熔化焊連接原理

熔化焊連接原理第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三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程,焊接化學(xué)冶金,焊接物理冶金第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三一.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，編輯于2023年，星期三5）激光束：通過受激輻射而使放射增強(qiáng)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(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：利用電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱8）高頻感應(yīng)熱：對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，編輯于2023年，星期三

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(shí)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，編輯于2023年，星期三三.熔化焊溫度場熱源--------工件---------工件內(nèi)部對流、輻射熱傳導(dǎo)等溫面（等溫線）——“瞬時(shí)同溫”,表示溫度場的分布穩(wěn)定溫度場，非穩(wěn)定溫度場，準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場某瞬時(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)、對流、輻射熱能作用的集中性、瞬時(shí)性不均勻有限第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三溫度場分類：三維，二維，一維厚大焊件表面堆焊，一次焊透薄板，細(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,經(jīng)過一段時(shí)間,焊件傳熱達(dá)到飽和,溫度場暫時(shí)穩(wěn)定,隨著熱源同樣速度移動準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三四.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(shí)間冷卻速度瞬時(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，編輯于2023年，星期三加熱快,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(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）:晶粒長大,加熱溫度越高,長大的時(shí)間越短,接頭粗晶脆化焊接熱影響區(qū)第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三2.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ωc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)算薄板比厚板易過熱冷卻時(shí)間tB的計(jì)算用t8/5代替臨界板厚δcr的計(jì)算線能量E一定時(shí),對ωc和t8/5不發(fā)生影響的板厚臨界板厚δcr的計(jì)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，編輯于2023年，星期三4.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(yù)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(yù)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，編輯于2023年，星期三五.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(jìn)入熔池gH=(1-Ψ)gM第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三(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(shí),三種形式堿性焊條：短路過渡和大顆粒過渡；酸性焊條：細(xì)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(yīng)進(jìn)行。熔滴的比表面積是相當(dāng)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，編輯于2023年，星期三2）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。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(shí)間越長,熔滴溫度越高,越有利于加強(qiáng)冶金反應(yīng)第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三(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，編輯于2023年，星期三(4)熔池的形成第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三(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，編輯于2023年，星期三2）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(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/ρvＦWＦW：焊縫的橫截面積。第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三4）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，編輯于2023年，星期三(5)熔池中液相的運(yùn)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(qiáng)烈的攪拌作用。1）液態(tài)金屬密度差引起自由對流運(yùn)動2）表面張力差強(qiáng)迫對流運(yùn)動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熔池中的運(yùn)動狀態(tài)有很大的影響。第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三保護(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O2.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第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三

熔焊焊縫的形成在高溫?zé)嵩吹淖饔孟拢畛浣饘伲ㄈ绾笚l）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，編輯于2023年，星期三以熔化焊為例，焊接過程經(jīng)過了加熱—熔化—冶金反應(yīng)—結(jié)晶—固態(tài)相變—接頭。（1）焊接熱過程;貫穿整個(gè)焊接過程，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)晶和相變過程焊接熱過程---焊接化學(xué)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，編輯于2023年，星期三（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，編輯于2023年，星期三(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(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，編輯于2023年，星期三坡口形式第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三

(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)成分第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期三(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