焊接冶金 温度场-第2讲

1、 第一章第一章 焊接温度场与焊接温度场与 熔池形成熔池形成第一节第一节 焊接温度场焊接温度场一、焊件的加热一、焊件的加热 1. 对焊接热源的要求对焊接热源的要求 (1) 能量集中，能实现快速焊接；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的加热过程 焊接电弧焊接电弧（辐射、对流辐射、对流） 工件工件 （传导传导） 工件工件 (1)(1)焊接过程的热效率焊接过程的热效率 焊接电弧单位时间内产热能：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：单位时间内进入

2、工件中的热能： Q 工件工件 =IU ( J / s ) 为热效率为热效率加热功率的有效系数加热功率的有效系数 仅指焊件所能吸收到的热能仅指焊件所能吸收到的热能 损失的热能：损失的热能：光热辐射、对流、金属蒸发、飞溅光热辐射、对流、金属蒸发、飞溅. 在一定条件下在一定条件下为一常数为一常数. . 主要取决于热源、焊法、焊材、主要取决于热源、焊法、焊材、 母材性质及尺寸母材性质及尺寸.1-1(2)(2)焊接热能通过一定的作用面积（加热区）进入工件焊接热能通过一定的作用面积（加热区）进入工件图图 1-23. 焊件上加热区的热能分布焊件上加热区的热能分布 (1) 活性斑点区活性斑点区 活性斑点区是带

3、电质点（电子和离子）集中轰击的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 加热斑点区焊件受热是通过电弧的加热斑点区焊件受热是通过电弧的 辐射和周围介质辐射和周围介质的对流进行的的对流进行的. 加热斑点的直径为加热斑点的直径为 dH，在该区内热量的，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.焊接热能分布图焊接热能分布图图图 1-3加热斑点区的比热流分布为：加热斑点区的比热流分布为： 其中，其中，q m为斑点中心之最

4、大比热流，为斑点中心之最大比热流，k为热流集中系数，为热流集中系数，r为任意点距中为任意点距中心点的距离心点的距离. 上式用于计算：上式用于计算： a. 加热区内任意点的比热流加热区内任意点的比热流qr ; b. 电弧的全部有效热能：电弧的全部有效热能： c. 由此式还可以求出：由此式还可以求出： IUqkrdreqdFeqqmkrmAkrmq0222全2)(k rmeqrqIUkqm二、焊接温度场二、焊接温度场 1. 焊接温度场：焊接温度场： (1) 定义：定义：某瞬时，焊件上的温度分布称为某瞬时，焊件上的温度分布称为“焊接温度场焊接温度场”. 表示式：表示式： T=f (x, y, z,

5、t) 式中：式中： T焊件上某点某瞬时的温度；焊件上某点某瞬时的温度； t时间；时间； ( x, y, z)焊件上某点的空间坐标焊件上某点的空间坐标. (2) 表示方法：表示方法： 等温线（等温面）等温线（等温面） 把焊件上瞬时温度相同的各把焊件上瞬时温度相同的各 点连接在一起，成为一条线点连接在一起，成为一条线 或一个面或一个面. 1-41-4 2. 准稳定温度场准稳定温度场 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焊件上各点的温度不随时间而变动. 非稳定温度场：非稳定温度场： 焊接温度场各点的温度随时间而变动焊接温度场各点的温度随时间而变动. 准稳定温度场：准稳定温度场：

6、恒定功率的热源固定作用在焊件上时，开始一段时间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；但经过内，温度是非稳定的；但经过 一段时间之后便达到了饱和状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态，形成了暂时稳定的温度场. 焊接温度场是准稳定温度场焊接温度场是准稳定温度场 3. 焊接温度场分类焊接温度场分类 取决于取决于工件尺寸工件尺寸和和热源性质热源性质 1）三维温度场）三维温度场 厚大焊件的表面堆焊，厚大焊件的表面堆焊，三维传热三维传热，点热源点热源 T= f (x, y, z, t) 2）二维温度场）二维温度场 一次可焊透的薄板，一次可焊透的薄板，二维传

