熔化焊連接原理

熔化焊連接原理第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日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,焊縫填充金屬焊接熱過程,焊接化學冶金,焊接物理冶金第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日一.熔化焊的熱源種類及其特性

1、熱源的發(fā)展上個世紀80年代發(fā)現(xiàn)碳弧焊；

1891年金屬極電弧焊；本世紀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、氦氣保護焊；40年代，埋弧焊和電阻焊；50年代，CO2氣體保護焊和電渣焊；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，如太陽能、微波等。

1.1熔化焊熱過程及接頭形成第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日5）激光束：通過受激輻射而使放射增強的光即激光，經(jīng)過聚焦產(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)放電過程所產(chǎn)生的熱能2）化學熱：利用可燃和助燃氣體或鋁、鎂熱劑進行化學反應時所產(chǎn)生的熱能6）電阻熱：利用電流通過導體時產(chǎn)生的電阻熱8）高頻感應熱：對于有磁性的金屬材料可利用高頻感應所產(chǎn)生的二次電流作為熱源，在局部集中加熱，實現(xiàn)高速焊接。如高頻焊管等。7）摩擦熱：由機械摩擦而產(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能，利用這種能量進行焊接。4）電子束：利用高壓高速運動的電子在真空中猛烈轟擊金屬局部表面，使這種動能轉(zhuǎn)化為熱能。理想的焊接熱源；加熱面積小、功率密度高、加熱溫度高第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日

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=ηUI（手工電弧焊時η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)的分配熱源產(chǎn)生的熱量向周圍介質(zhì)輻射工件吸收飛濺用于熔化金屬形成焊縫使母材近縫區(qū)溫度升高，形成熱影響區(qū)第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日三.熔化焊溫度場熱源--------工件---------工件內(nèi)部對流、輻射熱傳導等溫面（等溫線）——“瞬時同溫”,表示溫度場的分布穩(wěn)定溫度場，非穩(wěn)定溫度場，準穩(wěn)定溫度場某瞬時焊件上各點溫度的分布——？傳熱學中，熱能傳遞的3種方式：傳導、對流、輻射熱能作用的集中性、瞬時性不均勻有限第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日溫度場分類：三維，二維，一維厚大焊件表面堆焊，一次焊透薄板，細棒電阻焊當恒定功率的熱源,一定尺寸的焊件,勻速直線運動,經(jīng)過一段時間,焊件傳熱達到飽和,溫度場暫時穩(wěn)定,隨著熱源同樣速度移動準穩(wěn)定溫度場第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日四.焊接熱循環(huán)——定點焊件某點的溫度隨時間的變化過程基本參數(shù)加熱速度最高加熱溫度在相變溫度以上的停留時間冷卻速度瞬時焊接接頭各點的溫度分布狀態(tài)--？焊接接頭某點溫度隨時間變化的規(guī)律,描述了熱源對焊件金屬的作用決定焊接熱循環(huán)特征的基本參數(shù)第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日加熱快,溫度高,冷卻快,相變溫度以上停留時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的冷卻時間加熱速度:若過快,相變過程不充分最高加熱溫度:間接判斷焊件產(chǎn)生內(nèi)應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間:冷卻速度（某溫度范圍內(nèi)的冷卻時間）:晶粒長大,加熱溫度越高,長大的時間越短,接頭粗晶脆化焊接熱影響區(qū)第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.焊接熱循環(huán)參數(shù)的數(shù)值模擬(自學)最高溫度Tm的計算厚板,點熱源薄板,線熱源瞬時冷卻速度ωc的計算,計算焊縫的冷卻速度相變溫度以上停留時間的tH計算薄板比厚板易過熱冷卻時間tB的計算用t8/5代替臨界板厚δcr的計算線能量E一定時,對ωc和t8/5不發(fā)生影響的板厚臨界板厚δcr的計算δ/δcr>0.75厚板三維傳熱δ/δcr<0.75薄板二維傳熱第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日4.焊接熱循環(huán)的影響因素1)材質(zhì)2)接頭形狀尺寸3)焊道長度4)預熱溫度5)線能量長段多層焊3.多層焊接熱循環(huán)厚板連接預熱后熱短段多層焊每道焊縫長度較短，未等前層焊縫冷卻到較低溫度就開始焊接下道焊縫。每道焊縫的長度較長，第一層基本冷至較低的溫度。第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日五.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)Ψ

