第三节焊接温度场

1、第二章第二章 焊接冶金学基本原理焊接冶金学基本原理 焊接热过程焊接热过程 焊接热过程 1. 焊接热源 2. 焊接温度场 3. 焊接热循环 1.1 1.1 焊接热源的类型及特征焊接热源的类型及特征 电弧热 化学热化学热 气焊气焊时，乙炔时，乙炔C C2 2H H2 2在纯氧在纯氧O O2 2中部分燃烧，在中部分燃烧，在 环绕焰心的还原区形成一氧化碳环绕焰心的还原区形成一氧化碳COCO和氢和氢H H2 2， 然后在外焰区与空中的氧作用，完全燃烧然后在外焰区与空中的氧作用，完全燃烧 形成二氧化碳形成二氧化碳COCO2 2和水和水H H2 2O O蒸气，焰流以高速蒸气，焰流以高速 冲击焊接区表面，通过

2、对流和辐射加热工冲击焊接区表面，通过对流和辐射加热工 件。件。 气焊气焊：利用助燃助燃（氧 气）和可燃可燃气体（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 摩摩擦焊擦焊时，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：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，

3、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。 激光束激光束 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 的激光束激光束作为焊接热源 等离子焰等离子焰 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 10-2 10-3 10-3 10-3 10-3 2103 104

4、1.5104 2104 104 34003500 6000 8000 6400 2300 熔化极氩弧焊 CO2气体保护焊 10-4104 105 等离子弧 电子束 激光 10-5 10-7 10-8 1.5105 107 109 107 109 1800024000 1.2 1.2 焊接过程焊接过程的热效率的热效率 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）h1 UIq h 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

5、 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 h 0.77 0.87 0.77 0.90 0.90.830.68 0.85 0.66 0.69 0.70 0.85 三、三、 焊接传热的基本方式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：即自然界中，热量的传递主要有三种基本方式：即热传导、热传导、 对流和辐射。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于电弧焊来讲，热量从热源传递到焊件主要是通过热辐射辐射 （温度越高，辐射能

6、力越强）和热（温度越高，辐射能力越强）和热对流对流方式，而母材和焊丝方式，而母材和焊丝 内部，则以内部，则以热传导热传导方式。方式。 3.1 焊接温度场焊接温度场 1）焊接温度场的概念）焊接温度场的概念 焊件上（包括内部）焊件上（包括内部）某瞬时焊件上的某瞬时焊件上的的的温度分布温度分布，称为，称为焊接温焊接温 度场。度场。 T=f（x，y，z，t） T工件上某点某瞬时的温度；工件上某点某瞬时的温度； x，y，z工件上某点的空间坐标工件上某点的空间坐标 t时间时间 2）焊接温度场的表征）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。焊接温度场可用等温线或等温面的分布来表征。等温线

7、或等温等温线或等温 面：把焊件上面：把焊件上瞬时温度相同的点瞬时温度相同的点连接在一起，成为一条线或一个面。连接在一起，成为一条线或一个面。 3.2 焊接温度场的类型焊接温度场的类型 1.1.根据温度随时间变化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；稳定温度场：焊接温度场各点的温度不随时间而变； 非稳定温度场非稳定温度场：绝大多数情况下，焊件上各点温度随时间：绝大多数情况下，焊件上各点温度随时间 而变；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定长度

8、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。关。 2. 根据焊件尺寸和热源的性质根据焊件尺寸和热源的性质 一维温度场一维温度场（线性传热）：焊条或焊丝的加热（面热源，（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）径向无温差，如同一个均温的

9、小平面在传热） 二维温度场二维温度场（平面传热）：一次焊透的薄板，板厚方向无（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）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）三维温度场（空间传热）：厚大焊件表面堆焊（点热源） 3.3 焊接温度场焊接温度场影响因素影响因素 1.热源性质热源性质 2.焊接参数焊接参数 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。布也就不同。 热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离热源越集中，加热面积越小，等温线分布

10、越密集。等离 子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。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 热导率热导率 比热容比热容 焓焓 热扩散率热扩散率 表面散热系数表面散热系数 AB 3.1焊接热循环的概念焊接热循环的概念 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焊接热循环主要参数 加热速度（H） 加热最高温度

11、(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13001350），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