熔化焊的热过程.ppt

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1、焊接冶金学,主讲教师:徐桂芳江苏大学材料学院,本课程参考书目:1.焊接冶金学 天津大学 张文钺主编2.材料成形原理 华中科技大学 陈昌平主编3.材料成形基本原理 合肥工业大学 刘全坤主编4.金属材料成型原理 江苏大学 雷玉成等主编,绪论,本课程的研究内容:熔焊过程中的热作用 液态金属与周围气体的反应,液态金属与熔渣的相互作用 液态金属凝固特点 焊缝金属的组织与性能,焊接热影响区的组织与性能 焊接缺陷分析.焊接过程的物理本质1、什么是焊接?被焊工件的材质(同种或异种),通过加热或加压或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件达到原子间结合,形成永久性接头.,微观上:原子间结合 宏观上:永久性接头原

2、子间结合,对于金属来说就是形成金属键.金属原子之间的距离达到0.30.5nm时,相互之间的作用力达到最大.,要让金属原子之间的距离达到0.30.5nm,采用加压或加压的方式:加压:破坏氧化膜,使接触紧密.加热:使结合处达到塑性或熔化状态,此时,接触面的氧化膜迅速破坏,降低变形阻力,增加原子的振动能,促进扩散,再结晶.实现金属焊接所需要的压力与温度之间有一定的关系.,第一节 熔化焊热源及温度场 一、焊接热源 焊接的能源从基本性质来看，主要是热能和机械能 对焊接热源的要求:能量密度高度集中，实现快速焊接过程，保证得到高质量(强韧而致密)焊缝和最小的焊接热影响区(HAZ)。1、焊接热源的种类 及特征

3、 电弧热：利用气体介质在正负电极之间产生的强烈而持久的放电过程所产生的热能来作为焊接热源.焊接中应用最广泛的热源。,等离子弧：利用等离子焊炬，将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧。利用等离子弧作为焊接热源的熔焊方法称为等离子弧焊。电子束：利用真空中被电场加速的电子轰击被焊工件表面所产生的热能作为焊接热源。如电子束焊,电子束焊的深宽比可达40以上.激光束：通过受激辐射而使放射增强的光(激光)，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源，如激光焊。化学热：利用可燃性气体的燃烧和铝、镁热剂的反应热作为焊接热源，如气焊、热剂焊。以上是熔化焊的主要热源形式。此外，还有其它热源

4、可用于压力焊和钎焊等。电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源(如电阻焊)。高频热源：利用高频电流或高频感应产生的二次电流作为热源，对具有磁性的金属材料进行局部集中加热，其实质是电阻加热的另一种形式。这种加热方式的能量高度集中，故可实现很高的焊接速度，如管材的高频焊。摩擦热：利用机械磨擦所产生的热量进行焊接，如摩擦焊。,各种焊接热源的主要特性,2.焊接热效率,（1）电弧焊热效率 如果电弧是无感的 q=UI 若能量不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效功率为 q=UI：有效功率系数在一定条件下是常数，主要取决于焊接方法、焊接规范、焊接材料和保护方式。,（2）电渣焊热效率 电渣焊时，由

5、于熔池处于厚大件的中间，热能主要损失于强制焊缝的冷却滑块，热效率可达80%以上。电渣焊易使热影响区过宽，晶粒粗大，焊接接头的性能下降。（3）电子束和激光焊接的热效率 他们的特点是能量高度集中，在进行焊接时能量损失较少，热效率可达90%以上,3.焊件加热区的热能分布 加热区热源的能量传递给焊件时所通过的焊件表面上的区域,（1）活性斑点区 带点质点直接轰击直径为dA的斑点区域，电能热能（2）加热斑点区 在直径为dH的区域内，金属受热是通过辐射、对流进行的。加热斑点区的热能分布是不均匀的。加热斑点区的热能分布不均匀：中心高，边缘低。电流不变，电压升高，T减小；电压不变，电流升高，T增大,二、焊接温度

6、场,1.焊接时热作用的特点（1）集中性（2）瞬时性2.焊接传热基本形式（根据传热学基本理论）（1）、热传导 再连续介质内部或相互接触的物体之间不发生位移，而仅依靠分子、原子等微观颗粒的热运动而产生的热量传输。（2）、热对流 由流体各质点之间的相对位移而引起的热量传输形式。温差、密度 自然对流，机械力、电磁力 强迫对流。（3）、热辐射 由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递。,焊接过程中，热源 焊件 对流、辐射为主 母材、焊条本身 热传导为主热传导过程的偏微分方程（根据傅立叶公式和能量守恒定律建立）三维传热 二维传热 一维传热,具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。初始条件：物体

