材料加工理論-焊接部分-第一章

1、材料的焊接性基礎(chǔ)魏艷紅現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2003年12月State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology (SKL-AWPT)焊接過程熔化極氣體保護(hù)焊熔化極氣體保護(hù)焊焊接過程什么是焊接/連接/Welding/Joining?定義 兩種或兩種以上材質(zhì)（同種或異種），通過加壓或加壓或兩者并用，來達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。v焊接熱過程的特點(diǎn)v焊接冶金學(xué)的基本知識v熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變及其性能變化v焊接缺欠的種類、防止措施v焊接裂紋的形成條件、機(jī)理和防止措施教學(xué)目的和內(nèi)容參考書目v材料加工理論講義第四

2、部分：熱加工應(yīng)力與裂紋v焊接冶金與金屬焊接性v周振豐v機(jī)械工業(yè)出版社v焊接手冊材料的焊接（第2版）v中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編著v機(jī)械工業(yè)出版社第一章 焊接熱過程1.1 焊接熱過程的特點(diǎn) 焊接熱過程：在焊接過程中，被焊金屬由于熱的輸入和傳播，而經(jīng)歷加熱、熔化（或達(dá)到熱塑性狀態(tài)），稱之為焊接熱過程。 焊接熱過程的特點(diǎn)局部性熱源的運(yùn)動性瞬時性傳熱過程的復(fù)合性第一章 焊接熱過程1.1 焊接熱過程的特點(diǎn)焊接熱過程的作用熱量大小和分布狀態(tài)決定了熔池的形狀和尺寸決定了焊接熔池進(jìn)行冶金反應(yīng)的程度影響熔池金屬凝固、相變過程不均勻的加熱和冷卻，造成不均勻的應(yīng)力狀態(tài)冶金、應(yīng)力和被焊金屬組織的共同影響，可能產(chǎn)生各種

3、焊接裂紋和其他缺陷影響熱影響區(qū)金屬的組織的轉(zhuǎn)變和性能的變化決定母材和焊材的熔化速度，因而影響焊接生產(chǎn)率1.2 焊接熱源及焊接方法1.2.1 焊接熱源的種類電弧熱：利用氣體介質(zhì)中的電弧放電過程所產(chǎn)生的熱能作為熱源（手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊等）化學(xué)熱：利用可燃?xì)怏w（液化氣、乙炔）或鋁、鎂熱劑與氧或氧化物發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)時所產(chǎn)生的熱能作為熱源（氣焊、熱劑焊）電阻熱：利用電流通過導(dǎo)體及其界面時所產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源（電阻焊和電渣焊）摩擦熱：由機(jī)械高速摩擦所產(chǎn)生的熱能作為熱源（摩擦焊、攪拌摩擦焊）電子束：在真空中利用高壓下高速運(yùn)動的電子猛烈轟擊金數(shù)局部表面，使動能轉(zhuǎn)換為熱能（電子束焊）激光束：利用受激

4、輻射而增強(qiáng)的光，經(jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源（激光焊接與切割）焊接熱源及焊接方法示例一雙絲焊（熔化極氣體保護(hù)焊）熔化極氣體保護(hù)焊-三絲焊 三絲焊接系統(tǒng)圖例為采用電流相位控制脈沖，電弧在三條焊絲上輪流燃燒，在保證電弧挺度的同時，通過調(diào)節(jié)各焊絲之間的位置關(guān)系及其焊接方向的夾角，來改變能量分布，使焊接過程穩(wěn)定，從而減少咬邊及駝峰等成形缺陷。該方法可用于角焊縫的高速焊接，焊速可以達(dá)到1.8 m/min。熔化焊過程焊接熱源及焊接方法實(shí)例二攪拌摩擦焊 Friction Stir Welding（FSW）焊縫焊縫攪拌肩攪拌肩攪拌頭攪拌頭攪拌針攪拌針工件工件 焊接過程縱剖面示意攪拌摩擦焊原理 T

