熔化焊连接原理

1.1熔化焊热过程及接头形成熔化焊是最基本的焊接方法。根据焊接能源的不同，熔化焊可分为电弧焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子焊等。获得良好接头的条件:合适的热源,良好的熔池保护,焊缝填充金属焊接热过程,焊接化学冶金,焊接物理冶金1.1熔化焊热过程及接头形成一.熔化焊的热源种类及其特性1、热源的发展•上个世纪80年代发现碳弧焊；•1891年金属极电弧焊；•本世纪初薄皮焊条电弧焊和氧乙炔气焊；•30年代，厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氦气保护焊；•40年代，埋弧焊和电阻焊；•50年代，CO2气体保护焊和电渣焊；•60年代，电子束焊和等离子弧焊与切割；•70年代，激光焊焊接与切割；•80年代，逐步完善电子束焊接和激光焊接工程；•90年代，寻找新能源，如太阳能、微波等。1.1熔化焊热过程及接头形成1.1熔化焊热过程及接头形成5）激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。1）电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能2）化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能6）电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热8）高频感应热：对于有磁性的金属材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。如高频焊管等。7）摩擦热：由机械摩擦而产生的热能3）等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和动能，利用这种能量进行焊接。4）电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能。理想的焊接热源；加热面积小、功率密度高、加热温度高1.1熔化焊热过程及接头形成二.熔化焊的热效率•电弧的功率：P=UI焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率为Pe=ηUI（手工电弧焊时η为0.77~0.87;电子束焊,等离子弧焊和激光焊热效率0.9以上)•反映焊件吸收的热量大小，不反映热量在焊缝和热影响区的分配热源产生的热量向周围介质辐射工件吸收飞溅用于熔化金属形成焊缝使母材近缝区温度升高，形成热影响区1.1熔化焊热过程及接头形成三.熔化焊温度场热源--------工件---------工件内部对流、辐射热传导等温面（等温线）——“瞬时同温”,表示温度场的分布稳定温度场，非稳定温度场，准稳定温度场某瞬时焊件上各点温度的分布——？传热学中，热能传递的3种方式：传导、对流、辐射热能作用的集中性、瞬时性不均匀有限1.1熔化焊热过程及接头形成温度场分类：三维，二维，一维厚大焊件表面堆焊，一次焊透薄板，细棒电阻焊当恒定功率的热源,一定尺寸的焊件,匀速直线运动,经过一段时间,焊件传热达到饱和,温度场暂时稳定,随着热源同样速度移动准稳定温度场1.1熔化焊热过程及接头形成四.焊接热循环——定点焊件某点的温度随时间的变化过程基本参数加热速度最高加热温度在相变温度以上的停留时间冷却速度瞬时焊接接头各点的温度分布状态--？焊接接头某点温度随时间变化的规律,描述了热源对焊件金属的作用决定焊接热循环特征的基本参数1.1熔化焊热过程及接头形成加热快,温度高,冷却快,相变温度以上停留时间不易控制决定热影响区组织和性能的最重要参数t8/5t8/3t100——Tm~100的冷却时间加热速度:若过快,相变过程不充分最高加热温度:间接判断焊件产生内应力的情况和塑性变形区的范围.在相变温度以上的停留时间:冷却速度（某温度范围内的冷却时间）:晶粒长大,加热温度越高,长大的时间越短,接头粗晶脆化焊接热影响区1.1熔化焊热过程及接头形成2.焊接热循环参数的数值模拟(自学)最高温度Tm的计算厚板,点热源薄板,线热源瞬时冷却速度ωc的计算,计算焊缝的冷却速度相变温度以上停留时间的tH计算薄板比厚板易过热冷却时间tB的计算用t8/5代替临界板厚δcr的计算线能量E一定时,对ωc和t8/5不发生影响的板厚临界板厚δcr的计算δ/δcr0.75厚板三维传热δ/δcr0.75薄板二维传热1.1熔化焊热过程及接头形成4.焊接热循环的影响因素1)材质2)接头形状尺寸3)焊道长度4)预热温度5)线能量长段多层焊3.多层焊接热循环厚板连接预热后热短段多层焊每道焊缝长度较短，未等前层焊缝冷却到较低温度就开始焊接下道焊缝。每道焊缝的长度较长，第一层基本冷至较低的温度。1.1熔化焊热过程及接头形成五.熔化焊接头的形成1.焊接材料熔化与熔池形成(1)焊接材料熔化焊条,焊丝----熔滴焊条金属的平均熔化速度gM与焊接电流成正比损失系数Ψ~飞溅氧化蒸发焊条金属的平均熔敷速度gH~进入熔池gH=(1-Ψ)gM1.1熔化焊热过程及接头形成(2)熔滴过渡熔滴----焊条端部熔化形成滴状液态金属药皮焊条焊接时,三种形式碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。