1、 第一章第一章 焊接溫度場與焊接溫度場與 熔池形成熔池形成第一節第一節 焊接溫度場焊接溫度場一、焊件的加熱一、焊件的加熱 1. 對焊接熱源的要求對焊接熱源的要求 (1) 能量集中，能實現快速焊接；能量集中，能實現快速焊接； (2) 能形成致密的焊縫和盡可能小的熱影響區能形成致密的焊縫和盡可能小的熱影響區. 2. 焊接的加熱過程焊接的加熱過程 焊接電弧焊接電弧（輻射、對流輻射、對流） 工件工件 （傳導傳導） 工件工件 (1)(1)焊接過程的熱效率焊接過程的熱效率 焊接電弧單位時間內產熱能：焊接電弧單位時間內產熱能： Q 0 = IU ( J / s ) 單位時間內進入工件中的熱能：單位時間內進入

2、工件中的熱能： Q 工件工件 =IU ( J / s ) 為熱效率為熱效率加熱功率的有效系數加熱功率的有效系數 僅指焊件所能吸收到的熱能僅指焊件所能吸收到的熱能 損失的熱能：損失的熱能：光熱輻射、對流、金屬蒸發、飛濺光熱輻射、對流、金屬蒸發、飛濺. 在一定條件下在一定條件下為一常數為一常數. . 主要取決于熱源、焊法、焊材、主要取決于熱源、焊法、焊材、 母材性質及尺寸母材性質及尺寸.1-1(2)(2)焊接熱能通過一定的作用面積（加熱區）進入工件焊接熱能通過一定的作用面積（加熱區）進入工件圖圖 1-23. 焊件上加熱區的熱能分布焊件上加熱區的熱能分布 (1) 活性斑點區活性斑點區 活性斑點區是帶

3、電質點（電子和離子）集中轟擊的活性斑點區是帶電質點（電子和離子）集中轟擊的部位，并把電能轉為熱能，該斑點的直徑為部位，并把電能轉為熱能，該斑點的直徑為dA. (2) 加熱斑點區加熱斑點區 加熱斑點區焊件受熱是通過電弧的加熱斑點區焊件受熱是通過電弧的 輻射和周圍介質輻射和周圍介質的對流進行的的對流進行的. 加熱斑點的直徑為加熱斑點的直徑為 dH，在該區內熱量的，在該區內熱量的分布是不均勻的，中心高，邊緣低，形如立體高斯錐體分布是不均勻的，中心高，邊緣低，形如立體高斯錐體.焊接熱能分布圖焊接熱能分布圖圖圖 1-3加熱斑點區的比熱流分布為：加熱斑點區的比熱流分布為： 其中，其中，q m為斑點中心之最

4、大比熱流，為斑點中心之最大比熱流，k為熱流集中系數，為熱流集中系數，r為任意點距中為任意點距中心點的距離心點的距離. 上式用于計算：上式用于計算： a. 加熱區內任意點的比熱流加熱區內任意點的比熱流qr ; b. 電弧的全部有效熱能：電弧的全部有效熱能： c. 由此式還可以求出：由此式還可以求出： IUqkrdreqdFeqqmkrmAkrmq0222全2)(k rmeqrqIUkqm二、焊接溫度場二、焊接溫度場 1. 焊接溫度場：焊接溫度場： (1) 定義：定義：某瞬時，焊件上的溫度分布稱為某瞬時，焊件上的溫度分布稱為“焊接溫度場焊接溫度場”. 表示式：表示式： T=f (x, y, z,

5、t) 式中：式中： T焊件上某點某瞬時的溫度；焊件上某點某瞬時的溫度； t時間；時間； ( x, y, z)焊件上某點的空間坐標焊件上某點的空間坐標. (2) 表示方法：表示方法： 等溫線（等溫面）等溫線（等溫面） 把焊件上瞬時溫度相同的各把焊件上瞬時溫度相同的各 點連接在一起，成為一條線點連接在一起，成為一條線 或一個面或一個面. 1-41-4 2. 準穩定溫度場準穩定溫度場 穩定溫度場：穩定溫度場： 焊件上各點的溫度不隨時間而變動焊件上各點的溫度不隨時間而變動. 非穩定溫度場：非穩定溫度場： 焊接溫度場各點的溫度隨時間而變動焊接溫度場各點的溫度隨時間而變動. 準穩定溫度場：準穩定溫度場：

