材料成形技术基础 第3章 材料成形热过程

1、第三章第三章 材料成形热过程材料成形热过程一、焊接热过程特点一、焊接热过程特点1.热源热量比较集中，功率密度比较大，相对加热面积较小。2.在高度集中热源作用下，瞬时可将大量热能传给焊件。3.一般焊接过程中热源是移动的，焊件的受热区域不断变化。3-1 3-1 焊接成形热过程焊接成形热过程 热热 源源最小加热面积最小加热面积/cm2最大功率密度最大功率密度/（W/cm2）温温 度度/oC氧乙炔焰氧乙炔焰10-210334003500金属极电弧金属极电弧10-31046000钨极氩弧焊钨极氩弧焊10-31048000埋弧自动焊埋弧自动焊10-31046400电渣焊电渣焊10-21042300熔化极氩

2、弧焊熔化极氩弧焊10-4104105CO2气体保护焊气体保护焊10-4104105等离子弧等离子弧10-51051800024000电子束焊电子束焊10-7107109激光焊激光焊10-8107109常用熔焊方法及热源主要特性常用熔焊方法及热源主要特性 二、焊接过程热效率二、焊接过程热效率热效率 =Q/QQ：焊接热源提供的热量；Q：用于加热焊件的有效热量；不同的电弧焊方法，其热效率值不同，如表示3-1 3-1 焊接成形热过程焊接成形热过程不同电弧焊方法的电弧热效率不同电弧焊方法的电弧热效率焊接方法焊接方法碳弧焊碳弧焊厚皮焊条手厚皮焊条手工电弧焊工电弧焊埋埋 弧自弧自 动动 焊焊钨极氩弧焊钨极氩

3、弧焊熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊直流直流交流交流钢钢铝铝值值0.5-0.650.77-0.870.77-0.990.78-0.850.68-0.850.66-0.690.70-0.85真正用于焊接的有效功率P为：P = UI 式中： P 电弧功率； U 焊接电压； I 焊接电流。3-1 3-1 焊接成形热过程焊接成形热过程3-1 3-1 焊接成形热过程焊接成形热过程电弧焊时热量分配电弧焊时热量分配 所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下，被焊工件上（包括内部）各点在某一瞬时的温度分布。3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场一、焊接传热形式及热传导方程一、焊接传热形式及热传导方程 焊接过程主要研究焊

4、接过程主要研究的是焊件温度变化（相的是焊件温度变化（相当于冷却为主）因此主当于冷却为主）因此主要以热传导为主，适当要以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。考虑辐射和对流的作用。2.2.焊接热传导的基本方程焊接热传导的基本方程 热总是从物体的高温部位向低温部位流动，它的流动规律服从傅立叶定律。 根据傅立叶定律及能量守恒定律，可以导出任一无限大物体内部的热传导基本方程。傅立叶定律： qn=dT/dnq电流密度，即沿法线方向单位面积、单位时间内流过的热量；热导率（J/cms),表示导热能力3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场傅立叶定律的热流傅立叶定律的热流 焊接热传导方程焊接热传导方程 T/ t=

5、a T 式中： a 热扩散率(cm/s) 拉普拉斯符号(/x+ /y+ /z) 表示某时刻，物体上给定点附近温度分布越不均匀，则该点温度变化越快二、焊接温度场的数学表述法及数学解析的假定条二、焊接温度场的数学表述法及数学解析的假定条件件 焊接温度场的数学表达式为 T= f( x, y, z, t ） 式中：T 工件上某一瞬时某点的温度 x,y,z 工件上某点的空间坐标 t 时间3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场 数学解析的基本假定物理系数与温度无关为常数焊接的尺寸形状概括为图三种典型焊接热源为集中热源，有三种典型热源边界条件：半无限大物体上表面为绝热面，即热源的能量全部向物体内部传导；无限大

6、薄板的上下表面及无限细长杆件的周边均与周围介质发生热交换，即表面传热固态相变时，无相变潜热发生，即除焊接热源外，无其它任何热源。焊接热源在单位时间内供给的能量q在整个焊接过程中保持恒定；除固定位置的补焊或点焊外，焊接速度应保持直线等速运动。热源在运动过程中所产生的热作用效果，可视为是相继瞬时作用于不同点的无数集中热源连续作用的总和，而多个瞬时热源相互之间并不发生影响。 3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式可以简化为：1） 厚大焊件点状热源三维温度场2） 薄板焊件线状热源二维温度场3） 细棒对接面状热源一维温度场3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场焊件及热源

7、形式焊件及热源形式三、瞬时热源的传导过程三、瞬时热源的传导过程 假定焊件的初始温度t=0，利用瞬时热源法比较容易求得热传导基本方程的特解。其特解为：式中：r 给定点到热源点的坐标 n 与热源有关的常数 Q焊件瞬时获得的热能点点 n=3n=3线线 n=2n=2面面 n=1n=13-2 3-2 焊接温度场焊接温度场3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场公式中的公式中的r，n，Q值值热源热源Qnr注注点热源点热源Q=qt3线热源线热源Q/h2h薄极厚板薄极厚板面热源面热源Q/F1xF细长杆伴横截面积细长杆伴横截面积四、影响焊接温度场的因素四、影响焊接温度场的因素1热源的性质（热源能量的集中性） 以电弧

