2-3焊接热循环 4.ppt

1、,2.3 焊接热循环,1.焊接热循环及其主要参数 在焊接过程中，工件的温度随着瞬时热源或移动热源的作用而发生变化，温度随时间由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化被称为焊接热循环。简单地说，焊接热源循环就是焊件上温度随时间的变化，它描述了焊接过程中热源对母材金属的热作用。,第三节 焊接热循环,2.3.1.焊接热循环及其主要参数,在焊缝两侧距焊接远近不同的点所经历的热循环是不同的（见右图），距焊缝越近的各点加热最高温度越高，越远的点，加热最高温度越低。,铝合金跨焊缝不同位置的焊接热循环,1、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

2、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。,2.3.1 焊接热循环主要参数,2、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。,2.3.1 焊接热循环主要参数,3、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11

3、00 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：,2.3.1 焊接热循环主要参数,4、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来说，我们比较关心的熔合线附近在冷却过程中经过540时的瞬时速度，或者是从800降温到500的冷却时间t8-5,因为这个温度范围是相变最激烈的温度范围。,2.3.1 焊接热循环主

4、要参数,下图给出了几个焊接热循环的主要参数,2.3.1 焊接热循环主要参数,2.3.1 焊接热循环主要参数,单层电弧焊的电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数,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实验，才能得到准确的结果。,2.3.2 焊接热循环参数计算,1、最高温度的计算 根据传热理论，焊件上某点的温度经过tm秒后达到最高温度，此时其温度变化速度应为零，即： 因此，可利用相应的热源传热公式求得Tmax值。,快速移动点热源作用下的最高温度 半无限体上离点热源移动轴的距离rx不远处，其热传播过程可以近似表达

5、为: 其中， 为平面动径的平方，动径表示点到ox轴的距离，(由于为快速移动热源，因而认为热量只沿重直运动方向的平面内传播)。 对上式取对数： 对此式求微分： 当 时，t=tm， ，所以，达到最高温度所需时间为:,2.3.2 焊接热循环参数计算,快速移动点热源作用下的最高温度 它代表有最高强度各点的轨迹 最高温度Tm为：,2.3.2 焊接热循环参数计算,快速移动线热源作用时的最高温度 快速移动线热源作用下进行平板对接焊接时，其温度为： 当 时， 对于靠近热源移动轴的点，其散热来不及显著降低，即：btm1/2,则tmy02/2a，故最高温度为： 如果考虑散热：,2.3.2 焊接热循环参数计算,快速

6、移动线热源作用时的最高温度 上面是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，故准确性方面存在不足。因此，也有人在理论的基础上通过实验建立了一些经验公式，如薄板对接焊时，母材表面上某点的最高温度计算公式为： 其中:T0薄板初始温度()； TM母材的熔化温度()； Y0与热源移动轴线的(垂直距离)(cm)。,2.3.2 焊接热循环参数计算,例题：巨型钢件表面堆焊，电流I=200A，电弧电压U=20V，电弧移动速度v=2mm/s，求出最高温度达到500之处，离堆焊轴线的距离，（此时钢开始丧失弹性）。（确定实际有效系数h=0.75）。 解：查表确定，实际有效系数h=0.7

7、5，电弧有效热功率为： q=hUI=0.7520200=3000(J/s)=720(cal/s) 单位长度上的有效能量为 q/v=3000/2=1500(J/mm)=720/0.2=3600(cal/cm) 钢在400的容积热容量为 c=0.167.8=1.25(cal/cm3 ) 所以，Tm=0.234q/cvrx2=673.92/rx2=500 rx21.35cm2, rx=1.16cm 即离堆焊轴线1.16处的最高温强度达到500，所需时间为 tm= rx2 /4a=1.162/40.08=4.1(s),2.3.2 焊接热循环参数计算,在一定温度(包括相变温度)以上的停留时间，可用计算方

8、法，也可用图解方法求得。 由于tH是一个复杂的函数，运算过程十分烦琐，故实际上常引无量纲判据，再用图解法求得，具体步骤为： 令： 为无量纲温度判据。由此求出后，按图查得f3、f2。,2、相变温度以上停留时间的计算,2.3.2 焊接热循环参数计算,2、相变温度以上停留时间tH的计算 点热源作用时（厚大件上堆焊），用无因次系数f3，此时有： 线热源作用时（薄板上焊接），用无因次系数f2，此时有： 由公式可见：随焊接线能量q/v的增加，高温停留时间tH增大，且薄板焊接时，tH显著增加。,2.3.2 焊接热循环参数计算,3、瞬时冷却速度c的计算 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

