第二章焊接热过程 上海文通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
第二章 焊接热过程
内容提纲 熔化焊接热源及温度场 2 焊接热循环 3 金属熔化及熔池形成
内容提纲 Page . 2 1 熔化焊接热源及温度场 2 焊接热循环 3 金属熔化及熔池形成
2.1熔化焊接过程 个u ·2.1.1热源的种类 1.电弧焊(Arc welding) 利用气体介质在两电极之间产生的强烈而持久的放电过程所产生的热能 来作为焊接热源，是焊接热源中目前应用最广泛的一种。 ① 手工电弧焊Shielded metal arc welding(SMAW) 非熔化极气体保护焊Gas tungsten arc welding(GTAW) ③ 熔化极气体保护焊Gas metal arc welding(GMAW) 等离子弧焊Plasma arc welding(PAW) 药芯电弧焊Flux cored arc welding(FCAW) ⑥ 埋弧焊Submerged arc welding(SAW)
2.1 熔化焊接过程 ▪ 2.1.1 热源的种类 1. 电弧焊（Arc welding） 利用气体介质在两电极之间产生的强烈而持久的放电过程所产生的热能 来作为焊接热源，是焊接热源中目前应用最广泛的一种。 ① 手工电弧焊Shielded metal arc welding(SMAW) ② 非熔化极气体保护焊Gas tungsten arc welding(GTAW) ③ 熔化极气体保护焊Gas metal arc welding (GMAW) ④ 等离子弧焊Plasma arc welding(PAW) ⑤ 药芯电弧焊Flux cored arc welding(FCAW) ⑥ 埋弧焊Submerged arc welding(SAW)
2.1.1热源的种类 2.高能束焊接(High-energy beam welding) ① 电子束Electron beam welding(EBW):高压高速的电子束轰 击金属表面产生的热量作为热源。 ② 激光束Laser beam welding(LBW):经聚焦产生能量高度集中 的激光束作为热源。 3 等离子束Plasma beam welding(PBW):电弧放电或高频放电 产生高度电离的离子流作为焊接热源。 laser welding beam weld direction weld pool bead molten metal cross- keyhole section of weld 2mm (a) (b)
2.1.1 热源的种类 2. 高能束焊接（High-energy beam welding） ① 电子束Electron beam welding (EBW)：高压高速的电子束轰 击金属表面产生的热量作为热源。 ② 激光束Laser beam welding(LBW)：经聚焦产生能量高度集中 的激光束作为热源。 ③ 等离子束Plasma beam welding (PBW)：电弧放电或高频放电 产生高度电离的离子流作为焊接热源
2.1.1热源的种类 3.气体焊接(Gas welding) 氧乙炔焰Oxyacetylene welding(OAW) 2.碳化焰 乙炔与氧混合燃烧所形成的火焰。可改变氧气和乙炔的混合比例 得到三种不同的火焰： ①中性焰Neutral Flame:当氧气与乙炔的作用比为1~1.2时， 又称为正常焰。内焰温度最高，约3150℃，用于焊接低碳钢、 中碳钢、合金钢、紫铜、铝合等材料。 ②碳化焰Reducing Flame:当氧气和乙炔的体积比小于1时，火 焰比中性焰长，且温度也较低，会使焊缝金属增碳，变得硬而 脆。适用于焊接高碳钢、铸铁和硬质合金材料。 ③氧化焰Oxidizing Flame:当氧气和乙炔的体积比大于1.2时， 易使金属氧化，仅用于焊接黄铜，以防止锌的蒸发
3. 气体焊接（Gas welding） 氧乙炔焰Oxyacetylene welding （OAW） 乙炔与氧混合燃烧所形成的火焰。可改变氧气和乙炔的混合比例 得到三种不同的火焰： ① 中性焰Neutral Flame：当氧气与乙炔的作用比为1～1.2时， 又称为正常焰。内焰温度最高，约3150℃，用于焊接低碳钢、 中碳钢、合金钢、紫铜、铝合等材料。 ② 碳化焰Reducing Flame：当氧气和乙炔的体积比小于1时，火 焰比中性焰长，且温度也较低，会使焊缝金属增碳，变得硬而 脆。适用于焊接高碳钢、铸铁和硬质合金材料。 ③ 氧化焰Oxidizing Flame：当氧气和乙炔的体积比大于1.2时， 易使金属氧化，仅用于焊接黄铜，以防止锌的蒸发。 2.1.1 热源的种类
2.1.2焊接过程的热效率 个sm 热效率n(Heat source efficiency):7= Q Qo 其中：Q-有效加热工件的热量；Q。-热源所提供的热量 ①电弧的热效率： 电弧功率：Q=E1,E-电弧电压；I电弧电流 GTAW 有效功率：Q=nE1 Pipe torch Arc Water in Water out 损失于周围介质≈20% Thermocouple Insulation Thermocouple 损失于飞溅≈5%用于溶滴过渡25% (a) 9 50 Shaded area 120÷ 焊条金属吸 收30% 40 Tout-Tin 100 'eunje Tout 30 80 20 in 电弧全部热功 母材吸收≈50% 电弧有效热功 100 120 率=100% 率75% Time,seconds (b) Qiea=DWC(Tout-Tn）d≈WC(Tut-Tn)dh 手工电弧焊热量分配 电弧焊时热效率测量
2.1.2 焊接过程的热效率 热效率（Heat source efficiency）： = 𝑄 𝑄0 其中：Q-有效加热工件的热量；Q 0 -热源所提供的热量 ① 电弧的热效率： 电弧功率： Q0=EI，E-电弧电压；I-电弧电流 有效功率：Q =EI 电弧焊时热效率测量 手工电弧焊热量分配