~飛濺氧化蒸發(fā)焊條金屬的平均熔敷速度gH

~進入熔池gH=(1-Ψ)gM第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日(2)熔滴過渡熔滴----焊條端部熔化形成滴狀液態(tài)金屬藥皮焊條焊接時,三種形式堿性焊條：短路過渡和大顆粒過渡；酸性焊條：細顆粒過渡和附壁過渡。1）熔滴的比表面積S：S=Ag/ρVg=4πR2/(4/3πR3ρ)=3/RρI↑,R↓,S↑，利于冶金反應進行。熔滴的比表面積是相當大的，S=1000—10000Cm2/kg熔滴過渡短路過渡顆粒過渡附壁過渡第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日2）熔滴的平均作用時間指熔滴的平均質(zhì)量與一個周期內(nèi)焊芯的平均熔化速度之比。τcp=(m0/mtr+1/2)τ其中：τcp=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1900K熔滴的比表面積越大,與周圍介質(zhì)作用時間越長,熔滴溫度越高,越有利于加強冶金反應第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日(3)熔渣過渡藥皮溶化后的熔渣向熔池過渡形式: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1900K第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日(4)熔池的形成第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日(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↑。第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日2）熔池質(zhì)量手工電弧焊:熔池質(zhì)量5克以下,埋弧自動焊:熔池的質(zhì)量小于100克3）熔池的存在時間熔池在液態(tài)存在的最大時間：tmax=L/v幾秒到幾十秒熔池平均存在時間：tcp=Gp/ρvＦWＦW：焊縫的橫截面積。第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日4）熔池溫度熔池溫度不均勻，熔池中部溫度最高，其次為頭部和尾部第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日(5)熔池中液相的運動狀態(tài)

熔池中的液體金屬在各種力的作用下，將發(fā)生強烈的攪拌作用。1）液態(tài)金屬密度差引起自由對流運動2）表面張力差強迫對流運動3）熔池中各種機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熔池中的運動狀態(tài)有很大的影響。第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日保護方式:1、熔渣保護2、氣體保護3、熔渣氣體聯(lián)合保護手工電弧焊4、真空保護5、自保護;不利用隔離空氣的方法,在焊絲中加脫氧劑脫氮劑,去除溶入金屬的N和O2.熔池的保護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第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日

熔焊焊縫的形成在高溫熱源的作用下，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，從而形成連續(xù)的致密層狀組織焊縫。焊縫形成過程示意圖第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日以熔化焊為例，焊接過程經(jīng)過了加熱—熔化—冶金反應—結(jié)晶—固態(tài)相變—接頭。（1）焊接熱過程;貫穿整個焊接過程，決定焊接應力、應變、冶金反應、結(jié)晶、相變。（2）

焊接化學冶金過程;熔化金屬、熔渣、氣相進行系列的化學冶金反應。（3）

焊接時金屬結(jié)晶和相變過程焊接熱過程---焊接化學冶金過程---熔池凝固和相變過程3.焊接接頭形成與焊接性第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日（1）焊接接頭的特征

焊接接頭是指整個焊接區(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——母材第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日(2)熔化焊接頭形式典型接頭對接,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,普通情況下用機加工方法加工出的型面，要求不高時也可以氣割.根據(jù)需要，有Ｋ型坡口，Ｖ型坡口，Ⅰ型坡口，Ｕ型坡口等坡口形式，但大多要求保留一定的鈍邊

第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日坡口形式第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日

(3)熔合比

母材在焊縫金屬中比例=0時,熔敷金屬;堆焊計算焊縫的化學成分第二十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日(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，焊接時形成