焊接熱源及熔池形成

1、焊接冶金學(xué)（基本原理）焊接冶金學(xué)（基本原理）主講：葉延洪主講：葉延洪2014年年09月月1 焊接熱源及熔池形成焊接熱源及熔池形成 熔焊百年來的發(fā)展過程一定意義上就是熔焊百年來的發(fā)展過程一定意義上就是焊接熱源發(fā)展過程。焊接熱源發(fā)展過程。1885碳弧電焊碳弧電焊1891金屬電極電弧焊金屬電極電弧焊20世紀(jì)初世紀(jì)初氣焊、薄皮焊條氣焊、薄皮焊條20-30年代年代厚皮焊條、氫原子焊、氦氣保護(hù)焊厚皮焊條、氫原子焊、氦氣保護(hù)焊40年代年代電阻焊、埋弧焊電阻焊、埋弧焊50年代年代電渣焊、電渣焊、CO2焊焊60年代年代電子束焊、等離子焊接和切割電子束焊、等離子焊接和切割70年代年代激光焊激光焊 從發(fā)展趨勢看，焊

2、接逐步向高效率、高從發(fā)展趨勢看，焊接逐步向高效率、高質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低能源消耗的方向發(fā)質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低能源消耗的方向發(fā)展。展。 焊接能源應(yīng)當(dāng)：焊接能源應(yīng)當(dāng)：熱量高度集中熱量高度集中，可，可快速快速實(shí)現(xiàn)焊接實(shí)現(xiàn)焊接過程，并保證過程，并保證得到致密而強(qiáng)韌的焊縫得到致密而強(qiáng)韌的焊縫和和最小的焊接熱影響區(qū)最小的焊接熱影響區(qū)。1.1 焊接熱源及溫度場焊接熱源及溫度場1.1.1 焊接熱源的種類及特征焊接熱源的種類及特征l熱源種類熱源種類 電弧熱、化學(xué)熱、電阻熱、高頻熱源、摩擦電弧熱、化學(xué)熱、電阻熱、高頻熱源、摩擦熱、等離子焰、電子束、激光束等等。熱、等離子焰、電子束、激光束等等。l特性特性

3、每種熱源都有自身的特點(diǎn)，不同熱源的最小加每種熱源都有自身的特點(diǎn)，不同熱源的最小加熱面積、最大功率密度和正常規(guī)范條件下的加熱溫?zé)崦娣e、最大功率密度和正常規(guī)范條件下的加熱溫度特性，如表所示。度特性，如表所示。1.1.2 焊接過程熱效率和焊件上的熱能分布焊接過程熱效率和焊件上的熱能分布1）焊接過程的熱效率）焊接過程的熱效率 熱源提供的熱量為熱源提供的熱量為Q0，有效地用于加熱焊件的熱，有效地用于加熱焊件的熱量為量為Q，那，那 一定條件下一定條件下是常數(shù)，決定于熱源性質(zhì)、焊接工是常數(shù)，決定于熱源性質(zhì)、焊接工藝方法、焊接材料種類、焊接金屬的性質(zhì)及尺寸形藝方法、焊接材料種類、焊接金屬的性質(zhì)及尺寸形狀等。狀

4、等。0QQl電弧焊的熱效率電弧焊的熱效率 有效用于加熱焊件的功率為有效用于加熱焊件的功率為 UIq手工電弧焊熱量分配手工電弧焊熱量分配（I=150250A，U=36V） 埋弧焊熱量分配埋弧焊熱量分配 (I=1000A U=36V v=36m/h)l電渣焊的熱效率電渣焊的熱效率 效率與板厚有關(guān)，效率與板厚有關(guān)， 板厚板厚，效率，效率l電子束與激光焊接的熱效率電子束與激光焊接的熱效率 電子束焊在真空下進(jìn)行，能量損失很少，熱效率電子束焊在真空下進(jìn)行，能量損失很少，熱效率可達(dá)可達(dá)90%以上，電子動(dòng)能絕大部分轉(zhuǎn)換成熱能。以上，電子動(dòng)能絕大部分轉(zhuǎn)換成熱能。 激光照射焊件，一部分被吸收，另一部分被反射。激光