7、开始导热时的瞬时温度分布边界条件：热导体表面与周围介质间的热交换情况。常见的三种边界条件：第一类：给定物体表面温度随时间的变化关系第二类：给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系第三类：给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数a。,3.焊接温度场的概念,焊接温度场某瞬时焊件上各点的温度分布 T=f(x,y,z,t),等温线（面）焊件上瞬时温度相同的点连成的线（面）,每条线或面之存在温度差，其大小可以用温度梯度来表示：Grad T,稳定温度场非稳定温度场准稳定温度场,数学分析法,（1)数学解析的简化条件：1）焊接过程中材料的热物理常数不变，初始温度均匀2）三维或二维传热时，各方向传热

8、互不影响3）焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型：半无限大物体 三维传热 点热源无限薄物体 二维传热 线热源无限长细杆 一维传热 面热源4）边界条件：厚板焊件的热能全部向物体内部传导；薄板或细杆表面与介质间的热传导忽略不计5）焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变6）热源运动过程中所产生的热作用效果，可视为相继作用于不同点的无数集中热源作用的总和，而多个瞬时热源之间互不影响,厚板温度场表达式,1.正常速度运动时的特解：,2.热源稿速度运动时的近似解：,薄板温度场表达式,1.正常速度运动时的特解：,2.热源稿速度运动时的近似解：,5.影响温度场的因素,（1）热源的性质（2）焊接工艺参数 q v q

9、一定 v增大 等温线的范围变小，热源集中程度增大 v一定 q增大 温度场的范围增大 grad T q/v一定 v 较大时 grad T（3)金属的热物理性质 热物理性质主要是指 热扩散率=/c 焊接线能量 E 相同 a grad T 板厚 其他因素不变，随板厚的减小，焊件表面的高温区域,第二节 焊接热循环,焊接时在焊接热源的作用下，焊缝周围的母材发生组织和性能变化的区域称为焊接热影响区（HAZ），或称为“近缝区”,一、焊接热循环 在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。右图为低合金钢堆焊时焊件上不同点的温度,图9-10 低合金钢堆焊焊缝附近各点的焊接热循环,（一）研

10、究焊接热循环的意义：找出最佳的焊接热循环；用工艺手段改善焊接热循环；预测焊接应力分布及改善热影响区组织。（二）焊接热循环的主要参数 焊接热循环反映了焊接过程中热源对被焊金属的作用。焊接热循环曲线可分为加热和冷却两个阶段，采用四个主要参数来描述其特征。加热速度：影响加热速度的因素有1、焊接方法 2、工艺条件 3、被焊材料 4、母材板厚 加热速度 相变温度升高，奥氏体化不均匀、碳化物溶解不充分。,图9-11 焊接热循环的特征,最高加热温度Tmax：也称为峰值温度。距焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同。焊接中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而降低材料的塑性。,在相变温度以上的停留时

11、间tH：在相变温度以上停留时间越长，越有利于奥氏体晶粒长大，这会引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。冷却速度C(或冷却时间t8/5)：冷却速度是指在焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时的速度。它是决定热影响区组织和性能的参数之一。对低合金钢来说，从熔合线附近冷却到540左右的瞬时冷却速度是重要的参数。用某个区间段的冷却时间表示t8/5，t8/3，t100。以上四个参数中，、Tmax、tH、C中，tH为非独立参数，Tmax、C较为重要。焊接热循环反应了母材在热作用下的相变特点。焊接热循环曲线的获得：采用热电欧测量温度；用传热学及有限元等树枝方法模拟焊接温度场，并计算特征参数获得。,表9.4单层

12、电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数,根据焊接传热理论，配合一些实验数据，利用数学模型可以计算出焊接热循环的几个主要参数。最高温度Tm的计算：焊件温度经t时间达到最高温度Tmax时，dT/dt=0，令，并令由T0升温到达Tm所需时间为tm，则可得：“厚板”,将上式代入得到厚板的计算公式,同理“薄板”将上式代入得到“薄板”计算公式,瞬时冷却速度C的计算：由于焊缝与熔合区的瞬时冷却速度相差不大，因此可以计算焊缝的冷却速度。,“厚板”,“薄板”,相变温度以上停留时间tH的计算：对于焊缝边界高温停留时间tH的计算表达式为：,“厚板”,“薄板”,冷却时间tA的计算：冷却时间的长短直接影响到焊缝金属及

