第一章焊接热熔及熔池的形成

徐州工程学院教案纸1第一章焊接热熔及熔池的形成从焊接发展的趋势看，焊接逐渐转向高效率、高质量、降低劳动强度、降低耗能的方向发展。从这一点出发，作为热源则应当是：热量高度集中，可快速实现焊接过程，并能保证得到致密的强韧的焊缝和最小的HAZ。本章重点讨论：焊接热源的种类、特点、焊接温度场及熔池的形成过程。这些问题将对焊接化学冶金、熔池结晶、HAZ的组织和性能、以及应力、变形、气孔、夹杂、裂缝等缺缺陷有重要的影响§1-1焊接热源温度场一、焊接热源的种类及特征1、电弧热：利用气体放电过程所产生的热量作为热源，应用最广泛SAW、SMAW、TIG、MIG、MAG、等离子弧切割及焊接。2、化学反应热：利用化学反应所产生的热量作为热源气焊C2H2+O2铝热焊铝热剂1kg→750kcalFe3O4Fe2O3铁粉Fe、A1粉3Fe3O4+8A1=4A12O3+9Fe+QFe2O3+2A1=2A12O3+2Fe+Q3、电阻热利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源电阻焊（点焊、缝焊）高频感应焊、电渣焊。※高频热源：对于具有磁性的被焊金属，利用高频感应产生的二次电流作为热源在局部加热。特点：热量集中，可实现高速焊接，但有集肤效应。4、摩擦热：由机械摩擦而生产的热量。如：摩擦焊5、电子束：在真空中利用高压、高速运动的电子激烈轰击金属的局部表面，将动能转化为热能。深宽比可达40，HAZ很窄。6、激光束：是通过受激辐射而使辐射增强的光——激光，经过聚焦而产生能量高度集中的激光束来作为热源。表0—1各种热源的主要特性HAZ的大小：氧乙炔焊、电渣焊（10-2cm2）金属极电弧焊、埋弧焊、TIGMIG、C02焊电子束激光束那么热源输入工件的热量是否全部用于加热焊件呢?焊件上热能的分布又如何呢?二、焊接过程的热效率和焊件上的热能分布1、焊接过程的热效率徐州工程学院教案纸20QQ——用于加热焊件上的热量——由热源提供的热量※焊接过程中由热源提供的热量并不是全部被利用，而是有一部分损失于周围介质和飞溅，即真正用于焊接的热量只是由热源提供热量的一部分。条件一定时：const取决因素：（1）焊接方法：能量密度↑↓（2）焊接规范和焊接材料I↑↑；U↑↓（3）被焊金属的尺寸、形状及性能1）电弧焊热效率:0QUIQUI图1-1电弧焊时的热量分配应当指出的是：η只考虑了焊件所吸收的热量，这部分热量又分为两全部分：一部分熔化金属形成焊缝，另一部分由于热传导而流失于母材形成HAZ，而并未反映这两部分比，严格地讲熔化母材、焊丝形成焊缝的热能才是真正的热效率。2电渣焊热效率：＞80%主要损失热量，冷却滑块带去的热量图1-2电渣焊时的热能分布（δ=90mm）但HAZ宽，晶粒粗大3电子束与激光束的热效率＞90%激光主要损失于焊件表面的反射(和材料的种类与表面状态有关)※那么有效热功率传递到工件上之后,热能的分布又是如何呢?2、焊件加热区上的热能分布（电弧焊）1活性斑点区：带电质点（电子或离子）集中轰主的部位，将电能转为热能，斑点直径dA2加热班点区：该区金属受热量通过电弧辐射和周围介质的对流进行的。斑点直径Dh，该区的热量分布是不均匀的，中心高、边缘低。徐州工程学院教案纸3图0-4电弧作用加热区焊件加热斑点区的热能用比热流来表示：比热流：单位时间内通过单位面积传入焊件的热能J/cm2.s2()Krmqrqeqm——加热斑点中心的最大比热流k——热能集中数cm-2r——A点距加热斑点中心的距离P5图0-5加热斑点的比热流的分布（K取决因素:焊接方法、焊接规范、被焊材料的性能。）3热能分布影响因素①焊接方法：P5图0—6焊接方法对热能分布的影响②焊接规范：P6图0—7电流、电压对热能分布的影响（碳弧试验）一些新焊接工艺影响热能分布影响因素会更多更复杂。