7、热二维传热 ，线热源线热源 T= f (x, y, t) 3）一维温度场）一维温度场 细棒的电阻焊对接、焊条或焊丝的加热，细棒的电阻焊对接、焊条或焊丝的加热， 一维传热一维传热，面面/体热源体热源 T= f ( z, t) 1-5在焊接速度一定的条件下，在某时刻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，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焊接温度场属于准稳定温度场焊接轴线上：焊接轴线上：r0=0, 则：则：假设焊接速度为假设焊接速度为V，则，则x=-Vt，代入

8、上式得：，代入上式得：2040( , )2ratET r tet(0, )2ETtt(0, )2EvTtx 根据焊接传热理论，焊件上某点的温度随时间的变化式根据焊接传热理论，焊件上某点的温度随时间的变化式 ： P164(1) 厚大件温度场：厚大件温度场： （点热源）（点热源）4. 焊接温度场描述焊接温度场描述图图1- 6(2)薄板薄板件温度场：件温度场： （线热源）（线热源） 也可得出同样的结论也可得出同样的结论 .式中式中: E焊接线能量焊接线能量(J/cm)； 导热系数导热系数W/(cm)；c比热容比热容J/(g)；密度密度 (g/cm3)；热扩散率，热扩散率，=/c (cm2/s)；板厚

9、板厚 (cm)；r0厚焊件上某点距离源运行轴线的垂直距离厚焊件上某点距离源运行轴线的垂直距离 (cm)；y0薄板上某点距离源运行轴线的垂直距离薄板上某点距离源运行轴线的垂直距离 (mm)；t热源到达所求点所在截面厚的传热时间热源到达所求点所在截面厚的传热时间 (s)。204012(, )2()yatET y tec t 图图1-7 5. 影响温度场的因素影响温度场的因素 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） 热源种类热源种类 焊接热源的性质不同，焊接温度场的分布也不同焊接热源的性质不同，焊接温度场的分布也

10、不同: h25mm钢板的电弧焊为点热源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，温度场范围也大气焊时，热源作用面积较大，温度场范围也大. （2） 焊接规范焊接规范 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： 以以h=1cm的低碳钢焊接为例：的低碳钢焊接为例： a. 当功率当功率q=常数时，随焊接速度常数时，随焊接速度v的增加，等温线的范围变小，且宽的增加

11、，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；度变小较明显，等温线形状变得细长； b. 当当v=常数时，随常数时，随q的增大，等温线的范围也随之增大；的增大，等温线的范围也随之增大； c. q/v保持定值，同比例改变保持定值，同比例改变q和和v，则会使等温线拉长，因而使温度，则会使等温线拉长，因而使温度 场的范围也变大场的范围也变大.图图1-8 （3）被焊金属的物理性质）被焊金属的物理性质 1）导热系数（）导热系数（） 在单位时间内，单位距离沿法线方向温度相差在单位时间内，单位距离沿法线方向温度相差1时，经过单位面积所传时，经过单位面积所传 播的热能播的热能. I. 导热系数随金

12、属的化学成分、组织和温度的不同而改变导热系数随金属的化学成分、组织和温度的不同而改变. 室温下相室温下相 差较大，差较大，T 800时趋于一致时趋于一致. II. 在在E和和 h 相同的条件下，相同的条件下， 较大的金属的温度场（等温面）较大的金属的温度场（等温面） 较小，而较小，而较小的金属的温度场（等温面）则较大较小的金属的温度场（等温面）则较大. 2）比热容（）比热容（c） 1克物质每升高克物质每升高1所需的热能所需的热能. 3）容积比热容（）容积比热容（Cp） 单位体积物质每升高单位体积物质每升高1所需要的热量所需要的热量. 4）热扩散率（）热扩散率（） 表示温度传播的速度表示温度传播

