第一章 焊接熱熔及熔池的形成.doc

徐 州 工 程 學(xué) 院 教 案 紙第一章 焊接熱熔及熔池的形成從焊接發(fā)展的趨勢(shì)看，焊接逐漸轉(zhuǎn)向高效率、高質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、降低耗能的方向發(fā)展。從這一點(diǎn)出發(fā)，作為熱源則應(yīng)當(dāng)是：熱量高度集中，可快速實(shí)現(xiàn)焊接過程，并能保證得到致密的強(qiáng)韌的焊縫和最小的HAZ。本章重點(diǎn)討論：焊接熱源的種類、特點(diǎn)、焊接溫度場(chǎng)及熔池的形成過程。這些問題將對(duì)焊接化學(xué)冶金、熔池結(jié)晶、HAZ的組織和性能、以及應(yīng)力、變形、氣孔、夾雜、裂縫等缺缺陷有重要的影響1-1焊接熱源溫度場(chǎng)一、焊接熱源的種類及特征1、電弧熱：利用氣體放電過程所產(chǎn)生的熱量作為熱源，應(yīng)用 最廣泛SAW、SMAW、TIG、MIG、MAG、等離子弧切割及焊接。2、化學(xué)反應(yīng)熱：利用化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量作為熱源氣焊C2H2+O2鋁熱焊鋁熱劑1kg 750kcal Fe3O4 Fe2O3鐵粉Fe、A1粉3Fe3O4+8A1=4A12O3+9Fe+QFe2O3+2A1=2A12O3+2Fe+Q3、電阻熱 利用電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源電阻焊（點(diǎn)焊、 縫焊）高頻感應(yīng)焊、電渣焊。高頻熱源：對(duì)于具有磁性的被焊金屬，利用高頻感應(yīng)產(chǎn)生的二次電流作為熱源在局部加熱。特點(diǎn)：熱量集中，可實(shí)現(xiàn)高速焊接，但有集膚效應(yīng)。4、摩擦熱：由機(jī)械摩擦而生產(chǎn)的熱量。如：摩擦焊5、電子束：在真空中利用高壓、高速運(yùn)動(dòng)的電子激烈轟擊金屬的局部表面，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。深寬比可達(dá)40，HAZ很窄。6、激光束：是通過受激輻射而使輻射增強(qiáng)的光激光，經(jīng)過聚焦而產(chǎn)生能量高度集中的激光束來作為熱源。 表01各種熱源的主要特性HAZ的大?。貉跻胰埠?、電渣焊（10-2cm2）金屬極電弧焊、埋弧焊、TIGMIG、C02焊電子束激光束那么熱源輸入工件的熱量是否全部用于加熱焊件呢?焊件上熱能的分布又如何呢?二、焊接過程的熱效率和焊件上的熱能分布 1、焊接過程的熱效率焊接過程中由熱源提供的熱量并不是全部被利用，而是有一部分損失于周圍介質(zhì)和飛濺，即真正用于焊接的熱量只是由熱源提供熱量的一部分。條件一定時(shí)：取決因素：（1）焊接方法：能量密度 （2）焊接規(guī)范和焊接材料 ； （3）被焊金屬的尺寸、形狀及性能1）電弧焊熱效率: 圖1-1電弧焊時(shí)的熱量分配應(yīng)當(dāng)指出的是：只考慮了焊件所吸收的熱量，這部分熱量又分為兩全部分：一部分熔化金屬形成焊縫，另一部分由于熱傳導(dǎo)而流失于母材形成HAZ，而并未反映這兩部分比，嚴(yán)格地講熔化母材、焊絲形成焊縫的熱能才是真正的熱效率。