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材料的焊接性基礎(chǔ)魏艷紅現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2003年12月StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology(SKL-AWPT)保護(hù)氣體焊絲母材焊接過(guò)程
熔化極氣體保護(hù)焊StateoftheArt焊縫溶池焊接過(guò)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(guò)加壓或加壓或兩者并用,來(lái)達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過(guò)程。焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)焊接冶金學(xué)的基本知識(shí)熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變及其性能變化焊接缺欠的種類、防止措施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)容參考書目材料加工理論講義第四部分:熱加工應(yīng)力與裂紋焊接冶金與金屬焊接性周振豐機(jī)械工業(yè)出版社焊接手冊(cè)—材料的焊接(第2版)中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編著機(jī)械工業(yè)出版社第一章焊接熱過(guò)程
1.1焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)焊接熱過(guò)程:在焊接過(guò)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(guò)程。焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)局部性熱源的運(yùn)動(dòng)性瞬時(shí)性傳熱過(guò)程的復(fù)合性第一章焊接熱過(guò)程
1.1焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)焊接熱過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)導(dǎo)體及其界面時(shí)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(dòng)的電子猛烈轟擊金數(shù)局部表面,使動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能(電子束焊)激光束:利用受激輻射而增強(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(shí),通過(guò)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(lái)改變能量分布,使焊接過(guò)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1.8m/min。熔化焊過(guò)程焊接熱源及焊接方法實(shí)例二
攪拌摩擦焊
FrictionStirWelding(FSW)焊縫攪拌肩攪拌頭攪拌針工件焊接過(guò)程縱剖面示意攪拌摩擦焊原理ThePrincipleofFrictionStirWelding焊接方向旋轉(zhuǎn)方向焊接過(guò)程頂示圖(PlanviewofFSW)
攪拌摩擦焊原理ThePrincipleofFrictionStirWelding焊縫頂視圖攪拌摩擦焊原理ThePrincipleofFrictionStirWelding焊接方向5083鋁合金攪拌摩擦焊/FractionStirWelding1.2.2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10-31046000K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(shí)的熱量分配厚皮焊條(I=150-250A,U=35V)埋弧焊(I=1000A,U=36V,v=36mm/h1.2.3焊接熱效率在電弧焊接過(guò)程中,電弧功率,即:電弧在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量為:q0=UI(W),U---電弧電壓(V),I---焊接電流(A)電弧有效熱功率q=ηq0,η---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η077-0.870.77-0.900.830.900.900.68-0.85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:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)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q(r)--A點(diǎn)的熱流密度(w/m2);qm—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);r—A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:K值說(shuō)明熱流集中的程度。焊條電弧焊:1.2-1.4;埋弧焊:6.0;TIG焊:3.0-7.0直流TIG焊時(shí)的熱能集中系數(shù)與焊接電流的關(guān)系直流TIG焊弧長(zhǎng)對(duì)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(chǎng)
1.3.1焊接傳熱的基本定律1、熱傳導(dǎo)定律熱傳導(dǎo):物體各個(gè)部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí),依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞。傅利葉定律2、對(duì)流換熱定律對(duì)流:流體各個(gè)部分之間發(fā)生相對(duì)位移,冷、熱流體相互參混所引起的熱量傳遞方式。對(duì)流換熱:流體流過(guò)物體表面時(shí),對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合起作用的傳遞過(guò)程1.3.1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-玻爾茲曼定律焊接時(shí),溫度為T的焊件,在環(huán)境溫度為Tf中冷卻,通過(guò)熱輻射發(fā)生的熱的傳遞為:1.3.1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(lái):可見(jiàn):4、全部放熱固體表面和外界的熱量交換往往同時(shí)存在對(duì)流換熱和輻射換熱兩種形式。引用一個(gè)總的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)來(lái)考慮這兩種換熱方式的綜合影響。1.3.2熱傳導(dǎo)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述1、熱傳導(dǎo)微分方程式中:—密度c—比熱T—溫度
