第二讲 焊接热源
焊接(2) 2
1、焊接热源有哪些共同要求?描述焊接热源主要用什么指标能量密度高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区指标：最小加热面积，最大功率密度和正常规范条件下的温度等；；理想的焊接热源应具有加热面积小、功率密度高和加热温度高等特点.2、试述焊接接头的形成过程及对焊接质量的影响过程：加热熔化冶金反应凝固结晶固态相变3、熔滴比表面积的概念及对焊接化学冶金过程的影响答：熔滴的表面积Ag 与其质量之比称为熔滴的比表面积S。
熔滴的比表面积越大，熔滴与周围介质的平均相互作用时间越长，熔滴温度越高，越有利于加强冶金反应。
4、焊条熔化系数、熔敷系数的物理意义及表达式？真正反映焊接生产率的指标是什么？答：焊条熔化系数g M：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度；平均熔敷系数g H（真正反映焊接生产率的指标），由于损失系数不等于零，单位时间内真正进入焊接熔池的金属质量称为平均熔敷速度。
5. 试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有什么解决措施？药皮发红的原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。
解决措施:调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的融化系数，减少电阻热以降低焊条的表面升温。
6熔合比的表达式和影响因素？多层焊时，如果各层间的熔合比是固定的，试推导第n层金属的成分。
在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比θ。
θ=Fp/Fp+Fd影响因素：焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目及母材的热物理性质、焊接材料种类、焊条（焊丝）的倾角等。
Ww——焊缝金属中合金元素的实际质量分数;Wb——该元素在母材中的质量分数Wd——熔敷金属中该元素的质量分数。
因为Ww=θWb+(1-θ) WdW2=θW1+(1-θ) Wd=错误!未找到引用源。
Wb+(1-错误!未找到引用源。
)WdW3=ΘW2+(1-θ) Wd=错误!未找到引用源。
第2章+焊接热源模型
第2章 焊接热源模型焊接热源的物理模型，涉及两个问题。
一是热源的热能有多少作用在工件之上；二是已经作用于工件上的热量，是如何在工件上分布的。
因此，建立焊接热源的物理模型，是进行焊接热过程和熔池行为分析或数值模拟的前提和条件。
本章针对上述两个问题展开讨论。
2.1焊接热效率和焊接熔化效率电弧焊接时通过电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热和熔化焊丝（或焊条）与工件。
熔化极焊接时，焊接过程中焊丝 (或焊条)熔化，熔滴把加热和熔化焊丝 (或焊条)的部分热量带给熔池。
而对于钨极氩弧焊，电极不熔化．母材只利用一部分电弧的热量。
弧焊时，电弧功率可由下式表示a IU Q =0 (2-1)式中，a U 是电弧电压(V),I 是焊接电流(A)，0Q 是电弧功率(W ), 即电弧在单位时间内所析出的能量。
由于能量0Q 不是全部用在加热焊件，故真正有效用于加热焊件的功率为a IU Q Q ηη==0 (2-2) 式中，η为电弧功率有效利用系数或称为焊接热效率，它与焊接方法、焊接工艺参数和焊接材料的种类(焊条、焊丝、保护气等)有关。
各种弧焊方法在常用焊接工艺参数下的热效率η见表2-1。
表2-1 各种弧焊方法的热效率在其他条件不变的情况下，η值随着弧长的增加、电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。
应当指出，这里所说的热效率η，只是考虑焊件所能吸收到的热能。
实际上这部分热能一方面用于熔化金属而形成焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区。
η值并没有反映出这两部分热量的比例。