13、过热区的力学性能。对于结构钢说，主要控制从A3到Tmin(奥氏体的最低温度)或到Ms的冷却时间tA。为了方便使用，统一规定A3800，Tmin500，这样可用t8/5代替tA，即,“厚板”,“薄板”,临界板厚hc的计算：要套用公式，首先需判断是厚板还是薄板，为此引入“临界板厚”的概念。当线能量E一定时，板厚增加到一定厚度后对C和t8/5的影响不大。因此可将对C和t8/5不发生影响的板厚称为临界板厚，以hC表示。,“厚板”,“薄板”,这两式是等效的。当hhC，可以认为属于三维导热的“厚板”；若hhC，则可以认为属于二维导热的“薄板”；（三）焊接热循环的影响因素 对焊接热循环影响较大的因素有被焊材

14、料的材质、接头的形状尺寸和焊接工艺条件。材质的影响：母材不同，材料的热物理性能参数不同，c和的变化将影响到焊接热循环的各个特性参数，从而得到不同的热循环曲线。但在金属材料一定的情况下，焊件形状、尺寸、线能量和预热温度等对焊接热循环曲线也有很大的影响。,接头形状尺寸的影响：见图9-12。同一坡口形式，板厚增加时，冷却速度也随之增大。焊道长度的影响：在焊接条件和接头形式一定的条件下，焊道长度越短，如小于40mm时，冷却速度会急剧增大，如图9-13所示。因此，定位焊的焊道不能过短。,图9-12接头形式对t8/5的影响 图9-13 焊道长度对C和影响,预热温度T0的影响：提高T0可增加tH和t8/5，

15、但T0对在Tm附近的停留时间影响不明显，T0的增加会使热影响区宽度增加，如图9-14所示。而且提高T0会减缓冷却速度，如图9-15所示。,图9-14 Tm分布与E及T0的关系,图9-15 焊缝边界附近焊接热循环特性与E及T0的关系,线能量的影响：E的提高会使Tm、tH和t8/5增大，而C降低。图9-16显示不同焊接方法，线能量E的影响程度。从该图可知，在线能量E相同时，手弧焊的冷却速度最快，埋弧焊的冷速最慢，而氩弧焊和CO2+O2焊的冷却速度基本相同，且均比埋弧焊时冷却速度快一些。这是由于焊接方法不同，散热方式也不一样，最终造成冷却速度的差异。另外，由图9-14可知，若T0相同，线能量E的增加

16、将使图中曲线变得平缓，从而使热影响区加宽。,图9-16 焊缝边界t8/5与线能量E的关系,第三节 焊接接头的形成一、焊接熔池的形成1、焊接材料的熔化 焊接过程中，焊接材料（焊条、焊丝）在焊接热源的作用下将被熔化，焊丝或焊条端部熔化形成的滴状液态金属熔滴熔滴长大到一定尺寸，在各种力的作用下脱离焊条或焊丝，以滴状形式向熔池过渡。焊条的加热 电弧热熔化焊条 热能 电阻热加热焊芯和药皮，不宜太大 化学热药皮与金属反应，药皮自身反应（常忽略不计）,电阻热过大的危害：药皮开裂或脱落，丧失冶金作用，飞溅增加，焊缝成形变坏，引起气孔等缺陷。焊芯温度 600650。电弧加热熔化焊条的功率：qe=eUI e 0.

17、20.272、焊条金属的平均熔化速度：(gm)单位时间内熔化焊芯的质量或长度 gm G/t 试验表明，在正常焊接条件下，焊条金属的平均熔化速度与焊接电流成正比平均熔敷速度(gH)：单位时间内真正进入焊接熔池地那部分金属质量称为平均熔敷速度；,损失系数：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发而损失的金属质量与熔化的焊芯原有质量之比；以上三个参数之间有如下关系 gH=(1-)gM3、焊条金属的熔滴及其过渡形式 熔滴焊条端部熔化形成的滴状液态金属 熔滴长大导一定尺寸，便在各种力的作用下脱离焊条，过渡到熔池中区，然后周而复始。（1）熔滴的过渡形式1）短路过渡短弧焊时，焊条端部的熔滴长大到一定尺寸就与熔池发生

18、接触，形成短路，电弧熄灭，熔滴过渡到熔池中去，电弧重新点燃。2）颗粒状过渡电弧的长度足够长，熔滴长大到较大尺寸，滴入熔池而不发生短路，下一周期接着进行。,3）附壁过渡熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡。熔滴的过渡形式、尺寸和过渡频率与药皮的成分与厚度、焊芯的直径、焊接电流和极性有关。碱性焊条：主要是短路过渡和大颗粒过渡 酸性焊条：主要是附壁过渡和小颗粒过渡。（2）熔滴的比表面积与相互作用时间 R越小，S越大 焊接电流 R S 药皮中加入活性物质 R S S 有利于冶金反应 S 103104cm2/Kg,理论上，熔滴存在的时间 不等于熔滴与周围介质作用时间，熔滴与周围介质的平均作用时间cp为

