焊接冶金 溫度場(chǎng)-第2講

1、 第一章第一章 焊接溫度場(chǎng)與焊接溫度場(chǎng)與 熔池形成熔池形成第一節(jié)第一節(jié) 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)一、焊件的加熱一、焊件的加熱 1. 對(duì)焊接熱源的要求對(duì)焊接熱源的要求 (1) 能量集中，能實(shí)現(xiàn)快速焊接；能量集中，能實(shí)現(xiàn)快速焊接； (2) 能形成致密的焊縫和盡可能小的熱影響區(qū)能形成致密的焊縫和盡可能小的熱影響區(qū). 2. 焊接的加熱過程焊接的加熱過程 焊接電弧焊接電?。ㄝ椛洹?duì)流輻射、對(duì)流） 工件工件 （傳導(dǎo)傳導(dǎo)） 工件工件 (1)(1)焊接過程的熱效率焊接過程的熱效率 焊接電弧單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)熱能：焊接電弧單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)熱能： Q 0 = IU ( J / s ) 單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入工件中的熱能：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入

2、工件中的熱能： Q 工件工件 =IU ( J / s ) 為熱效率為熱效率加熱功率的有效系數(shù)加熱功率的有效系數(shù) 僅指焊件所能吸收到的熱能僅指焊件所能吸收到的熱能 損失的熱能：損失的熱能：光熱輻射、對(duì)流、金屬蒸發(fā)、飛濺光熱輻射、對(duì)流、金屬蒸發(fā)、飛濺. 在一定條件下在一定條件下為一常數(shù)為一常數(shù). . 主要取決于熱源、焊法、焊材、主要取決于熱源、焊法、焊材、 母材性質(zhì)及尺寸母材性質(zhì)及尺寸.1-1(2)(2)焊接熱能通過一定的作用面積（加熱區(qū)）進(jìn)入工件焊接熱能通過一定的作用面積（加熱區(qū)）進(jìn)入工件圖圖 1-23. 焊件上加熱區(qū)的熱能分布焊件上加熱區(qū)的熱能分布 (1) 活性斑點(diǎn)區(qū)活性斑點(diǎn)區(qū) 活性斑點(diǎn)區(qū)是帶

3、電質(zhì)點(diǎn)（電子和離子）集中轟擊的活性斑點(diǎn)區(qū)是帶電質(zhì)點(diǎn)（電子和離子）集中轟擊的部位，并把電能轉(zhuǎn)為熱能，該斑點(diǎn)的直徑為部位，并把電能轉(zhuǎn)為熱能，該斑點(diǎn)的直徑為dA. (2) 加熱斑點(diǎn)區(qū)加熱斑點(diǎn)區(qū) 加熱斑點(diǎn)區(qū)焊件受熱是通過電弧的加熱斑點(diǎn)區(qū)焊件受熱是通過電弧的 輻射和周圍介質(zhì)輻射和周圍介質(zhì)的對(duì)流進(jìn)行的的對(duì)流進(jìn)行的. 加熱斑點(diǎn)的直徑為加熱斑點(diǎn)的直徑為 dH，在該區(qū)內(nèi)熱量的，在該區(qū)內(nèi)熱量的分布是不均勻的，中心高，邊緣低，形如立體高斯錐體分布是不均勻的，中心高，邊緣低，形如立體高斯錐體.焊接熱能分布圖焊接熱能分布圖圖圖 1-3加熱斑點(diǎn)區(qū)的比熱流分布為：加熱斑點(diǎn)區(qū)的比熱流分布為： 其中，其中，q m為斑點(diǎn)中心之最

