焊接成型原理 长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作:徐世伟 指导教师:刘耀东
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第一章熔化焊热源及接头形成 1)熔化焊热源及温度场 12)焊接热循环 13〉熔化焊接头的形成
第一章 熔化焊热源及接头形成 熔化焊热源及温度场 焊接热循环 熔化焊接头的形成 1.1 1.2 1.3
51.1焊接热源及温度场 1.1.1焊接热源的种类及其特征 根据焊接生产的基本要求,不同焊接方法能 够满足焊接条件的焊接热源有以下几种: (1)熔化焊热源:电弧热、等离子弧热、电 子束、激光東、化学热。 (2)压力焊和钎焊热源:电阻热、摩擦热、 高频感应热
§1.1 焊接热源及温度场 1.1.1 焊接热源的种类及其特征 根据焊接生产的基本要求，不同焊接方法能 够满足焊接条件的焊接热源有以下几种： （1）熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电 子束、激光束、化学热。 （2）压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、 高频感应热
廴表111各种焊接热源的主要特性 热源 最小加热面积/m2最大功率密度正常焊接条件下温 /(kW/cm2) 度/K 乙炔火焰 106 2×10 3473 金属极电弧 10 10 6000 钨极氩弧(TG) 10 1.5×10 8000 埋弧焊 10 2×10 6400 电渣焊 10 103 2300 熔化极氩弧焊和 Co2气体保护焊 10 103~10° 等离子弧 0 6 5×10 18000~24000 电子束 10 8 103~10 10 激光束 10 12 103~10
表1.11 各种焊接热源的主要特性 热源 最小加热面积/㎡ 最大功率密度 /(kW/cm2) 正常焊接条件下温 度/K 乙炔火焰 金属极电弧 钨极氩弧(TIG) 埋弧焊 电渣焊 熔化极氩弧焊和 CO2气体保护焊 等离子弧 电子束 激光束 6 10− 7 10− 6 10− 7 10− 7 10− 8 10− 9 10− 11 10− 12 10− 4 2105 10 5 1.5105 210 5 6 10 ~10 5 10 6 1.510 8 10 10 ~10 8 10 10 ~10 3473 6000 8000 6400 2300 18000~ 24000
1:12焊接热效率 (1)电弧热效率:如果电弧是无感的,此时电能全部转化 为热能,则电弧的功率为 q=Ur (1-1) 式中,q为电弧功率,即电弧在单位时间内所放出的能 量(W);U为电弧的电压(V);工为焊接电流(A)。若能量 不全部用于加热焊件,则加热焊件获得的有效热功率为 ge=nUr (1-2) 式中为加热过程中的功率有效系数或称热效率。在 定条件下冂是常数,主要取决于焊接方法、焊接规范、焊 接材料和保护方式等
1.1.2 焊接热效率 （1）电弧热效率：如果电弧是无感的，此时电能全部转化 为热能，则电弧的功率为 q=UI (1-1) 式中，q为电弧功率，即电弧在单位时间内所放出的能 量(W)；U为电弧的电压(V)；I为焊接电流(A)。若能量 不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效热功率为 qe=ηUI (1-2) 式中η为加热过程中的功率有效系数或称热效率。在一 定条件下η是常数，主要取决于焊接方法、焊接规范、焊 接材料和保护方式等
焊件所吸收的热量可分为两部分:一部分用于熔化金 属而形成焊缝;另一部分使母材近缝区的温度升高以致发 生组织变化从而形成组织和性能都有别于母材的热影响区 实际上,用于熔化金属形成焊缝的热量才是真正的热效 率。若从保证焊接质量的角度看,形成热影响区的热量越 小越好。电弧焊的热量分配如图1-1所示
焊件所吸收的热量可分为两部分：一部分用于熔化金 属而形成焊缝；另一部分使母材近缝区的温度升高以致发 生组织变化从而形成组织和性能都有别于母材的热影响区 。实际上，用于熔化金属形成焊缝的热量才是真正的热效 率。若从保证焊接质量的角度看，形成热影响区的热量越 小越好。电弧焊的热量分配如图1-1所示
损失于周围介质2 用于藏8多化解别8 损失于飞;≈B用于滴满23 飞≈18 宝乡 三收≈3% 电弧全部热功母切吸收电弧有效热功电弧全热力母材吸将电有效热功 率108 革3(10% 图1-1电弧焊的热量分配
图1-1 电弧焊的热量分配
(2)电渣焊的热效率:电渣焊时,由于渣池处于厚大焊 件的中间,热能主要损失于强制焊缝成形的冷却滑块,所 以热量向外散失较少。实践表明,焊件越厚,滑块带走热 量的比例越小,这说明焊件的厚度越大,电渣焊的热效率 越高。例如,9omm厚钢板电渣焊时,其热效率可达到 80%以上。另外,电渣焊时的速度越慢,在金属熔化的 同时,大量的热量向焊缝周围的母材传导,易使焊接热影 响区过宽,晶粒粗大,焊接接头的机械性能下降
(2)电渣焊的热效率 ：电渣焊时，由于渣池处于厚大焊 件的中间，热能主要损失于强制焊缝成形的冷却滑块，所 以热量向外散失较少。实践表明，焊件越厚，滑块带走热 量的比例越小，这说明焊件的厚度越大，电渣焊的热效率 越高。例如，90mm厚钢板电渣焊时，其热效率可达到 80％以上。另外，电渣焊时的速度越慢，在金属熔化的 同时，大量的热量向焊缝周围的母材传导，易使焊接热影 响区过宽，晶粒粗大，焊接接头的机械性能下降
(3)电子束焊热效率:电子束焊时因功率密度大 能量集中,穿透力强,因此焊接时,能量的损失较少, 其热效率可达90%以上。 (4)激光焊接热效率:激光焊的热效率取决于工件对 激光束能量的吸收程度,与焊件表面状态有关。光亮 的金属表面在室温下对激光具有很强的反射作用,其 吸收率在20%以下。随着温度的提高,反射率降低, 吸收率提高。在金属熔点以上吸收率急剧提高
（3）电子束焊热效率：电子束焊时因功率密度大， 能量集中，穿透力强，因此焊接时，能量的损失较少， 其热效率可达90%以上。 （4）激光焊接热效率：激光焊的热效率取决于工件对 激光束能量的吸收程度，与焊件表面状态有关。光亮 的金属表面在室温下对激光具有很强的反射作用，其 吸收率在20%以下。随着温度的提高，反射率降低， 吸收率提高。在金属熔点以上吸收率急剧提高
1:3焊件加热区的分布 热源的热能传给焊件时所通过的焊件表面上的区域称为 加热区或加热斑点。如果讨论的热源是电弧热,其加热区可 分为活性斑点区和加热斑点区(见图1-2)。 (1)活性斑点区:带电质点(电子和离子)集中轰 击直径为d4的斑点面积。该部位的电能转化为热能,电 流密度了的变化如图12中的虚线所示。 (2)加热斑点区:在直径为d的区域内,金属受 热是通过电弧的辐射与周围介质的对流进行的
1.1.3 焊件加热区的分布 热源的热能传给焊件时所通过的焊件表面上的区域称为 加热区或加热斑点。如果讨论的热源是电弧热，其加热区可 分为活性斑点区和加热斑点区（见图1-2）。 （1）活性斑点区：带电质点（电子和离子）集中轰 击直径为dA的斑点面积。该部位的电能转化为热能，电 流密度了的变化如图1-2中的虚线所示。 （2 ）加热斑点区：在直径为dH的区域内，金属受 热是通过电弧的辐射与周围介质的对流进行的