山大Part III 焊接冶金 热影响区的组织和性能—焊接热循环

1、材料成型基础材料成型基础焊接部分焊接部分Part IIIPart III焊接热影响区组织和性能焊接热影响区组织和性能1 1、HAZHAZ的概念的概念2 2、焊接热循环、焊接热循环3 3、焊缝金属组织转变、焊缝金属组织转变4 4、HAZHAZ组织与性能组织与性能焊缝焊缝HAZ母材母材焊接接头的宏观组织和热影响区示意图焊接接头的宏观组织和热影响区示意图Ch1Ch1 HAZ HAZ的概念的概念Part VII HAZPart VII HAZ的组织与性能的组织与性能热影响区概念热影响区概念: : 焊接过程中母材因受焊接热的影响，金相组焊接过程中母材因受焊接热的影响，金相组织和性能发生变化的区域称为织和

2、性能发生变化的区域称为“热影响区热影响区” (Heat Affected Zone(Heat Affected Zone，简记，简记HAZ)HAZ)。热影响。热影响区是焊接接头的薄弱环节区是焊接接头的薄弱环节 。焊接接头焊接接头热影响区热影响区焊缝焊缝CH2 焊接热循环1 1、焊接热循环的基本概念、焊接热循环的基本概念2 2、焊接热循环的主要参数、焊接热循环的主要参数3 3、焊接热循环的主要影响因素、焊接热循环的主要影响因素4 4、焊接热循环参数的计算、焊接热循环参数的计算5 5、冷却时间的计算、冷却时间的计算6 6、冷却时间对、冷却时间对HAZHAZ组织性能的影响组织性能的影响7 7、多层焊

3、焊接热循环、多层焊焊接热循环2.1 2.1 焊接热循环基本概念焊接热循环基本概念焊接热循环：焊接热循环： 焊接过程中热源随焊件移动，焊件上某点温焊接过程中热源随焊件移动，焊件上某点温度由低而高，达到最大值后，又由高而低随时间度由低而高，达到最大值后，又由高而低随时间的变化的过程。的变化的过程。焊接热循环曲线焊接热循环曲线 焊接过程中焊件上某点的温度随时间变化的焊接过程中焊件上某点的温度随时间变化的曲线。曲线。 描述了焊接过程中热源对母材金属的热作用。在描述了焊接过程中热源对母材金属的热作用。在焊缝两侧距焊缝远近不同的各点焊缝两侧距焊缝远近不同的各点, , 所经历的热循环是所经历的热循环是不同。

4、距焊缝越近的各点不同。距焊缝越近的各点, , 加热的最高温度越高。加热的最高温度越高。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.1 1 焊接热循环基本概念焊接热循环基本概念Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环s/ t2001400012004006008001000104006010203050807020Mn钢h=20mm,v=2.5m/sI=170A, U=25Vmm/C/距离温度 41235412353 . 013505 . 012008 . 110000 . 38006 . 4600T/C41235距离焊缝不同点的焊接热循环距离焊缝不同点的焊接热循环2

5、0Mn钢钢2.2.1 1 焊接热循环基本概念焊接热循环基本概念距离焊缝不同点的焊接热循环距离焊缝不同点的焊接热循环铝合金铝合金Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环025507510001002003004005006001-x=6mm 2-x=10mm3-x=15mm4-x=20mm5-x=30mm6-x=40mm7-x=60mm8-x=80mm87654321temperature/time/s2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数 根据焊接热循环对组织性能的影响，根据焊接热循环对组织性能的影响，主要考虑以下四个参数：主要考虑以下四个参数： (1) (1)

6、加热速度加热速度( (HH); ); (2) (2) 加热最高温度加热最高温度( (T Tmm); ); (3) (3) 相变温度以上停留时间相变温度以上停留时间( (t tHH) ); ; (4) (4) 冷却速度冷却速度( (c c) )和冷却和冷却 时间时间( (t t8/58/5, ,t t8/38/3, ,t t100100) )。)( CT t冷却加热)(st tHtmTHTCTCPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数1 1、 加热速度加热速度HH 焊接条件下的加热速度比热处理条件下要快焊接条件下的加热速度比热处

7、理条件下要快的多，并随着加热速度的提高，则相变温度也随的多，并随着加热速度的提高，则相变温度也随之提高，同时奥氏体的均质化和碳化物的溶解也之提高，同时奥氏体的均质化和碳化物的溶解也越不充分，因此必然会影响到焊接越不充分，因此必然会影响到焊接HAZHAZ冷却后冷却后的组织与性能。的组织与性能。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数1 1、 加热速度加热速度HH 如：如： H H ( (加热速度加热速度) ) T TP P ( (相变温度相变温度) ) ，会，会导致导致奥氏体化程度奥氏体化程度 和碳化物溶解程度和碳化物溶解程度

