江荔科技大学远洋船舶大合拢垂直焊缝性能设计虚拟仿真实验热影响区相组成设计一实验目的掌握DH36钢的连续冷却转变曲线（CCT）的物理意义；能够结合DH36钢的CCT曲线和熔合区不同的冷却速度预测焊接结束后熔合区的相组成能够结合金属学的知识对不同相组成的熔合区力学性能进行合理判断
1 LOGO 1 远洋船舶大合拢垂直焊缝性能设计 虚拟仿真实验 1 一、热影响区相组成设计 掌握DH36钢的连续冷却转变曲线(CCT)的物理意义； 能够结合DH36钢的CCT曲线和熔合区不同的冷却速度预测焊 接结束后熔合区的相组成 能够结合金属学的知识对不同相组成的熔合区力学性能进行合 理判断。 实验目的
热影响区相组成设计t/ct15013007Wc (%)1-熔合区 2-过热区3-正火区4-不完全重结品区5-再重结品区一、热影响区相组成设计900FaA3:824.6T800A1:704.3C700.600500400300100100010000100000冷邦速度(C/s)时间(s)一般情况下，熔合区的相组成决定了熔合区的力学性能，根据待焊钢板的连续冷却曲线（CCT曲线）可以判断不同冷却速度下熔合区对应的相组成。2
2 2 一、热影响区相组成设计 3 0 20 40 60 80 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 冷却速度 (℃/s) 体积分数 Ferrite Pearlite Bainite 一般情况下，熔合区的相组成决定了熔合区的力学性能，根据 待焊钢板的连续冷却曲线（CCT曲线）可以判断不同冷却速度下 熔合区对应的相组成。 一、热影响区相组成设计
D二、焊接热循环关键参数设计实验目的理解远洋船舶大合拢垂直焊接接头冲击功、硬度与t8/5之间的对应关系；培养学生具备合理选择船舶焊接t/参数的能力O二、焊接热循环关键参数设计环节一般碳钢及低合金钢采用固态相变温度范围的800-500℃冷却时间t8/5来代替冷却速度，并以此作为研究焊接接头的组织、性能及冲击韧性的重要参数。DH36钢的硬度和冲击吸收功与时间的关系如下图所示：195250ma功单*(AH)0100$Baaf2500800℃-500°C停留时间（s)800c-500c冷邦时间（(s)53
3 4 二、焊接热循环关键参数设计 理解远洋船舶大合拢垂直焊接接头冲击功、硬度与t8/5之间的对应 关系； 实验目的 培养学生具备合理选择船舶焊接t8/5参数的能力。 5 二、焊接热循环关键参数设计环节 一般碳钢及低合金钢采用固态相变温度范围的800-500℃冷却时 间t8/5来代替冷却速度，并以此作为研究焊接接头的组织、性能及 冲击韧性的重要参数。DH36钢的硬度和冲击吸收功与时间的关系如 下图所示： 0 50 100 150 200 250 300 170 175 180 185 190 195 200 800℃-500℃停留时间 (s) 硬度 ( H V ) 0 50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300 800 -500 ℃ ℃冷却时间 (s) 冲击吸收功 (J )
三、焊接线能量和冷却速度计算4实验目的理解焊接线能量的物理意义；掌握焊接线能量的计算方法：掌握熔合区冷却速度的计算方法。T三、焊接线能量和冷却速度计算分别利用如下两个公式（1）和（2）计算焊接线能量E1和E2E1 = 2mate/s/[(s00-T.)-(00-T)](1)(2)E2=8/4元/cpte/5/-[(500--)800-T式中E---焊接线能量 (J/cm);入----导热系数[W/(cm·℃)]cp----容积比热容[J/(cm3℃];8----板厚（cm);To---初始温度(℃)1
4 6 三、焊接线能量和冷却速度计算 掌握焊接线能量的计算方法; 实验目的 理解焊接线能量的物理意义; 掌握熔合区冷却速度的计算方法。 7 分别利用如下两个公式（1）和（2）计算焊接线能量E1和E2。 (1) 三、焊接线能量和冷却速度计算 (2)