例如：等离子弧焊、除I、V外、孔道长度、喷嘴直径、氩气流量、喷嘴与工件间的距离等。※由于各区的热能分布不同，造成了各区的温度分布不同。三、焊接温度场1、焊接传热的基本形式：传导、对流、辐射传导：发生于物体内部或相互接触的物体之间。由于温度不同，在物体内部引起自由电子移动和离子发生振动的结果。△T↑热传导↑对流：利用不同温度地区质点的比重不同来传热。受热的液体或气体上浮，而较冷的液体或气体下沉。辐射：利用电磁波而传递热量，一表面放射，另一表面吸收焊接传热的形式：（1）热源传给焊件：辐射、对流（2）母材和焊条获得热能之后：热传导。※焊接传热过程所研究的主要内容是焊件上温度的变化和分布问题，因此研究温度场以热传导主为，适当考虑辐射和对流的作用。2、焊接温度场()Tfxyzt、、、焊接温度场研究是以等温面或者等温线来研究等温面和等温线之间温度差的大小，可用温度梯度来描述。徐州工程学院教案纸4（1）按稳定性分：稳定温度场、非稳定温度场※恒定热功率的热源固定作用于焊件上，开始温度场为非稳定的，经过一段时间后便达到了饱和状态，形成了暂时稳定温度场——准稳定温度场，如补焊。正常焊接时，经过一段时间也会形成准稳定温度场。（2）焊件尺寸、形状分：一维、二维、三维。①厚大件（半无限大）点状热源三维X→+∞y→+∞x→+∞结构钢：δ≥25mm不锈钢：δ≥20mm②薄件（无限大、一次焊透的薄板）线热源二维X→+∞y→+∞结构钢：δ＜8mm不锈钢：δ＜5mm③细杆件（细棒的电阻焊）面状热源一维x→+∞3、焊接温度场的影响因素：（1）热源的性质：气焊：热源作用面积较大，温度场范围大。电子束和激光焊：热能极其集中，所以温度场范围较小。（2）焊接线能量：qIUEvv由焊接能源输入单位焊缝长度上的能量P10焊接线能量及规范对温度场分布的影响qconstv↑等温线范围变小，宽度↓↓、长度↓vconstq↑等温线范围增大qvconstqv成倍↑、等温线范围↑、长度↑↑，宽度变化较小。（3）被焊材料的物理性质：热导率入w/cm℃、容积比热容cp、热扩散系数a、热焓H、表面散热系数a、比热容C，其中入和CP影响最大。（4）焊件的形态：几何尺寸和所处的状态（环境温度、预热、后热）厚大件、薄件、细杆。（5）热源的作用时间和移动速度。徐州工程学院教案纸5§1-2焊条的熔化和熔池的形成一、焊条的加热及熔化焊条的加热及熔化、熔滴的过渡特性及熔池的物理特性对焊接工艺、焊接冶金和焊接生产率均有很大的影响。1、焊条的加热：用于熔化和加热焊条的热能：电阻热，电弧热，化学反应热（1—3%）（1）电阻加热：焊接电流通过焊芯（焊丝）产生电阻热。手工电弧焊时：正常规范施焊的情况下，电流对焊芯的预热作用不大，但电流密度过大时则导致：①飞溅↑焊条药皮开裂过早脱落。②药皮过早发生反应，丧失冶金性能，焊缝成形差，产生气孔等缺陷。③不锈钢施焊时，焊2/3焊条发红（一般比碳钢焊条短）一般规定T焊芯≤600—650℃※埋弧焊时、无药皮、可适当↑j和L焊丝—↑预热作用↑熔化速度和生产率。（2）电弧加热※电阻加热只是辅助加热，而真正使焊条熔化和加热的是电弧，由于加热和熔化焊条的功率仅是全部功率的一部分。eeqUIe——焊条加热的有效系数手工e0.2～0.7eq用处：一部分用于熔化焊芯和药皮，使焊条端部液态金属过热和蒸发。另一部分：用于通过热传导使焊芯深处和药皮的温度提高。2、焊条的熔化※焊条的熔化是以周期性的滴状进行的，说明焊条的熔化是不均匀的(130%)endbeginvv（1）焊条金属的平均熔化速度：单位时间内熔化的焊芯质量或长度（g/h）pGgmaIt徐州工程学院教案纸6G——熔化焊芯的重量T——电弧燃烧的时间pa——焊条的熔化系数g/A、h※焊接由于飞溅、氧化、金属蒸发将损失一部分焊条金属，因此并非所有的熔化焊条均进入熔池形成焊缝，因此熔化系数不能真实反应生产率的高低，只有熔敷系数才能反应生产率的高低。