8、。 加热速度与许多因素有关加热速度与许多因素有关, , 如焊接方法、焊如焊接方法、焊接线能量、板厚及几何尺寸接线能量、板厚及几何尺寸( (散热条件散热条件) )及母材热及母材热物理性质等。物理性质等。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数2 2、 加热的最高温度加热的最高温度T Tmm 加热的最高温度加热的最高温度T Tmm也是影响焊缝金属组织和也是影响焊缝金属组织和性能的一个重要参数，性能的一个重要参数， 指工件上某一点在焊接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过程中所经历的最高温度，即该点热循环

9、曲线上的峰值温度。的峰值温度。 考察位置不同考察位置不同最高温度不同最高温度不同冷却速度不冷却速度不同同焊接组织不同焊接组织不同性能不同。性能不同。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数2 2、 加热的最高温度加热的最高温度T Tmm例如：熔合线附近（对一般低碳钢和低合金钢来例如：熔合线附近（对一般低碳钢和低合金钢来说，其说，其T Tmm可达可达1300135013001350），由于温度高，），由于温度高，其母材晶粒发生严重长大，导致塑性降低。其母材晶粒发生严重长大，导致塑性降低。 峰值温度峰值温度T Tmm与与焊件的初始

10、温度焊件的初始温度T T0 0，焊接线焊接线能量能量E E，被焊金属的板厚被焊金属的板厚h h及及离热源中心距离离热源中心距离有有关。关。 Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数3 3、 在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间t tHH t tHH越长，越有利于奥氏体的均质化，但温度越长，越有利于奥氏体的均质化，但温度太高时太高时(1100C(1100C以上时以上时) )即使停留时间不长，也即使停留时间不长，也会产生严重晶粒长大。为了便于分析，将会产生严重晶粒长大。为了便于分析，将t tHH分为分为加热过程的停留时

11、间加热过程的停留时间t t和冷却过程的停留时间和冷却过程的停留时间tt，即即t tHH= = t t + + tt，。 t tHH与与焊接能量焊接能量E E，被焊金属的工件板厚被焊金属的工件板厚h h以及以及焊件的初始温度焊件的初始温度T T0 0以及以及加热最高温度加热最高温度T Tmm等因素等因素有关有关 。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环)( CT t冷却加热)(st tHtmTHTCTC2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数4 4、 冷却速度冷却速度c c和冷却时间和冷却时间( (t t8/58/5，t t8/38/3，t t100100) ) 冷

12、却速度冷却速度 ，特别是在固态相变温度范围内，特别是在固态相变温度范围内冷却速度，是焊接热循环中极其重要的参数，冷却速度，是焊接热循环中极其重要的参数，它将决定焊接接头的组织、性能及接头质量。它将决定焊接接头的组织、性能及接头质量。 在试验研究中，准确地测量瞬时冷却速度在试验研究中，准确地测量瞬时冷却速度有一定地困难，因此目前多采用一定温度范内有一定地困难，因此目前多采用一定温度范内地冷却时间来代替冷却速度。地冷却时间来代替冷却速度。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数4 4、 冷却速度冷却速度c c和冷却时间和冷却时间(

13、 (t t8/58/5，t t8/38/3，t t100100) ) 对于一般碳钢及低合金钢常采用固态相变对于一般碳钢及低合金钢常采用固态相变温度范围的温度范围的800500800500冷却时间冷却时间t t8/58/5； 而对于淬硬倾向比较大的钢种有时采用而对于淬硬倾向比较大的钢种有时采用800300800300冷却时间冷却时间t t8/38/3或由峰值温度冷至或由峰值温度冷至100100的冷却时间的冷却时间t t100100。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环单层电弧焊低合金钢时近缝区热循环参数2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数板厚板厚/mm/mm焊

14、接焊接方法方法焊接线能焊接线能量量/J/cm/J/cm900900以上停留时间以上停留时间/s/s 冷却速度冷却速度/ /s /s 900900时加时加热速度热速度/ /s/s备注备注加热时间加热时间冷却时间冷却时间9009005505501 1TIGTIG9409400.40.41.21.2340340606017001700对接无对接无坡口坡口2 2TIGTIG168016800.60.61.81.81201203030120012003 3SAWSAW378037802.02.05.55.554541212700700对接有对接有焊剂垫焊剂垫5 5SAWSAW714071402.52.5

15、7 740409 96006001010 SAWSAW 19320193204.04.0131322225 5200200V V型对型对接有焊接有焊剂垫剂垫1515 SAWSAW 42000420009.09.022229 92 21001002525 SAWSAW10500010500025.025.075755 51 16060Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数5 5、热循环参数的测试 （1 1）红外测温系统）红外测温系统 （热成像、红外点测温）（热成像、红外点测温） （2 2）热电偶测温）热电偶测温 Part VI