19、cp=(m0/mtr+1/2)m0:熔滴脱落后残留在焊条上的质量 mtr：过渡的熔滴质量 根据焊接方法、规范、电流极性和焊接材料不同，平均相互作用时间在0.10.2S内变化，是很短暂的。（3）熔滴的温度 熔滴的温度，理论上无法精确计算，实际测量得到手工电弧焊接低碳钢熔滴的平均温度为21002700K。熔滴的平均温度T：I T；d(焊丝直径)T：,（二）熔池的形成 焊接时，在热源的作用下，焊条熔化的同时被焊金属也发生局部熔化。母材上，由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液态金属熔池。1、熔池的形状与尺寸,焊接熔池状示意图,熔池的形成需经过一个过渡期，此后就进入准稳定期，这时

20、熔池的形状、尺寸和质量不再发生变化。由右图可见，熔池为不标准的半椭球，其外形轮廓处为温度等于母材熔点的等温面。,熔池的宽度与深度沿X轴方向连续变化。随着焊接电流的增加，熔池的Hmax增大，熔池的Bmax相对变小；随着电弧电压的升高，Hmax减小，Bmax增加。熔池的长度L可表示为：L=P2q=P2UI(9-26),式中，P2为比例常数；q为电弧功率；U为电弧电压；I为焊接电流。实验表明，P2和熔池的表面积都取决于焊接方法和焊接工艺参数。2、熔池的质量手工电弧焊时熔池的质量通常在0.616g的范围之内，一般为5g以下，实验表明：手工电弧焊时，熔池的质量与q2/v成正比。而在埋弧自动焊时，由于焊接

21、电流值较大，熔池的质量也较大，但熔池的质量一般小于100g。,(9-27),式中，L为熔池长度(cm)；v为焊接速度(cm/s)。由熔池质量确定的熔池平均存在时间tcp为：,(9-28),式中，GP为熔池质量(g)；为熔池液态金属的密度(g/cm3)；v为焊接速度(cm/s)；FW为焊缝的横断面积(cm2)。焊接方法和焊接工艺不同，熔池的最大存在时间和平均时间也不同。,3、熔池存在的时间 由于熔池的体积和质量较小，其存在的时间一般只有几秒到几十秒，因此，熔池中的冶金反应时间很短，但比熔滴阶段存在的时间要长。熔池在液态时存在的最大时间tmax为,4、熔池的温度分布 实验表明，熔池各点的温度是不均

22、匀的，如图9-18所示。在熔池的前部，由于输入的热量大于散失的热量，所以随着焊接热源的向前移动，母材不断被熔化。在电弧下的熔池中部，温度最高。在熔池的后部，由于输入的热量小于散失的热量，温度逐渐降低，于是发生金属的凝固过程。,1熔池中部2熔池前部3熔池后部,图9-18 熔池的温度分布,5、熔池中液相的运动状态 在焊接过程中，熔池中的液相发生强烈的搅拌作用将熔化的母材与填充金属充分混合和均匀化。其产生液相运动的原因有以下几点：熔池中温度分布不均匀引起液态金属密度差，使液相从低温区向高温区流动，产生对流运动。熔池温度分布不均匀引起表面张力分布不均匀，产生的表面张力差将使液相发生对流运动。焊接热源作

23、用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。研究表明，焊接工艺参数、电极直径、焊炬的倾斜角度等对熔池中液相的运动状态都有很大的影响。,熔池中液态金属的运动形式：熔池上部，液体从头部向尾部运动，熔池底部，运动方向相反。熔池中液态金属运动的作用：1）搅拌作用有利于熔池金属充分地混合，使成分均匀化；2）有利于气体和杂质的排除，提高焊缝质量。3）合金元素烧损 在液态金属与母材的交界处，仍出现成分的不均匀现象。,二、焊接接头的形成,焊接接头的形成经历加热、熔化和冶金反应、冷却、相变焊缝相互作用的三个过程：（1）热作用过程 焊接热过程贯穿焊接过程的始终（2）焊接化学冶金过程 液态金属、熔渣、气相之间进行着一系列的反应，直接影响到焊缝的化学成分、组织和性能。控制冶金反应过程是控制焊缝质量的重要手段。（3）熔池的凝固和相变过程 焊接过程的冷却速度大，易在冷却过程中产生缺陷（气孔、偏析、裂纹等）焊接接头的形式与熔合比 熔合比母材在焊缝中所占的比例,