4、大比熱流，為斑點(diǎn)中心之最大比熱流，k為熱流集中系數(shù)，為熱流集中系數(shù)，r為任意點(diǎn)距中為任意點(diǎn)距中心點(diǎn)的距離心點(diǎn)的距離. 上式用于計(jì)算：上式用于計(jì)算： a. 加熱區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)的比熱流加熱區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)的比熱流qr ; b. 電弧的全部有效熱能：電弧的全部有效熱能： c. 由此式還可以求出：由此式還可以求出： IUqkrdreqdFeqqmkrmAkrmq0222全2)(k rmeqrqIUkqm二、焊接溫度場(chǎng)二、焊接溫度場(chǎng) 1. 焊接溫度場(chǎng)：焊接溫度場(chǎng)： (1) 定義：定義：某瞬時(shí)，焊件上的溫度分布稱為某瞬時(shí)，焊件上的溫度分布稱為“焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)”. 表示式：表示式： T=f (x, y, z,

5、t) 式中：式中： T焊件上某點(diǎn)某瞬時(shí)的溫度；焊件上某點(diǎn)某瞬時(shí)的溫度； t時(shí)間；時(shí)間； ( x, y, z)焊件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo)焊件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo). (2) 表示方法：表示方法： 等溫線（等溫面）等溫線（等溫面） 把焊件上瞬時(shí)溫度相同的各把焊件上瞬時(shí)溫度相同的各 點(diǎn)連接在一起，成為一條線點(diǎn)連接在一起，成為一條線 或一個(gè)面或一個(gè)面. 1-41-4 2. 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng) 穩(wěn)定溫度場(chǎng)：穩(wěn)定溫度場(chǎng)： 焊件上各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變動(dòng)焊件上各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變動(dòng). 非穩(wěn)定溫度場(chǎng)：非穩(wěn)定溫度場(chǎng)： 焊接溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而變動(dòng)焊接溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而變動(dòng). 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：

6、恒定功率的熱源固定作用在焊件上時(shí)，開始一段時(shí)間恒定功率的熱源固定作用在焊件上時(shí)，開始一段時(shí)間 內(nèi)，溫度是非穩(wěn)定的；但經(jīng)過內(nèi)，溫度是非穩(wěn)定的；但經(jīng)過 一段時(shí)間之后便達(dá)到了飽和狀一段時(shí)間之后便達(dá)到了飽和狀 態(tài)，形成了暫時(shí)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)態(tài)，形成了暫時(shí)穩(wěn)定的溫度場(chǎng). 焊接溫度場(chǎng)是準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)是準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng) 3. 焊接溫度場(chǎng)分類焊接溫度場(chǎng)分類 取決于取決于工件尺寸工件尺寸和和熱源性質(zhì)熱源性質(zhì) 1）三維溫度場(chǎng)）三維溫度場(chǎng) 厚大焊件的表面堆焊，厚大焊件的表面堆焊，三維傳熱三維傳熱，點(diǎn)熱源點(diǎn)熱源 T= f (x, y, z, t) 2）二維溫度場(chǎng)）二維溫度場(chǎng) 一次可焊透的薄板，一次可焊透的薄板，二維傳

7、熱二維傳熱 ，線熱源線熱源 T= f (x, y, t) 3）一維溫度場(chǎng)）一維溫度場(chǎng) 細(xì)棒的電阻焊對(duì)接、焊條或焊絲的加熱，細(xì)棒的電阻焊對(duì)接、焊條或焊絲的加熱， 一維傳熱一維傳熱，面面/體熱源體熱源 T= f ( z, t) 1-5在焊接速度一定的條件下，在某時(shí)刻在焊接速度一定的條件下，在某時(shí)刻t，焊件上某點(diǎn)的溫度只與該點(diǎn)，焊件上某點(diǎn)的溫度只與該點(diǎn)距離電弧中央的位置有關(guān)，而與該點(diǎn)在焊件上的位置無關(guān)距離電弧中央的位置有關(guān)，而與該點(diǎn)在焊件上的位置無關(guān).焊接溫度場(chǎng)屬于準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)屬于準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)焊接軸線上：焊接軸線上：r0=0, 則：則：假設(shè)焊接速度為假設(shè)焊接速度為V，則，則x=-Vt，代入

