第一單元 焊接熱過程

1、授課授課教師教師： 金屬熔焊原理 緒緒 論論 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解焊接過程的物理本質(zhì) 了解焊接與其他連接方法的區(qū)別 了解焊接方法的分類 了解本課程的主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)本教材要達(dá)到能力目標(biāo) 現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展始于19世紀(jì)80年代，隨著新焊接能源的不斷開發(fā)與應(yīng)用，新的 焊接方法不斷涌現(xiàn)，新的焊接技術(shù)不斷的發(fā)展，在能源、交通、建筑，特別是機(jī)械 制造部門中，已成為不可缺少的工藝方法。 焊接過程的實(shí)質(zhì)焊接過程的實(shí)質(zhì) 機(jī)器制造中，連接的方法有哪些？ 什么是焊接？ 焊接是通過加熱或加壓，或者兩者并與，并且用或不 用填充材料，使焊件間達(dá)到原子間結(jié)合的一種加工方 法。 GB/T3375-1994焊接術(shù)語 焊接

2、不僅是焊件在宏觀上建立的永久連接，也是微觀 上形成的原子間的結(jié)合。（在焊件間建立了金屬鍵） 雙原子模型為例，原子的結(jié)合情況雙原子模型為例，原子的結(jié)合情況 引力：一個(gè)原子的外部電子與另一原子核相互作用引 起的。 斥力：兩個(gè)原子的核外電子直接和兩原子核之間的相 互作用引起的。 引力與斥力達(dá)到平衡時(shí)，兩個(gè)原子相對位置固定。 引力與斥力的大小決定是否形成金屬鍵。其取決于原 子間的距離。 原子間的距離與金屬晶格常數(shù)相接近時(shí)，易形成金屬 鍵。 rA=(3-5)*10-8cm(3-5A) 工件表面達(dá)到工件表面達(dá)到r rA A的方法的方法 如何使兩個(gè)工件表面原子間距離達(dá)到rA? 增加外部能量： 加壓：可以破壞

3、表面膜，使連接處發(fā)生局部塑形變形，增 加有效接觸面積，當(dāng)壓力達(dá)到一定時(shí)，可建立金屬鍵。 加熱：對被焊材料進(jìn)行局部或整體加熱，使連接處達(dá)到塑 形或熔化狀態(tài)，破壞氧化膜，增加原子振動能，利于實(shí)現(xiàn) 焊接。 針對某一金屬，實(shí)現(xiàn)焊接所需的最低能量是一定的，因此， 所需的加熱溫度與壓力之間存在互補(bǔ)關(guān)系。 （1）焊接結(jié)構(gòu)重量輕，節(jié)省金屬材料。例如：與金屬鉚接相比，可節(jié)省金 屬10%-20%以上。 （2）焊接接頭具有良好的力學(xué)性能，能耐高溫、高壓，具有良好的密封性、 導(dǎo)電性、耐腐蝕性、耐磨性。可焊接鍋爐、高壓容器、儲油罐、船體等 重量輕、密封性好、工作時(shí)不滲漏的空心構(gòu)件。 （3）可以將大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解為小而

4、簡單的坯料拼焊，簡化大型或形狀 復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造工藝。例如：大型壓力機(jī)機(jī)身的制造。 （4）可實(shí)現(xiàn)不同材料間的連接成形，銅鋁連接，高速鋼碳鋼連接， 碳鋼合金鋼連接, 優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省貴重金屬。 （1）焊接接頭不可拆卸，更換零部件不方便； （2） 焊接接頭的組織和性能往往要變壞； （3） 焊接時(shí)容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和焊接變形； （4） 焊縫易出現(xiàn)裂紋，夾渣、氣孔等缺陷，從而 導(dǎo)致焊接件承載能力降低 甚至脆斷。 另外對某些材料的焊接存在一定的困難。 焊接方法的分類焊接方法的分類 焊接方法主要分為三大類： 熔焊：指在焊接過程中，將待焊處的母材金屬熔化，但不 加壓力以形成焊縫的焊接方法。 如：焊條電弧焊、埋