5、照射焊件，一部分被吸收，另一部分被反射。只要被吸收就能被充分利用。只要被吸收就能被充分利用。 兩種熱源能量極為集中，可在瞬時(shí)之間實(shí)現(xiàn)焊接。兩種熱源能量極為集中，可在瞬時(shí)之間實(shí)現(xiàn)焊接。2）焊件上加熱區(qū)的熱能分布）焊件上加熱區(qū)的熱能分布l活性斑點(diǎn)區(qū)活性斑點(diǎn)區(qū) 指帶電質(zhì)點(diǎn)（電子和離子）指帶電質(zhì)點(diǎn)（電子和離子）集中轟擊的部位，把電能集中轟擊的部位，把電能轉(zhuǎn)換為熱能。轉(zhuǎn)換為熱能。l加熱斑點(diǎn)區(qū)加熱斑點(diǎn)區(qū) 電弧輻射和電弧周圍介質(zhì)電弧輻射和電弧周圍介質(zhì)對流加熱的區(qū)域。對流加熱的區(qū)域。 在加熱斑點(diǎn)上的比熱流（即在加熱斑點(diǎn)上的比熱流（即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳入焊單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳入焊件的熱能）分布，可近似

6、地用高件的熱能）分布，可近似地用高斯數(shù)學(xué)模型來描述。斯數(shù)學(xué)模型來描述。 立體高斯曲面下的總熱量為立體高斯曲面下的總熱量為2)(KrmeqrqmKrFmqKdreqdFrqq20)(qKqm K值說明熱源的集值說明熱源的集中程度，決定于焊接中程度，決定于焊接方法、規(guī)范和材料導(dǎo)方法、規(guī)范和材料導(dǎo)熱性能等。熱性能等。l 影響熱能分布因素影響熱能分布因素1.1.3 焊接溫度場焊接溫度場1）焊接傳熱的基本形式）焊接傳熱的基本形式 電弧焊條件下，由熱源傳給焊件主要以輻電弧焊條件下，由熱源傳給焊件主要以輻射和對流為主；母材和焊條獲取熱量后，以熱射和對流為主；母材和焊條獲取熱量后，以熱傳導(dǎo)為主。傳導(dǎo)為主。 焊

7、接傳熱研究內(nèi)容主要是焊件上的溫度焊接傳熱研究內(nèi)容主要是焊件上的溫度變化及其分布。變化及其分布。2）焊接溫度場的一般特征）焊接溫度場的一般特征焊接溫度場：某瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)溫度的分布。焊接溫度場：某瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)溫度的分布。 焊接溫度場的分布情況可用等溫線或等溫焊接溫度場的分布情況可用等溫線或等溫面來研究。面來研究。 等溫線等溫線（或（或等溫面等溫面）即焊件上瞬時(shí)溫度）即焊件上瞬時(shí)溫度相同的各點(diǎn)連接起來形成的線或面。相同的各點(diǎn)連接起來形成的線或面。),(tzyxfT l溫度梯度：構(gòu)件上某點(diǎn)溫度溫度梯度：構(gòu)件上某點(diǎn)溫度最大方向?qū)?shù)。最大方向?qū)?shù)。l穩(wěn)定溫度場：焊件上各點(diǎn)的穩(wěn)定溫度場：焊件上各點(diǎn)的溫度

