第一單元焊接熱過(guò)程

1、授課授課教師教師：金屬熔焊原理緒緒 論論 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解焊接過(guò)程的物理本質(zhì)了解焊接與其他連接方法的區(qū)別了解焊接方法的分類(lèi)了解本課程的主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)本教材要達(dá)到能力目標(biāo)現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展始于19世紀(jì)80年代，隨著新焊接能源的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，新的焊接方法不斷涌現(xiàn)，新的焊接技術(shù)不斷的發(fā)展，在能源、交通、建筑，特別是機(jī)械制造部門(mén)中，已成為不可缺少的工藝方法。焊接過(guò)程的實(shí)質(zhì)焊接過(guò)程的實(shí)質(zhì) 機(jī)器制造中，連接的方法有哪些？什么是焊接？焊接是通過(guò)加熱或加壓，或者兩者并與，并且用或不用填充材料，使焊件間達(dá)到原子間結(jié)合的一種加工方法。 GB/T3375-1994焊接術(shù)語(yǔ)焊接不僅是焊件在宏觀上建立的永久連

2、接，也是微觀上形成的原子間的結(jié)合。（在焊件間建立了金屬鍵）雙原子模型為例，原子的結(jié)合情況雙原子模型為例，原子的結(jié)合情況引力：一個(gè)原子的外部電子與另一原子核相互作用引起的。斥力：兩個(gè)原子的核外電子直接和兩原子核之間的相互作用引起的。引力與斥力達(dá)到平衡時(shí)，兩個(gè)原子相對(duì)位置固定。引力與斥力的大小決定是否形成金屬鍵。其取決于原子間的距離。原子間的距離與金屬晶格常數(shù)相接近時(shí)，易形成金屬鍵。rA=(3-5)*10-8cm(3-5A)工件表面達(dá)到工件表面達(dá)到r rA A的方法的方法如何使兩個(gè)工件表面原子間距離達(dá)到rA?增加外部能量：加壓：可以破壞表面膜，使連接處發(fā)生局部塑形變形，增加有效接觸面積，當(dāng)壓力達(dá)到

3、一定時(shí)，可建立金屬鍵。加熱：對(duì)被焊材料進(jìn)行局部或整體加熱，使連接處達(dá)到塑形或熔化狀態(tài)，破壞氧化膜，增加原子振動(dòng)能，利于實(shí)現(xiàn)焊接。針對(duì)某一金屬，實(shí)現(xiàn)焊接所需的最低能量是一定的，因此，所需的加熱溫度與壓力之間存在互補(bǔ)關(guān)系。（1）焊接結(jié)構(gòu)重量輕，節(jié)省金屬材料。例如：與金屬鉚接相比，可節(jié)省金屬10%-20%以上。（2）焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，能耐高溫、高壓，具有良好的密封性、導(dǎo)電性、耐腐蝕性、耐磨性?？珊附渝仩t、高壓容器、儲(chǔ)油罐、船體等重量輕、密封性好、工作時(shí)不滲漏的空心構(gòu)件。（3）可以將大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解為小而簡(jiǎn)單的坯料拼焊，簡(jiǎn)化大型或形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造工藝。例如：大型壓力機(jī)機(jī)身的制造。（4

4、）可實(shí)現(xiàn)不同材料間的連接成形，銅鋁連接，高速鋼碳鋼連接， 碳鋼合金鋼連接, 優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省貴重金屬。（1）焊接接頭不可拆卸，更換零部件不方便；（2） 焊接接頭的組織和性能往往要變壞；（3） 焊接時(shí)容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和焊接變形；（4） 焊縫易出現(xiàn)裂紋，夾渣、氣孔等缺陷，從而 導(dǎo)致焊接件承載能力降低 甚至脆斷。 另外對(duì)某些材料的焊接存在一定的困難。焊接方法的分類(lèi)焊接方法的分類(lèi)焊接方法主要分為三大類(lèi)：熔焊：指在焊接過(guò)程中，將待焊處的母材金屬熔化，但不加壓力以形成焊縫的焊接方法。如：焊條電弧焊、埋弧焊、氣焊、電渣焊、氣體保護(hù)焊。壓焊：在焊接過(guò)程中，無(wú)論加熱與否，必須對(duì)焊件施加一定壓力以完成焊接的方法。如

5、：電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、爆炸焊。釬焊：采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料做釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，但低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。 壓壓 焊焊常常用用焊焊接接方方法法熔熔 焊焊釬焊釬焊氣焊氣焊電弧焊電弧焊電渣焊電渣焊電子束焊電子束焊激光焊激光焊電阻焊電阻焊摩擦焊摩擦焊擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊高頻焊高頻焊烙鐵釬焊烙鐵釬焊火焰釬焊火焰釬焊爐中釬焊爐中釬焊點(diǎn)點(diǎn) 焊焊縫縫 焊焊對(duì)對(duì) 焊焊焊條電弧焊焊條電弧焊氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊埋弧焊埋弧焊氬弧焊氬弧焊CO2氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊本課程的主要內(nèi)容與要求本課程的主要內(nèi)容與要求主要內(nèi)容：本教材主要介紹