16、 Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数6 6、热循环参数的用途、热循环参数的用途 焊接热循环参数的大小主要取决于焊接方焊接热循环参数的大小主要取决于焊接方法、材料、焊接规范、接头型式等。热循环参法、材料、焊接规范、接头型式等。热循环参数可以确定：数可以确定： （1 1）HAZHAZ的尺寸；的尺寸； （2 2）HAZHAZ的组织和性能；的组织和性能； （3 3）制定合理的焊接工艺规范。）制定合理的焊接工艺规范。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数7 7、焊接热循环研究的

17、主要意义、焊接热循环研究的主要意义 焊接热循环是焊接接头经受热作用的历程，焊接热循环是焊接接头经受热作用的历程，焊接热循环的研究对于了解焊接应力变形、接焊接热循环的研究对于了解焊接应力变形、接头组织和力学性能都是十分重要的，是提高焊头组织和力学性能都是十分重要的，是提高焊接接头质量的重要途径。接接头质量的重要途径。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数7 7、焊接热循环研究的主要意义、焊接热循环研究的主要意义（1 1）确定最佳的焊接热循环）确定最佳的焊接热循环 金属材料由于化学成分和组织状态的不同，金属材料由于化学成分和组织

18、状态的不同，对焊接热循环的敏感度也不同，通过调整焊接对焊接热循环的敏感度也不同，通过调整焊接热循环的影响因素，找到适合某种金属的最佳热循环的影响因素，找到适合某种金属的最佳热循环，从而保证焊接质量。热循环，从而保证焊接质量。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数7 7、焊接热循环研究的主要意义、焊接热循环研究的主要意义（2 2）采用工艺手段改善焊接热循环）采用工艺手段改善焊接热循环 根据焊接热循环的特点来改善和调整，以根据焊接热循环的特点来改善和调整，以达到提高焊接质量和生效率的目的。比如焊前达到提高焊接质量和生效率的目的。

19、比如焊前预热、焊后热处理。预热、焊后热处理。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.2 2 焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数7 7、焊接热循环研究的主要意义、焊接热循环研究的主要意义（3 3）预测焊接应力分布及改善热影响区组织）预测焊接应力分布及改善热影响区组织 根据热循环的特征和分布情况预测焊接应根据热循环的特征和分布情况预测焊接应力和应变及变形趋势，同时也预测力和应变及变形趋势，同时也预测HAZHAZ的组织的组织分布。分布。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素1 1、焊接工艺、焊接工

20、艺 不同的焊接方法具有不同特点的焊接热循环。不同的焊接方法具有不同特点的焊接热循环。焊接方法不同其影响也不一样。埋弧焊冷却速度最焊接方法不同其影响也不一样。埋弧焊冷却速度最慢，手弧焊冷却速度最快，而氩弧焊和慢，手弧焊冷却速度最快，而氩弧焊和COCO2 2OO2 2气保护焊，基本相同，均比埋弧焊冷却速度要快气保护焊，基本相同，均比埋弧焊冷却速度要快 。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环14001000120080060040020002010864312503040200100st420st27st4mTmTmTSMAWSAWESW不同焊接方法的焊接热循环不同焊接方法的焊接热循

21、环 线能量越低，加热、线能量越低，加热、冷却速度越快，高温停冷却速度越快，高温停留时间越短。留时间越短。2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素2 2、焊件的尺寸、形状、焊件的尺寸、形状 改变焊件宽度改变焊件宽度b b和厚度和厚度h h对冷却时间对冷却时间t tc c有影响。有影响。焊接宽度焊接宽度b及厚度及厚度h对冷却时间对冷却时间tc的影响的影响（焊件长度（焊件长度110mm，E17.5kJ/cm) Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环u当当h h较小时较小时, , b b对对t tc c的影响很大的影响很大; ; u当当h h较大时较大时, , b

22、 b对对t tc c影响明显减弱影响明显减弱; ;u当当b b150mm150mm时时, , 可以认为相当可以认为相当于于“无限大无限大”, , 冷却时冷却时t tc c仅是板厚仅是板厚h h的函数。的函数。2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素3 3、接头形式、接头形式 相同板厚情况下，丁字接头的冷却速度要比相同板厚情况下，丁字接头的冷却速度要比V V形坡口对接接头的冷却速度大形坡口对接接头的冷却速度大1.51.5倍。倍。线能量t8/5板厚Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素4 4、焊缝

23、长度、焊缝长度 在相同接头形式和焊接条件下，在相同接头形式和焊接条件下， 焊道越短焊道越短其冷却速度越大；并且弧坑的冷却速度最大其冷却速度越大；并且弧坑的冷却速度最大( (有有时为焊道中部的时为焊道中部的2 2倍倍) )。 Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素5 5、焊接线能量、焊接线能量 随焊接线能量随焊接线能量E E的增加，加热的最高温度的增加，加热的最高温度T Tmm、高温停留时间高温停留时间t tHH以及冷却时间以及冷却时间t tc c, , 都将随之增大都将随之增大, ,而而冷却速度冷却速度c c降低降低

