焊接热源及熔池形成

1、焊接冶金学（基本原理）焊接冶金学（基本原理）主讲：叶延洪主讲：叶延洪2014年年09月月1 焊接热源及熔池形成焊接热源及熔池形成 熔焊百年来的发展过程一定意义上就是熔焊百年来的发展过程一定意义上就是焊接热源发展过程。焊接热源发展过程。1885碳弧电焊碳弧电焊1891金属电极电弧焊金属电极电弧焊20世纪初世纪初气焊、薄皮焊条气焊、薄皮焊条20-30年代年代厚皮焊条、氢原子焊、氦气保护焊厚皮焊条、氢原子焊、氦气保护焊40年代年代电阻焊、埋弧焊电阻焊、埋弧焊50年代年代电渣焊、电渣焊、CO2焊焊60年代年代电子束焊、等离子焊接和切割电子束焊、等离子焊接和切割70年代年代激光焊激光焊 从发展趋势看，焊

2、接逐步向高效率、高从发展趋势看，焊接逐步向高效率、高质量，降低劳动强度，降低能源消耗的方向发质量，降低劳动强度，降低能源消耗的方向发展。展。 焊接能源应当：焊接能源应当：热量高度集中热量高度集中，可，可快速快速实现焊接实现焊接过程，并保证过程，并保证得到致密而强韧的焊缝得到致密而强韧的焊缝和和最小的焊接热影响区最小的焊接热影响区。1.1 焊接热源及温度场焊接热源及温度场1.1.1 焊接热源的种类及特征焊接热源的种类及特征l热源种类热源种类 电弧热、化学热、电阻热、高频热源、摩擦电弧热、化学热、电阻热、高频热源、摩擦热、等离子焰、电子束、激光束等等。热、等离子焰、电子束、激光束等等。l特性特性

3、每种热源都有自身的特点，不同热源的最小加每种热源都有自身的特点，不同热源的最小加热面积、最大功率密度和正常规范条件下的加热温热面积、最大功率密度和正常规范条件下的加热温度特性，如表所示。度特性，如表所示。1.1.2 焊接过程热效率和焊件上的热能分布焊接过程热效率和焊件上的热能分布1）焊接过程的热效率）焊接过程的热效率 热源提供的热量为热源提供的热量为Q0，有效地用于加热焊件的热，有效地用于加热焊件的热量为量为Q，那，那 一定条件下一定条件下是常数，决定于热源性质、焊接工是常数，决定于热源性质、焊接工艺方法、焊接材料种类、焊接金属的性质及尺寸形艺方法、焊接材料种类、焊接金属的性质及尺寸形状等。状

4、等。0QQl电弧焊的热效率电弧焊的热效率 有效用于加热焊件的功率为有效用于加热焊件的功率为 UIq手工电弧焊热量分配手工电弧焊热量分配（I=150250A，U=36V） 埋弧焊热量分配埋弧焊热量分配 (I=1000A U=36V v=36m/h)l电渣焊的热效率电渣焊的热效率 效率与板厚有关，效率与板厚有关， 板厚板厚，效率，效率l电子束与激光焊接的热效率电子束与激光焊接的热效率 电子束焊在真空下进行，能量损失很少，热效率电子束焊在真空下进行，能量损失很少，热效率可达可达90%以上，电子动能绝大部分转换成热能。以上，电子动能绝大部分转换成热能。 激光照射焊件，一部分被吸收，另一部分被反射。激光

5、照射焊件，一部分被吸收，另一部分被反射。只要被吸收就能被充分利用。只要被吸收就能被充分利用。 两种热源能量极为集中，可在瞬时之间实现焊接。两种热源能量极为集中，可在瞬时之间实现焊接。2）焊件上加热区的热能分布）焊件上加热区的热能分布l活性斑点区活性斑点区 指带电质点（电子和离子）指带电质点（电子和离子）集中轰击的部位，把电能集中轰击的部位，把电能转换为热能。转换为热能。l加热斑点区加热斑点区 电弧辐射和电弧周围介质电弧辐射和电弧周围介质对流加热的区域。对流加热的区域。 在加热斑点上的比热流（即在加热斑点上的比热流（即单位时间内通过单位面积传入焊单位时间内通过单位面积传入焊件的热能）分布，可近似