8、不隨時(shí)間的改變而變。溫度不隨時(shí)間的改變而變。l焊接準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場：對于正焊接準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場：對于正常焊接條件下移動(dòng)熱源，經(jīng)常焊接條件下移動(dòng)熱源，經(jīng)過一定的時(shí)間以后，焊件各過一定的時(shí)間以后，焊件各點(diǎn)溫度雖隨時(shí)間而變化，但點(diǎn)溫度雖隨時(shí)間而變化，但溫度能跟隨熱源一起移動(dòng)，溫度能跟隨熱源一起移動(dòng)，熱源下各點(diǎn)的溫度相對保持熱源下各點(diǎn)的溫度相對保持不變。不變。 根據(jù)焊件的尺寸和熱源性質(zhì)，焊接溫度場可根據(jù)焊件的尺寸和熱源性質(zhì)，焊接溫度場可分為三維、二維和一維。分為三維、二維和一維。3）影響溫度場的因素）影響溫度場的因素l熱源性質(zhì)熱源性質(zhì) 熱源性質(zhì)不同，溫度場的分布也不同。熱源性質(zhì)不同，溫度場的分布也不同。l焊接

9、線能量焊接線能量 q一定，一定，v，等溫線的范圍變小。，等溫線的范圍變小。 v一定，一定，q，范圍增大。，范圍增大。 q/v一定，一定，q和和v，等溫線有所拉長。，等溫線有所拉長。l被焊金屬的物理性質(zhì)被焊金屬的物理性質(zhì)l焊件的板厚和形狀焊件的板厚和形狀 厚板結(jié)構(gòu)焊接厚板結(jié)構(gòu)焊接 （半無限體）（半無限體）l薄板結(jié)構(gòu)焊接薄板結(jié)構(gòu)焊接1.2 焊條熔化及熔池形成焊條熔化及熔池形成1.2.1 焊條的加熱及熔化焊條的加熱及熔化1）焊條金屬的加熱溫度）焊條金屬的加熱溫度 加熱和熔化焊條的熱能：電阻熱、電弧加熱和熔化焊條的熱能：電阻熱、電弧熱和化學(xué)反應(yīng)熱。熱和化學(xué)反應(yīng)熱。l電阻加熱電阻加熱 電阻加熱使焊芯和藥

10、皮的溫度升高。電阻加熱使焊芯和藥皮的溫度升高。l電弧加熱電弧加熱 （0.20.27）IUqee2）焊條金屬的熔化）焊條金屬的熔化 焊條金屬的熔化速度在焊接過程中是不焊條金屬的熔化速度在焊接過程中是不均勻的。均勻的。l焊條金屬平均熔化速度焊條金屬平均熔化速度 單位時(shí)間內(nèi)熔化焊芯的質(zhì)量或長度，即單位時(shí)間內(nèi)熔化焊芯的質(zhì)量或長度，即平均熔化速度，試驗(yàn)表明與焊接電流成正比。平均熔化速度，試驗(yàn)表明與焊接電流成正比。 熔敷速度：單位時(shí)間內(nèi)焊接材料進(jìn)入焊縫金熔敷速度：單位時(shí)間內(nèi)焊接材料進(jìn)入焊縫金屬的質(zhì)量。屬的質(zhì)量。ppMItGg焊條熔化系數(shù)焊條熔化系數(shù)HHDDItGg焊條熔敷系數(shù)焊條熔敷系數(shù) 損失系數(shù)：飛濺、

11、氧化和金屬蒸發(fā)損失焊條金損失系數(shù)：飛濺、氧化和金屬蒸發(fā)損失焊條金屬與熔化金屬總量之比。屬與熔化金屬總量之比。pMpHMDMDgggGGG)1 (1或l焊條金屬的瞬焊條金屬的瞬時(shí)熔化速度時(shí)熔化速度 分析可知提高焊條熔化速度的途徑：分析可知提高焊條熔化速度的途徑： 增加電弧在焊條端部析熱；提高過渡頻率，增加電弧在焊條端部析熱；提高過渡頻率，以細(xì)顆粒過渡；在藥皮中假如鐵粉或其他金屬以細(xì)顆粒過渡；在藥皮中假如鐵粉或其他金屬添加劑；適當(dāng)增加電阻熱等。添加劑；適當(dāng)增加電阻熱等。3）焊條金屬的過渡特性）焊條金屬的過渡特性 研究熔滴過渡的意義研究熔滴過渡的意義：過渡影響焊接過程穩(wěn)定：過渡影響焊接過程穩(wěn)定性、飛