24、c c 。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环CCHmttTE、2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素不同预热温度下, E对tH的影响(厚板) Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环不同预热温度下, E对tH的影响(薄板) 随随E E的增加，的增加，t tHH增增加，预热温度越高，加，预热温度越高，t tHH增加的时间越长。增加的时间越长。2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素预热温度对焊接热循环的影响 6 6、预热温度、预热温度 即使低温预热，也会大大降低即使低温预热，也会大大降低600600以下温以下温度范围

25、的冷却速度，但度范围的冷却速度，但在高温阶段冷却速度的在高温阶段冷却速度的降低，或高温停留时间降低，或高温停留时间的延长，则不十分显著。的延长，则不十分显著。 Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.3 3 焊接热循环的主要影响因素焊接热循环的主要影响因素7 7、冷却条件、冷却条件 焊接时周围环境及冷却条件（如冬季野外施焊接时周围环境及冷却条件（如冬季野外施工、通风条件等），不仅影响焊件的初始温度，工、通风条件等），不仅影响焊件的初始温度，也会影响到焊接过程中的传热条件。也会影响到焊接过程中的传热条件。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环 试板焊接时，放在钢

26、板或放在石棉板上，其试板焊接时，放在钢板或放在石棉板上，其冷却速度明显的不同；而焊后冷却到某一温度时，冷却速度明显的不同；而焊后冷却到某一温度时，再用石棉覆盖在试板上，其冷却曲线立即拐向，再用石棉覆盖在试板上，其冷却曲线立即拐向，冷却速度明显降低。冷却速度明显降低。 试板冷却条件对冷却过程的影响试板冷却条件对冷却过程的影响1-钢板垫板钢板垫板 2-石棉垫板石棉垫板 3-覆盖石棉覆盖石棉 2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算 焊接热循环参数可以用理论计算方焊接热循环参数可以用理论计算方法确定，也可以用近似算法和经验公式法确定，也可以用近似算法和经验公式确定。有时为了精确，常将

27、几种方法联确定。有时为了精确，常将几种方法联合使用。并且这种计算往往要配合某些合使用。并且这种计算往往要配合某些实验，才能得到准确的结果。实验，才能得到准确的结果。理论计算公式；理论计算公式；经验公式。经验公式。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算 根据传热理论，焊件根据传热理论，焊件上某点的温度经过上某点的温度经过t tm m秒后秒后达到最高温度，此时其温达到最高温度，此时其温度变化速度应为零。即：度变化速度应为零。即：因此，可利用相应的热源因此，可利用相应的热源传热公式求得传热公式求得T Tm m值。值。 0tT（a）

28、移动热源焊接上的温度分布（）移动热源焊接上的温度分布（b）A点的点的Tf(x)（c）A点的热循环点的热循环Tm，Tf(t)Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环一、最高温度的计算一、最高温度的计算1 1、快速移动点热源作用下的最高温度、快速移动点热源作用下的最高温度( (厚大焊件厚大焊件) ) 半无限体上离点热源移动轴的距离半无限体上离点热源移动轴的距离r r0 0不远处不远处A A点，其热传播过程可以近似表达为；点，其热传播过程可以近似表达为； 其中，其中， 为为A A点到热源中心距离的平方点到热源中心距离的平方 ( (由由于为快速移动热源，因而认为热量只沿重直运动方于为快速移

29、动热源，因而认为热量只沿重直运动方向内传播向内传播) )。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算0200)4exp(2),(TatrvtQtrT202020zyrPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环1 1、快速移动点热源作用下的最高温度、快速移动点热源作用下的最高温度( (厚大焊件厚大焊件) )对上式取对数：对上式取对数：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算atrtvQtTx4ln)2ln()(ln2) 14()(41)(12222atrtTttTatrtttTTxxPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环对此式求微分：对此式求

30、微分： 1 1、快速移动点热源作用下的最高温度、快速移动点热源作用下的最高温度( (厚大焊件厚大焊件) )当当 时，时，t t= =t tmm， ，则达到最高温度，则达到最高温度所需时间为所需时间为: :2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算0tT01420atrartm420Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环02002002002000234. 02) 1exp(42)4exp(2),()(TvrcqQTrQvaeTravQTatrvtQtrTrTmmmm最高温度最高温度Tm为：为：0200234. 0)(TvrcQrTm2 2、快速移动线热源作用下的最高

