材料加工理论-焊接部分-第一章-材料的焊接性基础.ppt

材料的焊接性基础,魏艳红,现代焊接生产技术国家重点实验室2003年12月,StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnology(SKL-AWPT),保护气体,焊丝,母材,焊接过程,熔化极气体保护焊,StateoftheArt,焊缝,溶池,焊接过程,什么是焊接/连接/Welding/Joining?,定义,两种或两种以上材质（同种或异种），通过加压或加压或两者并用，来达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。,焊接热过程的特点焊接冶金学的基本知识热影响区组织转变及其性能变化焊接缺欠的种类、防止措施焊接裂纹的形成条件、机理和防止措施,教学目的和内容,参考书目,材料加工理论讲义第四部分：热加工应力与裂纹焊接冶金与金属焊接性周振丰机械工业出版社焊接手册材料的焊接（第2版）中国机械工程学会焊接学会编著机械工业出版社,第一章焊接热过程1.1焊接热过程的特点,焊接热过程：在焊接过程中，被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态），称之为焊接热过程。焊接热过程的特点局部性热源的运动性瞬时性传热过程的复合性,第一章焊接热过程1.1焊接热过程的特点,焊接热过程的作用热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸决定了焊接熔池进行冶金反应的程度影响熔池金属凝固、相变过程不均匀的加热和冷却，造成不均匀的应力状态冶金、应力和被焊金属组织的共同影响，可能产生各种焊接裂纹和其他缺陷影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化决定母材和焊材的熔化速度，因而影响焊接生产率,1.2焊接热源及焊接方法,1.2.1焊接热源的种类电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊等）化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热剂焊）电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源（电阻焊和电渣焊）摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、搅拌摩擦焊）电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金数局部表面，使动能转换为热能（电子束焊）激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割）,焊接热源及焊接方法示例一双丝焊（熔化极气体保护焊）,熔化极气体保护焊-三丝焊,三丝焊接系统,图例为采用电流相位控制脉冲，电弧在三条焊丝上轮流燃烧，在保证电弧挺度的同时，通过调节各焊丝之间的位置关系及其焊接方向的夹角，来改变能量分布，使焊接过程稳定，从而减少咬边及驼峰等成形缺陷。该方法可用于角焊缝的高速焊接，焊速可以达到1.8m/min。,熔化焊过程,焊接热源及焊接方法实例二搅拌摩擦焊FrictionStirWelding（FSW）,焊缝,搅拌肩,搅拌头,搅拌针,工件,焊接过程纵剖面示意,搅拌摩擦焊原理ThePrincipleofFrictionStirWelding,焊接方向,旋转方向,焊接过程顶示图(PlanviewofFSW),搅拌摩擦焊原理ThePrincipleofFrictionStirWelding,焊缝顶视图,搅拌摩擦焊原理ThePrincipleofFrictionStirWelding,焊接方向,5083铝合金,搅拌摩擦焊/FractionStirWelding,1.2.2焊接热源的特点,1.2.3焊接热效率,电弧焊时的热量分配厚皮焊条（I=150-250A,U=35V）埋弧焊（I=1000A,U=36V,v=36mm/h,1.2.3焊接热效率,在电弧焊接过程中，电弧功率，即：电弧在单位时间内放出的热量为：q0=UI(W)，U-电弧电压（V），I-焊接电流(A)电弧有效热功率q=q0，-焊接热效率,焊接热效率,1.2.4焊件上的热量分布,加热斑点：热源传热给工件的加热面积斑点半径：电弧传给焊件的热能中，95%落在加热斑点内，该半径为斑点半径。热流密度：单位时间内通过单位面积提供给焊件的热能。,加热斑点上热流密度的分布a)热源在焊件上的分布b)热源密度的分布,1.2.4焊件上的热量分布,q(r)-A点的热流密度（w/m2）;qm加热斑点中心的最大热流密度（w/m2）;K热能集中系数(1/m2);rA点距加热斑点的距离（m）。,Gaussian分布,1.2.4焊件上的热量分布,高斯曲线下面所覆盖的全部热功率为：,K值说明热流集中的程度。焊条电弧焊：1.2-1.4；埋弧焊：6.0；TIG焊：3.0-7.0,直流TIG焊时的热能集中系数与焊接电流的关系,直流TIG焊弧长对热能集中系数,1.2.4焊件上的热量分布,1.3焊接温度场1.3.1焊接传热的基本定律,1、热传导定律热传导：物体各个部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。