材料成型第3章課件

1、第三章第三章 材料成形熱過程材料成形熱過程一、焊接熱過程特點(diǎn)一、焊接熱過程特點(diǎn)1.熱源熱量比較集中，功率密度比較大，相對(duì)加熱面積較小。2.在高度集中熱源作用下，瞬時(shí)可將大量熱能傳給焊件。3.一般焊接過程中熱源是移動(dòng)的，焊件的受熱區(qū)域不斷變化。3-1 3-1 焊接成形熱過程焊接成形熱過程 熱熱 源源最小加熱面積最小加熱面積/cm2最大功率密度最大功率密度/（W/cm2）溫溫 度度/oC氧乙炔焰氧乙炔焰10-210334003500金屬極電弧金屬極電弧10-31046000鎢極氬弧焊鎢極氬弧焊10-31048000埋弧自動(dòng)焊埋弧自動(dòng)焊10-31046400電渣焊電渣焊10-21042300熔化極氬

2、弧焊熔化極氬弧焊10-4104105CO2氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊10-4104105等離子弧等離子弧10-51051800024000電子束焊電子束焊10-7107109激光焊激光焊10-8107109常用熔焊方法及熱源主要特性常用熔焊方法及熱源主要特性 二、焊接過程熱效率二、焊接過程熱效率熱效率 =Q/QQ：焊接熱源提供的熱量；Q：用于加熱焊件的有效熱量；不同的電弧焊方法，其熱效率值不同，如表示3-1 3-1 焊接成形熱過程焊接成形熱過程不同電弧焊方法的電弧熱效率不同電弧焊方法的電弧熱效率焊接方法焊接方法碳弧焊碳弧焊厚皮焊條手厚皮焊條手工電弧焊工電弧焊埋埋 弧自弧自 動(dòng)動(dòng) 焊焊鎢極氬弧焊鎢極氬

3、弧焊熔化極氬弧焊熔化極氬弧焊直流直流交流交流鋼鋼鋁鋁值值0.5-0.650.77-0.870.77-0.990.78-0.850.68-0.850.66-0.690.70-0.85真正用于焊接的有效功率P為：P = UI 式中： P 電弧功率； U 焊接電壓； I 焊接電流。3-1 3-1 焊接成形熱過程焊接成形熱過程3-1 3-1 焊接成形熱過程焊接成形熱過程電弧焊時(shí)熱量分配電弧焊時(shí)熱量分配 所謂焊接溫度場(chǎng)是指在焊接集中熱源的作用下，被焊工件上（包括內(nèi)部）各點(diǎn)在某一瞬時(shí)的溫度分布。3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)一、焊接傳熱形式及熱傳導(dǎo)方程一、焊接傳熱形式及熱傳導(dǎo)方程 焊接過程主要研究焊

4、接過程主要研究的是焊件溫度變化（相的是焊件溫度變化（相當(dāng)于冷卻為主）因此主當(dāng)于冷卻為主）因此主要以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)要以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)考慮輻射和對(duì)流的作用。考慮輻射和對(duì)流的作用。2.2.焊接熱傳導(dǎo)的基本方程焊接熱傳導(dǎo)的基本方程 熱總是從物體的高溫部位向低溫部位流動(dòng)，它的流動(dòng)規(guī)律服從傅立葉定律。 根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律，可以導(dǎo)出任一無限大物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程。傅立葉定律： qn=dT/dnq電流密度，即沿法線方向單位面積、單位時(shí)間內(nèi)流過的熱量；熱導(dǎo)率（J/cms),表示導(dǎo)熱能力3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)傅立葉定律的熱流傅立葉定律的熱流 焊接熱傳導(dǎo)方程焊接熱傳導(dǎo)方程 T/ t=