8、上式得：，代入上式得：2040( , )2ratET r tet(0, )2ETtt(0, )2EvTtx 根據(jù)焊接傳熱理論，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化式根據(jù)焊接傳熱理論，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化式 ： P164(1) 厚大件溫度場(chǎng)：厚大件溫度場(chǎng)： （點(diǎn)熱源）（點(diǎn)熱源）4. 焊接溫度場(chǎng)描述焊接溫度場(chǎng)描述圖圖1- 6(2)薄板薄板件溫度場(chǎng)：件溫度場(chǎng)： （線熱源）（線熱源） 也可得出同樣的結(jié)論也可得出同樣的結(jié)論 .式中式中: E焊接線能量焊接線能量(J/cm)； 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)W/(cm)；c比熱容比熱容J/(g)；密度密度 (g/cm3)；熱擴(kuò)散率，熱擴(kuò)散率，=/c (cm2/s)；板厚

9、板厚 (cm)；r0厚焊件上某點(diǎn)距離源運(yùn)行軸線的垂直距離厚焊件上某點(diǎn)距離源運(yùn)行軸線的垂直距離 (cm)；y0薄板上某點(diǎn)距離源運(yùn)行軸線的垂直距離薄板上某點(diǎn)距離源運(yùn)行軸線的垂直距離 (mm)；t熱源到達(dá)所求點(diǎn)所在截面厚的傳熱時(shí)間熱源到達(dá)所求點(diǎn)所在截面厚的傳熱時(shí)間 (s)。204012(, )2()yatET y tec t 圖圖1-7 5. 影響溫度場(chǎng)的因素影響溫度場(chǎng)的因素 熱源種類、焊接規(guī)范、材質(zhì)物理性質(zhì)、焊件形態(tài)、熱源作用時(shí)間等熱源種類、焊接規(guī)范、材質(zhì)物理性質(zhì)、焊件形態(tài)、熱源作用時(shí)間等. （1） 熱源種類熱源種類 焊接熱源的性質(zhì)不同，焊接溫度場(chǎng)的分布也不同焊接熱源的性質(zhì)不同，焊接溫度場(chǎng)的分布也

10、不同: h25mm鋼板的電弧焊為點(diǎn)熱源鋼板的電弧焊為點(diǎn)熱源; h 100mm 鋼板的電渣焊卻認(rèn)為是線熱源鋼板的電渣焊卻認(rèn)為是線熱源. 電子束和激光焊時(shí)，熱能極其集中，溫度場(chǎng)范圍很小電子束和激光焊時(shí)，熱能極其集中，溫度場(chǎng)范圍很小; 氣焊時(shí)，熱源作用面積較大，溫度場(chǎng)范圍也大氣焊時(shí)，熱源作用面積較大，溫度場(chǎng)范圍也大. （2） 焊接規(guī)范焊接規(guī)范 相同焊接熱源，因焊接規(guī)范不同，溫度場(chǎng)的分布也有很大區(qū)別相同焊接熱源，因焊接規(guī)范不同，溫度場(chǎng)的分布也有很大區(qū)別： 以以h=1cm的低碳鋼焊接為例：的低碳鋼焊接為例： a. 當(dāng)功率當(dāng)功率q=常數(shù)時(shí)，隨焊接速度常數(shù)時(shí)，隨焊接速度v的增加，等溫線的范圍變小，且寬的增加

11、，等溫線的范圍變小，且寬 度變小較明顯，等溫線形狀變得細(xì)長；度變小較明顯，等溫線形狀變得細(xì)長； b. 當(dāng)當(dāng)v=常數(shù)時(shí)，隨常數(shù)時(shí)，隨q的增大，等溫線的范圍也隨之增大；的增大，等溫線的范圍也隨之增大； c. q/v保持定值，同比例改變保持定值，同比例改變q和和v，則會(huì)使等溫線拉長，因而使溫度，則會(huì)使等溫線拉長，因而使溫度 場(chǎng)的范圍也變大場(chǎng)的范圍也變大.圖圖1-8 （3）被焊金屬的物理性質(zhì)）被焊金屬的物理性質(zhì) 1）導(dǎo)熱系數(shù)（）導(dǎo)熱系數(shù)（） 在單位時(shí)間內(nèi)，單位距離沿法線方向溫度相差在單位時(shí)間內(nèi)，單位距離沿法線方向溫度相差1時(shí)，經(jīng)過單位面積所傳時(shí)，經(jīng)過單位面積所傳 播的熱能播的熱能. I. 導(dǎo)熱系數(shù)隨金

