熔化焊連接原理.ppt

熔化焊是最基本的焊接方法 根據(jù)焊接能源的不同 熔化焊可分為電弧焊 氣焊 電渣焊 電子束焊 激光焊和等離子焊等 獲得良好接頭的條件 合適的熱源 良好的熔池保護(hù) 焊縫填充金屬 焊接熱過(guò)程 焊接化學(xué)冶金 焊接物理冶金 一 熔化焊的熱源種類及其特性 1 熱源的發(fā)展上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)碳弧焊 1891年金屬極電弧焊 本世紀(jì)初薄皮焊條電弧焊和氧乙炔氣焊 30年代 厚皮焊條電弧焊 氫原子焊 氦氣保護(hù)焊 40年代 埋弧焊和電阻焊 50年代 CO2氣體保護(hù)焊和電渣焊 60年代 電子束焊和等離子弧焊與切割 70年代 激光焊焊接與切割 80年代 逐步完善電子束焊接和激光焊接工程 90年代 尋找新能源 如太陽(yáng)能 微波等 1 1熔化焊熱過(guò)程及接頭形成 5 激光束 通過(guò)受激輻射而使放射增強(qiáng)的光即激光 經(jīng)過(guò)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為熱源 1 電弧熱 利用氣體介質(zhì)放電過(guò)程所產(chǎn)生的熱能 2 化學(xué)熱 利用可燃和助燃?xì)怏w或鋁 鎂熱劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱能 6 電阻熱 利用電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱 8 高頻感應(yīng)熱 對(duì)于有磁性的金屬材料可利用高頻感應(yīng)所產(chǎn)生的二次電流作為熱源 在局部集中加熱 實(shí)現(xiàn)高速焊接 如高頻焊管等 7 摩擦熱 由機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的熱能 3 等離子焰 電弧放電或高頻放電產(chǎn)生高度電離的離子流 它本身攜帶大量的熱能和動(dòng)能 利用這種能量進(jìn)行焊接 4 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 理想的焊接熱源 加熱面積小 功率密度高 加熱溫度高 二 熔化焊的熱效率 電弧的功率 P UI焊接電弧用于加熱和熔化焊條的功率為Pe UI 手工電弧焊時(shí) 為0 77 0 87 電子束焊 等離子弧焊和激光焊熱效率0 9以上 反映焊件吸收的熱量大小 不反映熱量在焊縫和熱影響區(qū)的分配 三 熔化焊溫度場(chǎng) 熱源 工件 工件內(nèi)部 對(duì)流 輻射 熱傳導(dǎo) 等溫面 等溫線 瞬時(shí)同溫 表示溫度場(chǎng)的分布穩(wěn)定溫度場(chǎng) 非穩(wěn)定溫度場(chǎng) 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng) 某瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)溫度的分布 傳熱學(xué)中 熱能傳遞的3種方式 傳導(dǎo) 對(duì)流 輻射 熱能作用的集中性 瞬時(shí)性不均勻有限 溫度場(chǎng)分類 三維 二維 一維厚大焊件表面堆焊 一次焊透薄板 細(xì)棒電阻焊 當(dāng)恒定功率的熱源 一定尺寸的焊件 勻速直線運(yùn)動(dòng) 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 焊件傳熱達(dá)到飽和 溫度場(chǎng)暫時(shí)穩(wěn)定 隨著熱源同樣速度移動(dòng) 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng) 四 焊接熱循環(huán) 