第三節(jié)焊接溫度場(chǎng)

1、第二章第二章 焊接冶金學(xué)基本原理焊接冶金學(xué)基本原理 焊接熱過(guò)程焊接熱過(guò)程 焊接熱過(guò)程 1. 焊接熱源 2. 焊接溫度場(chǎng) 3. 焊接熱循環(huán) 1.1 1.1 焊接熱源的類型及特征焊接熱源的類型及特征 電弧熱 化學(xué)熱化學(xué)熱 氣焊氣焊時(shí)，乙炔時(shí)，乙炔C C2 2H H2 2在純氧在純氧O O2 2中部分燃燒，在中部分燃燒，在 環(huán)繞焰心的還原區(qū)形成一氧化碳環(huán)繞焰心的還原區(qū)形成一氧化碳COCO和氫和氫H H2 2， 然后在外焰區(qū)與空中的氧作用，完全燃燒然后在外焰區(qū)與空中的氧作用，完全燃燒 形成二氧化碳形成二氧化碳COCO2 2和水和水H H2 2O O蒸氣，焰流以高速蒸氣，焰流以高速 沖擊焊接區(qū)表面，通過(guò)

2、對(duì)流和輻射加熱工沖擊焊接區(qū)表面，通過(guò)對(duì)流和輻射加熱工 件。件。 氣焊氣焊：利用助燃助燃（氧 氣）和可燃可燃?xì)怏w（乙 炔）或鋁、鎂熱劑進(jìn) 行化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生 的熱能作為焊接熱源。 電阻熱電阻熱 利用電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源。 摩擦焊摩擦焊 摩摩擦焊擦焊時(shí)，相對(duì)旋轉(zhuǎn)的表面被摩擦加熱，去除氧 化層，最后在略低于焊件熔點(diǎn)的溫度下，軸向加壓 而連接起來(lái)。 攪拌摩擦焊：攪拌摩擦焊：是利用摩擦熱和變形熱來(lái)提高工件 的溫度和塑性變形能力，并在壓力下形成接頭。 電子束電子束 利用高壓高速運(yùn)動(dòng)的電子在真空中猛烈轟擊金屬 局部表面，使這種動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能作為焊接熱源。 熱能高度集中，焊縫深寬比可達(dá)40以上，

3、HAZ（Heat Affected Zone）很窄。 HAZ：熔焊時(shí)在集中熱源的 作用下，焊縫兩側(cè)發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域。 激光束激光束 Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激輻射光放大）：經(jīng)過(guò)聚焦產(chǎn)生能量高度集中 的激光束激光束作為焊接熱源 等離子焰等離子焰 各種焊接熱源的主要特性 熱 源最小加熱面 積（cm2） 最大功率密 度（W/cm2） 正常焊接規(guī)范下 的溫度（K） 乙炔火焰 金屬極電弧 鎢極電弧(TIG) 埋弧自動(dòng)焊 電渣焊 10-2 10-3 10-3 10-3 10-3 2103 104

4、1.5104 2104 104 34003500 6000 8000 6400 2300 熔化極氬弧焊 CO2氣體保護(hù)焊 10-4104 105 等離子弧 電子束 激光 10-5 10-7 10-8 1.5105 107 109 107 109 1800024000 1.2 1.2 焊接過(guò)程焊接過(guò)程的熱效率的熱效率 在焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量并非全部用于加熱工件，而 是有一部分熱量損失于周圍介質(zhì)和飛濺中。焊件和母材所吸 收的熱量稱為熱源的有效功率。 焊接加熱過(guò)程中的熱效率（或稱功率有效系數(shù)）h1 UIq h 式中：q 為電弧的有效功率J/S U 為電弧電壓V I 為焊接電流A h 為功率有效系數(shù)