2電渣焊熱效率：80%主要損失熱量，冷卻滑塊帶去的熱量圖1-2電渣焊時(shí)的熱能分布（=90mm）但HAZ寬，晶粒粗大3電子束與激光束的熱效率90%激光主要損失于焊件表面的反射(和材料的種類與表面狀態(tài)有關(guān))那么有效熱功率傳遞到工件上之后,熱能的分布又是如何呢?2、焊件加熱區(qū)上的熱能分布（電弧焊）活性斑點(diǎn)區(qū)：帶電質(zhì)點(diǎn)（電子或離子）集中轟主的部位，將電能轉(zhuǎn)為熱能，斑點(diǎn)直徑dA加熱班點(diǎn)區(qū)：該區(qū)金屬受熱量通過電弧輻射和周圍介質(zhì)的對(duì)流進(jìn)行的。斑點(diǎn)直徑Dh，該區(qū)的熱量分布是不均勻的，中心高、邊緣低。圖0-4電弧作用加熱區(qū)焊件加熱斑點(diǎn)區(qū)的熱能用比熱流來表示：比熱流：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積傳入焊件的熱能J/cm2.sqm加熱斑點(diǎn)中心的最大比熱流k熱能集中數(shù)cm-2rA點(diǎn)距加熱斑點(diǎn)中心的距離P5 圖0-5加熱斑點(diǎn)的比熱流的分布（K取決因素:焊接方法、焊接規(guī)范、被焊材料的性能。）熱能分布影響因素焊接方法：P5圖06焊接方法對(duì)熱能分布的影響焊接規(guī)范：P6圖07電流、電壓對(duì)熱能分布的影響（碳弧試驗(yàn)）一些新焊接工藝影響熱能分布影響因素會(huì)更多更復(fù)雜。例如：等離子弧焊、除I、V外、孔道長(zhǎng)度、噴嘴直徑、氬氣流量、噴嘴與工件間的距離等。由于各區(qū)的熱能分布不同，造成了各區(qū)的溫度分布不同。三、焊接溫度場(chǎng)1、焊接傳熱的基本形式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射傳導(dǎo)：發(fā)生于物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間。由于溫度不同，在物體內(nèi)部引起自由電子移動(dòng)和離子發(fā)生振動(dòng)的結(jié)果。T熱傳導(dǎo)對(duì)流：利用不同溫度地區(qū)質(zhì)點(diǎn)的比重不同來傳熱。受熱的液體或氣體上浮，而較冷的液體或氣體下沉。輻射：利用電磁波而傳遞熱量，一表面放射，另一表面吸收焊接傳熱的形式：（1）熱源傳給焊件：輻射、對(duì)流（2）母材和焊條獲得熱能之后：熱傳導(dǎo)。焊接傳熱過程所研究的主要內(nèi)容是焊件上溫度的變化和分布問題，因此研究溫度場(chǎng)以熱傳導(dǎo)主為，適當(dāng)考慮輻射和對(duì)流的作用。2、焊接溫度場(chǎng) 焊接溫度場(chǎng)研究是以等溫面或者等溫線來研究等溫面和等溫線之間溫度差的大小，可用溫度梯度來描述。（1）按穩(wěn)定性分：穩(wěn)定溫度場(chǎng)、非穩(wěn)定溫度場(chǎng)恒定熱功率的熱源固定作用于焊件上，開始溫度場(chǎng)為非穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時(shí)間后便達(dá)到了飽和狀態(tài)，形成了暫時(shí)穩(wěn)定溫度場(chǎng)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，如補(bǔ)焊。正常焊接時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間也會(huì)形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。