6、恒定功率的熱源固定作用在焊件上時，開始一段時間恒定功率的熱源固定作用在焊件上時，開始一段時間 內，溫度是非穩定的；但經過內，溫度是非穩定的；但經過 一段時間之后便達到了飽和狀一段時間之后便達到了飽和狀 態，形成了暫時穩定的溫度場態，形成了暫時穩定的溫度場. 焊接溫度場是準穩定溫度場焊接溫度場是準穩定溫度場 3. 焊接溫度場分類焊接溫度場分類 取決于取決于工件尺寸工件尺寸和和熱源性質熱源性質 1）三維溫度場）三維溫度場 厚大焊件的表面堆焊，厚大焊件的表面堆焊，三維傳熱三維傳熱，點熱源點熱源 T= f (x, y, z, t) 2）二維溫度場）二維溫度場 一次可焊透的薄板，一次可焊透的薄板，二維傳

7、熱二維傳熱 ，線熱源線熱源 T= f (x, y, t) 3）一維溫度場）一維溫度場 細棒的電阻焊對接、焊條或焊絲的加熱，細棒的電阻焊對接、焊條或焊絲的加熱， 一維傳熱一維傳熱，面面/體熱源體熱源 T= f ( z, t) 1-5在焊接速度一定的條件下，在某時刻在焊接速度一定的條件下，在某時刻t，焊件上某點的溫度只與該點，焊件上某點的溫度只與該點距離電弧中央的位置有關，而與該點在焊件上的位置無關距離電弧中央的位置有關，而與該點在焊件上的位置無關.焊接溫度場屬于準穩定溫度場焊接溫度場屬于準穩定溫度場焊接軸線上：焊接軸線上：r0=0, 則：則：假設焊接速度為假設焊接速度為V，則，則x=-Vt，代入

8、上式得：，代入上式得：2040( , )2ratET r tet(0, )2ETtt(0, )2EvTtx 根據焊接傳熱理論，焊件上某點的溫度隨時間的變化式根據焊接傳熱理論，焊件上某點的溫度隨時間的變化式 ： P164(1) 厚大件溫度場：厚大件溫度場： （點熱源）（點熱源）4. 焊接溫度場描述焊接溫度場描述圖圖1- 6(2)薄板薄板件溫度場：件溫度場： （線熱源）（線熱源） 也可得出同樣的結論也可得出同樣的結論 .式中式中: E焊接線能量焊接線能量(J/cm)； 導熱系數導熱系數W/(cm)；c比熱容比熱容J/(g)；密度密度 (g/cm3)；熱擴散率，熱擴散率，=/c (cm2/s)；板厚

9、板厚 (cm)；r0厚焊件上某點距離源運行軸線的垂直距離厚焊件上某點距離源運行軸線的垂直距離 (cm)；y0薄板上某點距離源運行軸線的垂直距離薄板上某點距離源運行軸線的垂直距離 (mm)；t熱源到達所求點所在截面厚的傳熱時間熱源到達所求點所在截面厚的傳熱時間 (s)。204012(, )2()yatET y tec t 圖圖1-7 5. 影響溫度場的因素影響溫度場的因素 熱源種類、焊接規范、材質物理性質、焊件形態、熱源作用時間等熱源種類、焊接規范、材質物理性質、焊件形態、熱源作用時間等. （1） 熱源種類熱源種類 焊接熱源的性質不同，焊接溫度場的分布也不同焊接熱源的性質不同，焊接溫度場的分布也