三、焊接线能量和冷却速度计算将E1和E2分别代入公式（3），计算出临界板厚。2[(00- .) (00-.)]S=(3)c0当8,≥0.758时，取E=E1当8<0.758时，取E=E2焊接线能量E熔合区冷却速度。三、焊接线能量和冷却速度计算0是影响焊接热影响区组织与性能的主要因素。在热循环曲线上，每一温度下的瞬时冷却速度都不相同，各点的冷却速度可用该点切线的斜率表示。试验证明，焊缝和熔合线附近的冷却速度几乎相同，一般只需计算焊缝在540℃时的冷却速度即可。当板厚小于8mm时，熔合线处冷却速度.与焊接线能量E的关系如公式（4)所示：dT2元cp(T-T)32元cp(T-T)30=(4)dt(q/vs)2(E / 8)2当板厚小于25mm时，熔合线处冷却速度与焊接线能量E的关系如公式（5）所示：--2-= -2元2 (T。 - 7)2(5)0=dtqlvE95
5 8 将E1和E2分别代入公式（3），计算出临界板厚。 焊接线能量E 熔合区冷却速度ωc 三、焊接线能量和冷却速度计算 (3) 9 ωc 是影响焊接热影响区组织与性能的主要因素。在热循环曲线 上，每一温度下的瞬时冷却速度都不相同，各点的冷却速度可用 该点切线的斜率表示。试验证明，焊缝和熔合线附近的冷却速度 几乎相同，一般只需计算焊缝在540℃时的冷却速度即可。 当板厚小于8 mm时，熔合线处冷却速度ωc 与焊接线能量E的关系如 公式(4)所示： 当板厚小于25 mm时，熔合线处冷却速度ωc 与焊接线能量E的关系 如公式(5)所示： 三、焊接线能量和冷却速度计算 (4) (5)
三、焊接线能量和冷却速度计算式中，E----焊接线能量[/cm];Te----瞬时温度[℃];To----焊件初始温度[℃]q----单位时间输入热量[/s]v--.-焊接速度[cm/s]:入-..-导热系数[W/(cm-℃)]cp----容积比热容[/(cm3℃)]：8-..-板厚（cm);To----初始温度（℃)。当板厚在8-25mm时，熔合线处冷却速度w与焊接线能量E的关系如公式（6）所示：0。 = -枚 2m(7 - T)EK=f(e)(6)2Erh"cp(T-T)K= () = 1164e(-21) 0.3132 () +8.53 1013-()10O四、电弧形态与熔滴过渡方式实验目的掌握焊接工艺参数与焊接线能量的关系；掌握坡口所对应的电弧作用临界半径计算方法；电弧加热斑点半径及焊接速度设计方法；掌握不同的电弧电压和焊接电流对熔滴过渡的影响方式。11O
6 10 当板厚在8-25mm时，熔合线处冷却速度ωc 与焊接线能量E的关系如 公式(6)所示： 三、焊接线能量和冷却速度计算 (6) 11 四、电弧形态与熔滴过渡方式 掌握不同的电弧电压和焊接电流对熔滴过渡的影响方式。 实验目的 掌握焊接工艺参数与焊接线能量的关系； 掌握坡口所对应的电弧作用临界半径计算方法； 电弧加热斑点半径及焊接速度设计方法；
O四、电弧形态与熔滴过渡方式①焊接工艺参数与焊接线能量的关系当焊丝熔化速度与焊接速度之间处于平衡状态时，焊接速度等于单位时间熔化金属的填充体积和坡口截面积之比，如式（7）所示：(cm/s)(7)在不考虑飞溅损失时，可认为焊接速度为焊丝熔化速度和坡口截面积之比如式（8）所示7s (cm/s)V=(8)而焊丝的熔化速度与焊接电流成正比，如式（9）所示：(9)m= k,I (cm3/s)12O四、电弧形态与熔滴过渡方式而焊接的线能量如式（10）所示：E-JU(J/cm)(10)vE=1.Us (l/em)(11)综上可得：k以上公式中：v一焊接速度（cm/s）：V一单位时间焊丝熔化金属体积（cm/s）；Vm焊丝的熔化速度（cm/s）；S-坡口截面积（cm2)；I-焊接电流（A)；U-电弧电压（V）：E-焊接线能量（J/cm）；k-焊丝的熔化系数（cm/A·s），大小取决于焊丝的电阻率、直径、伸出长度等，当这些参数不变时，其值为常数。13
7 12 四、电弧形态与熔滴过渡方式 ① 焊接工艺参数与焊接线能量的关系 当焊丝熔化速度与焊接速度之间处于平衡状态时，焊接速度等于 单位时间熔化金属的填充体积和坡口截面积之比，如式（7）所示： 在不考虑飞溅损失时,可认为焊接速度为焊丝熔化速度和坡口截 面积之比如式（8）所示： 而焊丝的熔化速度与焊接电流成正比，如式（9）所示： (7) (8) (9) 13 四、电弧形态与熔滴过渡方式 而焊接的线能量如式（10）所示： 综上可得： (10) (11)
