熔化焊的热过程

熔化焊的热过程第一页，共五十页，编辑于2023年，星期三本课程参考书目:1.焊接冶金学天津大学张文钺主编2.材料成形原理华中科技大学陈昌平主编3.材料成形基本原理合肥工业大学刘全坤主编

4.金属材料成型原理江苏大学雷玉成等主编第二页，共五十页，编辑于2023年，星期三绪论本课程的研究内容:熔焊过程中的热作用液态金属与周围气体的反应,液态金属与熔渣的相互作用液态金属凝固特点焊缝金属的组织与性能,焊接热影响区的组织与性能焊接缺陷分析.焊接过程的物理本质1、什么是焊接?被焊工件的材质(同种或异种),通过加热或加压或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件达到原子间结合,形成永久性接头.第三页，共五十页，编辑于2023年，星期三微观上:原子间结合宏观上:永久性接头原子间结合,对于金属来说就是形成金属键.金属原子之间的距离达到0.3~0.5nm时,相互之间的作用力达到最大.

第四页，共五十页，编辑于2023年，星期三要让金属原子之间的距离达到0.3~0.5nm,采用加压或加压的方式:

加压:破坏氧化膜,使接触紧密.

加热:使结合处达到塑性或熔化状态,此时,接触面的氧化膜迅速破坏,降低变形阻力,增加原子的振动能,促进扩散,再结晶.

实现金属焊接所需要的压力与温度之间有一定的关系.第五页，共五十页，编辑于2023年，星期三第一节熔化焊热源及温度场

一、焊接热源焊接的能源从基本性质来看，主要是热能和机械能

对焊接热源的要求:能量密度高度集中，实现快速焊接过程，保证得到高质量(强韧而致密)焊缝和最小的焊接热影响区(HAZ)。

1、焊接热源的种类及特征⑴电弧热：利用气体介质在正负电极之间产生的强烈而持久的放电过程所产生的热能来作为焊接热源.焊接中应用最广泛的热源。

第六页，共五十页，编辑于2023年，星期三⑵等离子弧：利用等离子焊炬，将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧。利用等离子弧作为焊接热源的熔焊方法称为等离子弧焊。

⑶电子束：利用真空中被电场加速的电子轰击被焊工件表面所产生的热能作为焊接热源。如电子束焊,电子束焊的深宽比可达40以上.

⑷激光束：通过受激辐射而使放射增强的光(激光)，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源，如激光焊。

⑸化学热：利用可燃性气体的燃烧和铝、镁热剂的反应热作为焊接热源，如气焊、热剂焊。

以上是熔化焊的主要热源形式。此外，还有其它热源可用于压力焊和钎焊等。

⑹电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源(如电阻焊)。

⑺高频热源：利用高频电流或高频感应产生的二次电流作为热源，对具有磁性的金属材料进行局部集中加热，其实质是电阻加热的另一种形式。这种加热方式的能量高度集中，故可实现很高的焊接速度，如管材的高频焊。

⑻摩擦热：利用机械磨擦所产生的热量进行焊接，如摩擦焊。

第七页，共五十页，编辑于2023年，星期三热源最小加热面积/m2最大功率密度/(kW/cm2)温度/K乙炔火焰10-62×1033473金属极电弧10-71046000钨极氩弧(TIG)10-71.5×1048000埋弧焊10-72×1056400电渣焊10-61042300熔化极氩弧焊10-8104~105--等离子弧10-91.5×10518000~24000电子束10-11107~109--激光束10-12107~109--各种焊接热源的主要特性第八页，共五十页，编辑于2023年，星期三2.焊接热效率（1）电弧焊热效率

如果电弧是无感的q=UI若能量不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效功率为q=ηUIη：有效功率系数在一定条件下η是常数，主要取决于焊接方法、焊接规范、焊接材料和保护方式。第九页，共五十页，编辑于2023年，星期三（2）电渣焊热效率电渣焊时，由于熔池处于厚大件的中间，热能主要损失于强制焊缝的冷却滑块，热效率可达80%以上。电渣焊易使热影响区过宽，晶粒粗大，焊接接头的性能下降。

（3）电子束和激光焊接的热效率

他们的特点是能量高度集中，在进行焊接时能量损失较少，热效率可达90%以上3.焊件加热区的热能分布加热区——热源的能量传递给焊件时所通过的焊件表面上的区域第十页，共五十页，编辑于2023年，星期三（1）活性斑点区