根据定义，电弧加热工件的热效率η是电弧在单位时间内输入到工件内部的热量Q 与电弧总功率0Q 的比值，即Q Q=η （2-3） 021Q Q Q +=η （2-4） 21Q Q Q += （2-5）式中，1Q —单位时间内熔化焊缝金属（处于液态m T T =时，m T 为熔点）所需的热量（包括熔化潜热）；2Q —单位时间内使焊缝金属处于过热状态（m T T >）的热量和向焊缝四周传导热量的总和。
焊接技术第2讲
第二讲
焊接基础知识
一、焊接热过程及焊接热源
熔化焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。
熔化焊时对焊接区域进行加热和冷却的过程称为焊接热过程。
1．焊接热过程的特点
（1）加热的局部性
（2）焊接热源的移动性
（3）极高的加热速度和冷却速度
2. 焊接温度场
温度场指的是一个温度分布的空间。
焊接温度场可以用等温线或等温面来表示。
3. 焊接热循环
母材上某一点所经受的升温和降温过程叫做焊接热循环。
焊接热循环可以用温度-时间曲线来表示。
4. 焊接热源
要求：
(1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。
高能量密度和高温可以使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速焊接，提高生产率。
(2) 热源性能稳定，易于调节和控制。
热源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。
(3) 高的热效率，降低能源消耗。
尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。
种类:
电弧热、化学热、电阻热、等离子焰、电子束和激光束等等。
焊接电弧
焊接电弧是在具有一定电压的两电极间或电极与工件之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。
5．电弧焊焊接过程
电弧焊焊接过程
1-工件；2-焊缝；3-熔池；4-金属熔滴；5-药皮；6-焊芯；
7-气体；8-熔融熔渣；9-固态渣壳
下节预告
下一讲我们将学习焊接化学冶金。
焊接冶金原理02焊接热过程2
2.2焊接温度场
3、被焊金属的热物理性质
热导率、比热容、容积比热容、表面传热系数和热晗等，其中热导 率和容积比热容对温度场影响最大。
金属物理性质对温度场分布的影响
2.2焊接温度场
4、焊件的厚度及形状
焊件的板厚、几何形状和所处的状态（包括环境温度、预热及后热）对 传热过程有很大的影响，因此也影响温度场的分布。
2.2焊接温度场
有限元分析示意图
2.2.5焊接温度场的影响因素 1、热源的性质
2.2焊接温度场Leabharlann 激光焊与CO2电弧焊温度场对比
2.2焊接温度场
2、焊接线能量
焊缝单位长度上输入的热量，即热源功率与焊接速度的比值，被称为焊 接线能量，一般情况下焊接热输入可采用线能量表征
焊接热输入及参数对温度场分布的影响
通过浮力流（a）和洛伦兹力流 （b）产生的熔池对比
3、表面张力
一般情况下，液体金属的表面张力 （γ）随着温度（T）的增加而降低， 一般称为负温度梯度
表面张力对流又称Marangoni对流
2.3焊接对流传热
典型金属表面张力随温度变化
表面张力梯度引起的对流
当熔池的表面存在这某些表面活性 物质时，表面张力梯度将由负值转 变为正值，这样会引起Marangoni对 流的换向，使熔深增加。在不锈钢 焊接中，具有这种作用的活性物质 有O、S、Se和Te等等。
焊接熔池：对流换热为主 固态金属：热传导为主
焊接熔池的流动行为对冶金行为的影响： 气孔、裂纹和焊缝组织等。
焊接传热机制示意图
2.3焊接对流传热
2.3.2电弧焊对流传热
焊接熔池的流动是在各种驱动力作用下的一种传质行为。对于TIG焊，熔 池中流体流动的驱动力主要包括浮力、洛仑兹力、熔池表面张力和等离 子流力。
焊接冶金原理02焊接热过程课件2
2.2.4焊接温度场的有限单元法 1、温度场有限单元法理论基础（略）
➢ 有限差分法无论是在空间还是时间上均采用插商的方法迭代求取 不同时间与不同位置的节点温度值；而有限单元法是通过整体的 观点利用变分原理求取空间上某一时刻的所有节点温度值，而温 度场随时间的变化采用差分法迭代求解。
