模塊6 焊接時(shí)金屬加熱和焊接規(guī)范的選擇《焊接科學(xué)與工程》教學(xué)課件

第X章XXXX模塊6

焊接時(shí)金屬加熱和焊接規(guī)范的選擇第六章焊接時(shí)金屬加熱和焊接規(guī)范的選擇6.1焊接溫度場(chǎng)與熱循環(huán)6.2電弧對(duì)金屬加熱及焊接規(guī)范選擇6.3焊接規(guī)范的選擇6.4焊接規(guī)范對(duì)焊縫形狀的影響6.5焊接接頭形式及坡口尺寸6.6提高焊接生產(chǎn)效率的方法傳熱學(xué)傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。熱傳遞：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射許多學(xué)科都涉及到傳熱學(xué)的問(wèn)題！焊接傳熱對(duì)焊接接頭形成過(guò)程中冶金過(guò)程、固態(tài)相變、組織性能和應(yīng)力變形等均有重要影響！焊接傳熱的形式：熱傳導(dǎo)為主，考慮輻射和對(duì)流的作用。焊接傳熱過(guò)程研究?jī)?nèi)容：主要是焊件上的溫度分布及其隨時(shí)間的溫度變化問(wèn)題。

焊接過(guò)程焊接過(guò)程熱源加熱→熔化→冶金反應(yīng)→結(jié)晶→固態(tài)相變→接頭（冷卻而形成）焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)局部性——加熱和冷卻過(guò)程極不均勻瞬時(shí)性熱源是運(yùn)動(dòng)的焊接傳熱過(guò)程的復(fù)合性加熱過(guò)程冷卻過(guò)程6.1焊接溫度場(chǎng)與熱循環(huán)6.1.1焊接熱源及溫度場(chǎng)1、焊接熱源實(shí)現(xiàn)金屬焊接所需的能量熱能機(jī)械能焊接熱源的特點(diǎn)：能量密度高度集中；快速實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程；保證得到高質(zhì)量的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。1、焊接熱源焊接熱源的種類

--電弧熱氣體介質(zhì)中的電弧放電--化學(xué)熱可燃?xì)怏w--電阻熱電阻焊、電渣焊--高頻感應(yīng)熱磁性的金屬高頻感應(yīng)產(chǎn)生二次電流作為熱源--摩擦熱機(jī)械高速摩擦--電子束高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊--等離子焰電弧或高頻放電—離子流--激光束激光聚焦點(diǎn)熱源（三維）pointheatsource厚大焊件焊接線熱源（二維）linearheatsource薄板焊接面熱源（一維）planeheatsource細(xì)棒磨擦焊