5、弧焊、氣焊、電渣焊、氣體保護(hù)焊。 壓焊：在焊接過程中，無論加熱與否，必須對焊件施加一 定壓力以完成焊接的方法。 如：電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、爆炸焊。 釬焊：采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料做釬料，將焊件和釬 料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，但低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液 態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散而實(shí) 現(xiàn)連接焊件的方法。 壓壓 焊焊 常常 用用 焊焊 接接 方方 法法 熔熔 焊焊 釬焊釬焊 氣焊氣焊 電弧焊電弧焊 電渣焊電渣焊 電子束焊電子束焊 激光焊激光焊 電阻焊電阻焊 摩擦焊摩擦焊 擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊 高頻焊高頻焊 烙鐵釬焊烙鐵釬焊 火焰釬焊火焰釬焊 爐中釬焊爐中釬焊 點(diǎn)點(diǎn) 焊焊 縫縫 焊焊

6、對對 焊焊 焊條電弧焊焊條電弧焊 氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊 埋弧焊埋弧焊 氬弧焊氬弧焊 CO2氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊 本課程的主要內(nèi)容與要求本課程的主要內(nèi)容與要求 主要內(nèi)容： 本教材主要介紹金屬在熔焊過程中溫度、化學(xué)成分、 組織和性能的變化規(guī)律，常見的焊接冶金缺陷產(chǎn)生的 原因、影響因素和防止措施，焊接材料的性能和應(yīng)用。 能力目標(biāo)： 1、了解焊接過程的物理本質(zhì)，能從理論上說明焊接 與其他連接方法的根本區(qū)別。 2、了解焊件上溫度變化規(guī)律，熟悉焊接條件下金屬 所經(jīng)歷的化學(xué)、物理變化過程、掌握焊接接頭在其形 成過程中成分，組織與性能變化的基本規(guī)律。 本課程的主要內(nèi)容與要求本課程的主要內(nèi)容與要求 3、掌握焊接

7、冶金過程中常見缺陷的特征、產(chǎn)生條件 和影響因素，并能根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際條件分析缺陷產(chǎn)生的 原因，提出防止措施。 4、掌握常用焊接材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，了解 焊條配方的設(shè)計(jì)原則及制造過程。 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： （1）重量輕，節(jié)約材料。 （2）勞動量少，生產(chǎn)率高。 （3）強(qiáng)度高，密封性好。 （4）加工方便，利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動化。 第一單元第一單元 焊接熱過程焊接熱過程 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解焊接熱過程的特點(diǎn)及其對焊接接頭組織和性能的 影響。 熟悉常用的焊接熱源的種類 掌握焊接溫度場的分布及影響因素 掌握焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)，影響因素及調(diào)節(jié)方法。 焊接的一般過程焊接的一般過程 一般焊接部位須經(jīng)歷加熱熔化

8、冶金反應(yīng) 凝固結(jié)晶固態(tài)相變形成接頭等過程。 歸納如下: 1、焊接熱過程 在焊接熱源作用下，金屬局部被加熱與熔化，同時(shí)出 現(xiàn)熱量的傳播和分布的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象貫穿整個(gè)焊 接過程的始終。（影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率） 2、焊接冶金過程 金屬的氧化、還原、脫硫、脫磷、滲合金及與氫的作 用等。（提高焊縫質(zhì)量） 焊接的一般過程焊接的一般過程 3、焊接時(shí)金屬的結(jié)晶和相變過程 在焊接條件下，熱源離開后被熔化的金屬便快速連續(xù) 冷卻，并發(fā)生結(jié)晶和相變過程，最后形成焊縫。 （保證焊接質(zhì)量） 焊接熱過程的特點(diǎn)焊接熱過程的特點(diǎn) 焊接熱過程的兩個(gè)基本特點(diǎn)： 1）不均勻加熱 焊接熱量集中作用于焊件連接部位，而不是均勻加熱 整個(gè)