定點(diǎn)焊件某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程 瞬時(shí)焊接接頭各點(diǎn)的溫度分布狀態(tài) 焊接接頭某點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律 描述了熱源對(duì)焊件金屬的作用 決定焊接熱循環(huán)特征的基本參數(shù) 加熱快 溫度高 冷卻快 相變溫度以上停留時(shí)間不易控制 決定熱影響區(qū)組織和性能的最重要參數(shù)t8 5t8 3t100 Tm 100的冷卻時(shí)間 加熱速度 若過(guò)快 相變過(guò)程不充分 最高加熱溫度 間接判斷焊件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的情況和塑性變形區(qū)的范圍 在相變溫度以上的停留時(shí)間 冷卻速度 某溫度范圍內(nèi)的冷卻時(shí)間 晶粒長(zhǎng)大 加熱溫度越高 長(zhǎng)大的時(shí)間越短 接頭粗晶脆化 焊接熱影響區(qū) 2 焊接熱循環(huán)參數(shù)的數(shù)值模擬 自學(xué) 最高溫度Tm的計(jì)算厚板 點(diǎn)熱源薄板 線熱源瞬時(shí)冷卻速度 c的計(jì)算 計(jì)算焊縫的冷卻速度相變溫度以上停留時(shí)間的tH計(jì)算薄板比厚板易過(guò)熱冷卻時(shí)間tB的計(jì)算用t8 5代替臨界板厚 cr的計(jì)算線能量E一定時(shí) 對(duì) c和t8 5不發(fā)生影響的板厚 臨界板厚 cr的計(jì)算 cr 0 75厚板三維傳熱 cr 0 75薄板二維傳熱 4 焊接熱循環(huán)的影響因素1 材質(zhì)2 接頭形狀尺寸3 焊道長(zhǎng)度4 預(yù)熱溫度5 線能量 長(zhǎng)段多層焊 3 多層焊接熱循環(huán)厚板連接預(yù)熱后熱 短段多層焊 每道焊縫長(zhǎng)度較短 未等前層焊縫冷卻到較低溫度就開(kāi)始焊接下道焊縫 每道焊縫的長(zhǎng)度較長(zhǎng) 第一層基本冷至較低的溫度 五 熔化焊接頭的形成 1 焊接材料熔化與熔池形成 1 焊接材料熔化焊條 焊絲 熔滴焊條金屬的平均熔化速度gM與焊接電流成正比損失系數(shù) 飛濺氧化蒸發(fā)焊條金屬的平均熔敷速度gH 進(jìn)入熔池gH 1 gM 2 熔滴過(guò)渡 熔滴 焊條端部熔化形成滴狀液態(tài)金屬藥皮焊條焊接時(shí) 三種形式堿性焊條 短路過(guò)渡和大顆粒過(guò)渡 酸性焊條 細(xì)顆粒過(guò)渡和附壁過(guò)渡 1 熔滴的比表面積S S Ag Vg 4 R2 4 3 R3 3 R I R S 利于冶金反應(yīng)進(jìn)行 熔滴的比表面積是相當(dāng)大的 S 1000 10000Cm2 kg 2 熔滴的平均作用時(shí)間指熔滴的平均質(zhì)量與一個(gè)周期內(nèi)焊芯的平均熔化速度之比 cp m0 mtr 1 2 其中 cp 0 01 1 0s3 熔滴的溫度手工電弧焊碳鋼焊條 2100 2700K 熔渣平均溫度不超過(guò)1900K熔滴的比表面積越大 與周圍介質(zhì)作用時(shí)間越長(zhǎng) 熔滴溫度越高 越有利于加強(qiáng)冶金反應(yīng) 3 熔渣過(guò)渡 藥皮溶化后的熔渣向熔池過(guò)渡形式 薄膜形式 包在熔滴外面或夾在熔滴內(nèi)直接從焊條端部流入熔池或滴狀落入不超過(guò)1900K 4 熔池的形成 4 熔池的形成 1 熔池的形狀和尺寸熔池為半橢球 幾何尺寸為 L q2IU其中 q2是比例系數(shù) 取決于焊接方法和焊接電流 I是焊接電流 U是焊接電壓 焊接電流I焊接電壓U與熔池寬度B和熔池深度H的關(guān)系 I H B U H B 2 熔池質(zhì)量手工電弧焊 熔池質(zhì)量5克以下 埋弧自動(dòng)焊 熔池的質(zhì)量小于100克3 