带点质点直接轰击直径为dA的斑点区域，电能→热能（2）加热斑点区

在直径为dH的区域内，金属受热是通过辐射、对流进行的。加热斑点区的热能分布是不均匀的。加热斑点区的热能分布不均匀：中心高，边缘低。电流不变，电压升高，T减小；电压不变，电流升高，△T增大△第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三二、焊接温度场1.焊接时热作用的特点

（1）集中性

（2）瞬时性

2.焊接传热基本形式（根据传热学基本理论）

（1）、热传导再连续介质内部或相互接触的物体之间不发生位移，而仅依靠分子、原子等微观颗粒的热运动而产生的热量传输。

（2）、热对流由流体各质点之间的相对位移而引起的热量传输形式。温差、密度自然对流，机械力、电磁力强迫对流。

（3）、热辐射由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递。第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三焊接过程中，热源焊件对流、辐射为主母材、焊条本身热传导为主热传导过程的偏微分方程（根据傅立叶公式和能量守恒定律建立）三维传热二维传热一维传热具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。初始条件：物体开始导热时的瞬时温度分布边界条件：热导体表面与周围介质间的热交换情况。常见的三种边界条件：第一类：给定物体表面温度随时间的变化关系第二类：给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系第三类：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数a。第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期三第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期三3.焊接温度场的概念焊接温度场——某瞬时焊件上各点的温度分布

T=f(x,y,z,t)等温线（面）——焊件上瞬时温度相同的点连成的线（面）

每条线或面之存在温度差，其大小可以用温度梯度来表示：GradT第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期三稳定温度场非稳定温度场准稳定温度场第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期三第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期三数学分析法（1)数学解析的简化条件：1）焊接过程中材料的热物理常数不变，初始温度均匀2）三维或二维传热时，各方向传热互不影响3）焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型：半无限大物体三维传热点热源无限薄物体二维传热线热源无限长细杆一维传热面热源4）边界条件：厚板焊件的热能全部向物体内部传导；薄板或细杆表面与介质间的热传导忽略不计5）焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变6）热源运动过程中所产生的热作用效果，可视为相继作用于不同点的无数集中热源作用的总和，而多个瞬时热源之间互不影响第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期三厚板温度场表达式1.正常速度运动时的特解：2.热源稿速度运动时的近似解：

薄板温度场表达式1.正常速度运动时的特解：2.热源稿速度运动时的近似解：第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三5.影响温度场的因素（1）热源的性质（2）焊接工艺参数qv

q一定v增大等温线的范围变小，热源集中程度增大

v一定q增大温度场的范围增大gradT↓q/v一定v较大时gradT↓（3)金属的热物理性质

热物理性质主要是指热扩散率α=λ/cρ

焊接线能量E相同a

↑gradT↑板厚其他因素不变，随板厚的减小，焊件表面的高温区域↑第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期三第二节焊接热循环

焊接时在焊接热源的作用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域称为焊接热影响区（HAZ），或称为“近缝区”一、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的变化过程称为焊接热循环。右图为低合金钢堆焊时焊件上不同点的温度图9-10低合金钢堆焊焊缝附近各点的焊接热循环第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期三（一）研究焊接热循环的意义：①找出最佳的焊接热循环；②用工艺手段改善焊接热循环；③预测焊接应力分布及改善热影响区组织。（二）焊接热循环的主要参数焊接热循环反映了焊接过程中热源对被焊金属的作用。焊接热循环曲线可分为加热和冷却两个阶段，采用四个主要参数来描述其特征。⑴加热速度ωＨ：影响加热速度的因素有1、焊接方法2、工艺条件3、被焊材料4、母材板厚加热速度ωＨ相变温度升高，奥氏体化不均匀、碳化物溶解不充分。第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期三图9-11焊接热循环的特征

⑵最高加热温度Tmax：也称为峰值温度。距焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同。焊接中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而降低材料的塑性。

第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期三⑶在相变温度以上的停留时间tH：

在相变温度以上停留时间越长，越有利于奥氏体晶粒长大，这会引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。⑷冷却速度ωC(或冷却时间t8/5)：

冷却速度是指在焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时的速度。它是决定热影响区组织和性能的参数之一。对低合金钢来说，从熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是重要的参数。用某个区间段的冷却时间表示t8/5，t8/3，t100。以上四个参数中，ωＨ、Tmax、tH、ωC中，tH为非独立参数，Tmax、ωC较为重要。焊接热循环反应了母材在热作用下的相变特点。焊接热循环曲线的获得：采用热电欧测量温度；用传热学及有限元等树枝方法模拟焊接温度场，并计算特征参数获得。第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期三表9.4 单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数