6、金屬在熔焊過(guò)程中溫度、化學(xué)成分、組織和性能的變化規(guī)律，常見(jiàn)的焊接冶金缺陷產(chǎn)生的原因、影響因素和防止措施，焊接材料的性能和應(yīng)用。能力目標(biāo)：1、了解焊接過(guò)程的物理本質(zhì)，能從理論上說(shuō)明焊接與其他連接方法的根本區(qū)別。2、了解焊件上溫度變化規(guī)律，熟悉焊接條件下金屬所經(jīng)歷的化學(xué)、物理變化過(guò)程、掌握焊接接頭在其形成過(guò)程中成分，組織與性能變化的基本規(guī)律。本課程的主要內(nèi)容與要求本課程的主要內(nèi)容與要求3、掌握焊接冶金過(guò)程中常見(jiàn)缺陷的特征、產(chǎn)生條件和影響因素，并能根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際條件分析缺陷產(chǎn)生的原因，提出防止措施。4、掌握常用焊接材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，了解焊條配方的設(shè)計(jì)原則及制造過(guò)程。焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）重量輕

7、，節(jié)約材料。（2）勞動(dòng)量少，生產(chǎn)率高。（3）強(qiáng)度高，密封性好。（4）加工方便，利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化。第一單元第一單元 焊接熱過(guò)程焊接熱過(guò)程 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)及其對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。熟悉常用的焊接熱源的種類(lèi)掌握焊接溫度場(chǎng)的分布及影響因素掌握焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)，影響因素及調(diào)節(jié)方法。焊接的一般過(guò)程焊接的一般過(guò)程一般焊接部位須經(jīng)歷加熱熔化冶金反應(yīng)凝固結(jié)晶固態(tài)相變形成接頭等過(guò)程。歸納如下:1、焊接熱過(guò)程在焊接熱源作用下，金屬局部被加熱與熔化，同時(shí)出現(xiàn)熱量的傳播和分布的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象貫穿整個(gè)焊接過(guò)程的始終。（影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率）2、焊接冶金過(guò)程金屬的氧化、還原、脫硫、脫磷

8、、滲合金及與氫的作用等。（提高焊縫質(zhì)量）焊接的一般過(guò)程焊接的一般過(guò)程3、焊接時(shí)金屬的結(jié)晶和相變過(guò)程在焊接條件下，熱源離開(kāi)后被熔化的金屬便快速連續(xù)冷卻，并發(fā)生結(jié)晶和相變過(guò)程，最后形成焊縫。（保證焊接質(zhì)量）焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)焊接熱過(guò)程的兩個(gè)基本特點(diǎn)：1）不均勻加熱焊接熱量集中作用于焊件連接部位，而不是均勻加熱整個(gè)焊件。2）熱作用的瞬時(shí)性焊接的熱源是以一定速度移動(dòng)的，因此，焊件上任一點(diǎn)受熱的作用都具有瞬時(shí)性，隨時(shí)間而變。（傳熱過(guò)程不穩(wěn)定）焊接熱過(guò)程對(duì)焊接質(zhì)量的影響焊接熱過(guò)程對(duì)焊接質(zhì)量的影響1、焊接熱過(guò)程決定了焊接熔池的溫度和存在時(shí)間2、在焊接熱過(guò)程中，由于熱傳導(dǎo)的作用，近縫區(qū)的母材金屬

9、將發(fā)生組織和性能的變化。3、焊接是不均勻加熱和冷卻的過(guò)程，在接頭處會(huì)發(fā)生不同程度熱彈塑性變化，焊后將產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力狀態(tài)和各種變形，應(yīng)力與冶金因素共同作用會(huì)引起裂紋。4、焊接熱過(guò)程對(duì)焊接生產(chǎn)率發(fā)生影響。常用的焊接熱源常用的焊接熱源生產(chǎn)中常用的焊接熱源有以下幾種：(1) 電弧熱利用氣體介質(zhì)在兩電極之間強(qiáng)烈而持續(xù)放電過(guò)程產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源。(2) 化學(xué)熱主要是利用助燃和可燃?xì)怏w或鋁、鎂熱劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量作為焊接熱源，如氣焊、熱劑焊等。(3) 電阻熱利用電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源，如電阻焊、電渣焊等。(4) 摩擦熱利用機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，如摩擦焊。常用的焊接熱源常用的焊

10、接熱源(5) 電子束利用高壓高速的電子束轟擊金屬局部表面所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，即電子束焊。 (6) 等離子弧 將自由電弧壓縮成高溫、高電離度及高能量的電弧熱作為焊接熱源，即等離子弧焊。(7) 激光束利用高能量的激光束轟擊焊件產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接，即激光束焊。(8)高頻感應(yīng)熱 對(duì)于有磁性的金屬，利用高頻感應(yīng)產(chǎn)生的二次電流做熱源，在局部集中加熱進(jìn)行焊接。焊接熱源的主要特征焊接熱源的主要特征熱源在單位時(shí)間向工件輸送的能量，用W表示。功率密度：熱源和工件之間有效接觸的每單位面積上傳送的功率，W/m2或W/cm2先進(jìn)的焊接技術(shù)對(duì)熱源要求能夠進(jìn)行高速焊，并能獲得致密的焊縫和最小的加熱范圍。從三個(gè)方面對(duì)比

