模塊6 焊接時金屬加熱和焊接規(guī)范的選擇《焊接科學與工程》教學課件

第X章XXXX模塊6

焊接時金屬加熱和焊接規(guī)范的選擇第六章焊接時金屬加熱和焊接規(guī)范的選擇6.1焊接溫度場與熱循環(huán)6.2電弧對金屬加熱及焊接規(guī)范選擇6.3焊接規(guī)范的選擇6.4焊接規(guī)范對焊縫形狀的影響6.5焊接接頭形式及坡口尺寸6.6提高焊接生產(chǎn)效率的方法傳熱學傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學。熱傳遞：熱傳導、對流和熱輻射許多學科都涉及到傳熱學的問題！焊接傳熱對焊接接頭形成過程中冶金過程、固態(tài)相變、組織性能和應力變形等均有重要影響！焊接傳熱的形式：熱傳導為主，考慮輻射和對流的作用。焊接傳熱過程研究內(nèi)容：主要是焊件上的溫度分布及其隨時間的溫度變化問題。

焊接過程焊接過程熱源加熱→熔化→冶金反應→結晶→固態(tài)相變→接頭（冷卻而形成）焊接熱過程的特點局部性——加熱和冷卻過程極不均勻瞬時性熱源是運動的焊接傳熱過程的復合性加熱過程冷卻過程6.1焊接溫度場與熱循環(huán)6.1.1焊接熱源及溫度場1、焊接熱源實現(xiàn)金屬焊接所需的能量熱能機械能焊接熱源的特點：能量密度高度集中；快速實現(xiàn)焊接過程；保證得到高質(zhì)量的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。1、焊接熱源焊接熱源的種類

--電弧熱氣體介質(zhì)中的電弧放電--化學熱可燃氣體--電阻熱電阻焊、電渣焊--高頻感應熱磁性的金屬高頻感應產(chǎn)生二次電流作為熱源--摩擦熱機械高速摩擦--電子束高速運動的電子轟擊--等離子焰電弧或高頻放電—離子流--激光束激光聚焦點熱源（三維）pointheatsource厚大焊件焊接線熱源（二維）linearheatsource薄板焊接面熱源（一維）planeheatsource細棒磨擦焊