1、焊接熱源加熱平面離熱源中心距離r的比熱流量為：1、焊接熱源—熱分布上述熱源是作用在表面固定點(diǎn)，實(shí)際上會(huì)向板厚方向傳遞，是一個(gè)體熱源。薄板：圓柱形熱源無(wú)限厚板：半球形熱源中厚板：板厚方向超過(guò)厚度后的空氣中傳熱慢，而板寬方向傳熱快，所以在近熱源中心表面為半球形，離熱源遠(yuǎn)處逐漸變?yōu)閳A柱形1、焊接熱源—熱分布2、焊接溫度場(chǎng)狹義定義：某瞬時(shí)工件上各點(diǎn)的溫度分布某個(gè)熱流密度的熱源以恒定的速度沿x軸移動(dòng)，熱源周圍的溫度分布即“焊接溫度場(chǎng)”vtO’Oy’yz’zx焊件上各點(diǎn)瞬時(shí)溫度分布的溫度場(chǎng)對(duì)分析焊接傳熱過(guò)程,焊接物理冶金過(guò)程和焊接化學(xué)冶金過(guò)程至關(guān)重要。2、焊接溫度場(chǎng)λ—材料的導(dǎo)熱率ρ—材料的密度c—材料的比熱溫度場(chǎng)與時(shí)間的變化率(導(dǎo)熱方程，熱傳導(dǎo)偏微分方程）在焊接熱源作用下，母材上所形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分稱為熔池焊接熔池形狀示意圖2、焊接溫度場(chǎng)13商業(yè)軟件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT,MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,…..2、焊接溫度場(chǎng)等溫線或等溫面——把工件上瞬時(shí)溫度相同的各點(diǎn)連接在一起成為一條線或一個(gè)面。等溫線不可能相交等溫線、等溫面之間有溫差大小：溫度梯度方向：垂直于等溫面焊縫隨著熱源的移動(dòng)，熔池沿焊接方向作同步移動(dòng)熔池前部母材不斷地熔化熔池尾部熔池金屬不斷凝固，溫度逐漸降低熔池溫度分布1-熔池中部2-熔池前部3-熔池尾部2、焊接溫度場(chǎng)板厚25mm低碳鋼焊件坐標(biāo)示意圖xoy面上沿x軸的溫度分布xoy面上的等溫線yoz面上沿y軸的溫度分布yoz面上的等溫線厚大焊件上點(diǎn)狀移動(dòng)熱源的溫度場(chǎng)2、焊接溫度場(chǎng)典型焊接溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)——常態(tài)一維溫度場(chǎng)二維溫度場(chǎng)三維溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)的影響因素?zé)嵩吹男再|(zhì)焊接工藝參數(shù)被焊金屬的熱物理性質(zhì)焊件的板厚及形狀2、焊接溫度場(chǎng)熱輸入量q=常數(shù)，熱源移動(dòng)速度v對(duì)溫度場(chǎng)的影響熱源移動(dòng)速度v增加熱源功率q保持為常數(shù)時(shí)隨焊接速度v的增加等溫線的范圍變小溫度場(chǎng)的寬度和長(zhǎng)度均變小寬度顯著變小所以，等溫線的形狀變得細(xì)長(zhǎng)影響因素2、焊接溫度場(chǎng)熱源移動(dòng)速度v=常數(shù)，熱輸入量q對(duì)溫度場(chǎng)的影響熱源功率q增加熱源移動(dòng)速度v保持為常數(shù)時(shí)隨熱源功率q的增加等溫線在焊縫橫向變寬等溫線在焊縫方向伸長(zhǎng)影響因素2、焊接溫度場(chǎng)熱源移動(dòng)速度v熱源功率q增加q/v=常數(shù)，熱輸入量及熱源移動(dòng)速度等比例變化時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)的影響q/v保持為常數(shù)時(shí)同比例改變q和v等溫線拉長(zhǎng)溫度場(chǎng)范圍拉長(zhǎng)影響因素2、焊接溫度場(chǎng)在相同熱功率、熱源移動(dòng)速度和相同板厚條件下不同材料板上移動(dòng)線熱源周圍的溫度場(chǎng)影響因素2、焊接溫度場(chǎng)6.1.2焊接熱循環(huán)1、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)到最大值后又由高而低的變化描述焊接熱源對(duì)被焊金屬的熱作用過(guò)程2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱速度加熱的最高溫度在相變溫度以上的停留時(shí)間冷卻速度或冷卻時(shí)間焊接熱循環(huán)的參數(shù)6.1.2焊接熱循環(huán)加熱速度加熱速度受許多因素影響：不同的焊接方法不同的被焊金屬不同厚度不同焊接熱輸入等加熱速度方面的研究還不夠充分特別是新工藝、如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱的最高溫度據(jù)焊縫遠(yuǎn)近不同的各點(diǎn)，加熱的最高溫度不同2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)在相變溫度以上的停留時(shí)間2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻速度或冷卻時(shí)間—決定熱影響區(qū)組織性能指焊件上某點(diǎn)熱循環(huán)的冷卻過(guò)程中某一瞬時(shí)溫度的冷卻速度為了便于測(cè)量和分析比較，采用800～500oC的冷卻時(shí)間來(lái)代替瞬時(shí)冷卻速度，因?yàn)檫@一溫度區(qū)間是相變的主要溫度范圍2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻時(shí)間從800℃冷卻到500℃時(shí)所用時(shí)間--碳鋼、不易淬火的低合金鋼從800℃冷卻到300℃時(shí)所用時(shí)間--易淬火的低合金鋼(馬氏體相變點(diǎn)約300℃)從高溫冷卻到100℃時(shí)所用時(shí)間--擴(kuò)散氫2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)距焊縫距離距焊縫距離變近3、焊接熱循環(huán)的影響因素焊接方法不同焊接方法的焊接熱循環(huán)1-手弧焊 2-埋弧焊3-電渣焊3、焊接熱循環(huán)的影響因素多層焊短段多層焊接熱循環(huán)3、焊接熱循環(huán)的影響因素近縫區(qū)1和4點(diǎn)所經(jīng)歷的熱循環(huán)是比較理想的。1點(diǎn)：Ac3以上停留時(shí)間較短，避免了晶粒長(zhǎng)大；減緩了Ac3以下的冷速。4點(diǎn)：由于層間溫度較高，不易產(chǎn)生淬硬組織，Ac3以上溫度停留時(shí)間不會(huì)過(guò)長(zhǎng)，晶粒也不易長(zhǎng)大。生產(chǎn)上為進(jìn)一步改善焊縫及熱影響區(qū)的組織與性能，還常多焊一層退火焊道，以延長(zhǎng)奧氏體分解時(shí)間。短段多層焊對(duì)焊縫和熱影響區(qū)組織和性能都有一定改善作用。但工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。多層焊長(zhǎng)段多層焊接熱循環(huán)3、焊接熱循環(huán)的影響因素焊接尺寸形狀3、焊接熱循環(huán)的影響因素當(dāng)板厚較小時(shí)，焊件寬度對(duì)冷卻時(shí)間影響較大；當(dāng)板厚較大時(shí)，焊件寬度對(duì)冷卻時(shí)間影響明顯減弱；當(dāng)寬度大于150mm時(shí)，可以認(rèn)為相當(dāng)于“無(wú)限大”，冷卻時(shí)間僅是板厚的函數(shù)。接頭形式相同板厚情況下，丁字接頭的冷卻速度要比V形坡口對(duì)接接頭的冷卻速度大1.5倍。焊縫長(zhǎng)度相同接頭形式和焊接條件下，焊道越短其冷卻速度越大。焊接線能量隨著焊接線能量的增加，加熱的最高溫度、高溫停留時(shí)間及冷卻時(shí)間都將隨之增大。預(yù)熱溫度即使低溫預(yù)熱，也會(huì)大大降低600度以下溫度范圍的冷卻速度，但在高溫階段冷速的降低或高溫停留世間的延長(zhǎng)，則影響不十分顯著。焊接時(shí)冷卻條件焊接時(shí)周圍環(huán)境及冷卻條件，不僅影響焊件的初始溫度，也會(huì)影響到焊接過(guò)程中的傳熱條件。3、焊接熱循環(huán)的影響因素4、焊接熱循環(huán)計(jì)算瞬時(shí)溫升T、達(dá)到最高溫度時(shí)間tm、最高溫升Tm和冷卻速度CRθ—任意點(diǎn)溫度θ0—初始溫度n—熱流導(dǎo)熱方向數(shù)r—離原點(diǎn)距離q—熱源強(qiáng)度k—熱源集中系數(shù)5、冷卻速度的確定冷卻速度CR：I—焊接電流v—焊接速度T—技術(shù)冷卻速度的參考溫度T0—焊接初始溫度t—板厚t0，β—常數(shù)焊接冷卻速度與板厚、焊接電流、焊接速度和焊接初始溫度及常數(shù)t0和β有關(guān)，在結(jié)構(gòu)因素一定的條件下，可以調(diào)整焊接電流、焊接速度和初始溫度（預(yù)熱）來(lái)調(diào)整冷卻速度。焊接熱效率電弧功率電弧有效熱功率熱效率6.2、電弧對(duì)金屬的加熱及焊接規(guī)范選擇