5、a T 式中： a 熱擴(kuò)散率(cm/s) 拉普拉斯符號(hào)(/x+ /y+ /z) 表示某時(shí)刻，物體上給定點(diǎn)附近溫度分布越不均勻，則該點(diǎn)溫度變化越快二、焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解析的假定條件二、焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解析的假定條件 焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 T= f( x, y, z, t ） 式中：T 工件上某一瞬時(shí)某點(diǎn)的溫度 x,y,z 工件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo) t 時(shí)間3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng) 數(shù)學(xué)解析的基本假定物理系數(shù)與溫度無關(guān)為常數(shù)焊接的尺寸形狀概括為圖三種典型焊接熱源為集中熱源，有三種典型熱源邊界條件：半無限大物體上表面為絕熱面，即熱源的能量全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；無限大

6、薄板的上下表面及無限細(xì)長(zhǎng)桿件的周邊均與周圍介質(zhì)發(fā)生熱交換，即表面?zhèn)鳠峁虘B(tài)相變時(shí)，無相變潛熱發(fā)生，即除焊接熱源外，無其它任何熱源。焊接熱源在單位時(shí)間內(nèi)供給的能量q在整個(gè)焊接過程中保持恒定；除固定位置的補(bǔ)焊或點(diǎn)焊外，焊接速度應(yīng)保持直線等速運(yùn)動(dòng)。熱源在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的熱作用效果，可視為是相繼瞬時(shí)作用于不同點(diǎn)的無數(shù)集中熱源連續(xù)作用的總和，而多個(gè)瞬時(shí)熱源相互之間并不發(fā)生影響。 3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng) 根據(jù)焊件的厚度和尺寸形狀，傳熱的方式可以簡(jiǎn)化為：1） 厚大焊件點(diǎn)狀熱源三維溫度場(chǎng)2） 薄板焊件線狀熱源二維溫度場(chǎng)3） 細(xì)棒對(duì)接面狀熱源一維溫度場(chǎng)3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)焊件及熱源

7、形式焊件及熱源形式三、瞬時(shí)熱源的傳導(dǎo)過程三、瞬時(shí)熱源的傳導(dǎo)過程 假定焊件的初始溫度t=0，利用瞬時(shí)熱源法比較容易求得熱傳導(dǎo)基本方程的特解。其特解為：式中：r 給定點(diǎn)到熱源點(diǎn)的坐標(biāo) n 與熱源有關(guān)的常數(shù) Q焊件瞬時(shí)獲得的熱能點(diǎn)點(diǎn) n=3n=3線線 n=2n=2面面 n=1n=13-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)公式中的公式中的r，n，Q值值熱源熱源Qnr注注點(diǎn)熱源點(diǎn)熱源Q=qt3線熱源線熱源Q/h2h薄極厚板薄極厚板面熱源面熱源Q/F1xF細(xì)長(zhǎng)桿伴橫截面積細(xì)長(zhǎng)桿伴橫截面積四、影響焊接溫度場(chǎng)的因素四、影響焊接溫度場(chǎng)的因素1熱源的性質(zhì)（熱源能量的集中性） 以電弧

8、焊為例，電弧能量越集中，溫度場(chǎng)范圍越小，溫度梯度越大 2焊接規(guī)范（焊速與能量，即焊接熱輸入） 當(dāng)熱源能量（功率）q常數(shù)，隨焊接速度v的增加，某一溫度的等溫線的寬度和長(zhǎng)度都變小，用等溫線表示的溫度場(chǎng)的形狀變的細(xì)長(zhǎng) 當(dāng)速度v常數(shù)時(shí)，隨q的增加，某一溫度的等 溫線所包圍的面積增大 3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)焊接工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響焊接工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響 3 被焊金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率，體積熱容，熱擴(kuò)散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等）3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)金屬熱物理性能對(duì)溫度分布的影響金屬熱物理性能對(duì)溫度分布的影響E=21 kJ/cm（q=

9、4200J/s，v=0.2 cm/s ），h=1 cm4.焊件的板厚及形狀薄板焊接的溫度場(chǎng)分布薄板焊接的溫度場(chǎng)分布3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng)表面堆焊和丁字接頭形式溫度場(chǎng)分布3-2 3-2 焊接溫度場(chǎng)焊接溫度場(chǎng) 焊接時(shí)焊件在加熱和冷卻過程中溫度隨時(shí)間的變化。即焊件上某點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間由低到高達(dá)到最大值后又由高到低的變化。稱為焊接熱循環(huán)。3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)離焊縫不同距離各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)離焊縫不同距離各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)焊接方焊接方法法板厚板厚/mm焊接線能量焊接線能量/（J/cm