12、濺大小、焊縫成形和缺陷產(chǎn)生；影響高性、飛濺大小、焊縫成形和缺陷產(chǎn)生；影響高溫冶金反應(yīng)的時(shí)間、溫度、比表面；調(diào)節(jié)焊接溫冶金反應(yīng)的時(shí)間、溫度、比表面；調(diào)節(jié)焊接熱輸入，影響焊縫結(jié)晶、改變熱影響區(qū)的尺寸熱輸入，影響焊縫結(jié)晶、改變熱影響區(qū)的尺寸和性能；影響焊條金屬的溶化速度。和性能；影響焊條金屬的溶化速度。l短路過渡短路過渡l顆粒過渡顆粒過渡l射流過渡射流過渡l旋轉(zhuǎn)射流過渡旋轉(zhuǎn)射流過渡4）熔滴的比表面積和相互作用時(shí)間）熔滴的比表面積和相互作用時(shí)間l比表面：熔滴的表面積比表面：熔滴的表面積Fg與其體積與其體積Vg或質(zhì)或質(zhì)量之比。量之比。 假如熔滴是半徑為假如熔滴是半徑為R的球體，則比表面積的球體，則比表面

13、積為為ggggVFSVFS或RSRRRS3334432或l平均作用時(shí)間：平均作用時(shí)間：熔化速度一個(gè)周期內(nèi)焊芯平均熔滴平均質(zhì)量trcptrcpcpcpcpmgmmmgm210210trcpmm平均作用時(shí)間變化范圍平均作用時(shí)間變化范圍0.011.0s5）熔滴溫度）熔滴溫度 對低碳鋼熔滴平均溫度對低碳鋼熔滴平均溫度21002700K。 電流電流 I，熔滴溫度，熔滴溫度T 焊條直徑焊條直徑，T1.2.2 熔池的形成熔池的形成 熔池的形狀、尺寸、溫度、存在時(shí)間、熔池的形狀、尺寸、溫度、存在時(shí)間、流動(dòng)狀態(tài)對熔池中的冶金反應(yīng)、結(jié)晶方向、晶流動(dòng)狀態(tài)對熔池中的冶金反應(yīng)、結(jié)晶方向、晶體結(jié)構(gòu)、夾雜物數(shù)量分布、焊接缺

14、陷的產(chǎn)生均體結(jié)構(gòu)、夾雜物數(shù)量分布、焊接缺陷的產(chǎn)生均有重要影響。有重要影響。1）熔池的形狀、尺寸）熔池的形狀、尺寸 準(zhǔn)穩(wěn)定期熔池的形狀類似于不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球準(zhǔn)穩(wěn)定期熔池的形狀類似于不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球I Bmax ，H；U B ，H。L=P2UIP2比例系數(shù)，與方法、電流比例系數(shù)，與方法、電流有關(guān)有關(guān)熔池表面積：熔池表面積：14cm2比表面：比表面：(0.313)10-3m2/kg2）熔池的質(zhì)量和存在時(shí)間）熔池的質(zhì)量和存在時(shí)間 質(zhì)量質(zhì)量 0.616g，多數(shù)，多數(shù)5g，不超過，不超過100g 存在時(shí)間存在時(shí)間 tmax=L/v, 幾秒幾十秒幾秒幾十秒 平均作用時(shí)間平均作用時(shí)間wpcpvFmt3）熔池的溫度）熔池的溫度 熔池溫度不均勻，平均溫度熔池溫度不均勻，平均溫度1770100。4）熔池中流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）熔池中流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)熔