τ—時(shí)間—熱導(dǎo)率對(duì)于均勻、各向同性材料,且其材料熱物理性能參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)時(shí):1.3.2熱傳導(dǎo)問(wèn)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(shí)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(wèn)題的數(shù)學(xué)描述3、材料的熱物理性能參數(shù)
熱導(dǎo)率λ[W/(m?K)];比熱c[J/(kg?K)];密度ρ(kg/m3);熱擴(kuò)散率a(m2/s)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α[W/(m2?K)]1.3.2熱傳導(dǎo)問(wèn)題的數(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(jiǎn)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(wú)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(wú)限的:無(wú)限體、無(wú)限板和無(wú)限長(zhǎng)桿。4)焊接熱過(guò)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(chǎng)1、焊接溫度場(chǎng)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(dòng)的;
(2)在加熱開始時(shí),溫度升高的范圍會(huì)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(dòng)。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)棒上作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),溫度場(chǎng)是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。1.3.3典型的焊接溫度場(chǎng)2、厚大焊件的溫度場(chǎng)厚大焊件連續(xù)焊時(shí),溫度場(chǎng)的計(jì)算公式:1.3.3典型的焊接溫度場(chǎng)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(dòng)熱源的溫度場(chǎng)1.3.3典型的焊接溫度場(chǎng)c)xoy面上的等溫線厚大件上點(diǎn)狀移動(dòng)熱源的溫度場(chǎng)1.3.3典型的焊接溫度場(chǎng)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(dòng)熱源的溫度場(chǎng)1.3.3焊接溫度場(chǎng)
TIG焊(氬弧焊)溫度場(chǎng)實(shí)例1.3.3焊接溫度場(chǎng)X-Y方向溫度場(chǎng)分布三維數(shù)值模擬/MARCCopyright:HIT1.3.3焊接溫度場(chǎng)X-Y方向溫度場(chǎng)分布/全圖二維數(shù)值模擬/AdinaCopyright:HIT1.3.3焊接溫度場(chǎng)三維溫度場(chǎng)分布三維數(shù)值模擬/MARCCopyright:HIT1.3.3焊接溫度場(chǎng)二維模擬結(jié)果/AdinaCopyright:HIT1.3.3焊接溫度場(chǎng)Copyright:SYSWELD1.3.3焊接溫度場(chǎng)LaserWeldingMaterial:AluminumPlatethickness:1.5mmPlatelength:20mmWeldingSpeed:4m/min=66.66mm/sButtWeldwithoutfillermaterialCopyright:SYSWELD1.3.3焊接溫度場(chǎng)金屬熔化和焊縫形成Copyright:SYSWELD1.3.3焊接溫度場(chǎng)Steel:St52Platethickness:9mmPlatelength:120mmWeldingSpeed:5mm/s=0.3m/minButtWeldwithfillermaterialCopyright:SYSWELD1.3.3焊接溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果版權(quán):清華大學(xué)1.3.4影響焊接溫度場(chǎng)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/minb)v=1m/minc)v=1.5m/mind)=2m/min版權(quán):北京工業(yè)大學(xué)1.3.4影響焊接溫度場(chǎng)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(chǎng)1.3.4影響焊接溫度場(chǎng)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(dòng)、正常移動(dòng)和高速移動(dòng)。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(guò)程中,熱源沿焊件移動(dòng)時(shí),焊件上某點(diǎn)的溫度由低而高,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)加熱速度加熱的最高溫度(Tm)在相變以上的停留時(shí)間(tH)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(shí)的加熱速度/℃.s-1加熱時(shí)900℃以上停留時(shí)間,/s冷卻時(shí)900℃以上停留時(shí)間,/s900℃冷卻速度/℃.s-1500℃冷卻速度/℃.s-11TIG84017000.41.2240602TIG168012600.61.8120303SAW37807002.05.554125SAW71404002.5740910SAW193202004.01322515SAW420001009.022
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