6、地用高件的热能）分布，可近似地用高斯数学模型来描述。斯数学模型来描述。 立体高斯曲面下的总热量为立体高斯曲面下的总热量为2)(KrmeqrqmKrFmqKdreqdFrqq20)(qKqm K值说明热源的集值说明热源的集中程度，决定于焊接中程度，决定于焊接方法、规范和材料导方法、规范和材料导热性能等。热性能等。l 影响热能分布因素影响热能分布因素1.1.3 焊接温度场焊接温度场1）焊接传热的基本形式）焊接传热的基本形式 电弧焊条件下，由热源传给焊件主要以辐电弧焊条件下，由热源传给焊件主要以辐射和对流为主；母材和焊条获取热量后，以热射和对流为主；母材和焊条获取热量后，以热传导为主。传导为主。 焊

7、接传热研究内容主要是焊件上的温度焊接传热研究内容主要是焊件上的温度变化及其分布。变化及其分布。2）焊接温度场的一般特征）焊接温度场的一般特征焊接温度场：某瞬时焊件上各点温度的分布。焊接温度场：某瞬时焊件上各点温度的分布。 焊接温度场的分布情况可用等温线或等温焊接温度场的分布情况可用等温线或等温面来研究。面来研究。 等温线等温线（或（或等温面等温面）即焊件上瞬时温度）即焊件上瞬时温度相同的各点连接起来形成的线或面。相同的各点连接起来形成的线或面。),(tzyxfT l温度梯度：构件上某点温度温度梯度：构件上某点温度最大方向导数。最大方向导数。l稳定温度场：焊件上各点的稳定温度场：焊件上各点的温度

8、不随时间的改变而变。温度不随时间的改变而变。l焊接准稳定温度场：对于正焊接准稳定温度场：对于正常焊接条件下移动热源，经常焊接条件下移动热源，经过一定的时间以后，焊件各过一定的时间以后，焊件各点温度虽随时间而变化，但点温度虽随时间而变化，但温度能跟随热源一起移动，温度能跟随热源一起移动，热源下各点的温度相对保持热源下各点的温度相对保持不变。不变。 根据焊件的尺寸和热源性质，焊接温度场可根据焊件的尺寸和热源性质，焊接温度场可分为三维、二维和一维。分为三维、二维和一维。3）影响温度场的因素）影响温度场的因素l热源性质热源性质 热源性质不同，温度场的分布也不同。热源性质不同，温度场的分布也不同。l焊接

9、线能量焊接线能量 q一定，一定，v，等温线的范围变小。，等温线的范围变小。 v一定，一定，q，范围增大。，范围增大。 q/v一定，一定，q和和v，等温线有所拉长。，等温线有所拉长。l被焊金属的物理性质被焊金属的物理性质l焊件的板厚和形状焊件的板厚和形状 厚板结构焊接厚板结构焊接 （半无限体）（半无限体）l薄板结构焊接薄板结构焊接1.2 焊条熔化及熔池形成焊条熔化及熔池形成1.2.1 焊条的加热及熔化焊条的加热及熔化1）焊条金属的加热温度）焊条金属的加热温度 加热和熔化焊条的热能：电阻热、电弧加热和熔化焊条的热能：电阻热、电弧热和化学反应热。热和化学反应热。l电阻加热电阻加热 电阻加热使焊芯和药

10、皮的温度升高。电阻加热使焊芯和药皮的温度升高。l电弧加热电弧加热 （0.20.27）IUqee2）焊条金属的熔化）焊条金属的熔化 焊条金属的熔化速度在焊接过程中是不焊条金属的熔化速度在焊接过程中是不均匀的。均匀的。l焊条金属平均熔化速度焊条金属平均熔化速度 单位时间内熔化焊芯的质量或长度，即单位时间内熔化焊芯的质量或长度，即平均熔化速度，试验表明与焊接电流成正比。平均熔化速度，试验表明与焊接电流成正比。 熔敷速度：单位时间内焊接材料进入焊缝金熔敷速度：单位时间内焊接材料进入焊缝金属的质量。属的质量。ppMItGg焊条熔化系数焊条熔化系数HHDDItGg焊条熔敷系数焊条熔敷系数 损失系数：飞溅、