11、：1、最小加熱面積2、最大功率密度3、在正常焊接參數(shù)條件下，能達(dá)到的溫度。焊接過(guò)程的熱效率焊接過(guò)程的熱效率有效熱功率：指焊件所吸收的熱量1、電弧焊時(shí)的熱效率通常，電弧焊焊接時(shí)，電弧輸出總功率為P0, 則：電弧輸出功率P0UI U電弧電壓； I焊接電流； P0電弧功率，即電弧在電位時(shí)間內(nèi)所析出的能量。焊接過(guò)程的熱效率焊接過(guò)程的熱效率電弧的有效熱功率P PP0P有效熱功率；焊接加熱過(guò)程的熱效率，或稱(chēng)功率有效系數(shù)。值一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，不同焊接方法的不同，值既與焊接方法有關(guān)，也與焊接參數(shù)、被焊材料等因素有關(guān)。電渣焊時(shí)的熱效率，熱損失主要是水冷滑塊，板厚越大，熱效率越高。電子束與激光焊的熱效率，能力極為

12、集中，可以在最小的加熱面積上提供最大的功率。焊接過(guò)程中的熱能傳遞方式焊接過(guò)程中的熱能傳遞方式1、熱傳導(dǎo)由于溫度不同，在物體內(nèi)部引起自由電子移動(dòng)和原子、離子發(fā)生振動(dòng)的結(jié)果。2、對(duì)流由運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)來(lái)傳遞熱能的，利用不同溫度區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的密度不同來(lái)傳熱的。3、輻射物體受熱之后，內(nèi)部原子發(fā)生振動(dòng)而出現(xiàn)一種電磁波。此電磁波從物體的表面向外發(fā)生，到達(dá)另一物體的表面時(shí)又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。焊接溫度?chǎng)焊接溫度場(chǎng)一、焊接溫度場(chǎng)的定義及特點(diǎn)1、焊接溫度場(chǎng)的定義焊接溫度場(chǎng)是指焊件過(guò)程中某一瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)的溫度分布。1）、溫度場(chǎng)考察的對(duì)象是空間一定范圍內(nèi)的溫度分布狀態(tài)2）、由于焊件上各點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間變化的，因此溫度場(chǎng)是某個(gè)瞬時(shí)的

13、溫度場(chǎng)。焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)2、焊件溫度場(chǎng)的特點(diǎn)1）可以圖形表示2）等溫線或等溫面之間互不相交，有溫度梯度3、焊件溫度場(chǎng)的分類(lèi)溫度場(chǎng)可以分為三維的、二維的和一維的。 圖1-1 焊接溫度場(chǎng)示例a) 焊件上的坐標(biāo)軸 b) XOY面的等溫線和最高溫度點(diǎn)曲線（虛線）c) 沿X軸的溫度分布曲線 d) 沿Y軸的溫度分布曲線 圖1-3 金屬的導(dǎo)熱能力對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)二、影響焊接溫度場(chǎng)的因素1、熱源的性質(zhì)熱源性質(zhì)不同，焊接時(shí)溫度場(chǎng)的分布也不同。2、焊接參數(shù)焊接時(shí)為保證焊接質(zhì)量而選定的各項(xiàng)參數(shù)的總稱(chēng)。（電流、電壓、焊接速度、熱輸入）影響最大的是有效熱功率和焊接速度。想一想，薄板和厚板哪個(gè)傳

14、熱快？焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)3、被焊金屬的熱物理性能（1）熱導(dǎo)率 金屬內(nèi)部的導(dǎo)熱能力。w/(cm）（2）比熱容C 單位質(zhì)量的物質(zhì)升高1度所需要的熱量。J/(g)（3）焓（H）單位質(zhì)量的物質(zhì)加熱到溫度t時(shí)所吸收的熱能。J/g（4）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（a）散熱體表面與周?chē)橘|(zhì)每相差1度時(shí)，通過(guò)單位面積在單位時(shí)間內(nèi)所散失的熱量。4、被焊金屬的幾何尺寸焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)在焊接過(guò)程中熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間由低而高達(dá)到最大值后又由高到低變化的過(guò)程。低合金鋼焊條電弧焊時(shí)焊縫附近各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)1、加熱速度（Vh）焊接鋼材時(shí)，加熱速度越快，鋼中奧氏體的均質(zhì)化和碳化物溶解就越不充分，影響熱影響區(qū)冷卻后的組織和性能。2、峰值溫度（tm)最高加熱溫度，決定焊后母材熱影響區(qū)的組織性能。3、高溫停留時(shí)間（h）指在相變溫度以上停留的時(shí)間。4、冷卻速度（vC）和冷卻時(shí)間（ 8/5）影響焊接熱影響區(qū)的組織和性能影響焊接熱循環(huán)的主要因素影響焊接熱循環(huán)的主要因素1、熱輸入熱輸入增大時(shí)，會(huì)