板厚mm焊接方法

焊接线能量（J.cm-1）900℃时的加热速度(℃.s-1）900℃以上停留时间/s冷却速度(℃.s-1)备

注

加热时间冷却时间

900℃

540℃

123510152550100100220钨极氩弧焊

钨极氩弧焊

埋弧自动焊

埋弧自动焊

埋弧自动焊

埋弧自动焊

埋弧自动焊

电渣焊

电渣焊

电渣焊

电渣焊

840168037807140193204200010500050400067200011760009660001700120070040020010060473。53。00。40。62。02。54。09。025。0162。036。0125。01441。21。55。57132275335168312395240120544022951。02。30。830。860301295210。30。70。280。25对接不开坡对接不开坡对接不开坡口有焊垫对接不开坡口有焊垫V坡口对接有焊剂垫V坡口对接有焊剂垫V坡口对接有焊剂垫双丝三丝板丝双丝第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期三

根据焊接传热理论，配合一些实验数据，利用数学模型可以计算出焊接热循环的几个主要参数。

⑴最高温度Tm的计算：

焊件温度经t时间达到最高温度Tmax时，dT/dt=0，令，并令由T0升温到达Tm所需时间为tm，则可得：“厚板”

将上式代入得到厚板的计算公式第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三同理“薄板”

将上式代入得到“薄板”计算公式⑵瞬时冷却速度ωC的计算：

由于焊缝与熔合区的瞬时冷却速度相差不大，因此可以计算焊缝的冷却速度。

“厚板”“薄板”第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三⑶相变温度以上停留时间tH的计算：对于焊缝边界高温停留时间tH的计算表达式为：

“厚板”“薄板”⑷冷却时间tA的计算：冷却时间的长短直接影响到焊缝金属及过热区的力学性能。对于结构钢说，主要控制从A3到Tmin(奥氏体的最低温度)或到Ms的冷却时间tA。为了方便使用，统一规定A3≈800℃，Tmin≈500℃，这样可用t8/5代替tA，即

“厚板”“薄板”第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三⑸临界板厚hc的计算：

要套用公式，首先需判断是厚板还是薄板，为此引入“临界板厚”的概念。当线能量E一定时，板厚增加到一定厚度后对ωC和t8/5的影响不大。因此可将对ωC和t8/5不发生影响的板厚称为临界板厚，以hC表示。“厚板”

“薄板”这两式是等效的。当h≥hC，可以认为属于三维导热的“厚板”；若h≤hC，则可以认为属于二维导热的“薄板”；（三）焊接热循环的影响因素

对焊接热循环影响较大的因素有被焊材料的材质、接头的形状尺寸和焊接工艺条件。

⑴材质的影响：母材不同，材料的热物理性能参数不同，cρ和λ的变化将影响到焊接热循环的各个特性参数，从而得到不同的热循环曲线。但在金属材料一定的情况下，焊件形状、尺寸、线能量和预热温度等对焊接热循环曲线也有很大的影响。第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三

⑵接头形状尺寸的影响：

见图9-12。同一坡口形式，板厚增加时，冷却速度也随之增大。

⑶焊道长度的影响：在焊接条件和接头形式一定的条件下，焊道长度越短，如小于40mm时，冷却速度会急剧增大，如图9-13所示。因此，定位焊的焊道不能过短。图9-12接头形式对t8/5的影响

图9-13焊道长度对ωC和影响

第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期三⑷预热温度T0的影响：提高T0可增加tH和t8/5，但T0对在Tm附近的停留时间影响不明显，T0的增加会使热影响区宽度增加，如图9-14所示。而且提高T0会减缓冷却速度，如图9-15所示。

图9-14Tm分布与E及T0的关系图9-15焊缝边界附近焊接热循环特性与E及T0的关系

第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期三⑸线能量的影响：

E的提高会使Tm、tH和t8/5增大，而ωC降低。图9-16显示不同焊接方法，线能量E的影响程度。从该图可知，在线能量E相同时，手弧焊的冷却速度最快，埋弧焊的冷速最慢，而氩弧焊和CO2+O2焊的冷却速度基本相同，且均比埋弧焊时冷却速度快一些。这是由于焊接方法不同，散热方式也不一样，最终造成冷却速度的差异。另外，由图9-14可知，若T0相同，线能量E的增加将使图中曲线变得平缓，从而使热影响区加宽。