31、温度、快速移动线热源作用下的最高温度( (薄板薄板) ) 快速移动线热源作用下进行平板对接焊接时，快速移动线热源作用下进行平板对接焊接时，其温度为：其温度为： 当当 时，时， 。 对于靠近热源移动轴的点，其散热来不及显对于靠近热源移动轴的点，其散热来不及显著降低，即：著降低，即：btbtmm1/2, 1/2, 则则t tmmyy0 02 2/2a/2a。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算02021)4exp()(2TbtatytcvhQT0tTmmbtaty21420Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2 2、快速移动线热源作用下的最高温度、快速移动线热源

32、作用下的最高温度( (薄板薄板) ) 将将t tmmyy0 02 2/2a/2a代入快速移动线热源作用下进行代入快速移动线热源作用下进行平板对接焊接温度场计算公式：平板对接焊接温度场计算公式：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算0200020202021202exp22224exp242TabyyhvcQeTaybayayaycvQeTmPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环aby2exp20 32022020202! 312! 21212expabyabyabyaby将将 泰勒展开：泰勒展开：2 2、快速移动线热源作用下的最高温度、快速移动线热源作用下的最高

33、温度( (薄板薄板) )2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算02000200)21 (242. 02exp22TabyhyvcQTabyyhvcQeTm00000242. 022)(ThyvcQTeyhvcQyTm最高温度为：最高温度为：如果不考虑散热，则令如果不考虑散热，则令b b0 0，最高温度为：，最高温度为：Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环讨论讨论11厚件厚件：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算0200234. 0)(TvrcQrTm厚大焊件最高温度厚大焊件最高温度Tm为：为： 对于厚大焊件最高温度的计算公式，不仅可对于厚大

34、焊件最高温度的计算公式，不仅可以知道一点的位置求它的最高温度，同样也可以以知道一点的位置求它的最高温度，同样也可以知道某点的最高温度以及有关工艺参数，利用公知道某点的最高温度以及有关工艺参数，利用公式求出该点的位置。式求出该点的位置。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环讨论讨论11厚件厚件：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算作业：作业：巨型钢件表面堆焊，电流巨型钢件表面堆焊，电流I I=200A=200A，电弧电压电弧电压UU=20V=20V，电弧移动速度，电弧移动速度v v=2mm/s=2mm/s，求出最高温度达到求出最高温度达到500500之处，离堆焊

35、轴线之处，离堆焊轴线的距离。的距离。( (电弧有效系数电弧有效系数 h h=0.75=0.75，钢在，钢在400400的容积的容积热容量为热容量为: : c c=0.16=0.16 7.8=1.25(cal/cm7.8=1.25(cal/cm3 3 ) )，工件初始温度为，工件初始温度为0)0)。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环讨论讨论11薄件薄件： 2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算薄板焊件最高温度薄板焊件最高温度Tm为：为： 对于薄板焊件最高温度计算公式，同样也可对于薄板焊件最高温度计算公式，同样也可以知道某点的最高温度以及有关工艺参数，利用以知道

36、某点的最高温度以及有关工艺参数，利用公式求出该点的位置。公式求出该点的位置。0200)21 (242. 0TabyhyvcQTmPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环讨论讨论11薄件薄件： 2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算MT0ymTWELDP1ATHAZPWBhB0y母材熔点焊缝熔合线h求焊缝宽度和求焊缝宽度和HAZHAZ宽度？宽度？假设焊缝半宽度为假设焊缝半宽度为B BWW，某，某最高温度最高温度T TA A1 1下的下的HAZHAZ宽度宽度为为B Bh h，y y0 0B BWW+ +B Bh h，不考，不考虑表面散热，虑表面散热，b b=0=0，则

37、有：，则有：Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环在熔合线上：在熔合线上：在在T TA A1 1 HAZHAZ边界上：边界上：WMhBvcQTT242. 00)(242. 001hWABBhvcQTT可得熔合线的位置：可得熔合线的位置：代入可得代入可得HAZ边界的宽度：边界的宽度：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算)(242. 00TThvcQBMW00100111242. 0)(242. 0)(242. 0TTTThvcQTThvcQTThvcQBMAMAh可求可求: :(1)HAZ(1)HAZ内任一点的最高温度内任一点的最高温度; (2)HAZ; (2)

38、HAZ的宽度的宽度; ; (3)(3)预热温度预热温度; ;可确定预热温度对可确定预热温度对T Tmm、HAZHAZ宽度的影响。宽度的影响。Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环讨论讨论11薄件薄件： 讨论讨论2 2：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算01 ,rTEvQTmm0200234. 0)(TvrcQrTm厚大焊件最高温度厚大焊件最高温度T Tmm为：为：对于厚大焊件对于厚大焊件: : 从理论上讲，当从理论上讲，当r r0 0=0=0或或y y0 0=0=0时，对厚大焊件时，对厚大焊件或薄板或薄板T Tmm ，这时绝对不可能的！完全由理论计这时绝对不