傅利叶定律,2、对流换热定律对流：流体各个部分之间发生相对位移，冷、热流体相互参混所引起的热量传递方式。对流换热：流体流过物体表面时，对流和热传导联合起作用的传递过程,1.3.1焊接传热的基本定律,3、辐射换热定律热辐射：物体因热的原因而发生辐射能量的现象。斯蒂芬-玻尔兹曼定律,焊接时，温度为T的焊件，在环境温度为Tf中冷却，通过热辐射发生的热的传递为：,1.3.1焊接传热的基本定律,为了计算能够用统一的形式，把辐射换热的热量qr与焊件表面的温度落差（T-Tf）联系起来：,可见：,4、全部放热固体表面和外界的热量交换往往同时存在对流换热和辐射换热两种形式。引用一个总的表面传热系数来考虑这两种换热方式的综合影响。,1.3.2热传导问题的数学描述,1、热传导微分方程,式中：密度c比热T温度时间热导率,对于均匀、各向同性材料，且其材料热物理性能参数与温度无关时：,1.3.2热传导问题的数学描述,2、初始条件和边界条件初始条件：初始时刻物体上的温度分布边界条件：物体边界上的热交换条件第一类边界条件：规定了边界上的温度值；第二类边界条件：规定了边界上的热流密度；第三类边界条件：规定了边界上的物体与周围介质间的传热系数及周围介质的温度。,1.3.2热传导问题的数学描述,3、材料的热物理性能参数热导率W/(mK)；比热cJ/(kgK)；密度(kg/m3)；热扩散率a(m2/s)表面传热系数W/(m2K),1.3.2热传导问题的数学描述,4、热传导方程的解析法H.H.雷卡林公式焊接几何尺寸和相应的热输入的简化模型:1）材料热物理性能参数不随温度而变化；2）材料无论在什么温度下都是固体，不发生相变。3）焊件的几何形状是无限的：无限体、无限板和无限长杆。4）焊接热过程归纳为：厚大焊件焊接-点热源薄板焊接-线热源细棒焊接-面热源,1.3.3典型的焊接温度场,1、焊接温度场的准稳定状态（1）正常焊接条件下，焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的；,（2）在加热开始时，温度升高的范围会逐步扩大，而达到一定极限后，不再变化，只是随热源移动。这种状态称为准稳态。,（3）功率不变的焊接热源，在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时，温度场是准稳态温度场。,1.3.3典型的焊接温度场,2、厚大焊件的温度场厚大焊件连续焊时，温度场的计算公式：,1.3.3典型的焊接温度场,a)坐标示意图b)xoy面上沿x轴的不同温度分布,厚大件上点状移动热源的温度场,1.3.3典型的焊接温度场,c)xoy面上的等温线,厚大件上点状移动热源的温度场,1.3.3典型的焊接温度场,d)yoz面上沿y轴的不同温度分布e)yoz面上的等温线,厚大件上点状移动热源的温度场,1.3.3焊接温度场TIG焊（氩弧焊）温度场实例,1.3.3焊接温度场,X-Y方向温度场分布,三维数值模拟/MARC,Copyright:HIT,1.3.3焊接温度场,X-Y方向温度场分布/全图,二维数值模拟/Adina,Copyright:HIT,1.3.3焊接温度场,三维温度场分布,三维数值模拟/MARC,Copyright:HIT,1.3.3焊接温度场,二维模拟结果/Adina,Copyright:HIT,1.3.3焊接温度场,Copyright:SYSWELD,1.3.3焊接温度场,LaserWeldingMaterial:AluminumPlatethickness:1.5mmPlatelength:20mmWeldingSpeed:4m/min=66.66mm/sButtWeldwithoutfillermaterial,Copyright:SYSWELD,1.3.3焊接温度场,金属熔化和焊缝形成,Copyright:SYSWELD,1.3.3焊接温度场,Steel:St52Platethickness:9mmPlatelength:120mmWeldingSpeed:5mm/s=0.3m/minButtWeldwithfillermaterial,Copyright:SYSWELD,1.3.3焊接温度场,实测结果,版权：清华大学,1.3.4影响焊接温度场的主要因素,1、热源的种类和焊接工艺参数,(b),(a),(c),(d),a)v=0.5m/minb)v=1m/minc)v=1.5m/mind)=2m/min,版权：北京工业大学,1.3.4影响焊接温度场的主要因素,2、被焊金属的热物理性能参数,不同材料板上线热源周围的温度场,1.3.4影响焊接温度场的主要因素,3、焊件的形态焊件的几何尺寸、板厚和所处的状态（预热和环境温度）。4、热源的分类瞬实集中热源：点焊连续作用的热源：固定不动、正常移动和高速移动。,版权：SYSWELD,1.4焊接热循环及其主要参数一、焊接热循环,距焊缝不同距离各点的焊接热循环,定义：焊接过程中，热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。,1.4焊接热循环及其主要参数二、焊接热循环的主要参数,焊接热循环的参数,加热速度加热的最高温度（Tm）在相变以上的停留时间(tH)冷却速度（T8/5）,1.4焊接热循环及其主要参数二、焊接热循环的主要参数,1.4焊接热循环及其主要参数,三、焊接热循环的特点1、加热的温度高热处理：AC3以上100-200，例如45号钢AC3：770焊接近缝区：接近熔点，钢的熔点1350,2、加热的速度快比热处理快几