8、焊为例，电弧能量越集中，温度场范围越小，温度梯度越大 焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入） 当热源能量（功率）q常数，随焊接速度v的增加，某一温度的等温线的宽度和长度都变小，用等温线表示的温度场的形状变的细长 2 当速度v常数时，随q的增加，某一温度的等 温线所包围的面积增大 3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场焊接工艺参数对温度场的影响焊接工艺参数对温度场的影响 3 被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场金属热物理性能对温度分布的影响金属热物理性能对温度分布的影响E=21 kJ/cm（q

9、=4200J/s，v=0.2 cm/s ），h=1 cm4.焊件的板厚及形状薄板焊接的温度场分布薄板焊接的温度场分布3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场表面堆焊和丁字接头形式温度场分布3-2 3-2 焊接温度场焊接温度场 焊接时焊件在加热和冷却过程中温度随时间的变化。即焊件上某点的温度是随时间由低到高达到最大值后又由高到低的变化。称为焊接热循环。3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环离焊缝不同距离各点的焊接热循环离焊缝不同距离各点的焊接热循环一、焊接热循环的主要参数3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环焊接方焊接方法法板厚板厚/mm焊接线能量焊接线能量/（J/c

10、m）900oC时加时加热速度热速度/（/s）900oC以上停留时间以上停留时间/s冷却速度冷却速度/（ /s）加热时加热时t冷却时冷却时t900 550 钨极氩钨极氩弧焊弧焊128401680170012000.40.61.21.82401206030对接不开坡口对接不开坡口埋弧自埋弧自动焊动焊35101525375071401932042000105000700400200100602.02.54.09.025.05.57.013.022.075.054402295129521对接不开坡口对接不开坡口,有焊剂垫有焊剂垫V型坡口对撞型坡口对撞，有焊剂垫，有焊剂垫电渣焊电渣焊5010010022

11、0504000672000117600966000473.53.0162.036.0125.0144.0335.0168.0312.0395.01.02.30.830.80.30.70.280.25双丝双丝三丝三丝板极板极双丝双丝单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数 1.加热速度 H3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环钢种钢种相变点相变点平衡状平衡状态态/ 加热速度加热速度H/（ /s）AC1和和AC3的温度的温度/ 6-840-50250-3001400-170040-50250-3001400-170045号号AC173077077579

12、08404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加热速度对相变点加热速度对相变点Ac1和和Ac3及其温差的影响及其温差的

13、影响 2 . 峰值温度 Tmax 峰值温度Tmax与焊件的初始温度To，焊接线能量E，被焊金属的板厚h及离热源中心距离有关。3. 高温停留时间 H H与焊接能量E，被焊金属的、工件板厚h以及焊件的初始温度T0以及加热最高温度Tmax等因素有关。4. 冷却速度（或冷却时间8/5，8/3，100） 冷却速度，特别是在固态相变温度范围内冷却速度，即800500及800300时的冷却速度是焊接热循环中及其重要的参数，它将决定焊接接头的组织、性能及接头质量。3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环5. 冷却时间c（8/5或8/3及100） 对于一般碳钢及低合金钢常采用固态相变温度范围的800500冷却时间8

14、/5；而对于淬硬倾向比较大的钢种有时采用800300冷却时间8/3或由峰值温度冷至100的冷却时间100。 为了方便，在理论计算的基础上建立了不同条件下从线算图上直接获取8/5或8/3的图解法。 3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环冷却时间冷却时间100与与E，h，T0的关系的关系（B-预热宽度）3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环a a）8/5 8/5 b)b)8/38/3手弧焊线算图手弧焊线算图二、多层焊接热循环二、多层焊接热循环1.长段多层焊接热循环 长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时，第一层焊缝基本上冷却到100200以下3-3 3

15、-3 焊接热循环焊接热循环3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环低合金钢低合金钢V V形坡口三层焊时形坡口三层焊时1 1点的冷却曲线点的冷却曲线2.短段多层焊接热循环短段焊道一般约50400mm左右，在这种情况下，前层焊缝还未冷却到较低温度（如Ms点）时，就开始焊接下一层焊缝。3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环短段多层焊接热循环曲线短段多层焊接热循环曲线3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环800800500500冷却时间冷却时间8/58/5实测值与计算值对比（低合金钢埋弧焊）实测值与计算值对比（低合金钢埋弧焊）三、影响焊接热循环的因素三、影响焊接热循环的因素1.焊件尺寸形状的影响3-3 3-3