9、焊件。 2）熱作用的瞬時(shí)性 焊接的熱源是以一定速度移動的，因此，焊件上任一 點(diǎn)受熱的作用都具有瞬時(shí)性，隨時(shí)間而變。 （傳熱過程不穩(wěn)定） 焊接熱過程對焊接質(zhì)量的影響焊接熱過程對焊接質(zhì)量的影響 1、焊接熱過程決定了焊接熔池的溫度和存在時(shí)間 2、在焊接熱過程中，由于熱傳導(dǎo)的作用，近縫區(qū)的 母材金屬將發(fā)生組織和性能的變化。 3、焊接是不均勻加熱和冷卻的過程，在接頭處會發(fā) 生不同程度熱彈塑性變化，焊后將產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力 狀態(tài)和各種變形，應(yīng)力與冶金因素共同作用會引起裂 紋。 4、焊接熱過程對焊接生產(chǎn)率發(fā)生影響。 常用的焊接熱源常用的焊接熱源 生產(chǎn)中常用的焊接熱源有以下幾種： (1) 電弧熱 利用氣體介質(zhì)在

10、兩電極之間強(qiáng)烈而持續(xù)放電過程產(chǎn)生的熱 能作為焊接熱源。 (2) 化學(xué)熱 主要是利用助燃和可燃?xì)怏w或鋁、鎂熱劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱 量作為焊接熱源，如氣焊、熱劑焊等。 (3) 電阻熱 利用電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源，如電阻 焊、電渣焊等。 (4) 摩擦熱 利用機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，如摩擦焊。 常用的焊接熱源常用的焊接熱源 (5) 電子束 利用高壓高速的電子束轟擊金屬局部表面所產(chǎn)生的熱能作 為焊接熱源，即電子束焊。 (6) 等離子弧 將自由電弧壓縮成高溫、高電離度及高能量的電弧熱作為 焊接熱源，即等離子弧焊。 (7) 激光束 利用高能量的激光束轟擊焊件產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接，即激 光束

11、焊。 (8)高頻感應(yīng)熱 對于有磁性的金屬，利用高頻感應(yīng)產(chǎn)生的二次電流做熱源， 在局部集中加熱進(jìn)行焊接。 焊接熱源的主要特征焊接熱源的主要特征 熱源在單位時(shí)間向工件輸送的能量，用W表示。 功率密度：熱源和工件之間有效接觸的每單位面積上 傳送的功率，W/m2或W/cm2 先進(jìn)的焊接技術(shù)對熱源要求能夠進(jìn)行高速焊，并能獲 得致密的焊縫和最小的加熱范圍。 從三個(gè)方面對比： 1、最小加熱面積 2、最大功率密度 3、在正常焊接參數(shù)條件下，能達(dá)到的溫度。 焊接過程的熱效率焊接過程的熱效率 有效熱功率：指焊件所吸收的熱量 1、電弧焊時(shí)的熱效率 通常，電弧焊焊接時(shí)，電弧輸出總功率為P0, 則：電弧輸出功率P0UI

12、 U電弧電壓； I焊接電流； P0電弧功率，即電弧在電位時(shí)間內(nèi)所析出的能 量。 焊接過程的熱效率焊接過程的熱效率 電弧的有效熱功率P PP0 P有效熱功率； 焊接加熱過程的熱效率，或稱功率有效系數(shù)。 值一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，不同焊接方法的不同， 值既與焊接方法有關(guān)，也與焊接參數(shù)、被焊材料 等因素有關(guān)。 電渣焊時(shí)的熱效率，熱損失主要是水冷滑塊，板厚越大，熱效率越高。 電子束與激光焊的熱效率，能力極為集中，可以在最小的加熱面積上 提供最大的功率。 焊接過程中的熱能傳遞方式焊接過程中的熱能傳遞方式 1、熱傳導(dǎo) 由于溫度不同，在物體內(nèi)部引起自由電子移動和原子、 離子發(fā)生振動的結(jié)果。 2、對流 由運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)

