焊接冶金学——基本原理

Unit1焊接传热学基础HeatTransfer北京工业大学材料科学与工程学院2019年8月15日2传热学传热学是研究热量传递规律的一门科学。热传递：热传导、对流和热辐射许多学科都涉及到传热学的问题！焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力变形等均有重要影响！焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题。31.1焊接过程分析焊接过程–热源加热→熔化→冶金反应→结晶→固态相变→接头（冷却而形成）焊接热过程的特点1.局部性——加热和冷却过程极不均匀2.瞬时性——1800K/s3.热源是运动的4.焊接传热过程的复合性加热过程冷却过程41.2焊接热源weldingheatsource实现金属焊接所需的能量–热能–机械能焊接热源的特点：–能量密度高度集中；–快速实现焊接过程；–保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。熔焊51.2焊接热源weldingheatsource焊接热源的种类-电弧热•气体介质中的电弧放电–化学热•可燃气体–电阻热•电阻焊、电渣焊–高频感应热•磁性的金属高频感应产生二次电流作为热源–摩擦热•机械高速摩擦–电子束高速运动的电子轰击–等离子焰•电弧或高频放电—离子流–激光束•激光聚焦?新焊接能源？！！！！61.2焊接热源weldingheatsource点热源（三维）pointheatsource–厚大焊件焊接线热源（二维）linearheatsource–薄板焊接面热源（一维）planeheatsource–细棒磨擦焊71.2焊接热源weldingheatsource热源在焊件上的分布热流密度的分布q:电弧的有效功率qm:加热斑点中心的最大比热流dH:回执斑点直径加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体81.2焊接热源weldingheatsource焊接热效率–电弧功率–电弧有效热功率–热效率UIq00qq0qq焊接方法η焊条电弧焊0.77～0.87埋弧焊0.77～0.90电渣焊0.83电子束及激光束0.9TIG焊0.68～0.85MIG焊钢0.66～0.69铝0.70～0.8591.3焊接温度场fieldofweldtemperature狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热源周围的温度分布即“焊接温度场”vtO’Oy’yz’zx(,,)tTfxyz•焊件上各点瞬时温度分布的温度场对分析焊接传热过程,焊接物理冶金过程和焊接化学冶金过程至关重要。101.3焊接温度场fieldofweldtemperature焊条电弧焊时，焊接电弧做为热源，对焊条和母材进行加热在焊接热源作用下，母材上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分称为熔池焊接熔池形状示意图111.3焊接温度场fieldofweldtemperature焊接熔池表面积内部的流体流动模式12…商业软件：ABAQUS,ANSYS,FLUENT,MARC,PHOENIX,ADINA,SYSWELD,…..131.3焊接温度场fieldofweldtemperature等温线–等温线不可能相交–等温线、等温面之间有温差•大小：温度梯度•方向：垂直于等温面焊缝STTT21141.3焊接温度场fieldofweldtemperature随着热源的移动，熔池沿焊接方向作同步移动熔池前部–母材不断地熔化熔池尾部–熔池金属不断凝固，温度逐渐降低熔池温度分布1-熔池中部2-熔池前部3-熔池尾部151.3焊接温度场fieldofweldtemperaturea.坐标示意图b.xoy面上沿x轴的温度分布c.xoy面上的等温线d.yoz面上沿y轴的温度分布e.yoz面上的等温线板厚25mm低碳钢焊件厚大焊件上点状移动热源的温度场161.3焊接温度场fieldofweldtemperature典型焊接温度场–稳定温度场–不稳定温度场——常态–一维温度场–二维温度场–三维温度场焊接温度场的影响因素–热源的性质–焊接工艺参数–被焊金属的热物理性质–焊件的板厚及形状171.3焊接温度场fieldofweldtemperature热输入量q=常数，热源移动速度v对温度场的影响热源移动速度v增加热源功率q保持为常数时随焊接速度v的增加•等温线的范围变小•温度场的宽度和长度均变小•宽度显著变小所以，等温线的形状变得细长影响因素181.3焊接温度场fieldofweldtemperature热源移动速度v=常数，热输入量q对温度场的影响热源功率q增加热源移动速度v保持为常数时随热源功率q的增加•等温线在焊缝横向变窄•等温线在焊缝方向伸长影响因素19热源移动速度v热源功率q增加1.3焊接温度场fieldofweldtemperatureq/v=常数，热输入量及热源移动速度等比例变化时对温度场的影响q/v保持为常数时同比例改变q和v•等温线拉长•温度场范围拉长影响因素201.3焊接温度场fieldofweldtemperature在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下不同材料板上移动线热源周围的温度场影响因素211.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环–在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由低而高，达到最大值后又由高而低的变化–描述焊接热源对被焊金属的热作用过程)(tfTiiizyx221.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的主要参数①加热速度②加热的最高温度③在相变温度以上的停留时间④冷却速度或冷却时间焊接热循环的参数HwMTHtCv8/5tMTHtCv231.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的主要参数①加热速度–加热速度受许多因素影响：•不同的焊接方法•不同的被焊金属•不同厚度•不同焊接热输入等–加热速度方面的研究还不够充分–特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏Hw241.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的主要参数②加热的最高温度–据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同MT251.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的主要参数③在相变温度以上的停留时间HttttHtt加热过程的停留时间冷却过程的停留时间261.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的主要参数④冷却速度或冷却时间—决定热影响区组织性能–指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度的冷却速度–为了便于测量和分析比较，采用800～500oC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因为这一温度区间是相变的主要温度范围Cv8/5t271.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的主要参数④冷却时间•从800oC冷却到500oC时所用时间–碳钢、不易淬火的低合金钢•从800oC冷却到300oC时所用时间–易淬火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右)•从高温冷却到100oC时所用时间–扩散氢58t100t83t281.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的影响因素①距离②焊接方法③多层焊距焊缝距离变近291.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的影响因素①距离②焊接方法③多层焊不同焊接方法的焊接热循环1-手弧焊2-埋弧焊3-电渣焊301.4焊接热循环weldthermalcycle焊接热循环的影响因素①距离②焊接方法③多层焊短道多层焊接热循环