39、可能的！完全由理论计算的最高温度需要修正！算的最高温度需要修正！02000)21 (242. 0)(TabyhyvcQyTm薄板焊件最高温度薄板焊件最高温度T Tmm为：为：hTyTEvQTmmm1 ,1 ,0Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环对于薄板对于薄板: :3 3、经验公式、经验公式 由传热理论推导出的计算公式，由于其原由传热理论推导出的计算公式，由于其原始的理论条件与实际的情况有较大差异，故始的理论条件与实际的情况有较大差异，故准确性方面存在不足。因此，应当考虑金属准确性方面存在不足。因此，应当考虑金属材料熔点的限制。故而，有人在理论的基础材料熔点的限制。故而，有人

40、在理论的基础上通过实验建立了一些经验公式。上通过实验建立了一些经验公式。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环3 3、经验公式、经验公式(1)(1)薄板：薄板：(2)(2)厚板：厚板：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算00011TTEhyceTTMm00011TTEecrTTMm式中：式中：T T0 0初始温度初始温度; ; T TMM母材熔点母材熔点; ; T Tmm某点最高温度某点最高温度; ; h h板厚；板厚；E E焊件线能量；焊件线能量； c c容积比热容容积比热容; ;r r0 0, , y

41、 y0 0某点到热源移动轴向的垂直距离某点到热源移动轴向的垂直距离; ;Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环二、二、相变温度以上停留时间相变温度以上停留时间tH的计算的计算 在一定温度在一定温度( (包括相变温度包括相变温度) )停留时间从传停留时间从传热理论上直接推导数学表达式还存在一定的热理论上直接推导数学表达式还存在一定的困难。目前所采用的方法是理论计算与图解困难。目前所采用的方法是理论计算与图解相结合的方法。基本思路为引入无量钢判据，相结合的方法。基本思路为引入无量钢判据，再用图解法求得。再用图解法求得。 2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part

42、 VI Part VI 焊接热循环焊接热循环二、二、相变温度以上停留时间相变温度以上停留时间tH的计算的计算2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环T1tt2tHtmTHTO0T从热循环曲线上可以看出，由从热循环曲线上可以看出，由T T0 0上升到上升到T T所需所需 时间为时间为t t1 1，由，由T T0 0经最高温度经最高温度T Tmm再冷再冷 却至却至T T所需时间为所需时间为t t2 2，则有：，则有： t tHH= =t t2 2- -t t1 11 1、厚大焊件、厚大焊件 利用厚大焊件高速热源传热公式：利用厚大焊

43、件高速热源传热公式： 2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算2002vreaQTTm)4exp(2200atrvtQTT)41exp(42)4exp(22020202000atratrvreaQatrvtQTTTTm最高温度计算公式：最高温度计算公式：两式相比，可得：两式相比，可得：00TTTTm2034ratH定义无因次参数：定义无因次参数：无因次温度：无因次温度：无因次时间：无因次时间：Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环)(2020TTveaQrm1 1、厚大焊件、厚大焊件2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part VI Part

44、VI 焊接热循环焊接热循环024681012142 . 04 . 06 . 08 . 0H2H323 把把 和和 3H3H绘成图，体现了厚大焊件上各绘成图，体现了厚大焊件上各点的热循环。不同的金属、不同的焊接方法点的热循环。不同的金属、不同的焊接方法和焊接线能量，厚大焊件上任意点可有各种和焊接线能量，厚大焊件上任意点可有各种各样的热循环，借助无因次参数表示出一条各样的热循环，借助无因次参数表示出一条综合曲线，把它们的关系大大简化，并且可综合曲线，把它们的关系大大简化，并且可以很方便地查出以很方便地查出 和和 3H3H的对应关系。的对应关系。1 1、厚大焊件、厚大焊件2.2.4 4 焊接热循环参

45、数的计算焊接热循环参数的计算)(2020TTveaQrm)(203TTvQetmHHartHH4203根据相似原理，可得：根据相似原理，可得：而而可得：可得：Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环024681012142 . 04 . 06 . 08 . 0H2H323)(03TTvQftmHefH233令：令：可得：可得： 此式为厚大焊件此式为厚大焊件上某点热循环在上某点热循环在温度温度T T以上停留时以上停留时间的计算公式。间的计算公式。（2 2） ：初始温度增加，高温停留时：初始温度增加，高温停留时间延长，晶粒易长大，间延长，晶粒易长大，HAZHAZ脆化。脆化。讨论：讨论：