1）熔滴的比表面积S：S=Ag/ρVg=4πR2/(4/3πR3ρ)=3/Rρ•I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。•熔滴的比表面积是相当大的，S=1000—10000Cm2/kg熔滴过渡短路过渡颗粒过渡附壁过渡1.1熔化焊热过程及接头形成2）熔滴的平均作用时间指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯的平均熔化速度之比。•τcp=(m0/mtr+1/2)τ•其中：τcp=0.01—1.0s3）熔滴的温度•手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度不超过1900K•熔滴的比表面积越大,与周围介质作用时间越长,熔滴温度越高,越有利于加强冶金反应1.1熔化焊热过程及接头形成(3)熔渣过渡药皮溶化后的熔渣向熔池过渡形式:•薄膜形式,包在熔滴外面或夹在熔滴内•直接从焊条端部流入熔池或滴状落入•不超过1900K1.1熔化焊热过程及接头形成(4)熔池的形成1.1熔化焊热过程及接头形成(4)熔池的形成1）熔池的形状和尺寸熔池为半椭球，几何尺寸为：L=q2IU其中，q2是比例系数，取决于焊接方法和焊接电流。I是焊接电流，U是焊接电压，焊接电流I焊接电压U与熔池宽度B和熔池深度H的关系：I↑，H↑，B↓；U↑，H↓，B↑。1.1熔化焊热过程及接头形成2）熔池质量手工电弧焊:熔池质量5克以下,埋弧自动焊:熔池的质量小于100克3）熔池的存在时间熔池在液态存在的最大时间：tmax=L/v几秒到几十秒熔池平均存在时间：tcp=Gp/ρvＦWＦW：焊缝的横截面积。1.1熔化焊热过程及接头形成4）熔池温度熔池温度不均匀，熔池中部温度最高，其次为头部和尾部1.1熔化焊热过程及接头形成(5)熔池中液相的运动状态熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的搅拌作用。1）液态金属密度差引起自由对流运动2）表面张力差强迫对流运动3）熔池中各种机械力搅拌焊接工艺参数、焊接材料的成分、电极直径及其倾斜角度等都对熔池中的运动状态有很大的影响。1.1熔化焊热过程及接头形成保护方式:1、熔渣保护2、气体保护3、熔渣气体联合保护手工电弧焊4、真空保护5、自保护;不利用隔离空气的方法,在焊丝中加脱氧剂脱氮剂,去除溶入金属的N和O2.熔池的保护必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失1.1熔化焊热过程及接头形成熔焊焊缝的形成在高温热源的作用下，填充金属（如焊条）和基体金属发生局部熔化。熔池前部（2-1-2区）熔化金属被电弧吹力吹到熔池后部（2-3-2区），迅速冷却结晶。随着热源不断移动，从而形成连续的致密层状组织焊缝。焊缝形成过程示意图1.1熔化焊热过程及接头形成以熔化焊为例，焊接过程经过了加热—熔化—冶金反应—结晶—固态相变—接头。（1）焊接热过程;贯穿整个焊接过程，决定焊接应力、应变、冶金反应、结晶、相变。（2）焊接化学冶金过程;熔化金属、熔渣、气相进行系列的化学冶金反应。（3）焊接时金属结晶和相变过程焊接热过程---焊接化学冶金过程---熔池凝固和相变过程3.焊接接头形成与焊接性1.1熔化焊热过程及接头形成（1）焊接接头的特征焊接接头是指整个焊接区，不仅包括结合区，也包括其周围区域。结合区即是焊缝（WM），熔池凝固并发生固态相变的区域结合区邻近区即是母材中发生固态相变的区域，称为热影响区（HAZ）。过渡区是指母材与焊缝交界处，也称为熔合区。焊接接头包括焊缝、热影响区和熔合区。接头的质量包括焊缝、热影响区、熔合区。1——焊缝区（熔化区）2——熔合区（半熔化区）3——热影响区4——母材1.1熔化焊热过程及接头形成(2)熔化焊接头形式典型接头对接,角接,丁字接,搭接坡口加工•坡口主要为了焊接工件，保证焊接度,普通情况下用机加工方法加工出的型面，要求不高时也可以气割.•根据需要，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钝边1.1熔化焊热过程及接头形成坡口形式1.1熔化焊热过程及接头形成(3)熔合比•母材在焊缝金属中比例•=0时,熔敷金属;堆焊•计算焊缝的化学成分1.1熔化焊热过程及接头形成(4)金属的可焊性概念金属的可焊性属于工艺性能，是指被焊金属材料在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。金属的可焊性主要与下列因素有关:1）材料本身的成分组织；2）焊接方法；3）焊接工艺条件；接合性能，焊接时形成缺陷的敏感性；使用性能，焊成的焊接接头满足使用要求的程度1.1熔化焊热过程及接头形成本节小结不同焊接热源具有不同的热效率，电子束等离子弧和激光束的热效率在0.9以上，是理想的热源。温度场，准稳定温度场焊接热循环，了解多层焊的特点焊接接头包括焊缝、热影响区和熔合区。焊缝的熔合比焊接热过程贯穿整个焊接过程，对焊接接头的形成过程（化学冶金、熔池凝固、固态相变、缺陷）以及接头性能具有重要的影响。