焊接温度场”. 表示式： t=f (x, y, z, t) 式中： t焊件上某点某瞬时的温度； t时间； ( x, y, z)焊件上某点的空间坐标. (2) 表示方法： 等温线（等温面） 把焊件上瞬时温度相同的各 点连接在一起，成为一条线 或一个面.,1-4,2. 准稳定温度场 稳定温度场： 焊件上各点的温度不随时间而变动. 非稳定温度场： 焊接温度场各点的温度随时间而变动. 准稳定温度场： 恒定功率的热源固定作用在焊件上时，开始一段时间 内，温度是非稳定的；但经过 一段时间之后便达到了饱和状 态，形成了暂时稳定的温度场. 焊接温度场是准稳定温度场,3. 焊接温度场分类 取决于工件尺寸和热源性质 1）三维温度场 厚大焊件的表面堆焊，三维传热，点热源 t= f (x, y, z, t) 2）二维温度场 一次可焊透的薄板，二维传热 ，线热源 t= f (x, y, t) 3）一维温度场 细棒的电阻焊对接、焊条或焊丝的加热， 一维传热，面/体热源 t= f ( z, t),1-5,在焊接速度一定的条件下，在某时刻t，焊件上某点的温度只与该点距离电弧中央的位置有关，而与该点在焊件上的位置无关. 焊接温度场属于准稳定温度场,图1- 6,图1-7,5. 影响温度场的因素 热源种类、焊接规范、材质物理性质、焊件形态、热源作用时间等. （1） 热源种类 焊接热源的性质不同，焊接温度场的分布也不同: h25mm钢板的电弧焊为点热源; h 100mm 钢板的电渣焊却认为是线热源. 电子束和激光焊时，热能极其集中，温度场范围很小; 气焊时，热源作用面积较大，温度场范围也大. （2） 焊接规范 相同焊接热源，因焊接规范不同，温度场的分布也有很大区别： 以h=1cm的低碳钢焊接为例： a. 当功率q=常数时，随焊接速度v的增加，等温线的范围变小，且宽 度变小较明显，等温线形状变得细长； b. 当v=常数时，随q的增大，等温线的范围也随之增大； c. q/v保持定值，同比例改变q和v，则会使等温线拉长，因而使温度 场的范围也变大.,图1-8,（3）被焊金属的物理性质 1）导热系数（） 在单位时间内，单位距离沿法线方向温度相差1时，经过单位面积所传 播的热能. i. 导热系数随金属的化学成分、组织和温度的不同而改变. 室温下相 差较大，t 800时趋于一致. ii. 在e和 h 相同的条件下， 较大的金属的温度场（等温面） 较小，而较小的金属的温度场（等温面）则较大. 2）比热容（c） 1克物质每升高1所需的热能. 3）容积比热容（cp） 单位体积物质每升高1所需要的热量. 4）热扩散率（） 表示温度传播的速度. 5）表面散热系数（） 散热体表面与周围介质每相差1，在单位时间内单位面积所散失的热量.,各种材料的热物理常数是不同的，特别是和c对焊接温度场的分布具有很大影响.,图1-9,（4）焊件板厚和形状 以手弧焊为例. 厚 板：h 25mm 的低碳钢； h 20mm 不锈钢. 中厚板：h 825mm的低碳钢； h 520mm的不锈钢. 薄 板：h 8mm的低碳钢； h 5mm的不锈钢.,第三节 焊条的熔化及熔池的形成,一、焊条熔化的特点,1.焊条熔化呈周期性 2. 熔化速度增大，频率增高 电弧用于加热和熔化焊条的功率仅是其全部功率的一小部分，即 ：,二、焊条的熔化速度,1. 平均熔化速度单位时间内熔化的焊芯质量或长度.,在正常的焊接工艺参数范围内，焊条的平均熔化速度与焊接电流成正比：,式中 焊条金属的平均熔化速度； g 熔化的焊芯质量； t 电弧燃烧的时间； 焊接电流； 焊条的熔化系数.,2. 平均熔敷速度单位时间内真正进入焊缝的那部 分金属的质量.,在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴.,熔滴尺寸：d 0.001 5 mm 熔滴温度：1800 400 熔滴存留时间：0.0001 0.003 s,熔滴存留时间指熔滴在焊条端头长大滞留的时间，以及从焊条端头过渡到熔池中的时间.,三、熔滴：,五、熔池的形成,由局部熔化的母材及焊材在母材上形成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池.,1. 熔池的形状和尺寸,形状：不规则的半椭球形 尺寸：长度l、宽度b、深度h、表面积,1) 点热源：,2）长度：,近似估算：,式中: p2 比例常数； q 电弧功率； u 电弧电压； i 焊接电流.,3）熔透面积：,4）表面积：,熔池的表面积取决于焊接方法和工艺参数，一般在14cm2.,随焊接电流的增加，熔池的最大深度h max 增大，熔池的最大宽度b max相对减小； 随着电弧电压的增大，h max减小，b max增加.,图1-10,熔池在液态存在的最大时间取决于熔池的长度l和焊速v,（1）熔池的质量,手工电弧焊时 0.616g,自动埋弧焊时 100g,（2）存在时间,2. 熔池的质量和存在时间,3. 熔池的温度,(1) 熔池温度分布极不均匀. 熔池表面温度最高. (2) 熔池的头部，输入的热量大于散失的热量. 随热源移动，母材不断熔化.,(3) 熔池尾部，输入的热量小于散失的热量