10、不同: h25mm鋼板的電弧焊為點熱源鋼板的電弧焊為點熱源; h 100mm 鋼板的電渣焊卻認為是線熱源鋼板的電渣焊卻認為是線熱源. 電子束和激光焊時，熱能極其集中，溫度場范圍很小電子束和激光焊時，熱能極其集中，溫度場范圍很小; 氣焊時，熱源作用面積較大，溫度場范圍也大氣焊時，熱源作用面積較大，溫度場范圍也大. （2） 焊接規范焊接規范 相同焊接熱源，因焊接規范不同，溫度場的分布也有很大區別相同焊接熱源，因焊接規范不同，溫度場的分布也有很大區別： 以以h=1cm的低碳鋼焊接為例：的低碳鋼焊接為例： a. 當功率當功率q=常數時，隨焊接速度常數時，隨焊接速度v的增加，等溫線的范圍變小，且寬的增加

11、，等溫線的范圍變小，且寬 度變小較明顯，等溫線形狀變得細長；度變小較明顯，等溫線形狀變得細長； b. 當當v=常數時，隨常數時，隨q的增大，等溫線的范圍也隨之增大；的增大，等溫線的范圍也隨之增大； c. q/v保持定值，同比例改變保持定值，同比例改變q和和v，則會使等溫線拉長，因而使溫度，則會使等溫線拉長，因而使溫度 場的范圍也變大場的范圍也變大.圖圖1-8 （3）被焊金屬的物理性質）被焊金屬的物理性質 1）導熱系數（）導熱系數（） 在單位時間內，單位距離沿法線方向溫度相差在單位時間內，單位距離沿法線方向溫度相差1時，經過單位面積所傳時，經過單位面積所傳 播的熱能播的熱能. I. 導熱系數隨金

12、屬的化學成分、組織和溫度的不同而改變導熱系數隨金屬的化學成分、組織和溫度的不同而改變. 室溫下相室溫下相 差較大，差較大，T 800時趨于一致時趨于一致. II. 在在E和和 h 相同的條件下，相同的條件下， 較大的金屬的溫度場（等溫面）較大的金屬的溫度場（等溫面） 較小，而較小，而較小的金屬的溫度場（等溫面）則較大較小的金屬的溫度場（等溫面）則較大. 2）比熱容（）比熱容（c） 1克物質每升高克物質每升高1所需的熱能所需的熱能. 3）容積比熱容（）容積比熱容（Cp） 單位體積物質每升高單位體積物質每升高1所需要的熱量所需要的熱量. 4）熱擴散率（）熱擴散率（） 表示溫度傳播的速度表示溫度傳播

13、的速度. 5）表面散熱系數（）表面散熱系數（） 散熱體表面與周圍介質每相差散熱體表面與周圍介質每相差1，在單位時間內單位面積所散失的熱量，在單位時間內單位面積所散失的熱量.各種材料的熱物理常數是不同的，特別是各種材料的熱物理常數是不同的，特別是和和C對焊接溫度場的分對焊接溫度場的分布具有很大影響布具有很大影響.圖圖1-9（4）焊件板厚和形狀）焊件板厚和形狀 以手弧焊為例以手弧焊為例. 厚厚 板：板：h 25mm 的低碳鋼；的低碳鋼； h 20mm 不銹鋼不銹鋼. 中厚板：中厚板：h 825mm的低碳鋼；的低碳鋼； h 520mm的不銹鋼的不銹鋼. 薄薄 板：板：h 8mm的低碳鋼；的低碳鋼；

14、h 5mm的不銹鋼的不銹鋼.第三節第三節 焊條的熔化及熔池的形成焊條的熔化及熔池的形成 一、焊條熔化的特點一、焊條熔化的特點 1.焊條熔化呈周期性焊條熔化呈周期性2. 熔化速度增大，頻率增高熔化速度增大，頻率增高電弧用于加熱和熔化焊條的功率僅是其全部功率的一小部分，電弧用于加熱和熔化焊條的功率僅是其全部功率的一小部分，即即 ：eeqUI 式中，式中，U電弧電壓；電弧電壓； I 焊接電流；焊接電流； 焊條加熱有效系數。焊條加熱有效系數。e二、焊條的熔化速度二、焊條的熔化速度1. 平均熔化速度平均熔化速度單位時間內熔化的焊芯質量或長度單位時間內熔化的焊芯質量或長度.在正常的焊接工藝參數范圍內，焊條