1、焊接熱源加熱平面離熱源中心距離r的比熱流量為：1、焊接熱源—熱分布上述熱源是作用在表面固定點，實際上會向板厚方向傳遞，是一個體熱源。薄板：圓柱形熱源無限厚板：半球形熱源中厚板：板厚方向超過厚度后的空氣中傳熱慢，而板寬方向傳熱快，所以在近熱源中心表面為半球形，離熱源遠處逐漸變?yōu)閳A柱形1、焊接熱源—熱分布2、焊接溫度場狹義定義：某瞬時工件上各點的溫度分布某個熱流密度的熱源以恒定的速度沿x軸移動，熱源周圍的溫度分布即“焊接溫度場”vtO’Oy’yz’zx焊件上各點瞬時溫度分布的溫度場對分析焊接傳熱過程,焊接物理冶金過程和焊接化學冶金過程至關重要。2、焊接溫度場λ—材料的導熱率ρ—材料的密度c—材料的比熱溫度場與時間的變化率(導熱方程，熱傳導偏微分方程）在焊接熱源作用下，母材上所形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分稱為熔池焊接熔池形狀示意圖2、焊接溫度場13商業(yè)軟件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT,MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,…..2、焊接溫度場等溫線或等溫面——把工件上瞬時溫度相同的各點連接在一起成為一條線或一個面。等溫線不可能相交等溫線、等溫面之間有溫差大?。簻囟忍荻确较颍捍怪庇诘葴孛婧缚p隨著熱源的移動，熔池沿焊接方向作同步移動熔池前部母材不斷地熔化熔池尾部熔池金屬不斷凝固，溫度逐漸降低熔池溫度分布1-熔池中部2-熔池前部3-熔池尾部2、焊接溫度場板厚25mm低碳鋼焊件坐標示意圖xoy面上沿x軸的溫度分布xoy面上的等溫線yoz面上沿y軸的溫度分布yoz面上的等溫線厚大焊件上點狀移動熱源的溫度場2、焊接溫度場典型焊接溫度場穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場——常態(tài)一維溫度場二維溫度場三維溫度場焊接溫度場的影響因素熱源的性質(zhì)焊接工藝參數(shù)被焊金屬的熱物理性質(zhì)焊件的板厚及形狀2、焊接溫度場熱輸入量q=常數(shù)，熱源移動速度v對溫度場的影響熱源移動速度v增加熱源功率q保持為常數(shù)時隨焊接速度v的增加等溫線的范圍變小溫度場的寬度和長度均變小寬度顯著變小所以，等溫線的形狀變得細長影響因素2、焊接溫度場熱源移動速度v=常數(shù)，熱輸入量q對溫度場的影響熱源功率q增加熱源移動速度v保持為常數(shù)時隨熱源功率q的增加等溫線在焊縫橫向變寬等溫線在焊縫方向伸長影響因素2、焊接溫度場熱源移動速度v熱源功率q增加q/v=常數(shù)，熱輸入量及熱源移動速度等比例變化時對溫度場的影響q/v保持為常數(shù)時同比例改變q和v等溫線拉長溫度場范圍拉長影響因素2、焊接溫度場在相同熱功率、熱源移動速度和相同板厚條件下不同材料板上移動線熱源周圍的溫度場影響因素2、焊接溫度場6.1.2焊接熱循環(huán)1、焊接熱循環(huán)在焊接過程中熱源沿焊件移動時，焊件上某點的溫度隨時間由低而高，達到最大值后又由高而低的變化描述焊接熱源對被焊金屬的熱作用過程2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱速度加熱的最高溫度在相變溫度以上的停留時間冷卻速度或冷卻時間焊接熱循環(huán)的參數(shù)6.1.2焊接熱循環(huán)加熱速度加熱速度受許多因素影響：不同的焊接方法不同的被焊金屬不同厚度不同焊接熱輸入等加熱速度方面的研究還不夠充分特別是新工藝、如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱的最高溫度據(jù)焊縫遠近不同的各點，加熱的最高溫度不同2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)在相變溫度以上的停留時間2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻速度或冷卻時間—決定熱影響區(qū)組織性能指焊件上某點熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時溫度的冷卻速度為了便于測量和分析比較，采用800～500oC的冷卻時間來代替瞬時冷卻速度，因為這一溫度區(qū)間是相變的主要溫度范圍2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻時間從800℃冷卻到500℃時所用時間--碳鋼、不易淬火的低合金鋼從800℃冷卻到300℃時所用時間--易淬火的低合金鋼(馬氏體相變點約300℃)從高溫冷卻到100℃時所用時間--擴散氫2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)距焊縫距離距焊縫距離變近3、焊接熱循環(huán)的影響因素焊接方法不同焊接方法的焊接熱循環(huán)1-手弧焊 2-埋弧焊3-電渣焊3、焊接熱循環(huán)的影響因素多層焊短段多層焊接熱循環(huán)3、焊接熱循環(huán)的影響因素近縫區(qū)1和4點所經(jīng)歷的熱循環(huán)是比較理想的。1點：Ac3以上停留時間較短，避免了晶粒長大；減緩了Ac3以下的冷速。4點：由于層間溫度較高，不易產(chǎn)生淬硬組織，Ac3以上溫度停留時間不會過長，晶粒也不易長大。生產(chǎn)上為進一步改善焊縫及熱影響區(qū)的組織與性能，還常多焊一層退火焊道，以延長奧氏體分解時間。短段多層焊對焊縫和熱影響區(qū)組織和性能都有一定改善作用。但工藝復雜，生產(chǎn)效率低。多層焊長段多層焊接熱循環(huán)3、焊接熱循環(huán)的影響因素焊接尺寸形狀3、焊接熱循環(huán)的影響因素當板厚較小時，焊件寬度對冷卻時間影響較大；當板厚較大時，焊件寬度對冷卻時間影響明顯減弱；當寬度大于150mm時，可以認為相當于“無限大”，冷卻時間僅是板厚的函數(shù)。接頭形式相同板厚情況下，丁字接頭的冷卻速度要比V形坡口對接接頭的冷卻速度大1.5倍。焊縫長度相同接頭形式和焊接條件下，焊道越短其冷卻速度越大。焊接線能量隨著焊接線能量的增加，加熱的最高溫度、高溫停留時間及冷卻時間都將隨之增大。預熱溫度即使低溫預熱，也會大大降低600度以下溫度范圍的冷卻速度，但在高溫階段冷速的降低或高溫停留世間的延長，則影響不十分顯著。焊接時冷卻條件焊接時周圍環(huán)境及冷卻條件，不僅影響焊件的初始溫度，也會影響到焊接過程中的傳熱條件。3、焊接熱循環(huán)的影響因素4、焊接熱循環(huán)計算瞬時溫升T、達到最高溫度時間tm、最高溫升Tm和冷卻速度CRθ—任意點溫度θ0—初始溫度n—熱流導熱方向數(shù)r—離原點距離q—熱源強度k—熱源集中系數(shù)5、冷卻速度的確定冷卻速度CR：I—焊接電流v—焊接速度T—技術冷卻速度的參考溫度T0—焊接初始溫度t—板厚t0，β—常數(shù)焊接冷卻速度與板厚、焊接電流、焊接速度和焊接初始溫度及常數(shù)t0和β有關，在結構因素一定的條件下，可以調(diào)整焊接電流、焊接速度和初始溫度（預熱）來調(diào)整冷卻速度。焊接熱效率電弧功率電弧有效熱功率熱效率6.2、電弧對金屬的加熱及焊接規(guī)范選擇