46、（1 1）1 1、厚大焊件、厚大焊件 2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算vQtHHtT0Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环严格控制焊接热输入严格控制焊接热输入工件若必须预热、则须严格控制预热温度工件若必须预热、则须严格控制预热温度2 2、薄板焊件、薄板焊件 利用薄板高速焊接温度场计算公式，暂不考虑利用薄板高速焊接温度场计算公式，暂不考虑散热：散热： 2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算)421exp(222)4exp()(22000202100atyatyeyhvcQatytcvhQTTTTm最高温度计算公式：最高温度计算公式：两式相

47、比，可得：两式相比，可得：00TTTTm2024yatH定义无因次参数：定义无因次参数：无因次温度：无因次温度：无因次时间：无因次时间：)4exp()(220210atytcvhQTTeyhvcQTTm2200Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环eTThvcQym21)(002 2、薄板焊件、薄板焊件2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环024681012142 . 04 . 06 . 08 . 0H2H323 同样可以很方便地查出同样可以很方便地查出 和和 2H2H的对应的对应关系。从图中可以看出，薄板关系

48、。从图中可以看出，薄板 2H2H 比厚大焊比厚大焊件件 3 3HH值要大的多，也就意味着薄板焊接时值要大的多，也就意味着薄板焊接时比厚大件焊接时（相同焊接热输入）高温停比厚大件焊接时（相同焊接热输入）高温停留时间要长。留时间要长。1 1、厚大焊件、厚大焊件2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算eTThvcQym21)(002022202)(181)(8TTcvhQeaTThvcQetmHmHHaytHH4202根据相似原理，可得：根据相似原理，可得：而而可得：可得：Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环令：令：可得：可得： 此式为薄板焊件此式为薄板焊件上某点热循

49、环在上某点热循环在温度温度T T以上停留时以上停留时间的计算公式。间的计算公式。efH8222022)(TTcvhQftmH讨论：讨论：（1 1） : :相同焊接热输入下，相同焊接热输入下， 薄板焊接高温停留时间要长。薄板焊接高温停留时间要长。（2 2）（3 3） （平方关系）：初始温度（预（平方关系）：初始温度（预热）影响对薄板要大的多。热）影响对薄板要大的多。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算2vQTmHtT021hTmPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环严格控严格控制焊接制焊接热输入热输入工件若必须预热、则工件若必须预热、则须严格控制预热温度须严格控

50、制预热温度2 2、相变温度以上停留时间、相变温度以上停留时间t tH H的计算的计算 和和 2H2H、 3H3H的具有一一对应关系，的具有一一对应关系， f f2 2和和f f3 3又是又是 2H2H、 3H3H的函数，所以的函数，所以f f2 2、f f3 3与与 也具有一一对应关系。也具有一一对应关系。 薄板和厚大焊件焊接时，根据焊接薄板和厚大焊件焊接时，根据焊接时的最高温度时的最高温度T Tmm，预热温度，预热温度T T0 0以及相以及相变温度变温度T T计算计算 ，从图表中查出，从图表中查出f f2 2和和f f3 3，然后根据焊接线能量然后根据焊接线能量q/vq/v( (q/vhq/

51、vh) )从推出从推出的计算公式求出的计算公式求出t tHH 。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环三、三、瞬时冷却速度的瞬时冷却速度的c的计算的计算 试验证明，焊缝和熔合线附近的冷却速度试验证明，焊缝和熔合线附近的冷却速度几乎相同，因为距焊缝的不远的各点，某瞬时几乎相同，因为距焊缝的不远的各点，某瞬时温度的冷却速度相差不多，最大约差温度的冷却速度相差不多，最大约差510%510%， 因此，在计算时只需计算焊缝的冷却速度因此，在计算时只需计算焊缝的冷却速度即可。即可。1 1、厚大焊件、厚大焊件2 2、薄板焊件、薄板焊件2.

52、2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环1 1、厚大焊件、厚大焊件厚大焊件高速焊接传热公式厚大焊件高速焊接传热公式：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算)4exp(2200atrvtQTTvtQTT20取取r r0 0=0(=0(即在焊缝上即在焊缝上) )：取微分，得出厚板焊件瞬时冷却速度：取微分，得出厚板焊件瞬时冷却速度：QTTvt)(210vQTTdtdTc20)(2讨论：讨论：（1） （2）cT0cvQPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环2 2、薄板焊件、薄板焊件高速热源、不考虑散热，传热

53、公式：高速热源、不考虑散热，传热公式：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算230)()(2vhQTTcdtdTc)4exp()4(20210atytcvhQTT210)4(tcvhQTT取r0=0(即在焊缝上)：取微分，得薄板焊件瞬时冷却速度：)(410TTQcvht213)(4tcvhQdtdT讨论：（1） （2） （3）薄板焊接，谨防过热，焊接线能量适中。薄板焊接，谨防过热，焊接线能量适中。cT0cvq2hcPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环3 3、临界板厚、临界板厚 板厚对冷却速度板厚对冷却速度c c影响很大，但在一定焊接影响很大，但在一定焊接热输入