四、电弧形态与熔滴过渡方式②电弧有效半径计算电弧把热量传递给母材是通过焊件上一定的作用面积进行的，这个作用面积即为加热斑点，对于气电立焊，这个加热斑点若大于坡口断面，则有一部分电弧热量将直接作用在侧壁母材上，形成对母材的挖掘作用，否则母材熔深主要由熔池对流传热方式产生，如下图所示，设电弧能够产生挖掘作用的临界半径为r，o点为坡口形心，即焊丝送入的燃烧点。四、电弧形态与熔滴过渡方式形心确定后，可推导出临界半径r和坡口参数之间的关系：2(a+ab+b2)HTH3(a+b)/a-b)+4H2根据气电立焊板厚和坡口尺寸的对应关系，可计算得出a和b的数值。板厚用H表示，坡口角度用α表示，确定的板厚对应固定的α和b的数值，如下表所示：坡口形式板厚H/mm坡口角度a/根部间隙b/mm9-1255612-1550645615-1818-2340523-2635526-293052529-3258
8 14 四、电弧形态与熔滴过渡方式 ②电弧有效半径计算 电弧把热量传递给母材是通过焊件上一定的作用面积进行的，这个作用面积 即为加热斑点，对于气电立焊，这个加热斑点若大于坡口断面，则有一部分电 弧热量将直接作用在侧壁母材上，形成对母材的挖掘作用，否则母材熔深主要 由熔池对流传热方式产生，如下图所示，设电弧能够产生挖掘作用的临界半径 为rH，o点为坡口形心，即焊丝送入的燃烧点。 15 四、电弧形态与熔滴过渡方式 形心确定后，可推导出临界半径rH和坡口参数之间的关系： 根据气电立焊板厚和坡口尺寸的对应关系，可计算得出a和b的数值。板厚 用H表示，坡口角度用α表示，确定的板厚对应固定的α和b的数值，如下表 所示：
四、电弧形态与熔滴过渡方式通过计算，a的表达式：a=2.H·tanα+b可得当板厚为22mm时，r约为6.8mm。③电弧加热班斑点半径及焊接速度设计采用三维高斯热源模型进行设计电弧，电弧功率衰减到中心功率5%所对应的位置点相应的半径为电弧加热斑点半径r，示意图如下图所示。热源功率100%5%16A四、电弧形态与熔滴过渡方式根据高斯热源模型，电弧功率数学模型表达式如公式（12）下：An-U.I-exp(-kR)(12)7:式中，k表示热源集中程度的系数，是与焊接方法相关的常数：n为电弧热效率，对于C0,焊为0.75-0.90；U为电弧电压；1为焊接电流。对于气电立焊，焊接速度等于单位时间熔化金属的填充体积和坡口截面积之比，而焊丝的熔化速度和焊接电流成正比，从而得到焊接速度和焊接电流的关系表达式如下：k,l(13)S式中，k,为熔化系数，取值0.78（cm/A·s）；S为坡口截面积S-(b+a)H(14)2因此，根据焊接电流，坡口截面积及熔化系数就可计算得到相应的焊接速度。179
9 16 四、电弧形态与熔滴过渡方式 通过计算，a的表达式： 可得当板厚为22mm时，rH约为6.8mm。 ③电弧加热斑点半径及焊接速度设计 采用三维高斯热源模型进行设计电弧，电弧功率衰减到中心功率 5%所对应的位置点相应的半径为电弧加热斑点半径r，示意图如下 图所示。 17 四、电弧形态与熔滴过渡方式 根据高斯热源模型，电弧功率数学模型表达式如公式（12）下： 式中， k表示热源集中程度的系数，是与焊接方法相关的常数； η为电弧热效率，对于CO2焊为0.75-0.90；U为电弧电压；I为焊接电流。 对于气电立焊，焊接速度等于单位时间熔化金属的填充体积和坡口 截面积之比，而焊丝的熔化速度和焊接电流成正比，从而得到焊接 速度和焊接电流的关系表达式如下： 式中，kt为熔化系数，取值0.78(cm3 /A·s)；S为坡口截面积 因此，根据焊接电流，坡口截面积及熔化系数就可计算得到相应 的焊接速度。 (12) (13) (14)
四、电弧形态与熔滴过渡方式④确定熔滴过渡形式选择不同的电弧电压和焊接电流将获得不同的熔滴过渡形式，如下图所示：具体可分为5个区，分大滴排压过渡区别为大滴排斥过渡区A合适规范区和顶丝区，合适规范区包括A1，BUM及C,区。其中A,区为细滴过渡区，B,区为表面张力过渡区（瞬时短路项丝区焊丝与焊件接触短路过渡的排斥颗粒过渡），C,区为短路过渡区。J(A)18五、焊缝缺陷及检测实验目的掌握焊接缺陷的种类；掌握焊接缺陷x射线探伤的检测原理与方法。1910
10 18 四、电弧形态与熔滴过渡方式 ④确定熔滴过渡形式 选择不同的电弧电压和焊接电流将获得不同的熔滴过渡形式，如 下图所示： 具体可分为5个区，分 别为大滴排斥过渡区、 合适规范区和顶丝区， 合适规范区包括A1，B1 及C1区。其中A1区为细 滴过渡区，B1区为表面 张力过渡区(瞬时短路 过渡的排斥颗粒过渡) ，C1区为短路过渡区。 19 五、焊缝缺陷及检测 实验目的 掌握焊接缺陷的种类； 掌握焊接缺陷x射线探伤的检测原理与方法