10、）900oC時(shí)加時(shí)加熱速度熱速度/（/s）900oC以上停留時(shí)間以上停留時(shí)間/s冷卻速度冷卻速度/（ /s）加熱時(shí)加熱時(shí)t冷卻時(shí)冷卻時(shí)t900 550 鎢極氬鎢極氬弧焊弧焊128401680170012000.40.61.21.82401206030對(duì)接不開坡口對(duì)接不開坡口埋弧自埋弧自動(dòng)焊動(dòng)焊35101525375071401932042000105000700400200100602.02.54.09.025.05.57.013.022.075.054402295129521對(duì)接不開坡口對(duì)接不開坡口,有焊劑墊有焊劑墊V型坡口對(duì)撞型坡口對(duì)撞，有焊劑墊，有焊劑墊電渣焊電渣焊50100100220

11、504000672000117600966000473.53.0162.036.0125.0144.0335.0168.0312.0395.01.02.30.830.80.30.70.280.25雙絲雙絲三絲三絲板極板極雙絲雙絲單層電弧焊和電渣焊低合金鋼時(shí)近縫區(qū)熱循環(huán)參數(shù)單層電弧焊和電渣焊低合金鋼時(shí)近縫區(qū)熱循環(huán)參數(shù) 1.加熱速度 H3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)鋼種鋼種相變點(diǎn)相變點(diǎn)平衡狀平衡狀態(tài)態(tài)/ 加熱速度加熱速度H/（ /s）AC1和和AC3的溫度的溫度/ 6-840-50250-3001400-170040-50250-3001400-170045號(hào)號(hào)AC1730770775790

12、8404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加熱速度對(duì)相變點(diǎn)加熱速度對(duì)相變點(diǎn)Ac1和和Ac3及其溫差的影響及其溫差的影

13、響 2 . 峰值溫度 Tmax 峰值溫度Tmax與焊件的初始溫度To，焊接線能量E，被焊金屬的板厚h及離熱源中心距離有關(guān)。3. 高溫停留時(shí)間 H H與焊接能量E，被焊金屬的、工件板厚h以及焊件的初始溫度T0以及加熱最高溫度Tmax等因素有關(guān)。4. 冷卻速度（或冷卻時(shí)間8/5，8/3，100） 冷卻速度，特別是在固態(tài)相變溫度范圍內(nèi)冷卻速度，即800500及800300時(shí)的冷卻速度是焊接熱循環(huán)中及其重要的參數(shù)，它將決定焊接接頭的組織、性能及接頭質(zhì)量。3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)5. 冷卻時(shí)間c（8/5或8/3及100） 對(duì)于一般碳鋼及低合金鋼常采用固態(tài)相變溫度范圍的800500冷卻時(shí)間8/

14、5；而對(duì)于淬硬傾向比較大的鋼種有時(shí)采用800300冷卻時(shí)間8/3或由峰值溫度冷至100的冷卻時(shí)間100。 為了方便，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上建立了不同條件下從線算圖上直接獲取8/5或8/3的圖解法。 3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)冷卻時(shí)間冷卻時(shí)間100與與E，h，T0的關(guān)系的關(guān)系（B-預(yù)熱寬度）3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)a a）8/5 8/5 b)b)8/38/3手弧焊線算圖手弧焊線算圖二、多層焊接熱循環(huán)二、多層焊接熱循環(huán)1.長(zhǎng)段多層焊接熱循環(huán) 長(zhǎng)段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時(shí)，第一層焊縫基本上冷卻到100200以下3-3 3-