15、的平均熔化速在正常的焊接工藝參數范圍內，焊條的平均熔化速度與焊接電流成正比：度與焊接電流成正比：PMtGg式中式中 焊條金屬的平均熔化速度；焊條金屬的平均熔化速度； G 熔化的焊芯質量；熔化的焊芯質量； t 電弧燃燒的時間；電弧燃燒的時間； 焊接電流；焊接電流； 焊條的熔化系數焊條的熔化系數.MgP2. 平均熔敷速度平均熔敷速度單位時間內真正進入焊縫的那部單位時間內真正進入焊縫的那部 分金屬的質量分金屬的質量.HDDtGgH式中：式中： 焊條金屬的平均熔敷速度；焊條金屬的平均熔敷速度； 熔敷到焊縫金屬中的金屬質量；熔敷到焊縫金屬中的金屬質量； 焊條的熔敷系數焊條的熔敷系數.熔敷系數是真正反映焊

16、接生產率的指標熔敷系數是真正反映焊接生產率的指標 DgDG3. 損失系數：損失系數：在焊接過程中由于飛濺、氧化和蒸發損失的那一部分金屬質在焊接過程中由于飛濺、氧化和蒸發損失的那一部分金屬質量與熔化的焊芯質量之比量與熔化的焊芯質量之比.PHDDMDgggGGGY1(1)Hp 在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀液態金屬稱為熔滴液態金屬稱為熔滴.熔滴熔滴尺寸：尺寸：d 0.001 5 mm熔滴熔滴溫度：溫度：1800 2400 熔滴熔滴存留時間：存留時間：0.0001 0.003 s 熔滴存留時間熔滴存留時間指熔滴在焊條端頭長大滯留的時間，以及指熔滴在焊

17、條端頭長大滯留的時間，以及從焊條端頭過渡到熔池中的時間從焊條端頭過渡到熔池中的時間.三、熔滴：三、熔滴： 附壁過渡：附壁過渡： 熔池沿著焊條端部的藥皮套筒壁向熔池熔池沿著焊條端部的藥皮套筒壁向熔池 過渡的形式。過渡的形式。由于熔滴長大到一定尺寸時與熔池接觸，由于熔滴長大到一定尺寸時與熔池接觸，形成短路，電弧熄滅。在各種力的作用形成短路，電弧熄滅。在各種力的作用下熔滴過渡到熔池中，電弧重新引燃。下熔滴過渡到熔池中，電弧重新引燃。如此重復此過程。如此重復此過程。短路過渡：短路過渡：當電弧的長度足夠長時，焊條端部的熔當電弧的長度足夠長時，焊條端部的熔滴長大到較大的尺寸，在各種力的作用滴長大到較大的尺

18、寸，在各種力的作用下，以顆粒狀落入熔池，此時不發生短下，以顆粒狀落入熔池，此時不發生短路。路。顆粒過渡：顆粒過渡：四、熔滴過渡的形式四、熔滴過渡的形式 五、熔池的形成五、熔池的形成 由局部熔化的母材及焊材在母材上形成的具有一定幾何形狀由局部熔化的母材及焊材在母材上形成的具有一定幾何形狀的液體金屬叫的液體金屬叫熔池熔池. 1. 熔池的形狀和尺寸熔池的形狀和尺寸 形狀：形狀：不規則的半橢球形不規則的半橢球形尺寸：尺寸：長度長度L、寬度、寬度B、深度、深度H、表面積、表面積1) 1) 點熱源：點熱源： 2EVT2 2）長度：）長度： kETVELX熔2近似估算：近似估算： UIPqPL22 式中式中: P2 比例常數；比例常數； q 電弧功率；電弧功率； U 電弧電壓；電弧電壓； I 焊接電流焊接電流. 3 3）熔透面積：）熔透面積：EkFM1 4 4）表面積：）表面積：熔池的表面積取決于焊接方法和工藝參數，一般在熔池的表面積取決于焊接方法和工藝參數，一般在14cm2.焊接電流增加，熔池焊接電流增加，熔池最大深度最大深度H max 增大，增大，熔池最大寬度熔池最大寬度B max相相對減小；對減小；電