16、 焊接热循环焊接热循环焊件宽度焊件宽度b及厚度及厚度h对冷却时间对冷却时间 C的影响的影响（焊件长度110 mm，E=17.5 kJ/cm)2.接头形式的影响3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环接头形式与冷却速度的关系接头形式与冷却速度的关系3.3.焊道长度的影响焊道长度的影响3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环4接线能量接线能量E的影响的影响厚板焊接时（点热源）在不同预热温度（T0）下，焊接线能量E对高温停留时间H的影 响。3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环厚板焊接时，在不同预热温度下，厚板焊接时，在不同预热温度下，E对对 H的影响的影响 薄板焊接（线热源），在不同预热温度（T0）下，焊接

17、线能量E对高温停留时间H的影响。 3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环薄板焊接时，在不同预热温度下，薄板焊接时，在不同预热温度下，E/h对对 H的影响的影响5.预热温度的影响 即使低温预热，也会大大降低600以下温度范围的冷却速度，但在高温阶段冷却速度的降低，或高温停留时间的延长，则不十分显著。3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环预热温度对焊接热循环的影响预热温度对焊接热循环的影响6.焊接时冷却条件的影响 焊接时周围环境及冷却条件（如冬季野外施工、通风条件等），不仅影响焊件的初始温度，也会影响到焊接过程中的传热条件。 3-3 3-3 焊接热循环焊接热循环1.焊条（焊丝）的加热及熔化（1）焊条或

18、焊丝的加热电弧焊时用于加热和熔化焊条(焊丝)的热能是：电阻热、电弧热和化学反应热。在一般情况下，化学反应热仅占1%一3%，所以可以忽略不计。（2）焊条与焊丝的熔化参数 熔化速度（m） 熔化系数（m） 熔敷系数（y） 熔敷速度 熔敷效率 飞溅率（S） 损失系数（） 3-4 3-4 电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池2.焊接熔池（1）电弧对焊件的热输入和热效率 电弧对焊件的热输入仅占电弧总功率的一部分。热输入可用输入的电弧功率表示为： qm=mq =mUI 式中：qm电弧对焊件的热输入，包括熔滴带到熔池中的热 能（w）； m 电弧加热焊件的热效率（%）； q

19、电弧功率（W）； U 电弧电压（V）； I 焊接电流（A）。3-4 3-4 电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池（2）焊接熔池温度分布及温度循环 熔池中部具有最高温度（处于过热状态）。而离开电弧直接作用的熔池后部，其温度逐渐降低。 处于电弧移动轴线上的任意一点金属都要经历着完全相同的温度循环，即经历着同样的加热、熔化、过热、冷却、结晶的循环过程。3-4 3-4 电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池（3）熔池的质量和存在的时间 手工电弧焊熔池的质量很小，一般在0.616g范围内，多数在5g以下。即使是在大电流埋弧焊下，也多在

20、100g以下。焊接电流越大质量越大，电弧电压越高质量也越大。 熔池的存在时间与熔池的质量是相互关联，质量越大，则存在时间也越长。各种钢在手工电弧焊时，熔池存在时间多不到10s，而埋弧焊时，也一般不超过30s。 3-4 3-4 电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池产生熔池中液态金属运动的原因有以下几点： 熔池温度分布不均匀而造成的液态金属密度差。 熔池温度分布不均匀而造成表张力分布不均匀 。各种机械作用力的共同作用结果。 3-4 3-4 电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池电弧焊焊条（焊丝）加热熔化及焊接熔池一、凝固成形热过程特点及效率一、凝固成形热过程特点及

21、效率1.1.凝固成形热过程特点凝固成形热过程特点 凝固成形的基本热过程包括加热熔化和冷却凝固两个部分。 对于加热熔化过程，以冲天炉为例，可分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区4个部分。（1 1）预热区的热交换特点）预热区的热交换特点 1）炉气给热以对流方式为主。 2）传递热量大 3）温度变化大3-5 3-5 凝固成形热过程凝固成形热过程（2 2）熔化区的热交换特点）熔化区的热交换特点 1）炉气给热以对流传热为主。 2）呈凹形分布。 3）高度波动大。（3 3）过热区热交换的特点）过热区热交换的特点 1）铁水的受热以与焦炭接触传导导热为主。 2）传热强度大。 3）炉气最高温度与区域高度起决定作用。（

22、4 4）炉缸区的热交换特点）炉缸区的热交换特点 与过热区相仿3-5 3-5 凝固成形热过程凝固成形热过程2.2.凝固成形加热过程热效率凝固成形加热过程热效率 凝固成形加热过程的热效率与冶炼方式、热源种类及冶炼材料的性能等因素有关。二、凝固成形热温度场二、凝固成形热温度场 根据铸件温度场随时间的变化，能够预测铸件凝固过程中其断面上各时刻的凝固区域大小及变化，凝固前沿向中心推进的速度、缩孔和缩松的位置，凝固时间等重要问题。 3-5 3-5 凝固成形热过程凝固成形热过程铸件和铸型的温度分布存在四种情况：1.铸件在绝热铸型中凝固温度分布特点3-5 3-5 凝固成形热过程凝固成形热过程绝热铸型凝固温度分布绝热铸型凝固温度分布2. 以金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固温度分布特点3-5 3-5 凝固成形热过程凝固成形热过程以界面热阻为主的温度