15、3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)低合金鋼低合金鋼V V形坡口三層焊時(shí)形坡口三層焊時(shí)1 1點(diǎn)的冷卻曲線點(diǎn)的冷卻曲線2.短段多層焊接熱循環(huán)短段焊道一般約50400mm左右，在這種情況下，前層焊縫還未冷卻到較低溫度（如Ms點(diǎn)）時(shí)，就開始焊接下一層焊縫。3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)短段多層焊接熱循環(huán)曲線短段多層焊接熱循環(huán)曲線3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)800800500500冷卻時(shí)間冷卻時(shí)間8/58/5實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比（低合金鋼埋弧焊）實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比（低合金鋼埋弧焊）三、影響焊接熱循環(huán)的因素三、影響焊接熱循環(huán)的因素1.焊件尺寸形狀的影響3-3 3-3

16、焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)焊件寬度焊件寬度b及厚度及厚度h對(duì)冷卻時(shí)間對(duì)冷卻時(shí)間 C的影響的影響（焊件長(zhǎng)度110 mm，E=17.5 kJ/cm)2.接頭形式的影響3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)接頭形式與冷卻速度的關(guān)系接頭形式與冷卻速度的關(guān)系3.3.焊道長(zhǎng)度的影響焊道長(zhǎng)度的影響3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)4接線能量接線能量E的影響的影響厚板焊接時(shí)（點(diǎn)熱源）在不同預(yù)熱溫度（T0）下，焊接線能量E對(duì)高溫停留時(shí)間H的影 響。3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)厚板焊接時(shí)，在不同預(yù)熱溫度下，厚板焊接時(shí)，在不同預(yù)熱溫度下，E對(duì)對(duì) H的影響的影響 薄板焊接（線熱源），在不同預(yù)熱溫度（T0）下，焊接線

17、能量E對(duì)高溫停留時(shí)間H的影響。 3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)薄板焊接時(shí)，在不同預(yù)熱溫度下，薄板焊接時(shí)，在不同預(yù)熱溫度下，E/h對(duì)對(duì) H的影響的影響5.預(yù)熱溫度的影響 即使低溫預(yù)熱，也會(huì)大大降低600以下溫度范圍的冷卻速度，但在高溫階段冷卻速度的降低，或高溫停留時(shí)間的延長(zhǎng)，則不十分顯著。3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)預(yù)熱溫度對(duì)焊接熱循環(huán)的影響預(yù)熱溫度對(duì)焊接熱循環(huán)的影響6.焊接時(shí)冷卻條件的影響 焊接時(shí)周圍環(huán)境及冷卻條件（如冬季野外施工、通風(fēng)條件等），不僅影響焊件的初始溫度，也會(huì)影響到焊接過程中的傳熱條件。 3-3 3-3 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)1.焊條（焊絲）的加熱及熔化（1）焊條或焊

18、絲的加熱電弧焊時(shí)用于加熱和熔化焊條(焊絲)的熱能是：電阻熱、電弧熱和化學(xué)反應(yīng)熱。在一般情況下，化學(xué)反應(yīng)熱僅占1%一3%，所以可以忽略不計(jì)。（2）焊條與焊絲的熔化參數(shù) 熔化速度（m） 熔化系數(shù)（m） 熔敷系數(shù)（y） 熔敷速度 熔敷效率 飛濺率（S） 損失系數(shù)（） 3-4 3-4 電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池2.焊接熔池（1）電弧對(duì)焊件的熱輸入和熱效率 電弧對(duì)焊件的熱輸入僅占電弧總功率的一部分。熱輸入可用輸入的電弧功率表示為： qm=mq =mUI 式中：qm電弧對(duì)焊件的熱輸入，包括熔滴帶到熔池中的熱 能（w）； m 電弧加熱焊件的熱效率（%）； q 電