➢ 有限差分法不含有网格内部的温度信息，仅求取节点温度；而有 限元法通过插值函数能够比较精确地反应单元内部任意一点的温 度信息；
3、高温停留时间
➢高温持续时间可以是相变温度停留时间； ➢分为加热过程的停留时间t’和冷却过程的停留时间t’’。
4、冷却速度
➢ 冷却速度是决定热影响区组织性能最重要的参数之一； ➢ 常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变
化，如采用800~500℃的冷却时间t8/5，800~300℃的冷却时间t8/3 和从缝值温度Tm冷却至100℃的冷却时间t100等
焊缝边界t8/5与线能量E之间的关系
峰值温度TP与线能量E及T0的关系
3、预热温度的影响
2.4 焊接热循环
焊缝边界附近热循环曲线特性与E及T0的关系
4、接头尺寸形状的影响
2.4 焊接热循环
接头尺寸形状对t8/5的影响
5、焊道长度的影响
2.4 焊接热循环
焊道长度对瞬时冷却速度ωc的影响 （E=19kJ/cm）
1、浮力
熔池内部浮力对流原理示意图
采用计算的方法可以对铝合 金定点熔池的浮力对流进行 大概估计： ➢ 液体金属沿着熔池轴线向
上流动，沿着熔池边界向 下流动； ➢ 最大速度是沿着熔池轴向 的，大约2cm/s； ➢ 由于加热熔化时金属膨胀， 熔池表面比工件表面略高。
2.3焊接对流传热
第二节 焊接热过程
第二节焊接热过程电弧焊时，焊件及填充金属被电弧加热熔化形成熔池，随着焊接热源移开后又冷却结晶形成焊缝，这样的加热与冷却过程称为焊接热过程。
焊接热过程的内容包括焊接热循环、焊接温度场、焊接传热的基本规律、焊接热源等。
一、焊接热过程的特点1)焊接热过程是在焊件的局部进行的。
通常焊条电弧焊时，熔池的质量仅为3～9g。
埋弧焊时，即使焊接电流很大，熔池质量也不超过100g。
因此对焊件整体来说，加热极不均匀。
2)焊接热过程是一个瞬时进行的过程。
主要体现在升温速度快，高温停留时间短，冷却速度快。
电弧焊时其加热速度可达1500℃／S以上，熔池存在的时间一般只有几秒至几十秒。
3)加热温度高。
电弧焊时，电弧的最高温度为5000～6000℃。
远高于金属的熔点。
对于低碳钢来讲，熔池的平均温度仅为(1770±100)℃，熔滴为(2300±200)℃，熔渣为(1550±100)℃。
表1-２－１列出了几种不同材质在不同焊接方法下熔池的平均温度。
表1-２－１熔池的平均温度（单位：℃）4)焊接过程中的热源是在不断地运动着的。
焊件受热区域的不断变化，使得这种传热过程具有不均匀性。
二、焊接温度场1．焊接温度场的概念热能传递的方式主要有传导、对流、辐射三种。
在电弧焊中，热能传给焊件主要是传导和辐射两种方式。
焊件受到电弧热源加热时，温度就会升高。
由于焊接热过程的特点，离开热源不同的距离，在不同的时刻，焊件上的各点温度都是不同的。
但这种变化有其内在的规律。
焊接温度场就是在焊接过程中的某一瞬时，焊件上各点的温度分布。
通常用等温线或等温面来表示(图1—２－１)。
为了便于分析、研究焊接温度场，对实际焊接条件下复杂的热过程进行简化处理，如假设热源的功率稳定不变，热源作恒速直线运动，在经过一段时间以后，以热源为中心的温度场达到饱和状态而趋于不变等等。
另外根据焊件的尺寸和热源的性质把温度场分为一维（单向线性传热）、二维（平面传热）、三维（空间传热）三种状况。
熔焊原理：焊接区温度变化
熔焊原理：焊接区温度变化
★ 焊接热源
一、常用的焊接热源
(1)电弧热 利用熔化或不熔化的电极与焊件之间的电弧所产生的热量进 行焊接。电弧是目前应用最广的焊接热源，如焊条电弧焊、埋弧焊、气 体保护电弧焊等。
(2)化学热 利用可燃气体(如乙炔、液化石油气)的火焰放出的热量，或 热剂(如铝粉与氧化铁粉)之间在一定温度下进行反应所产生的热量进行 焊接，如气焊、热剂焊。
熔焊原理：焊接区温度变化
热效率就是焊接热源热量的利用率。焊接时，热源所产生的热量并不能 全部得到利用，而是有一部分损失于向周围介质的散失及飞溅中。我们 把母材和填充金属所吸收的热量包括熔化及向内部传导的热量)叫做热源 的有效热功率。
熔焊原理：焊接ห้องสมุดไป่ตู้温度变化
★焊接温度场 一、焊接温度场的概念