13、來傳遞熱能的，利用不同溫度區(qū)域質(zhì)點(diǎn) 的密度不同來傳熱的。 3、輻射 物體受熱之后，內(nèi)部原子發(fā)生振動而出現(xiàn)一種電磁波。 此電磁波從物體的表面向外發(fā)生，到達(dá)另一物體的表 面時(shí)又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?焊接溫度場焊接溫度場 一、焊接溫度場的定義及特點(diǎn) 1、焊接溫度場的定義 焊接溫度場是指焊件過程中某一瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)的溫 度分布。 1）、溫度場考察的對象是空間一定范圍內(nèi)的溫度分 布狀態(tài) 2）、由于焊件上各點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間變化的，因此 溫度場是某個(gè)瞬時(shí)的溫度場。 焊接溫度場焊接溫度場 2、焊件溫度場的特點(diǎn) 1）可以圖形表示 2）等溫線或等溫面之間 互不相交，有溫度梯度 3、焊件溫度場的分類 溫度場可以分為三維的

14、、二維的和一維的。 圖1-1 焊接溫度場示例 a) 焊件上的坐標(biāo)軸 b) XOY面的等溫線和最高溫度點(diǎn)曲線（虛線） c) 沿X軸的溫度分布曲線 d) 沿Y軸的溫度分布曲線 圖1-3 金屬的導(dǎo)熱能力對焊接溫度場的影響 焊接溫度場焊接溫度場 二、影響焊接溫度場的因素 1、熱源的性質(zhì) 熱源性質(zhì)不同，焊接時(shí)溫度場的分布也不同。 2、焊接參數(shù) 焊接時(shí)為保證焊接質(zhì)量而選定的各項(xiàng)參數(shù)的總稱。 （電流、電壓、焊接速度、熱輸入） 影響最大的是有效熱功率和焊接速度。 想一想，薄板和厚板哪個(gè)傳熱快？ 焊接溫度場焊接溫度場 3、被焊金屬的熱物理性能 （1）熱導(dǎo)率 金屬內(nèi)部的導(dǎo)熱能力。w/(cm） （2）比熱容C 單位

15、質(zhì)量的物質(zhì)升高1度所需要的熱量。 J/(g) （3）焓（H）單位質(zhì)量的物質(zhì)加熱到溫度t時(shí)所吸收 的熱能。J/g （4）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（a）散熱體表面與周圍介質(zhì)每相 差1度時(shí)，通過單位面積在單位時(shí)間內(nèi)所散失的熱量。 4、被焊金屬的幾何尺寸 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán) 焊接熱循環(huán) 在焊接過程中熱源沿焊件移動時(shí)，焊件上某點(diǎn)的溫度 隨時(shí)間由低而高達(dá)到最大值后又由高到低變化的過程。 低合金鋼焊條電弧焊時(shí)焊縫附近各點(diǎn)的焊接熱循環(huán) 焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù) 1、加熱速度（Vh） 焊接鋼材時(shí)，加熱速度越快，鋼中奧氏體的均質(zhì)化和 碳化物溶解就越不充分，影響熱影響區(qū)冷卻后的組織 和性能。 2、峰值溫度（tm) 最高加熱溫度，決定焊后母材熱影響區(qū)的組織性能。 3、高溫停留時(shí)間（h） 指在相變溫度以上停留的時(shí)間。 4、冷卻速度（vC）和冷卻時(shí)間（ 8/5） 影響焊接熱影響區(qū)的組織和性能 影響焊接熱循環(huán)的主要因素影響焊接熱循環(huán)的主要因素 1、熱輸入 熱輸入增大時(shí)，會