5、he Principle of Friction Stir Welding焊接方向焊接方向旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向 焊接過程頂示圖(Plan view of FSW ) 攪拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding 焊縫頂視圖攪拌摩擦焊原理 The Principle of Friction Stir Welding焊接焊接方向方向5083 5083 鋁合金鋁合金攪拌摩擦焊/Fraction Stir Welding 1.2.2焊接熱源的特點(diǎn)熱 源最小加熱面積cm2最大功率密度W.cm-2溫度乙炔火焰10-22 1033200 金屬極電弧10-31046

6、000K鎢極氬弧焊（TIG）10-31.5 1048000K埋弧焊10-32 1046400K電渣焊10-21042000熔化極氬弧焊(MIG)10-4104 105CO2氣體保護(hù)焊10-4104 105等離子焰10-51.5 10518000K 24000K電子束10-7107 109激光束10-8107 1091.2.3 焊接熱效率電弧焊時的熱量分配a) 厚皮焊條（I=150-250A, U=35V）b) 埋弧焊（I=1000A, U=36V,v=36mm/h1.2.3 焊接熱效率在電弧焊接過程中，電弧功率，即：電弧在單位時間內(nèi)放出的熱量為：q0=UI (W)，U-電弧電壓（V），I-焊接

7、電流(A)電弧有效熱功率q=q0， -焊接熱效率焊接熱效率焊接方法焊條電弧焊埋弧焊電渣焊電子束激光焊鎢極氬弧焊熔化極氣體保護(hù)焊077-0.870.77-0.900.830.900.900.68-0.85鋼：0.66-0.69(鋁：0.70-0.85)1.2.4 焊件上的熱量分布 加熱斑點(diǎn)：熱源傳熱給工件的加熱面積 斑點(diǎn)半徑：電弧傳給焊件的熱能中，95%落在加熱斑點(diǎn)內(nèi)，該半徑為斑點(diǎn)半徑。 熱流密度：單位時間內(nèi)通過單位面積提供給焊件的熱能。加熱斑點(diǎn)上熱流密度的分布a)熱源在焊件上的分布b)熱源密度的分布1.2.4 焊件上的熱量分布)exp()(2Krqrqmq(r)-A點(diǎn)的熱流密度（w/m2）;q

8、m加熱斑點(diǎn)中心的最大熱流密度（ w/m2 ）;K熱能集中系數(shù)(1/ m2);rA點(diǎn)距加熱斑點(diǎn)的距離（m）。 Gaussian 分布1.2.4 焊件上的熱量分布高斯曲線下面所覆蓋的全部熱功率為：02)(mqKrdrrqqUIqqKqm，K值說明熱流集中的程度。焊條電弧焊：1.2-1.4；埋弧焊：6.0；TIG焊：3.0-7.0rdrKrKqqHr2*)exp(%9520)exp(12HKrq22233)exp(05. 0HHHrKKrKr，直流TIG焊時的熱能集中系數(shù)與焊接電流的關(guān)系直流TIG焊弧長對熱能集中系數(shù)1.2.4 焊件上的熱量分布1.3 焊接溫度場1.3.1焊接傳熱的基本定律1、熱傳導(dǎo)

9、定律 熱傳導(dǎo)：物體各個部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞。 傅利葉定律2、對流換熱定律 對流：流體各個部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互參混所引起的熱量傳遞方式。 對流換熱：流體流過物體表面時，對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合起作用的傳遞過程nTqc溫度梯度。nT熱導(dǎo)率；熱流密度；cqTqKk）。對流傳熱系數(shù)（KmWK2/）；差異（流體溫度與壁面溫度的式中，KT1.3.1焊接傳熱的基本定律3、輻射換熱定律 熱輻射：物體因熱的原因而發(fā)生輻射能量的現(xiàn)象。 斯蒂芬-玻爾茲曼定律)/(67.542040KmWcTTcqr鋼的絕對溫度物體的黑度系數(shù)；式中：焊接時，溫度