6.2.1、焊接電弧熱能的利用焊接方法熱效率焊條電弧焊0.77～0.87埋弧焊0.77～0.90電渣焊0.83電子束及激光束>0.9TIG焊0.68～0.85MIG焊鋼0.66～0.69鋁0.70～0.85熱效率主要取決于焊接方法、焊接規(guī)范和焊接材料的種類焊接線能量焊接時，焊接電流I、焊接速度VH，進條速度VT的數(shù)值大小，稱為焊接規(guī)范。焊接線能量是焊接規(guī)范的綜合指標，它表示單位長度焊縫上投入的有效熱量，用ql表示。6.2.1、焊接電弧熱能的利用線能量對焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響，線能量越大，生產(chǎn)率越高，但焊接變形越大?；w金屬熱功率與熱效率電弧有效熱功率由基體金屬所吸收的熱功率與由熔化焊條一道過渡到熔池的兩部分熱功率組成，而基體金屬所吸收的只是電弧有效熱功率的一部分，而基體金屬所吸收的部分熱功率又有一部分用到金屬熱傳導的損失，因此，實際用以熔化基體金屬的只是一小部分熱功率，這部分稱為熔化基體金屬熱功率qQ。其與線能量之比為基體金屬熔化熱效率ηQ。與工件厚度有關，厚度越大，熱傳導損失越大；還與熱量集中程度和線能量有關，熱量越集中，其值越大。6.2.2、基體金屬熔化熔化量GT、熔化率gT、熔化系數(shù)αT、熔敷系數(shù)αH6.2.3、焊絲的熔化熔化量由焊絲截面、熔化長度和密度計算，也可直接稱重熔敷量可由焊接板在焊前和焊后的稱重求得。埋弧焊或低飛濺的氣保護焊中由于飛濺很小，故熔敷系數(shù)十分接近熔化系數(shù)，可取熔化系數(shù)為熔敷系數(shù)。電流的選擇根據(jù)熔深選擇電流6.3焊接規(guī)范的選擇例：要對接焊12mm厚板，h要保證7-8mm雙面焊才能焊透，則最小電流為：一般埋弧自動焊最大電流為1000A，半自動焊為650A，手工焊最大電流為400A。因此，上述焊縫，埋弧自動焊不需開坡口，半自動焊和手工焊需開坡口。一般規(guī)定：手工焊6mm以上，半自動焊12-14mm以上，自動焊20mm以上需開坡口，以保證焊透和足夠的焊縫強度。電流的選擇按焊絲直徑選擇電流手