11、氧化和金属蒸发损失焊条金损失系数：飞溅、氧化和金属蒸发损失焊条金属与熔化金属总量之比。属与熔化金属总量之比。pMpHMDMDgggGGG)1 (1或l焊条金属的瞬焊条金属的瞬时熔化速度时熔化速度 分析可知提高焊条熔化速度的途径：分析可知提高焊条熔化速度的途径： 增加电弧在焊条端部析热；提高过渡频率，增加电弧在焊条端部析热；提高过渡频率，以细颗粒过渡；在药皮中假如铁粉或其他金属以细颗粒过渡；在药皮中假如铁粉或其他金属添加剂；适当增加电阻热等。添加剂；适当增加电阻热等。3）焊条金属的过渡特性）焊条金属的过渡特性 研究熔滴过渡的意义研究熔滴过渡的意义：过渡影响焊接过程稳定：过渡影响焊接过程稳定性、飞

12、溅大小、焊缝成形和缺陷产生；影响高性、飞溅大小、焊缝成形和缺陷产生；影响高温冶金反应的时间、温度、比表面；调节焊接温冶金反应的时间、温度、比表面；调节焊接热输入，影响焊缝结晶、改变热影响区的尺寸热输入，影响焊缝结晶、改变热影响区的尺寸和性能；影响焊条金属的溶化速度。和性能；影响焊条金属的溶化速度。l短路过渡短路过渡l颗粒过渡颗粒过渡l射流过渡射流过渡l旋转射流过渡旋转射流过渡4）熔滴的比表面积和相互作用时间）熔滴的比表面积和相互作用时间l比表面：熔滴的表面积比表面：熔滴的表面积Fg与其体积与其体积Vg或质或质量之比。量之比。 假如熔滴是半径为假如熔滴是半径为R的球体，则比表面积的球体，则比表面

13、积为为ggggVFSVFS或RSRRRS3334432或l平均作用时间：平均作用时间：熔化速度一个周期内焊芯平均熔滴平均质量trcptrcpcpcpcpmgmmmgm210210trcpmm平均作用时间变化范围平均作用时间变化范围0.011.0s5）熔滴温度）熔滴温度 对低碳钢熔滴平均温度对低碳钢熔滴平均温度21002700K。 电流电流 I，熔滴温度，熔滴温度T 焊条直径焊条直径，T1.2.2 熔池的形成熔池的形成 熔池的形状、尺寸、温度、存在时间、熔池的形状、尺寸、温度、存在时间、流动状态对熔池中的冶金反应、结晶方向、晶流动状态对熔池中的冶金反应、结晶方向、晶体结构、夹杂物数量分布、焊接缺

14、陷的产生均体结构、夹杂物数量分布、焊接缺陷的产生均有重要影响。有重要影响。1）熔池的形状、尺寸）熔池的形状、尺寸 准稳定期熔池的形状类似于不标准的半椭球准稳定期熔池的形状类似于不标准的半椭球I Bmax ，H；U B ，H。L=P2UIP2比例系数，与方法、电流比例系数，与方法、电流有关有关熔池表面积：熔池表面积：14cm2比表面：比表面：(0.313)10-3m2/kg2）熔池的质量和存在时间）熔池的质量和存在时间 质量质量 0.616g，多数，多数5g，不超过，不超过100g 存在时间存在时间 tmax=L/v, 几秒几十秒几秒几十秒 平均作用时间平均作用时间wpcpvFmt3）熔池的温度）熔池的温度 熔池温度不均匀，平均温度熔池温度不均匀，平均温度1770100。4）熔池中流体的运动状态）熔池中流体的运动状态熔