图9-16焊缝边界t8/5与线能量E的关系

第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期三第三节焊接接头的形成一、焊接熔池的形成1、焊接材料的熔化焊接过程中，焊接材料（焊条、焊丝）在焊接热源的作用下将被熔化，焊丝或焊条端部熔化形成的滴状液态金属——熔滴熔滴长大到一定尺寸，在各种力的作用下脱离焊条或焊丝，以滴状形式向熔池过渡。焊条的加热电弧热－－熔化焊条热能电阻热－－加热焊芯和药皮，不宜太大化学热－－药皮与金属反应，药皮自身反应（常忽略不计）第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期三电阻热过大的危害：药皮开裂或脱落，丧失冶金作用，飞溅增加，焊缝成形变坏，引起气孔等缺陷。焊芯温度＜600～650℃。电弧加热熔化焊条的功率：qe=ηeUI

ηe≈0.2~0.272、焊条金属的平均熔化速度：(gm)

单位时间内熔化焊芯的质量或长度gm＝G/t试验表明，在正常焊接条件下，焊条金属的平均熔化速度与焊接电流成正比平均熔敷速度(gH)：单位时间内真正进入焊接熔池地那部分金属质量称为平均熔敷速度；第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期三损失系数ψ：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发而损失的金属质量与熔化的焊芯原有质量之比；以上三个参数之间有如下关系gH=(1-ψ)gM

3、焊条金属的熔滴及其过渡形式熔滴－－焊条端部熔化形成的滴状液态金属熔滴长大导一定尺寸，便在各种力的作用下脱离焊条，过渡到熔池中区，然后周而复始。（1）熔滴的过渡形式1）短路过渡－－短弧焊时，焊条端部的熔滴长大到一定尺寸就与熔池发生接触，形成短路，电弧熄灭，熔滴过渡到熔池中去，电弧重新点燃。2）颗粒状过渡－－电弧的长度足够长，熔滴长大到较大尺寸，滴入熔池而不发生短路，下一周期接着进行。第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期三3）附壁过渡－－熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡。熔滴的过渡形式、尺寸和过渡频率与药皮的成分与厚度、焊芯的直径、焊接电流和极性有关。碱性焊条：主要是短路过渡和大颗粒过渡酸性焊条：主要是附壁过渡和小颗粒过渡。（2）熔滴的比表面积与相互作用时间

R越小，S越大焊接电流RS药皮中加入活性物质RSS有利于冶金反应S＝103～104cm2/Kg第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三理论上，熔滴存在的时间τ不等于熔滴与周围介质作用时间，熔滴与周围介质的平均作用时间τcp为τcp=(m0/mtr+1/2)τ

m0

:熔滴脱落后残留在焊条上的质量mtr：过渡的熔滴质量根据焊接方法、规范、电流极性和焊接材料不同，平均相互作用时间在0.1～0.2S内变化，是很短暂的。（3）熔滴的温度熔滴的温度，理论上无法精确计算，实际测量得到手工电弧焊接低碳钢熔滴的平均温度为2100～2700K。熔滴的平均温度T：IT；d(焊丝直径)T：第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三（二）熔池的形成焊接时，在热源的作用下，焊条熔化的同时被焊金属也发生局部熔化。母材上，由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液态金属－－熔池。1、熔池的形状与尺寸焊接熔池状示意图

熔池的形成需经过一个过渡期，此后就进入准稳定期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再发生变化。由右图可见，熔池为不标准的半椭球，其外形轮廓处为温度等于母材熔点的等温面。第四十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三

熔池的宽度与深度沿X轴方向连续变化。随着焊接电流的增加，熔池的Hmax增大，熔池的Bmax相对变小；随着电弧电压的升高，Hmax减小，Bmax增加。熔池的长度L可表示为：

L=P2q=P2UI (9-26)

式中，P2为比例常数；q为电弧功率；U为电弧电压；I为焊接电流。实验表明，P2和熔池的表面积都取决于焊接方法和焊接工艺参数。2、熔池的质量手工电弧焊时熔池的质量通常在0.6~16g的范围之内，一般为5g以下，实验表明：手工电弧焊时，熔池的质量与q2/v成正比。而在埋弧自动焊时，由于焊接电流值较大，熔池的质量也较大，但熔池的质量一般小于100g。

第四十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三(9-27)

式中，L为熔池长度(cm)；v为焊接速度(cm/s)。由熔池质量确定的熔池平均存在时间tcp为：(9-28)式中，GP为熔池质量(g)；ρ为熔池液态金属的密度(g/cm3)；v为焊接速度(cm/s)；FW为焊缝的横断面积(cm2)。焊接方法和焊接工艺