19、弧功率（W）； U 電弧電壓（V）； I 焊接電流（A）。3-4 3-4 電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池（2）焊接熔池溫度分布及溫度循環(huán) 熔池中部具有最高溫度（處于過熱狀態(tài)）。而離開電弧直接作用的熔池后部，其溫度逐漸降低。 處于電弧移動(dòng)軸線上的任意一點(diǎn)金屬都要經(jīng)歷著完全相同的溫度循環(huán)，即經(jīng)歷著同樣的加熱、熔化、過熱、冷卻、結(jié)晶的循環(huán)過程。3-4 3-4 電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池（3）熔池的質(zhì)量和存在的時(shí)間 手工電弧焊熔池的質(zhì)量很小，一般在0.616g范圍內(nèi)，多數(shù)在5g以下。即使是在大電流埋弧焊下，也多在1

20、00g以下。焊接電流越大質(zhì)量越大，電弧電壓越高質(zhì)量也越大。 熔池的存在時(shí)間與熔池的質(zhì)量是相互關(guān)聯(lián)，質(zhì)量越大，則存在時(shí)間也越長(zhǎng)。各種鋼在手工電弧焊時(shí)，熔池存在時(shí)間多不到10s，而埋弧焊時(shí)，也一般不超過30s。 3-4 3-4 電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池產(chǎn)生熔池中液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)的原因有以下幾點(diǎn)： 熔池溫度分布不均勻而造成的液態(tài)金屬密度差。 熔池溫度分布不均勻而造成表張力分布不均勻 。各種機(jī)械作用力的共同作用結(jié)果。 3-4 3-4 電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池電弧焊焊條（焊絲）加熱熔化及焊接熔池一、凝固成形熱過程特點(diǎn)及效率一、凝固成形熱過程特點(diǎn)及效

21、率1.1.凝固成形熱過程特點(diǎn)凝固成形熱過程特點(diǎn) 凝固成形的基本熱過程包括加熱熔化和冷卻凝固兩個(gè)部分。 對(duì)于加熱熔化過程，以沖天爐為例，可分為預(yù)熱區(qū)、熔化區(qū)、過熱區(qū)和爐缸區(qū)4個(gè)部分。（1 1）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點(diǎn)）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點(diǎn) 1）爐氣給熱以對(duì)流方式為主。 2）傳遞熱量大 3）溫度變化大3-5 3-5 凝固成形熱過程凝固成形熱過程（2 2）熔化區(qū)的熱交換特點(diǎn)）熔化區(qū)的熱交換特點(diǎn) 1）爐氣給熱以對(duì)流傳熱為主。 2）呈凹形分布。 3）高度波動(dòng)大。（3 3）過熱區(qū)熱交換的特點(diǎn)）過熱區(qū)熱交換的特點(diǎn) 1）鐵水的受熱以與焦炭接觸傳導(dǎo)導(dǎo)熱為主。 2）傳熱強(qiáng)度大。 3）爐氣最高溫度與區(qū)域高度起決定作用。（4

22、 4）爐缸區(qū)的熱交換特點(diǎn)）爐缸區(qū)的熱交換特點(diǎn) 與過熱區(qū)相仿3-5 3-5 凝固成形熱過程凝固成形熱過程2.2.凝固成形加熱過程熱效率凝固成形加熱過程熱效率 凝固成形加熱過程的熱效率與冶煉方式、熱源種類及冶煉材料的性能等因素有關(guān)。二、凝固成形熱溫度場(chǎng)二、凝固成形熱溫度場(chǎng) 根據(jù)鑄件溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化，能夠預(yù)測(cè)鑄件凝固過程中其斷面上各時(shí)刻的凝固區(qū)域大小及變化，凝固前沿向中心推進(jìn)的速度、縮孔和縮松的位置，凝固時(shí)間等重要問題。 3-5 3-5 凝固成形熱過程凝固成形熱過程鑄件和鑄型的溫度分布存在四種情況：1.鑄件在絕熱鑄型中凝固溫度分布特點(diǎn)3-5 3-5 凝固成形熱過程凝固成形熱過程絕熱鑄型凝固溫度分布絕熱鑄型凝固溫度分布2. 以金屬-鑄型界面熱阻為主的金屬型中凝固溫度分布特點(diǎn)3-5 3-5 凝固成形熱過程凝固成形熱過程以界面熱阻為主的溫度