焊接温度场是指某一瞬时焊件上各点的温度分布。 1)与磁场、电场一样，温度场考察的对象是空间一定范围内的温度分布 状态。 2)因为焊件上各点的温度是随时间变化的，因此，温度场是某个瞬时的 温度场。
(1)最小加热面积 即在保证热源稳定的条件下加热的最小面积。 (2)最大功率密度 热源在单位面积上的最大功率。在功率相同时，热 源加热面积越小，则功率密度越高，表明热源的集中性越好。 (3)在正常焊接参数下能达到的温度 温度越高，则加热速度越高，因 而可用来焊接高熔点金属，具有更宽的应用范围。
熔焊原理：焊接区温度变化
熔焊原理：焊接区温度变化
(6)电子束 利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件 表面，使动能转变为热能而进行焊接，如真空或非真空电子束焊。
(7)激光束 以经过聚焦的激光束轰击焊件时所产生的热量进行焊接， 如激光焊。
(8)高频感应热 对于有磁性的金属，利用高频感应产生的二次电流作 为热源，在局部集中加热进行焊接，如高频感应焊。 二、焊接热源的主要特征
热物理性能说明物质的传热与散热能力。在其它条件相同时，不同金属材料 的焊接温度场不同。其中影响较大的热物理性能参数有： (1)热导率(λ) 表示金属内部的导热能力。 (2)比热容c 比热容为单位质量物质 升高l℃时所需的热量，单位为J／(g·℃)。
熔焊原理：焊接区温度变化
(3)热扩散率(a) 热扩散率表示温度 传播的速度，它与a、cρ的关系为a＝ λ/（cρ） 单位cm2／s。 (4)表面传热系数(o) 表示金属通过 表面向外界介质传热的能力，指金属表面
熔焊原理：焊接区温度变化
四、影响焊接热循环的基本因素及调整焊接热循环的方法 1．影响焊接热循环的因素 (1)焊接线能量与预热温度(2)焊接方法
传热过程的基本规律是热量总是从高温传到低温，传递的热量与温度 差成正比。因此根据温度场就可以确定热量传递的方向与数量。 温度场可以用公式、表格或图象表示，其中最直观最常用的方法是用等 温线(面)绘制 的图象表示。等温线或等温面就是在某一瞬时温度场中相 同温度的各点所连成的线或面。因 为在给定的温度场中，任何一点不可 能同时有两个温度，因此不同温度的等温线(面)绝对 不会相交，这是等 温线(面)的重要性质。
不同性质的热源其加热温度与加热面积不同，决定了温度场的不同特 性。热源越集中，则加热面积越小，温度场中等温线(面)分布就越密集。 如电子束焊接时，由于热源的热量非常集中，加热范围仅为几个毫米的 区域；气焊时，加热宽度可达几个厘米。
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第二讲焊接热源
教学目的：掌握焊缝、母材、热影响区、熔合区、焊接接头的定义、焊接接头组成及焊接热源的种类和要求。
教学重点：相关概念及焊接热源。
教学难点：相关概念及焊接热源。
教学方法：讲述法
课时分配：2课时
教学内容：
一、相关概念：
1、焊缝：焊接时，焊件或同焊接材料被加热到高温而熔化，冷却后所形成的结合部分。
2、母材：焊件材料。
3、热影响区：由于局部加热，焊缝邻近区域的母材势必会因热量的传导而受影响。
母材因受热的影响（但未熔化）而发生组织与力学性能变化的区域。
4、熔合线（熔合区）：焊缝与热影响区的交界线
5、焊接接头：焊缝、热影响区与熔合
区共同构成焊接接头。
焊接冶金过程：在熔焊过程中，随着
温度的变化，焊缝区要发生熔化、化
学反应、凝固及固态相变一系列过程；这些变化总称为焊接冶金过程。
二、焊接热源
对焊接热源的要求：温度高而且加热面积小的热源，才能使局部迅速升温，且传递向母材内部的热量损失少。
常用的焊接热源：电弧、化学反应热、等离子弧、激光束、电子束等。
其中电弧应用最为广泛。
对焊接热源的希望：加热面积小，单位面积功率大，同时在正常焊接条件下能达到较高的温度。
焊接热源所输出的功率在实际应用中并不能全部有效利用，而且有一部分损失。
一般来说，热源越集中，热量损失越少，利用率就越高。
但是由于影响热源能利用的因素很多，一般情况下，往往不考虑能量损失。
其功率为：W=UI（以电弧为例）
三、作业：
1、解释：
焊缝；母材；热影响区；熔合线。
2、画出焊接接头示意图。
并解释
3、常用焊接热源有哪些？对其有何要求和希望？。