10、為T的焊件，在環(huán)境溫度為Tf中冷卻，通過熱輻射發(fā)生的熱的傳遞為：)(40frTTcq1.3.1焊接傳熱的基本定律為了計(jì)算能夠用統(tǒng)一的形式，把輻射換熱的熱量qr與焊件表面的溫度落差（T-Tf）聯(lián)系起來：輻射傳熱系數(shù)。試中：rfrrTTq)(可見：ffrTTTTc4404、全部放熱 固體表面和外界的熱量交換往往同時存在對流換熱和輻射換熱兩種形式。引用一個總的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)來考慮這兩種換熱方式的綜合影響?？偟谋砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)。試中：)()(ffrkrkTTTTTqqq1.3.2 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)學(xué)描述1、熱傳導(dǎo)微分方程.)()()(QzTzyTyxTxTc式中： 密度 c 比熱 T 溫度 時間 熱導(dǎo)率對于均

11、勻、各向同性材料，且其材料熱物理性能參數(shù)與溫度無關(guān)時：QzTyTxTT)222222(1）。，為導(dǎo)溫系數(shù)（式中：smc/21.3.2 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)學(xué)描述2、初始條件和邊界條件 初始條件：初始時刻物體上的溫度分布 邊界條件：物體邊界上的熱交換條件 第一類邊界條件：規(guī)定了邊界上的溫度值； 第二類邊界條件：規(guī)定了邊界上的熱流密度； 第三類邊界條件：規(guī)定了邊界上的物體與周圍介質(zhì)間的傳熱系數(shù)及周圍介質(zhì)的溫度。1.3.2 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)學(xué)描述3、材料的熱物理性能參數(shù) 熱導(dǎo)率W/(mK)；比熱cJ/(kg K)；密度(kg/m3)； 熱擴(kuò)散率a(m2/s) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(m2K)1.3.2 熱傳導(dǎo)問題

12、的數(shù)學(xué)描述4、熱傳導(dǎo)方程的解析法H.H.雷卡林公式 焊接幾何尺寸和相應(yīng)的熱輸入的簡化模型: 1）材料熱物理性能參數(shù)不隨溫度而變化； 2）材料無論在什么溫度下都是固體，不發(fā)生相變。 3）焊件的幾何形狀是無限的：無限體、無限板和無限長桿。 4）焊接熱過程歸納為： 厚大焊件焊接-點(diǎn)熱源 薄板焊接-線熱源 細(xì)棒焊接-面熱源 1.3.3 典型的焊接溫度場1、焊接溫度場的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)（1）正常焊接條件下，焊接熱源是以一定速度沿焊縫移動的； （2）在加熱開始時，溫度升高的范圍會逐步擴(kuò)大，而達(dá)到一定極限后，不再變化，只是隨熱源移動。這種狀態(tài)稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。 （3）功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作勻速直

13、線運(yùn)動時，溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。1.3.3 典型的焊接溫度場2、厚大焊件的溫度場厚大焊件連續(xù)焊時，溫度場的計(jì)算公式：22exp20vRvxRqTT標(biāo)值。該點(diǎn)在動坐標(biāo)系中的坐距離；焊件上某一點(diǎn)距中心的熱擴(kuò)散率；焊接速度；熱導(dǎo)率；電弧有效熱功率；焊接的初始溫度；zyxRvqT,01.3.3 典型的焊接溫度場a)坐標(biāo)示意圖b)xoy面上沿x軸的不同溫度分布厚大件上點(diǎn)狀移動熱源的溫度場1.3.3 典型的焊接溫度場c)xoy面上的等溫線厚大件上點(diǎn)狀移動熱源的溫度場1.3.3 典型的焊接溫度場d) yoz面上沿y軸的不同溫度分布e) yoz面上的等溫線厚大件上點(diǎn)狀移動熱源的溫度場1.3.3 焊接溫度場TI