平均熔敷速度：单位时间内熔敷到焊缝金属中那一部分质量。DDHGgaIt（2）焊条的瞬时熔化速度熔滴的过度呈周期性过渡，故焊条端部熔滴质量随时间程周期性变化。（3）提高熔化速度的途径①↑焊条端部所析出的热功率。②↑过渡频率、细滴过渡—d↑热损失↑③使电弧活性斑点位于固态焊丝与熔滴的界面处④在药皮中加入铁粉或金属填加剂⑤适当↑电阻热作用3、焊条金属熔滴的过渡特性（1）研究焊条金属熔滴过渡的意义①影响到焊接过程的稳定性、飞溅、焊缝成形、缺陷。②通过调节焊接热输入而控制焊缝金属的结晶，改变HAZ尺寸、性能。③控制冶金反应——熔滴过渡区④调节熔滴过渡形式而↑焊条的熔化速度从而↑生产率。（2）熔滴的过渡形式及特征※药皮焊条焊接时有三种形式：短路过渡，颗粒状过度，附壁过渡而熔滴过渡形式取决于熔滴金属上的作用力。①熔滴过渡的作用力重力、表面张力、电磁力、极点压力、气体的吹力②熔滴的过渡形式及特征短路过渡：焊条端部的熔滴与熔池短路接触，由于强烈的过热和电磁收缩力的作用使其爆段，直接向熔池过渡的形式（金属小桥中的电流密度↑↑）P21图1-18短路过渡示意图特点：小电流，低电弧电压徐州工程学院教案纸7范围：薄板和需低热输入时才施焊颗粒状过渡：（粗、细）当电弧电压超过一定值时，熔滴依靠表面张力可以保持在焊条端部自由长大，当促使下落的力（重力、电磁力）大于表面张力时，熔滴就离开焊条自由过渡到熔池中而不发生短路。P22图1-19颗粒状过渡示意图特点：飞溅大、电弧不稳定，电流大，电流和电压波动比短路过渡小。附壁过渡：熔滴沿着焊条端部药皮套茼壁向熔池过渡的形式※熔滴的过渡形式、尺寸、过渡频率取决于药皮的成份、厚度、焊芯的直径、焊接电流和极性等因素。碱性焊条在较大的焊接电流范围内主要是短路过渡和大颗粒状过渡。酸性焊条则为细颗粒过渡和附壁过渡。二、焊接熔池的形成熔池：焊接时，在母材上由熔化的焊条金属和局部熔化的材组成只有一定几何形状的液态金属叫熔池。※熔池的形状、尺寸、体积、温度和存在时间以及液态金属的流动状态，对熔池中的治金反应、结晶方向、晶体结构、夹杂物的数量及分布，以至焊接缺陷（气孔和结晶裂纹）的产生均有极其重要的影响。1、熔池的形状及尺寸※熔池的形成需要一定的时间，这段时间叫过渡的时期。经过过渡时期以后就进入准过渡时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随着热源作同步运动，形状类似于椭圆形，其轮廓为温度等于母村的熔点的等温面。I↑Hmax↑Bmax↓（相对↓）υ↑Hmax↓Bmax↑2、熔池的质量和有在时间质量SMAW：GP=0.6～16g一般5gSAW:GP100g(1.9—11.5)有在时间：maxLtvL——熔池的最大长度熔池存在的平均时间n秒～几十秒δ↑tcp↑mp--熔池质量ρ—金属（液态）的密度AW—焊缝的横截面积pcpWmtA徐州工程学院教案纸83、熔池的温度：熔池内的温度分布是不均匀的。取决于被焊材料的性质和周围材料的散热条件，头部温度较高，尾部较低。对于碳钢T平均熔池=1770±100℃4、熔池中流体的运动状态熔池的强烈运动使得焊材金属和母材均匀混合，冶金反应得以顺利进行，运动原因如下：（1）液体中的密度差产生自由对流运动熔池各部分的温度不同，T↑P（密度）↓；T↓P↑P大→P小——低温流向高温（2）表面张力引起强迫对流运动T↑表面张力↓；T↓表面张力↑—低温流向高温（3）熔池中的各种作用力作用产生的搅拌作用作用于熔池如：熔滴下落的重力、电磁力、气流吹力、金属（熔池）蒸发时产生的反作用力、粒子的冲击力。徐州工程学院教案纸9