2.1.2焊接过程的热效率 (cont'd 不同焊接方法的电弧热效率？ 焊接 厚皮焊条手 自动埋 电渣 电子束及 钨极缸弧焊 熔化氯弧焊 碳弧焊 方法 工电弧焊 弧焊 焊 激光束 交流 直流 钢 铝 0.5≈ 0.77≈ 0.77≈ 0.68- 0.78 0.66- 0.70~ n 0.83 >0.9 0.65 0.87 0.90 0.85 0.85 0.69 0.85 Increasing 电子束的热 damage to 热损失少 workpiece 激光的热效 激光的吸收 gas welding 1.0 0.8 arc welding 0.6 入 0.4 indu!jeeH Increasing penetration, 0.2 welding speed, weld quality, LBW PAW G high energy equipment cost beam welding Heat source efficiencie Power density of heat source Current.A
2.1.2 焊接过程的热效率（cont’d） ② 电子束的热效率：能量集中， 热损失少 ③ 激光的热效率：取决于工件对 激光的吸收程度 Heat source efficiencies in several welding processes
2.1.2焊接过程的热效率（cont'd) sm 工件吸收的热量： √熔化金属形成焊缝； √母材近缝区温度升高以致发生组织变化形成组织 和性能有别于母材的热影响区。 0.7 TIm=0.50exp -175 0.6 mEIV/(Hav) ■熔化效率(Melting efficiency): 0.5 IsAeV He 0.4 E话日0 0.3 o PAW 7E1 ·GTAW 0.2 aGMAW 0.1 SAW (c) 0.0 WM 10002000300040005000 HAZ mEIV/(Hov) a is the thermal diffusivity,v is BM HAZ (a) BM (b) the kinematic viscosity of the weld pool Melting efficiency:(a)lower at lower heat input and welding speed; (b)higher at higher heat input and welding speed;(c)variation with dimensionless parameter (E represents Voltage)
工件吸收的热量： 熔化金属形成焊缝； 母材近缝区温度升高以致发生组织变化形成组织 和性能有别于母材的热影响区。 2.1.2 焊接过程的热效率（cont’d） 熔化效率(Melting efficiency)： m = 𝐴𝑏𝑎𝑠𝑒𝑉𝐻𝑏𝑎𝑠𝑒+𝐴𝑓𝑖𝑙𝑙𝑒𝑟𝑉𝐻𝑓𝑖𝑙𝑙𝑒𝑟 𝐸𝐼 Melting efficiency: (a) lower at lower heat input and welding speed; (b)higher at higher heat input and welding speed; (c) variation with dimensionless parameter（E represents Voltage） is the thermal diffusivity, is the kinematic viscosity of the weld pool HAZ HAZ WM WM BM BM
2.1.2焊接过程的热效率 (cont'd 热源的能量密度分布： 60 Lu and Kou(1988) ce Tsai(1983) q(r）=9me-kr2 40 0.1r2 q0)=32e electrode (+ 100A,14.2V 4.7 mm arc 20 100%Ar Gaussian-type distribution 3.2 mm electrode 0.1r2 75°tip angle q(r)=30 00 6 8 Radius,mm Tungsten electrode Arc a) (c) Power Power density density Electrode tip angle (truncation,mm) (b) (d) 30° 60° 90° 180° (0.125) (0.125) (0.500) (O) Radial Radial distance distance Effect of electrode tip angle on shape and power density distribution
2.1.2 焊接过程的热效率（cont’d） ▪ 热源的能量密度分布： Effect of electrode tip angle on shape and power density distribution 𝑞(𝑟) = 𝑞𝑚𝑒 −𝑘𝑟 2 Gaussian-type distribution
2.1.3焊接温度场 ·热量的传递基本方式： √传导、对流、辐射 ·熔化焊接过程中热传递方式 √大多数热源：以对流、辐射为主来传递热量 √金属内部：以热传导为主传递热能 ·电弧焊为例： √电弧以对流、辐射传递热量给工件、焊条（焊丝） √工件内部、焊条中热的传播则以热传导为主
2.1.3 焊接温度场 ▪ 热量的传递基本方式： 传导、对流、辐射 ▪ 熔化焊接过程中热传递方式 大多数热源：以对流、辐射 为主来传递热量 金属内部：以热传导 为主传递热能 ▪ 电弧焊为例： 电弧以对流、辐射传递热量给工件、焊条（焊丝） 工件内部、焊条中热的传播则以热传导为主