12、屬的化學(xué)成分、組織和溫度的不同而改變導(dǎo)熱系數(shù)隨金屬的化學(xué)成分、組織和溫度的不同而改變. 室溫下相室溫下相 差較大，差較大，T 800時(shí)趨于一致時(shí)趨于一致. II. 在在E和和 h 相同的條件下，相同的條件下， 較大的金屬的溫度場(chǎng)（等溫面）較大的金屬的溫度場(chǎng)（等溫面） 較小，而較小，而較小的金屬的溫度場(chǎng)（等溫面）則較大較小的金屬的溫度場(chǎng)（等溫面）則較大. 2）比熱容（）比熱容（c） 1克物質(zhì)每升高克物質(zhì)每升高1所需的熱能所需的熱能. 3）容積比熱容（）容積比熱容（Cp） 單位體積物質(zhì)每升高單位體積物質(zhì)每升高1所需要的熱量所需要的熱量. 4）熱擴(kuò)散率（）熱擴(kuò)散率（） 表示溫度傳播的速度表示溫度傳播

13、的速度. 5）表面散熱系數(shù)（）表面散熱系數(shù)（） 散熱體表面與周圍介質(zhì)每相差散熱體表面與周圍介質(zhì)每相差1，在單位時(shí)間內(nèi)單位面積所散失的熱量，在單位時(shí)間內(nèi)單位面積所散失的熱量.各種材料的熱物理常數(shù)是不同的，特別是各種材料的熱物理常數(shù)是不同的，特別是和和C對(duì)焊接溫度場(chǎng)的分對(duì)焊接溫度場(chǎng)的分布具有很大影響布具有很大影響.圖圖1-9（4）焊件板厚和形狀）焊件板厚和形狀 以手弧焊為例以手弧焊為例. 厚厚 板：板：h 25mm 的低碳鋼；的低碳鋼； h 20mm 不銹鋼不銹鋼. 中厚板：中厚板：h 825mm的低碳鋼；的低碳鋼； h 520mm的不銹鋼的不銹鋼. 薄薄 板：板：h 8mm的低碳鋼；的低碳鋼；

14、h 5mm的不銹鋼的不銹鋼.第三節(jié)第三節(jié) 焊條的熔化及熔池的形成焊條的熔化及熔池的形成 一、焊條熔化的特點(diǎn)一、焊條熔化的特點(diǎn) 1.焊條熔化呈周期性焊條熔化呈周期性2. 熔化速度增大，頻率增高熔化速度增大，頻率增高電弧用于加熱和熔化焊條的功率僅是其全部功率的一小部分，電弧用于加熱和熔化焊條的功率僅是其全部功率的一小部分，即即 ：eeqUI 式中，式中，U電弧電壓；電弧電壓； I 焊接電流；焊接電流； 焊條加熱有效系數(shù)。焊條加熱有效系數(shù)。e二、焊條的熔化速度二、焊條的熔化速度1. 平均熔化速度平均熔化速度單位時(shí)間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量或長度單位時(shí)間內(nèi)熔化的焊芯質(zhì)量或長度.在正常的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊條

15、的平均熔化速在正常的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊條的平均熔化速度與焊接電流成正比：度與焊接電流成正比：PMtGg式中式中 焊條金屬的平均熔化速度；焊條金屬的平均熔化速度； G 熔化的焊芯質(zhì)量；熔化的焊芯質(zhì)量； t 電弧燃燒的時(shí)間；電弧燃燒的時(shí)間； 焊接電流；焊接電流； 焊條的熔化系數(shù)焊條的熔化系數(shù).MgP2. 平均熔敷速度平均熔敷速度單位時(shí)間內(nèi)真正進(jìn)入焊縫的那部單位時(shí)間內(nèi)真正進(jìn)入焊縫的那部 分金屬的質(zhì)量分金屬的質(zhì)量.HDDtGgH式中：式中： 焊條金屬的平均熔敷速度；焊條金屬的平均熔敷速度； 熔敷到焊縫金屬中的金屬質(zhì)量；熔敷到焊縫金屬中的金屬質(zhì)量； 焊條的熔敷系數(shù)焊條的熔敷系數(shù).熔敷系數(shù)是真正反映焊

