材料加工理论焊接部分第一章

1、材料加工理论焊接部分第一章焊接过程熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊焊接过程什么是焊接/连接/Welding/Joining?定义 两种或两种以上材质（同种或异种），通过加压或加压或两者并用，来达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。v焊接热过程的特点v焊接冶金学的基本知识v热影响区组织转变及其性能变化v焊接缺欠的种类、防止措施v焊接裂纹的形成条件、机理和防止措施教学目的和内容参考书目v材料加工理论讲义第四部分：热加工应力与裂纹v焊接冶金与金属焊接性v周振丰v机械工业出版社v焊接手册材料的焊接（第2版）v中国机械工程学会焊接学会编著v机械工业出版社第一章 焊接热过程1.1 焊接热过程的特点

2、焊接热过程：在焊接过程中，被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态），称之为焊接热过程。 焊接热过程的特点 局部性 热源的运动性 瞬时性 传热过程的复合性第一章 焊接热过程1.1 焊接热过程的特点 焊接热过程的作用热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸决定了焊接熔池进行冶金反应的程度影响熔池金属凝固、相变过程不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生各种焊接裂纹和其他缺陷影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率1.2 焊接热源及焊接方法1.2.1 焊接热源的种类 电弧热：利用气体介质中

3、的电弧放电过程所产生的热能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等） 化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热剂焊） 电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊） 摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、搅拌摩擦焊） 电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金数局部表面，使动能转换为热能（电子束焊） 激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）焊接热源及焊接方法示例一双丝焊（熔化极气体保护焊）熔化极气体保护焊-三丝焊 三丝焊接系统图

4、例为采用电流相位控制脉冲，电弧在三条焊丝上轮流燃烧，在保证电弧挺度的同时，通过调节各焊丝之间的位置关系及其焊接方向的夹角，来改变能量分布，使焊接过程稳定，从而减少咬边及驼峰等成形缺陷。该方法可用于角焊缝的高速焊接，焊速可以达到1.8 m/min。熔化焊过程焊接热源及焊接方法实例二搅拌摩擦焊 Friction Stir Welding（FSW）焊缝焊缝搅拌肩搅拌肩搅拌头搅拌头搅拌针搅拌针工件工件 焊接过程纵剖面示意搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding焊接方向焊接方向旋转方向旋转方向 焊接过程顶示图(Plan view of FSW ) 搅拌

5、摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding 焊缝顶视图搅拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding焊接焊接方向方向5083 5083 铝合金铝合金搅拌摩擦焊/Fraction Stir Welding 焊接热源的特点热 源最小加热面积cm2最大功率密度W.cm-2温度乙炔火焰10-22 1033200 金属极电弧10-31046000K钨极氩弧焊（TIG）10-31.5 1048000K埋弧焊10-32 1046400K电渣焊10-21042000熔化极氩弧焊(MIG)10-4104 105CO2气体

6、保护焊10-4104 105等离子焰10-51.5 10518000K 24000K电子束10-7107 109激光束10-8107 1091.2.3 焊接热效率电弧焊时的热量分配厚皮焊条（I=150-250A, U=35V）a)埋弧焊（I=1000A, U=36V,v=36mm/h1.2.3 焊接热效率在电弧焊接过程中，电弧功率，即：电弧在单位时间内放出的热量为：q0=UI (W)，U-电弧电压（V），I-焊接电流(A)电弧有效热功率q=q0， -焊接热效率焊接热效率焊接方法焊条电弧焊埋弧焊电渣焊电子束激光焊钨极氩弧焊熔化极气体保护焊077-0.870.77-0.900.830.900.90

