材料加工理論-焊接部分-第一章

材料的焊接性基礎魏艷紅現(xiàn)代焊接生產技術國家重點實驗室2003年12月StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology(SKL-AWPT)保護氣體焊絲母材焊接過程

熔化極氣體保護焊StateoftheArt焊縫溶池焊接過程什么是焊接/連接/Welding/Joining?定義

兩種或兩種以上材質（同種或異種），通過加壓或加壓或兩者并用，來達到原子間的結合而形成永久性連接的工藝過程。焊接熱過程的特點焊接冶金學的基本知識熱影響區(qū)組織轉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、機理和防止措施教學目的和內容參考書目材料加工理論講義第四部分：熱加工應力與裂紋焊接冶金與金屬焊接性周振豐機械工業(yè)出版社焊接手冊—材料的焊接（第2版）中國機械工程學會焊接學會編著機械工業(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，而經歷加熱、熔化（或達到熱塑性狀態(tài)），稱之為焊接熱過程。焊接熱過程的特點局部性熱源的運動性瞬時性傳熱過程的復合性第一章焊接熱過程

1.1焊接熱過程的特點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行冶金反應的程度影響熔池金屬凝固、相變過程不均勻的加熱和冷卻，造成不均勻的應力狀態(tài)冶金、應力和被焊金屬組織的共同影響，可能產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：利用氣體介質中的電弧放電過程所產生的熱能作為熱源（手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊等）化學熱：利用可燃氣體（液化氣、乙炔）或鋁、鎂熱劑與氧或氧化物發(fā)生強烈反應時所產生的熱能作為熱源（氣焊、熱劑焊）電阻熱：利用電流通過導體及其界面時所產生的電阻熱作為焊接熱源（電阻焊和電渣焊）摩擦熱：由機械高速摩擦所產生的熱能作為熱源（摩擦焊、攪拌摩擦焊）電子束：在真空中利用高壓下高速運動的電子猛烈轟擊金數(shù)局部表面，使動能轉換為熱能（電子束焊）激光束：利用受激輻射而增強的光，經聚焦產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（熔化極氣體保護焊）熔化極氣體保護焊--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，通過調節(jié)各焊絲之間的位置關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，焊速可以達到1.8m/min。熔化焊過程焊接熱源及焊接方法實例二

攪拌摩擦焊

FrictionStirWelding（FSW）焊縫攪拌肩攪拌頭攪拌針工件焊接過程縱剖面示意攪拌摩擦焊原理ThePrincipleofFrictionStirWelding焊接方向旋轉方向焊接過程頂示圖(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程中，電弧功率，即：電弧在單位時間內放出的熱量為：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：熱源傳熱給工件的加熱面積斑點半徑：電弧傳給焊件的熱能中，95%落在加熱斑點內，該半徑為斑點半徑。熱流密度：單位時間內通過單位面積提供給焊件的熱能。加熱斑點上熱流密度的分布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點的熱流密度（w/m2）;qm—加熱斑點中心的最大熱流密度（w/m2）;K—熱能集中系數(shù)(1/m2);r—A點距加熱斑點的距離（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焊時的熱能集中系數(shù)與焊接電流的關系直流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、熱傳導定律熱傳導：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動而產生的熱量傳遞。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，對流和熱傳導聯(lián)合起作用的傳遞過程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，溫度為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：1.3.1焊接傳熱的基本定律為了計算能夠用統(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：可見：4、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。1.3.2熱傳導問題的數(shù)學描述1、熱傳導微分方程式中：—密度c—比熱T—溫度

τ—時間—熱導率對于均勻、各向同性材料，且其材料熱物理性能參數(shù)與溫度無關時：1.3.2熱傳導問題的數(shù)學描述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間的傳熱系數(shù)及周圍介質的溫度。1.3.2熱傳導問題的數(shù)學描述3、材料的熱物理性能參數(shù)

熱導率λ[W/(m?K)]；比熱c[J/(kg?K)]；密度ρ(kg/m3)；熱擴散率a(m2/s)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α[W/(m2?K)]1.3.2熱傳導問題的數(shù)學描述4、熱傳導方程的解析法—H.H.雷卡林公式焊接幾何尺寸和相應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---點熱源薄板焊接---線熱源細棒焊接---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大，而達到一定極限后，不再變化，只是隨熱源移動。這種狀態(tài)稱為準穩(wěn)態(tài)。（3）功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細棒上作勻速直線運動時，溫度場是準穩(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，溫度場的計算公式：1.3.3典型的焊接溫度場a)坐標示意圖b)xoy面上沿x軸的不同溫度分布厚大件上點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狀移動熱源的溫度場1.3.3焊接溫度場

TIG焊（氬弧焊）溫度場實例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果/AdinaCopyright:HIT1.3.3焊接溫度場Copyright:SYSWELD1.3.3焊接溫度場LaserWeldingMaterial:AluminumPlatethickness:1.5mmPlatelength:20mmWeldingSpeed:4m/min=66.66mm/sButtWeldwithoutfillermaterialCopyright: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:St52Platethickness:9mmPlatelength:120mmWeldingSpeed:5mm/s=0.3m/minButtWeldwithfillermaterialCopyright:SYSWELD1.3.3焊接溫度場實測結果版權：清華大學1.3.4影響焊接溫度場的主要因素1、熱源的種類和焊接工藝參數(shù)(b)(a)(c)(d)a)v=0.5m/minb)v=1m/minc)v=1.5m/mind)=2m/min版權：北京工業(yè)大學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)（預熱和環(huán)境溫度）。4、熱源的分類瞬實集中熱源：點焊連續(xù)作用的熱源：固定不動、正常移動和高速移動。版權：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，焊件上某點的溫度由低而高，達到最大值后，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-11TIG84017000.41.2240602TIG168012600.61.8120303SAW37807002.05.554125SAW71404002.5740910SAW193202004.01322515SAW420001009.022