（2）焊件尺寸、形狀分：一維、二維、三維。厚大件（半無限大）點(diǎn)狀熱源 三維X+ y+ x+結(jié)構(gòu)鋼：25mm不銹鋼：20mm薄件（無限大、一次焊透的薄板）線熱源二維X+ y+結(jié)構(gòu)鋼：8mm不銹鋼：5mm細(xì)桿件（細(xì)棒的電阻焊）面狀熱源 一維 x+3、焊接溫度場(chǎng)的影響因素： （1）熱源的性質(zhì)：氣焊：熱源作用面積較大，溫度場(chǎng)范圍大。電子束和激光焊：熱能極其集中，所以溫度場(chǎng)范圍較小。（2）焊接線能量： 由焊接能源輸入單位焊縫長(zhǎng)度上的能量P10 焊接線能量及規(guī)范對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響 等溫線范圍變小，寬度、長(zhǎng)度 等溫線范圍增大 成倍、等溫線范圍、長(zhǎng)度，寬度變化較小。（3）被焊材料的物理性質(zhì)：熱導(dǎo)率入w/cm 、容積比熱容 cp、熱擴(kuò)散系數(shù)a、熱焓 H、表面散熱系數(shù)a、比熱容C，其中入和CP影響最大。（4）焊件的形態(tài)：幾何尺寸和所處的狀態(tài)（環(huán)境溫度、預(yù)熱、后熱）厚大件、薄件、細(xì)桿。（5）熱源的作用時(shí)間和移動(dòng)速度。1-2焊條的熔化和熔池的形成一、焊條的加熱及熔化焊條的加熱及熔化、熔滴的過渡特性及熔池的物理特性對(duì)焊接工藝、焊接冶金和焊接生產(chǎn)率均有很大的影響。1、焊條的加熱：用于熔化和加熱焊條的熱能：電阻熱，電弧熱，化學(xué)反應(yīng)熱（13%）（1）電阻加熱：焊接電流通過焊芯（焊絲）產(chǎn)生電阻熱。手工電弧焊時(shí)：正常規(guī)范施焊的情況下，電流對(duì)焊芯的預(yù)熱作用不大，但電流密度過大時(shí)則導(dǎo)致：飛濺焊條藥皮開裂過早脫落。藥皮過早發(fā)生反應(yīng)，喪失冶金性能，焊縫成形差，產(chǎn)生氣孔等缺陷。不銹鋼施焊時(shí)，焊2/3焊條發(fā)紅（一般比碳鋼焊條短）一般規(guī)定T焊芯600650埋弧焊時(shí)、無藥皮、可適當(dāng)j和L焊絲預(yù)熱作用熔化速度和生產(chǎn)率。（2）電弧加熱電阻加熱只是輔助加熱，而真正使焊條熔化和加熱的是電弧，由于加熱和熔化焊條的功率僅是全部功率的一部分。焊條加熱的有效系數(shù) 手工0.20.7用處：一部分用于熔化焊芯和藥皮，使焊條端部液態(tài)金屬過熱和蒸發(fā)。另一部分：用于通過熱傳導(dǎo)使焊芯深處和藥皮的溫度提高。2、焊條的熔化焊條的熔化是以周期性的滴狀進(jìn)行的，說明焊條的熔化是不均勻的（1）焊條金屬的平均熔化速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量或長(zhǎng)度（g/h）G熔化焊芯的重量 T電弧燃燒的時(shí)間焊條的熔化系數(shù)g/A、h焊接由于飛濺、氧化、金屬蒸發(fā)將損失一部分焊條金屬，因此并非所有的熔化焊條均進(jìn)入熔池形成焊縫，因此熔化系數(shù)不能真實(shí)反應(yīng)生產(chǎn)率的高低，只有熔敷系數(shù)才能反應(yīng)生產(chǎn)率的高低。平均熔敷速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)熔敷到焊縫金屬中那一部分質(zhì)量。（2）焊條的瞬時(shí)熔化速度熔滴的過度呈周期性過渡，故焊條端部熔滴質(zhì)量隨時(shí)間程周期性變化。