7、0.68-0.85钢：0.66-0.69(铝：0.70-0.85)1.2.4 焊件上的热量分布 加热斑点：热源传热给工件的加热面积 斑点半径：电弧传给焊件的热能中，95%落在加热斑点内，该半径为斑点半径。 热流密度：单位时间内通过单位面积提供给焊件的热能。加热斑点上热流密度的分布a)热源在焊件上的分布b)热源密度的分布1.2.4 焊件上的热量分布)exp()(2Krqrqmq(r)-A点的热流密度（w/m2）;qm加热斑点中心的最大热流密度（ w/m2 ）;K热能集中系数(1/ m2);rA点距加热斑点的距离（m）。 Gaussian 分布1.2.4 焊件上的热量分布高斯曲线下面所覆盖的全部热

8、功率为：02)(mqKrdrrqqUIqqKqm，K值说明热流集中的程度。焊条电弧焊：；埋弧焊：；TIG焊：rdrKrKqqHr2*)exp(%9520)exp(12HKrq22233)exp(05. 0HHHrKKrKr，直流TIG焊时的热能集中系数与焊接电流的关系直流TIG焊弧长对热能集中系数1.2.4 焊件上的热量分布1.3 焊接温度场焊接传热的基本定律1、热传导定律 热传导：物体各个部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。 傅利叶定律2、对流换热定律 对流：流体各个部分之间发生相对位移，冷、热流体相互参混所引起的热量传递方式。 对流换热：流

9、体流过物体表面时，对流和热传导联合起作用的传递过程nTqc温度梯度。nT热导率；热流密度；cqTqKk）。对流传热系数（KmWK2/）；差异（流体温度与壁面温度的式中，KT焊接传热的基本定律3、辐射换热定律 热辐射：物体因热的原因而发生辐射能量的现象。 斯蒂芬-玻尔兹曼定律)/(67.542040KmWcTTcqr钢的绝对温度物体的黑度系数；式中：焊接时，温度为T的焊件，在环境温度为Tf中冷却，通过热辐射发生的热的传递为：)(40frTTcq焊接传热的基本定律为了计算能够用统一的形式，把辐射换热的热量qr与焊件表面的温度落差（T-Tf）联系起来：辐射传热系数。试中：rfrrTTq)(可见：ff

10、rTTTTc4404、全部放热 固体表面和外界的热量交换往往同时存在对流换热和辐射换热两种形式。引用一个总的表面传热系数来考虑这两种换热方式的综合影响。总的表面传热系数。试中：)()(ffrkrkTTTTTqqq1.3.2 热传导问题的数学描述1、热传导微分方程.)()()(QzTzyTyxTxTc式中： 密度 c 比热 T 温度 时间 热导率对于均匀、各向同性材料，且其材料热物理性能参数与温度无关时：QzTyTxTT)222222(1）。，为导温系数（式中：smc/21.3.2 热传导问题的数学描述2、初始条件和边界条件 初始条件：初始时刻物体上的温度分布 边界条件：物体边界上的热交换条件

11、第一类边界条件：规定了边界上的温度值； 第二类边界条件：规定了边界上的热流密度； 第三类边界条件：规定了边界上的物体与周围介质间的传热系数及周围介质的温度。1.3.2 热传导问题的数学描述3、材料的热物理性能参数 热导率W/(mK)；比热cJ/(kg K)；密度(kg/m3)； 热扩散率a(m2/s) 表面传热系数W/(m2K)1.3.2 热传导问题的数学描述4、热传导方程的解析法H.H.雷卡林公式 焊接几何尺寸和相应的热输入的简化模型: 1）材料热物理性能参数不随温度而变化； 2）材料无论在什么温度下都是固体，不发生相变。 3）焊件的几何形状是无限的：无限体、无限板和无限长杆。 4）焊接热过

12、程归纳为： 厚大焊件焊接-点热源 薄板焊接-线热源 细棒焊接-面热源 1.3.3 典型的焊接温度场1、焊接温度场的准稳定状态（1）正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的； （2）在加热开始时，温度升高的范围会逐步扩大，而达到一定极限后，不再变化，只是随热源移动。这种状态称为准稳态。 （3）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。1.3.3 典型的焊接温度场2、厚大焊件的温度场厚大焊件连续焊时，温度场的计算公式：22exp20vRvxRqTT标值。该点在动坐标系中的坐距离；焊件上某一点距中心的热扩散率；焊接速度；热导率；电弧有效热功率；焊接的