5、 不同焊接方法的h 焊接方法手弧焊埋弧焊電子束及 激光焊 電渣焊TIG焊MIG焊 鋼鋁 h 0.77 0.87 0.77 0.90 0.90.830.68 0.85 0.66 0.69 0.70 0.85 三、三、 焊接傳熱的基本方式焊接傳熱的基本方式 自然界中，熱量的傳遞主要有三種基本方式：即自然界中，熱量的傳遞主要有三種基本方式：即熱傳導(dǎo)、熱傳導(dǎo)、 對(duì)流和輻射。對(duì)流和輻射。 焊接過(guò)程中，熱源能量的傳遞也不外以上三種方式，對(duì)焊接過(guò)程中，熱源能量的傳遞也不外以上三種方式，對(duì) 于電弧焊來(lái)講，熱量從熱源傳遞到焊件主要是通過(guò)熱于電弧焊來(lái)講，熱量從熱源傳遞到焊件主要是通過(guò)熱輻射輻射 （溫度越高，輻射能

6、力越強(qiáng)）和熱（溫度越高，輻射能力越強(qiáng)）和熱對(duì)流對(duì)流方式，而母材和焊絲方式，而母材和焊絲 內(nèi)部，則以內(nèi)部，則以熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)方式。方式。 3.1 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng) 1）焊接溫度場(chǎng)的概念）焊接溫度場(chǎng)的概念 焊件上（包括內(nèi)部）焊件上（包括內(nèi)部）某瞬時(shí)焊件上的某瞬時(shí)焊件上的的的溫度分布溫度分布，稱為，稱為焊接溫焊接溫 度場(chǎng)。度場(chǎng)。 T=f（x，y，z，t） T工件上某點(diǎn)某瞬時(shí)的溫度；工件上某點(diǎn)某瞬時(shí)的溫度； x，y，z工件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo)工件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo) t時(shí)間時(shí)間 2）焊接溫度場(chǎng)的表征）焊接溫度場(chǎng)的表征 焊接溫度場(chǎng)可用等溫線或等溫面的分布來(lái)表征。焊接溫度場(chǎng)可用等溫線或等溫面的分布來(lái)表征。等溫線

7、或等溫等溫線或等溫 面：把焊件上面：把焊件上瞬時(shí)溫度相同的點(diǎn)瞬時(shí)溫度相同的點(diǎn)連接在一起，成為一條線或一個(gè)面。連接在一起，成為一條線或一個(gè)面。 3.2 焊接溫度場(chǎng)的類型焊接溫度場(chǎng)的類型 1.1.根據(jù)溫度隨時(shí)間變化根據(jù)溫度隨時(shí)間變化 穩(wěn)定溫度場(chǎng)：焊接溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變；穩(wěn)定溫度場(chǎng)：焊接溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變； 非穩(wěn)定溫度場(chǎng)非穩(wěn)定溫度場(chǎng)：絕大多數(shù)情況下，焊件上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間：絕大多數(shù)情況下，焊件上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間 而變；而變； 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：正常焊接條件下，當(dāng)功率恒定的熱源在一準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：正常焊接條件下，當(dāng)功率恒定的熱源在一 定長(zhǎng)度的工件上勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后焊接過(guò)程定長(zhǎng)度

8、的工件上勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后焊接過(guò)程 穩(wěn)定，形成一個(gè)與熱源同步運(yùn)動(dòng)的不變溫度場(chǎng)。如采用移動(dòng)穩(wěn)定，形成一個(gè)與熱源同步運(yùn)動(dòng)的不變溫度場(chǎng)。如采用移動(dòng) 坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)與熱源中心重合，則焊件上各點(diǎn)的溫度只坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)與熱源中心重合，則焊件上各點(diǎn)的溫度只 取決于這個(gè)系統(tǒng)的空間坐標(biāo)，而與熱源的移動(dòng)距離和速度無(wú)取決于這個(gè)系統(tǒng)的空間坐標(biāo)，而與熱源的移動(dòng)距離和速度無(wú) 關(guān)。關(guān)。 2. 根據(jù)焊件尺寸和熱源的性質(zhì)根據(jù)焊件尺寸和熱源的性質(zhì) 一維溫度場(chǎng)一維溫度場(chǎng)（線性傳熱）：焊條或焊絲的加熱（面熱源，（線性傳熱）：焊條或焊絲的加熱（面熱源， 徑向無(wú)溫差，如同一個(gè)均溫的小平面在傳熱）徑向無(wú)溫差，如同一個(gè)均溫的