（3）提高熔化速度的途徑焊條端部所析出的熱功率。過渡頻率、細(xì)滴過渡d熱損失使電弧活性斑點(diǎn)位于固態(tài)焊絲與熔滴的界面處在藥皮中加入鐵粉或金屬填加劑適當(dāng)電阻熱作用3、焊條金屬熔滴的過渡特性（1）研究焊條金屬熔滴過渡的意義影響到焊接過程的穩(wěn)定性、飛濺、焊縫成形、缺陷。通過調(diào)節(jié)焊接熱輸入而控制焊縫金屬的結(jié)晶，改變HAZ尺寸、性能。 控制冶金反應(yīng)熔滴過渡區(qū)調(diào)節(jié)熔滴過渡形式而焊條的熔化速度從而生產(chǎn)率。（2）熔滴的過渡形式及特征 藥皮焊條焊接時(shí)有三種形式：短路過渡，顆粒狀過度，附壁過渡而熔滴過渡形式取決于熔滴金屬上的作用力。熔滴過渡的作用力重力、表面張力、電磁力、極點(diǎn)壓力、氣體的吹力熔滴的過渡形式及特征短路過渡：焊條端部的熔滴與熔池短路接觸，由于強(qiáng)烈的過熱和電磁收縮力的作用使其爆段，直接向熔池過渡的形式（金屬小橋中的電流密度）P21圖1-18短路過渡示意圖特點(diǎn)：小電流，低電弧電壓范圍：薄板和需低熱輸入時(shí)才施焊顆粒狀過渡：（粗、細(xì)）當(dāng)電弧電壓超過一定值時(shí)，熔滴依靠表面張力可以保持在焊條端部自由長(zhǎng)大，當(dāng)促使下落的力（重力、電磁力）大于表面張力時(shí)，熔滴就離開焊條自由過渡到熔池中而不發(fā)生短路。P22圖1-19顆粒狀過渡示意圖特點(diǎn)：飛濺大、電弧不穩(wěn)定，電流大，電流和電壓波動(dòng)比短路過渡小。附壁過渡：熔滴沿著焊條端部藥皮套茼壁向熔池過渡的形式熔滴的過渡形式、尺寸、過渡頻率取決于藥皮的成份、厚度、焊芯的直徑、焊接電流和極性等因素。堿性焊條在較大的焊接電流范圍內(nèi)主要是短路過渡和大顆粒狀過渡。酸性焊條則為細(xì)顆粒過渡和附壁過渡。二、焊接熔池的形成熔池：焊接時(shí)，在母材上由熔化的焊條金屬和局部熔化的材組成只有一定幾何形狀的液態(tài)金屬叫熔池。熔池的形狀、尺寸、體積、溫度和存在時(shí)間以及液態(tài)金屬的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)熔池中的治金反應(yīng)、結(jié)晶方向、晶體結(jié)構(gòu)、夾雜物的數(shù)量及分布，以至焊接缺陷（氣孔和結(jié)晶裂紋）的產(chǎn)生均有極其重要的影響。1、熔池的形狀及尺寸熔池的形成需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間叫過渡的時(shí)期。經(jīng)過過渡時(shí)期以后就進(jìn)入準(zhǔn)過渡時(shí)期，這時(shí)熔池的形狀、尺寸和質(zhì)量不再變化，只取決于母材的種類和焊接工藝條件，并隨著熱源作同步運(yùn)動(dòng)，形狀類似于橢圓形，其輪廓為溫度等于母村的熔點(diǎn)的等溫面。IHmax Bmax（相對(duì)）Hmax Bmax2、熔池的質(zhì)量和有在時(shí)間質(zhì)量 SMAW：GP=0.616g 一般5g SAW:GP100g(1.911.5)有在時(shí)間： 熔池的最大長(zhǎng)度熔池存在的平均時(shí)間 n秒幾十秒 tcpmp-熔池質(zhì)量金屬（液態(tài)）的密度 AW焊縫的橫截面積3、熔池的溫度：熔池內(nèi)的溫度分布是不均勻的。取決于被焊材料的性質(zhì)和周圍材料的散熱條件，頭部溫度較高，尾部較低。