54、下，薄板厚度增加到一定程度后，对冷却热输入下，薄板厚度增加到一定程度后，对冷却速度将不产生影响，相当于半无限体的情况，此速度将不产生影响，相当于半无限体的情况，此时的板厚称为临界板厚。临界板厚的理论条件为时的板厚称为临界板厚。临界板厚的理论条件为两情况下的冷却速度相等，即：两情况下的冷却速度相等，即：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算23020)()(2)(2vhqTTcvqTTPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环3 3、临界板厚、临界板厚2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算h hc c不是定值，受焊接热输入、材料热物理参数、不是定值，

55、受焊接热输入、材料热物理参数、以及预热温度的影响。以及预热温度的影响。整理可得临界板厚为：整理可得临界板厚为：00TTcETTcvQhcPart VI Part VI 焊接热循环焊接热循环（1 1）当板厚）当板厚h h h hc c时，按厚大件处理。时，按厚大件处理。3 3、临界板厚、临界板厚 对低碳钢来讲，根据试验结果，厚度对低碳钢来讲，根据试验结果，厚度25mm25mm以上的厚板都可视为厚大件处理，而厚度在以上的厚板都可视为厚大件处理，而厚度在8mm8mm以下的则视为薄板件处理。因此，临界板厚以下的则视为薄板件处理。因此，临界板厚h hc c是是一个范围一个范围( (如如825 mm)82

56、5 mm)，而不是一个定值。那么，而不是一个定值。那么处于临界板厚范围的中厚板的冷却速度则需要特处于临界板厚范围的中厚板的冷却速度则需要特别考虑。别考虑。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环其中修正系数其中修正系数KK是无因次参数是无因次参数 的函数的函数: : KK= =f f( ( ), ), 计计算出算出 之后：之后：可从图中查出可从图中查出KK值值, , 代入即可求得中厚板的冷却速代入即可求得中厚板的冷却速度。度。4 4、中厚板的冷却速度、中厚板的冷却速度 当板厚介于当板厚介于8-25 mm8-25 mm之间时，可

57、利用厚板公之间时，可利用厚板公式并乘以一个修正系数式并乘以一个修正系数KK，即：，即：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算vqTTKc20)(2)(202TTchvq薄板半无限大体Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环4 4、中厚板的冷却速度、中厚板的冷却速度选用准则：选用准则：(1) (1) 当当 2.52.5时，作为近似计算，按薄板处理；时，作为近似计算，按薄板处理；(2) (2) 当当 0.40.40.4时，图查时，图查KK值，按修正按厚板处值，按修正按厚板处理。理。 冷却速度受材料热物性、焊接热输入冷却速度受材料热物性、焊接热输入( (q/vq/v)

58、)，预热温度预热温度T T0 0等多种因素的影响。为了得到合适的冷等多种因素的影响。为了得到合适的冷却速度，适当调节却速度，适当调节q/vq/v和和T T0 0。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算q/v和T0淬硬倾向c脆化倾向tH协调调节Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环4 4、中厚板的冷却速度、中厚板的冷却速度 若接头型式不为对接时，则需要对板厚若接头型式不为对接时，则需要对板厚h h和焊和焊接热输入接热输入q/vq/v进行修正：进行修正：2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算 接头型式接头型式修正系数修正系数平板平板堆焊堆焊 角坡口

59、角坡口搭接接头搭接接头T T型型接头接头十字十字接头接头厚度厚度h h，KK1 11 13/23/21 11 11 1焊接热输入焊接热输入q/v, Kq/v, K2 21 1180/(180-180/(180- ) )2/3(2/3(上板上板) )2/3(2/3(下板下板) )2/32/3( (下板下板) )1/21/2Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环5 5、冷却速度计算的经验公式、冷却速度计算的经验公式 由于焊接传热公式的推导存在一定的假设条由于焊接传热公式的推导存在一定的假设条件，因此基于这些公式推导的焊接冷却速度的公件，因此基于这些公式推导的焊接冷却速度的公式存在较大

60、的误差。式存在较大的误差。 为了提高精度，人们通过大量试验研究，针对为了提高精度，人们通过大量试验研究，针对不同的材料，总结出了各种类型的经验公式。不同的材料，总结出了各种类型的经验公式。2.2.4 4 焊接热循环参数的计算焊接热循环参数的计算P P的表达式见课本的表达式见课本Part VI Part VI 焊接热循环焊接热循环(1)(1)碳钢和低合金钢：碳钢和低合金钢： c c0.350.35P P0.80.8( (P P与温度、热输入、板厚有关的参数与温度、热输入、板厚有关的参数) )(2)(2)奥氏体不锈钢：奥氏体不锈钢： c c0.200.20P P0.850.85(3)(3)铝合金：