9、的不远的各点，某瞬时温度的冷却速度相差不多，最大约差510%，因此在计算时只需计算焊缝的冷却速度即可。,2.3.2 焊接热循环参数计算,移动点热源（大厚板堆焊）时c的计算 由传热公式： 取r0=0(即在焊缝上)，并对t进行微分,2.3.2 焊接热循环参数计算,移动线热源（薄板对接）时c的计算 由传热公式： 令y0=0，并对t求微分：,2.3.2 焊接热循环参数计算,一般来说，当板厚大于25时，可将其视为厚板，板厚小于8时，可视为薄板，分别套用上述二公式。当板厚介于8-25之间时，可利用原板公式并乘以一个修正系数K，即： 其中修正系数K=f()， 可由右图来查得。 为无量纲系数。 先求出，再按右

10、图查得K，代入上式，即可求出中厚板的冷却速度c。,2.3.2 焊接热循环参数计算,多层焊接时，焊接坡口由若干焊道填满，焊道覆盖于前一道焊道的上部，并产生相互的热作用，使焊道被加热若干次。在T型接头双面单道角焊缝、十字接头或搭接接头时，也有某种类型的多次加热。 按照多次加热的局部迭加的相对位置，可区分为两种极限情况。即“长段多层焊”和“短段多层焊”。,2.3.3 多层焊时的焊接热循环,1. 长段多层焊时的热循环 每次焊缝的长度较长(约为1.01.5m以上)，此时，当焊完前一层，再焊后一层时，前层焊道已基本冷却到了较低的温度（一般多在100200）。,2.3.3 多层焊时的焊接热循环,右图为长段多

11、层焊时，焊接热循环变化示意图，在靠近焊缝的母材上，每一点只,有一次超过奥氏体化温度AC3，如果产生了马氏体组织，它将被后续焊道退火，退火后的马氏体硬度下降，使其强化行为变得更为有利，但是裂纹也可能在后一道焊接之前的短暂时间间隔内产生。 前层对后层预热；后层对前层退火！,1. 长段多层焊时的热循环 右图示出了焊接接头的热影响区的横截面上峰值温度的局部分布和重复的时间顺序示意图。横截面上各点多次受热的情况取决于点的位置，有的点可能经历三次以上的重迭热循环。每次循环的峰值温度均不相同，结果造成许多不同的显微组织，并相应的改变其力学性能。,2.3.3 多层焊时的焊接热循环,2.短段多层焊时的热循环 短

12、段多层焊时，每层焊缝较短（约为50400），此时，前层焊接道尚未冷却，就开始了下一道的焊接，后条焊道是在前一条焊造成的预热状态下进行焊接的。,2.3.3 多层焊时的焊接热循环,避免了奥氏体华时的晶粒过分长大,避免了焊接过程中的马氏体相变,2.短段多层焊时的热循环 如果适当选择焊接参数和焊缝长度，就可保证使第一焊道的冷却温度一开始就不降低至马氏体生成温度Ms点以下，并随后续焊道的完成，相对缓慢地下降，这有利于产生贝氏体组织以代替马氏体。 而在焊接最后一道焊缝时，由于预热的结果，有利于其冷却速度的降低。 这种方法可使每道焊缝的奥氏体化时间相对来说都很小，避免了不良的晶粒粗化。适合于硬化倾向大和晶粒

13、粗化倾向大的钢材的焊接。 这种工艺的缺点是操作烦琐，生产率低。,2.3.3 多层焊时的焊接热循环,2.短段多层焊时的热循环 对于短段多层来说，确定出合适的焊道长度具有重要意义。由焊接传热公式： 以焊缝上某点的热循环代替近缝区的热循环，即取Y0=0，并忽略散热系数(b=0) 。 则焊缝移动轴线上各点的冷却时间为：,2.3.3 多层焊时的焊接热循环,2.短段多层焊时的热循环 为使金属不发生淬火，则冷却的温度应不低于TB(TBMs+5080)，对于低合金钢，Ms=200350。 假如经过tc时间后，第一层焊缝可冷却到TB，则 其中，t2电弧净燃点烧时间； t1电弧间断时间。 令电弧净烧系数为k2，k2=t2/tc，t2=k2/tc。 一般，手工多层焊时，取k2=0.6 0.8， 自动焊多层焊时，取 k2=1。,2.3.3 多层焊时的焊接热循环,2.短段多层焊时的热循环 所以，焊缝的实际长度l=vt2=vk2tc。将TB和tc代入上式，得 其中，k3接头形式系数， 对接接头： k3 =1.5 十字接头： k3 =0.8 丁安接头： k3 =0.9 搭接接头：k3 =0.9 由此可确定焊缝的合适长度。,2.3.3 多层焊