13、的速度. 5）表面散热系数（）表面散热系数（） 散热体表面与周围介质每相差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，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，特别是各种材料的热物理常数是不同的，特别是和和C对焊接温度场的分对焊接温度场的分布具有很大影响布具有很大影响.图图1-9（4）焊件板厚和形状）焊件板厚和形状 以手弧焊为例以手弧焊为例. 厚厚 板：板：h 25mm 的低碳钢；的低碳钢； h 20mm 不锈钢不锈钢. 中厚板：中厚板：h 825mm的低碳钢；的低碳钢； h 520mm的不锈钢的不锈钢. 薄薄 板：板：h 8mm的低碳钢；的低碳钢；

14、h 5mm的不锈钢的不锈钢.第三节第三节 焊条的熔化及熔池的形成焊条的熔化及熔池的形成 一、焊条熔化的特点一、焊条熔化的特点 1.焊条熔化呈周期性焊条熔化呈周期性2. 熔化速度增大，频率增高熔化速度增大，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，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，即即 ：eeqUI 式中，式中，U电弧电压；电弧电压； I 焊接电流；焊接电流； 焊条加热有效系数。焊条加热有效系数。e二、焊条的熔化速度二、焊条的熔化速度1. 平均熔化速度平均熔化速度单位时间内熔化的焊芯质量或长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

15、的平均熔化速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：度与焊接电流成正比：PMtGg式中式中 焊条金属的平均熔化速度；焊条金属的平均熔化速度； G 熔化的焊芯质量；熔化的焊芯质量； t 电弧燃烧的时间；电弧燃烧的时间； 焊接电流；焊接电流； 焊条的熔化系数焊条的熔化系数.MgP2. 平均熔敷速度平均熔敷速度单位时间内真正进入焊缝的那部单位时间内真正进入焊缝的那部 分金属的质量分金属的质量.HDDtGgH式中：式中： 焊条金属的平均熔敷速度；焊条金属的平均熔敷速度； 熔敷到焊缝金属中的金属质量；熔敷到焊缝金属中的金属质量； 焊条的熔敷系数焊条的熔敷系数.熔敷系数是真正反映焊

16、接生产率的指标熔敷系数是真正反映焊接生产率的指标 DgDG3. 损失系数：损失系数：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比量与熔化的焊芯质量之比.PHDDMDgggGGGY1(1)Hp 在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴液态金属称为熔滴.熔滴熔滴尺寸：尺寸：d 0.001 5 mm熔滴熔滴温度：温度：1800 2400 熔滴熔滴存留时间：存留时间：0.0001 0.003 s 熔滴存留时间熔滴存留时间指熔滴在焊条端头长大滞留的时间，以及指熔滴在焊

17、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从焊条端头过渡到熔池中的时间.三、熔滴：三、熔滴： 附壁过渡：附壁过渡： 熔池沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池熔池沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池 过渡的形式。过渡的形式。由于熔滴长大到一定尺寸时与熔池接触，由于熔滴长大到一定尺寸时与熔池接触，形成短路，电弧熄灭。在各种力的作用形成短路，电弧熄灭。在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。如此重复此过程。如此重复此过程。短路过渡：短路过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，在各种力的作用滴长大到较大的尺

18、寸，在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路。路。颗粒过渡：颗粒过渡：四、熔滴过渡的形式四、熔滴过渡的形式 五、熔池的形成五、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的液体金属叫熔池熔池. 1. 熔池的形状和尺寸熔池的形状和尺寸 形状：形状：不规则的半椭球形不规则的半椭球形尺寸：尺寸：长度长度L、宽度、宽度B、深度、深度H、表面积、表面积1) 1) 点热源：点热源： 2EVT2 2）长度：）长度： kETVELX熔2近似估算：近似估算： UIPqPL22 式中式中: P2 比例常数；比例常数； q 电弧功率；电弧功率； U 电弧电压；电弧电压； I 焊接电流焊接电流. 3 3）熔透面积：）熔透面积：EkFM1 4 4）表面积：）表面积：熔池的表面积取决于焊接方法和工艺参数，一般在熔池的表面积取决于焊接方法和工艺参数，一般在14cm2.焊接电流增加，熔池焊接电流增加，熔池最大深度最大深度H max 增大，增大，熔池最大宽度熔池最大宽度B max相相对减小；对减小；电