13、初始温度；zyxRvqT,01.3.3 典型的焊接温度场a)坐标示意图b)xoy面上沿x轴的不同温度分布厚大件上点状移动热源的温度场1.3.3 典型的焊接温度场c)xoy面上的等温线厚大件上点状移动热源的温度场1.3.3 典型的焊接温度场d) yoz面上沿y轴的不同温度分布e) yoz面上的等温线厚大件上点状移动热源的温度场1.3.3 焊接温度场TIG焊（氩弧焊）温度场实例1.3.3 焊接温度场X-Y方向温度场分布三维数值模拟/MARCCopyright: HIT1.3.3 焊接温度场X-Y方向温度场分布/全图二维数值模拟/AdinaCopyright: HIT1.3.3 焊接温度场三维温度场

14、分布三维数值模拟/MARCCopyright: HIT1.3.3 焊接温度场二维模拟结果/AdinaCopyright: HIT1.3.3 焊接温度场Copyright: SYSWELD1.3.3 焊接温度场Laser WeldingMaterial: AluminumPlate length: 20mmButt Weld without filler materialCopyright: SYSWELD1.3.3 焊接温度场金属熔化和焊缝形成Copyright: SYSWELD1.3.3 焊接温度场 Steel:St52 Plate thickness: 9mm Plate length:

15、120mm Butt Weld with filler materialCopyright: SYSWELD1.3.3 焊接温度场实测结果版权：清华大学1.3.4 影响焊接温度场的主要因素1、热源的种类和焊接工艺参数(b)(a)(c)(d)a)v=0.5m/min b)v=1m/minc)v=1.5m/min d)=2m/min版权：北京工业大学1.3.4 影响焊接温度场的主要因素2、被焊金属的热物理性能参数不同材料板上线热源周围的温度场1.3.4 影响焊接温度场的主要因素3、焊件的形态焊件的几何尺寸、板厚和所处的状态（预热和环境温度）。4、热源的分类瞬实集中热源：点焊连续作用的热源：固定不动

16、、正常移动和高速移动。版权：SYSWELD1.4 焊接热循环及其主要参数一、焊接热循环距焊缝不同距离各点的焊接热循环定义：焊接过程中，热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。1.4 焊接热循环及其主要参数二、焊接热循环的主要参数焊接热循环的参数v加热速度v加热的最高温度（Tm）v在相变以上的停留时间(tH)v冷却速度（T8/5） 1.4 焊接热循环及其主要参数二、焊接热循环的主要参数板厚/mm焊接方法焊接热输入/J.cm-1900时的加热速度/ .s-1加热时900 以上停留时间，/s冷却时900 以上停留时间，/s900 冷却速度/ .s-1

17、500 冷却速度/ .s-11TIG84017000.41.2240602TIG168012600.61.8120303SAW37807002.05.554125SAW71404002.5740910SAW193202004.01322515SAW420001009.0229225SAW1050006025.075511.4 焊接热循环及其主要参数三、焊接热循环的特点1、加热的温度高 热处理：AC3以上100-200，例如45号钢AC3：770 焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350 2、加热的速度快比热处理快几十倍甚至上百倍。3、高温停留时间短手工电弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S。4、自然条件下连续冷却5、局部加热1.4 焊接热循环及其主要参数四、主要参数的计算1、冷却速度碳钢和低合金钢，单层对接时：107 . 108 . 0arctan21/09.21635. 0hhvITTPPvc所确定的实验常数。由温度、）；板厚（）；焊接电流（）；焊接速度（）；被焊金属的初始温度（）；求冷却速度的温度（熔合线处冷却过程中所式中：ThhmmAIscmvCTCToo100/实验常