16、接生產(chǎn)率的指標(biāo)熔敷系數(shù)是真正反映焊接生產(chǎn)率的指標(biāo) DgDG3. 損失系數(shù)：損失系數(shù)：在焊接過程中由于飛濺、氧化和蒸發(fā)損失的那一部分金屬質(zhì)在焊接過程中由于飛濺、氧化和蒸發(fā)損失的那一部分金屬質(zhì)量與熔化的焊芯質(zhì)量之比量與熔化的焊芯質(zhì)量之比.PHDDMDgggGGGY1(1)Hp 在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀液態(tài)金屬稱為熔滴液態(tài)金屬稱為熔滴.熔滴熔滴尺寸：尺寸：d 0.001 5 mm熔滴熔滴溫度：溫度：1800 2400 熔滴熔滴存留時(shí)間：存留時(shí)間：0.0001 0.003 s 熔滴存留時(shí)間熔滴存留時(shí)間指熔滴在焊條端頭長大滯留的時(shí)間，以及指熔滴在焊

17、條端頭長大滯留的時(shí)間，以及從焊條端頭過渡到熔池中的時(shí)間從焊條端頭過渡到熔池中的時(shí)間.三、熔滴：三、熔滴： 附壁過渡：附壁過渡： 熔池沿著焊條端部的藥皮套筒壁向熔池熔池沿著焊條端部的藥皮套筒壁向熔池 過渡的形式。過渡的形式。由于熔滴長大到一定尺寸時(shí)與熔池接觸，由于熔滴長大到一定尺寸時(shí)與熔池接觸，形成短路，電弧熄滅。在各種力的作用形成短路，電弧熄滅。在各種力的作用下熔滴過渡到熔池中，電弧重新引燃。下熔滴過渡到熔池中，電弧重新引燃。如此重復(fù)此過程。如此重復(fù)此過程。短路過渡：短路過渡：當(dāng)電弧的長度足夠長時(shí)，焊條端部的熔當(dāng)電弧的長度足夠長時(shí)，焊條端部的熔滴長大到較大的尺寸，在各種力的作用滴長大到較大的尺

18、寸，在各種力的作用下，以顆粒狀落入熔池，此時(shí)不發(fā)生短下，以顆粒狀落入熔池，此時(shí)不發(fā)生短路。路。顆粒過渡：顆粒過渡：四、熔滴過渡的形式四、熔滴過渡的形式 五、熔池的形成五、熔池的形成 由局部熔化的母材及焊材在母材上形成的具有一定幾何形狀由局部熔化的母材及焊材在母材上形成的具有一定幾何形狀的液體金屬叫的液體金屬叫熔池熔池. 1. 熔池的形狀和尺寸熔池的形狀和尺寸 形狀：形狀：不規(guī)則的半橢球形不規(guī)則的半橢球形尺寸：尺寸：長度長度L、寬度、寬度B、深度、深度H、表面積、表面積1) 1) 點(diǎn)熱源：點(diǎn)熱源： 2EVT2 2）長度：）長度： kETVELX熔2近似估算：近似估算： UIPqPL22 式中式中: P2 比例常數(shù)；比例常數(shù)； q 電弧功率；電弧功率； U 電弧電壓；電弧電壓； I 焊接電流焊接電流. 3 3）熔透面積：）熔透面積：EkFM1 4 4）表面積：）表面積：熔池的表面積取決于焊接方法和工藝參數(shù)，一般在熔池的表面積取決于焊接方法和工藝參數(shù)，一般在14cm2.焊接電流增加，熔池焊接電流增加，熔池最大深度最大深度H max 增大，增大，熔池最大寬度熔池最大寬度B max相相對(duì)減小；對(duì)減小；電