14、G焊（氬弧焊）溫度場實(shí)例1.3.3 焊接溫度場X-Y方向溫度場分布三維數(shù)值模擬/MARCCopyright: HIT1.3.3 焊接溫度場X-Y方向溫度場分布/全圖二維數(shù)值模擬/AdinaCopyright: HIT1.3.3 焊接溫度場三維溫度場分布三維數(shù)值模擬/MARCCopyright: HIT1.3.3 焊接溫度場二維模擬結(jié)果/AdinaCopyright: HIT1.3.3 焊接溫度場Copyright: SYSWELD1.3.3 焊接溫度場Laser WeldingMaterial: AluminumPlate thickness: 1.5mmPlate length: 20mmW

15、elding Speed: 4m/min = 66.66mm/sButt Weld without filler materialCopyright: SYSWELD1.3.3 焊接溫度場金屬熔化和焊縫形成Copyright: SYSWELD1.3.3 焊接溫度場 Steel:St52 Plate thickness: 9mm Plate length: 120mm Welding Speed: 5 mm/s = 0.3m/min Butt Weld with filler materialCopyright: SYSWELD1.3.3 焊接溫度場實(shí)測結(jié)果版權(quán)：清華大學(xué)1.3.4 影響焊接溫度

16、場的主要因素1、熱源的種類和焊接工藝參數(shù)(b)(a)(c)(d)a)v=0.5m/min b)v=1m/minc)v=1.5m/min d)=2m/min版權(quán)：北京工業(yè)大學(xué)1.3.4 影響焊接溫度場的主要因素2、被焊金屬的熱物理性能參數(shù)不同材料板上線熱源周圍的溫度場1.3.4 影響焊接溫度場的主要因素3、焊件的形態(tài)焊件的幾何尺寸、板厚和所處的狀態(tài)（預(yù)熱和環(huán)境溫度）。4、熱源的分類瞬實(shí)集中熱源：點(diǎn)焊連續(xù)作用的熱源：固定不動、正常移動和高速移動。版權(quán)：SYSWELD1.4 焊接熱循環(huán)及其主要參數(shù)一、焊接熱循環(huán)距焊縫不同距離各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)定義：焊接過程中，熱源沿焊件移動時，焊件上某點(diǎn)的溫度由低而高

17、，達(dá)到最大值后，又由高而低的變化稱為焊接熱循環(huán)。1.4 焊接熱循環(huán)及其主要參數(shù)二、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的參數(shù)v加熱速度v加熱的最高溫度（Tm）v在相變以上的停留時間(tH)v冷卻速度（T8/5） 1.4 焊接熱循環(huán)及其主要參數(shù)二、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)板厚/mm焊接方法焊接熱輸入/J.cm-1900時的加熱速度/ .s-1加熱時900 以上停留時間，/s冷卻時900 以上停留時間，/s900 冷卻速度/ .s-1500 冷卻速度/ .s-11TIG84017000.41.2240602TIG168012600.61.8120303SAW37807002.05.554125SAW7140

18、4002.5740910SAW193202004.01322515SAW420001009.0229225SAW1050006025.075511.4 焊接熱循環(huán)及其主要參數(shù)三、焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)1、加熱的溫度高 熱處理：AC3以上100-200，例如45號鋼AC3：770 焊接近縫區(qū)：接近熔點(diǎn)，鋼的熔點(diǎn)1350 2、加熱的速度快比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3、高溫停留時間短手工電弧焊：4-20S，埋弧焊：20-40S。4、自然條件下連續(xù)冷卻5、局部加熱1.4 焊接熱循環(huán)及其主要參數(shù)四、主要參數(shù)的計(jì)算1、冷卻速度碳鋼和低合金鋼，單層對接時：107 . 108 . 0arctan21/09.21635. 0hhvITTPPvc所確定的實(shí)驗(yàn)常數(shù)。由溫度、）；板厚（）；焊接電流（）；焊接速度（）；被焊金屬的初始溫度（）；求冷卻速度的溫度（熔合線處冷卻過程中所式中：ThhmmAIscmvCTCToo100/實(shí)驗(yàn)常數(shù)700540 300 h0121420h114101.4 焊接熱循環(huán)及其主要參數(shù)四、主要參數(shù)的計(jì)算2、冷卻時間T8/5三維熱傳導(dǎo)：300045/880015001)10567. 0(