6.2.1、焊接電弧熱能的利用焊接方法熱效率焊條電弧焊0.77～0.87埋弧焊0.77～0.90電渣焊0.83電子束及激光束>0.9TIG焊0.68～0.85MIG焊鋼0.66～0.69鋁0.70～0.85熱效率主要取決于焊接方法、焊接規(guī)范和焊接材料的種類焊接線能量焊接時(shí)，焊接電流I、焊接速度VH，進(jìn)條速度VT的數(shù)值大小，稱為焊接規(guī)范。焊接線能量是焊接規(guī)范的綜合指標(biāo)，它表示單位長(zhǎng)度焊縫上投入的有效熱量，用ql表示。6.2.1、焊接電弧熱能的利用線能量對(duì)焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響，線能量越大，生產(chǎn)率越高，但焊接變形越大。基體金屬熱功率與熱效率電弧有效熱功率由基體金屬所吸收的熱功率與由熔化焊條一道過(guò)渡到熔池的兩部分熱功率組成，而基體金屬所吸收的只是電弧有效熱功率的一部分，而基體金屬所吸收的部分熱功率又有一部分用到金屬熱傳導(dǎo)的損失，因此，實(shí)際用以熔化基體金屬的只是一小部分熱功率，這部分稱為熔化基體金屬熱功率qQ。其與線能量之比為基體金屬熔化熱效率ηQ。與工件厚度有關(guān)，厚度越大，熱傳導(dǎo)損失越大；還與熱量集中程度和線能量有關(guān)，熱量越集中，其值越大。6.2.2、基體金屬熔化熔化量GT、熔化率gT、熔化系數(shù)αT、熔敷系數(shù)αH6.2.3、焊絲的熔化熔化量由焊絲截面、熔化長(zhǎng)度和密度計(jì)算，也可直接稱重熔敷量可由焊接板在焊前和焊后的稱重求得。埋弧焊或低飛濺的氣保護(hù)焊中由于飛濺很小，故熔敷系數(shù)十分接近熔化系數(shù)，可取熔化系數(shù)為熔敷系數(shù)。電流的選擇根據(jù)熔深選擇電流6.3焊接規(guī)范的選擇例：要對(duì)接焊12mm厚板，h要保證7-8mm雙面焊才能焊透，則最小電流為：一般埋弧自動(dòng)焊最大電流為1000A，半自動(dòng)焊為650A，手工焊最大電流為400A。因此，上述焊縫，埋弧自動(dòng)焊不需開(kāi)坡口，半自動(dòng)焊和手工焊需開(kāi)坡口。一般規(guī)定：手工焊6mm以上，半自動(dòng)焊12-14mm以上，自動(dòng)焊20mm以上需開(kāi)坡口，以保證焊透和足夠的焊縫強(qiáng)度。電流的選擇按焊絲直徑選擇電流手