9、小平面在傳熱） 二維溫度場(chǎng)二維溫度場(chǎng)（平面?zhèn)鳠幔阂淮魏竿傅谋“澹搴穹较驘o(wú)（平面?zhèn)鳠幔阂淮魏竿傅谋“?，板厚方向無(wú) 溫差（線熱源，把熱源看成沿板厚的一條線）溫差（線熱源，把熱源看成沿板厚的一條線） 三維溫度場(chǎng)（空間傳熱）：厚大焊件表面堆焊（點(diǎn)熱源）三維溫度場(chǎng)（空間傳熱）：厚大焊件表面堆焊（點(diǎn)熱源） 3.3 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)影響因素影響因素 1.熱源性質(zhì)熱源性質(zhì) 2.焊接參數(shù)焊接參數(shù) 熱源性質(zhì)不同，其加熱溫度與加熱面積不同，溫度場(chǎng)分熱源性質(zhì)不同，其加熱溫度與加熱面積不同，溫度場(chǎng)分 布也就不同。布也就不同。 熱源越集中，加熱面積越小，等溫線分布越密集。等離熱源越集中，加熱面積越小，等溫線分布

10、越密集。等離 子焊時(shí)，熱量集中，加熱范圍僅為幾毫米的區(qū)域。子焊時(shí)，熱量集中，加熱范圍僅為幾毫米的區(qū)域。 有效熱功率與焊接速度影響最大有效熱功率與焊接速度影響最大 隨焊接速度v的增加,等溫線的范圍變小（a） 隨熱源功率熱源功率q的增加,溫度場(chǎng)范圍隨之增大（b） 等比例改變q和v時(shí),等溫線有所拉長(zhǎng)（c） 被焊金屬的熱物理性質(zhì)對(duì)溫度場(chǎng)的影響 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 比熱容比熱容 焓焓 熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率 表面散熱系數(shù)表面散熱系數(shù) AB 3.1焊接熱循環(huán)的概念焊接熱循環(huán)的概念 焊接熱循環(huán) 在焊接熱源的作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程 3.2焊接熱循環(huán)主要參數(shù)焊接熱循環(huán)主要參數(shù) 加熱速度（H） 加熱最高溫度

11、(Tmax ) 在相變溫度以上停留時(shí)間(tH) 冷卻速度(或冷卻時(shí)間)(c) 上圖給出了幾個(gè)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù) 加熱速度（H） 焊接加熱速度要比熱處理時(shí)的加熱速度快得多，這種快速加熱 使體系處于非平衡狀態(tài)，因而在其冷卻過(guò)程中必然影響熱影響區(qū)的 組織和性能；如：H(加熱速度)TP(相變溫度)，會(huì)導(dǎo)致奧氏體 化程度 和碳化物溶解程度。 加熱最高溫度(Tmax ) Tmax指工件上某一點(diǎn)在焊接過(guò)程中所經(jīng)歷的最高溫度，即該點(diǎn) 熱循環(huán)曲線上的峰值溫度?？疾煳恢貌煌罡邷囟炔煌鋮s速 度不同焊接組織不同性能不同。例如：熔合線附近（對(duì)一般低 碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，其Tm可達(dá)13001350），由于溫度高，其 母材晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大，導(dǎo)致塑性降低。 在相變溫度以上停留時(shí)間(tH) 在相變溫度以上停留的時(shí)間越長(zhǎng)，就會(huì)有利于奧氏體的均勻化過(guò) 程。如果溫度很高時(shí)（如1100 以上），即使時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)某些 金屬來(lái)說(shuō)，也會(huì)造成嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大。 為了研究問(wèn)題方便，一 般將tH分成兩部分。即 t加熱過(guò)程停留時(shí)間： t”冷卻過(guò)程停留時(shí)間： 冷卻速度(或冷卻時(shí)間)(c) 冷卻速度是決定熱影響區(qū)組織和性能的最重要參數(shù)之一，是研究熱 過(guò)程的重要內(nèi)容。通常我們說(shuō)冷卻速度，可以是指一定溫度范圍內(nèi)的 平均冷卻速度（或冷卻時(shí)間）也可以是指某一瞬時(shí)的冷卻速度。 對(duì)于低碳鋼和低合復(fù)鋼