熔池的存在時(shí)間熔池在液態(tài)存在的最大時(shí)間 tmax L v幾秒到幾十秒熔池平均存在時(shí)間 tcp Gp v W W 焊縫的橫截面積 4 熔池溫度熔池溫度不均勻 熔池中部溫度最高 其次為頭部和尾部 5 熔池中液相的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 熔池中的液體金屬在各種力的作用下 將發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌作用 1 液態(tài)金屬密度差引起自由對(duì)流運(yùn)動(dòng)2 表面張力差強(qiáng)迫對(duì)流運(yùn)動(dòng)3 熔池中各種機(jī)械力攪拌 焊接工藝參數(shù) 焊接材料的成分 電極直徑及其傾斜角度等都對(duì)熔池中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大的影響 保護(hù)方式 1 熔渣保護(hù)2 氣體保護(hù)3 熔渣氣體聯(lián)合保護(hù)手工電弧焊4 真空保護(hù)5 自保護(hù) 不利用隔離空氣的方法 在焊絲中加脫氧劑脫氮?jiǎng)?去除溶入金屬的N和O 2 熔池的保護(hù) 必須盡量減少焊縫金屬中有害雜質(zhì)的含量和有益合金元素的損失 熔焊焊縫的形成 在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?填充金屬 如焊條 和基體金屬發(fā)生局部熔化 熔池前部 2 1 2區(qū) 熔化金屬被電弧吹力吹到熔池后部 2 3 2區(qū) 迅速冷卻結(jié)晶 隨著熱源不斷移動(dòng) 從而形成連續(xù)的致密層狀組織焊縫 焊縫形成過(guò)程示意圖 以熔化焊為例 焊接過(guò)程經(jīng)過(guò)了加熱 熔化 冶金反應(yīng) 結(jié)晶 固態(tài)相變 接頭 1 焊接熱過(guò)程 貫穿整個(gè)焊接過(guò)程 決定焊接應(yīng)力 應(yīng)變 冶金反應(yīng) 結(jié)晶 相變 2 焊接化學(xué)冶金過(guò)程 熔化金屬 熔渣 氣相進(jìn)行系列的化學(xué)冶金反應(yīng) 3 焊接時(shí)金屬結(jié)晶和相變過(guò)程焊接熱過(guò)程 焊接化學(xué)冶金過(guò)程 熔池凝固和相變過(guò)程 3 焊接接頭形成與焊接性 1 焊接接頭的特征 焊接接頭是指整個(gè)焊接區(qū) 不僅包括結(jié)合區(qū) 也包括其周圍區(qū)域 結(jié)合區(qū)即是焊縫 WM 熔池凝固并發(fā)生固態(tài)相變的區(qū)域結(jié)合區(qū)鄰近區(qū)即是母材中發(fā)生固態(tài)相變的區(qū)域 稱為熱影響區(qū) HAZ 過(guò)渡區(qū)是指母材與焊縫交界處 也稱為熔合區(qū) 焊接接頭包括焊縫 熱影響區(qū)和熔合區(qū) 接頭的質(zhì)量包括焊縫 熱影響區(qū) 熔合區(qū) 1 焊縫區(qū) 熔化區(qū) 2 熔合區(qū) 半熔化區(qū) 3 熱影響區(qū)4 母材 2 熔化焊接頭形式典型接頭對(duì)接 角接 丁字接 搭接坡口加工坡口主要為了焊接工件 保證焊接度 普通情況下用機(jī)加工方法加工出的型面 要求不高時(shí)也可以氣割 根據(jù)需要 有 型坡口 型坡口 型坡口 型坡口等坡口形式 但大多要求保留一定的鈍邊 坡口形式 3 熔合比 母材在焊縫金屬中比例 0時(shí) 熔敷金屬 堆焊計(jì)算焊縫的化學(xué)成分 4 金屬的可焊性概念 金屬的可焊性屬于工藝性能 是指被焊金屬材料在一定條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度 金屬的可焊性主要與下列因素有關(guān) 1 材料本身的成分組織 2 焊接方法 3 焊接工藝條件 接合性能 焊接時(shí)形成缺陷的敏感性 使用性能