焊接热循环曲线的测定
焊接热循环曲线测试技术的研究进展
150AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺焊接热循环曲线测试技术的研究进展孔李毅 董文轩 杨钰莹 周汶燕 张伟陕西理工大学 材料科学与工程学院 陕西省汉中市 723000摘 要： 焊接热循环曲线的测定一直是研究焊接接头质量的主要途径，曲线本身的优劣性直接影响研究者对组织的进一步研究。
因此，本文结合了目前两种方法中较为突出的几种焊接热循环曲线测量手段，总结了几种焊接热循环测量手段的优缺点，并在此基础上对将来焊接热循环曲线测量发展方向进行了展望。
关键词：焊接热循环 HAZ 直接测量法 间接测量法1 引言焊接热循环包括以下四个特征参数：加热速度(ωH )、最高加热温度T max 在相变温度以上停留时间(t H )、冷却速度（ωC )和冷却时间(t 8/5、t 8/3、t 100)。
焊接热循环参数是分析HAZ 组织和性能的重要数据[1]，及焊接工艺的开发、评价和优化[2]。
焊接热影响区的材料结构和性能受材料组成和焊接热循环的影响[3]。
利用这些信息，可以分析焊接冷却过程的相变机理和新材料的SH-CCT 图，创建并验证HAZ 热循环参数的计算模型。
因此，焊接热循环的测试、计算和分析具有十分重要的理论意义和实际价值。
目前，大多数实验室都采用焊接热模拟，将试样置于热模拟装置中，经历与焊接相同的热过程；而热电偶是焊接热循环现场测量中常用的测温元件。
本文综述直接测量法和间接测量法现有的可靠研究与其应用，并对其发展方向进行了总结与分析。
2 直接测量法直接测量法焊接热循环曲线是依靠热电偶测温方法实现，由于热电偶可以直接接触测量局部温度甚至测量“点”温度，这一点较热电阻有较大优势，所以热电偶一直是很好的测温元件。
[4]热电偶最先使用的是背打孔插入的方式，如黄錫鎬[5]利用温差热电偶测量近缝区焊接热循环曲线时，这种方式往往需要对焊板提前进行钻孔，工作量大、操作麻烦且对板材造成一定的浪费，而且热电偶置于内部无法观察其状态。
焊接第五章 焊接热影响区
第一节 焊接热影响区组织转变的特点
二、焊接冷却过程组织转变的特点
图5-6 焊接与热处理的热循环曲线
第一节 焊接热影响区组织转变的特点
图5-7 45钢连续冷却曲线 F—铁素体 P—珠光体 A—奥氏体 M—马氏体 Z—中间组织
实线—焊接( =1350℃) 虚线—热处理( =1050℃)
26091C
主编
第四章 焊接熔池的结晶和焊缝金属的组织 第五章 焊接热影响区
第五章 焊接热影响区
第一节 焊接热影响区组织转变的特点 第二节 焊接热影响区的组织 第三节 焊接热影响区的性能
第一节 焊接热影响区组织转变的特点
一、焊接加热过程组织转变的特响
B—焊前淬火+高温回火 C—焊前退火 1—淬火区 2—部分淬火区 3—回火区
第三节 焊接热影响区的性能
五、改善焊接热影响区性能的途径 1.采用高韧性母材 2. 焊后热处理 3. 合理制订焊接工艺规程
第二节 焊接热影响区的组织
图5-14 低碳钢埋弧焊时焊接热影响区的组织 a)熔合区 b)过热区 c)相变重结晶区 d)不完全重结晶区 e)母材
第二节 焊接热影响区的组织
表5-5 低碳钢埋弧焊时焊接接头的组织特征及性能分布
第三节 焊接热影响区的性能
一、焊接热影响区的硬度变化 二、焊接热影响区的常温力学性能
图5-3 a) 45钢 b) 18Cr2WV钢
(A—平均晶粒面积 d—平均晶粒直径)
第一节 焊接热影响区组织转变的特点
图5-4 焊接热影响区中的晶粒度的分布
第一节 焊接热影响区组织转变的特点
表5-2 不同焊接方法单层对接焊时的热循环参数
第一节 焊接热影响区组织转变的特点
双丝埋弧焊热循环曲线测试及其热循环特性研究
１ 双 丝 埋 弧 焊 基 本 原 理 及 丝 间 距 确 定
对 于 双 丝 双 电 源 埋 弧 焊 来 说 ， 一 根 焊 丝 由 一 每 个 独 立 电 源 供 电 ， 别 为 直 流 电 源 和 交 直 流 两 用 电 分
后丝 电流 和 电压 以及 电源极 性） 关 。 有 文献 ［ 指 出 ， ５ 】
相 关理 论 的 基础 。 此 ， 用 自行 研 制 的多 点 测 温 在 采
装 置 测 试 单 丝 埋 弧 焊 和 双 丝 埋 弧 焊 温 度 场 ， 析 了 分
开角度 范 围更 大 。
双 丝 双 弧 埋 弧 焊 接 法 的 基 本 原 理 如 图 １所 示 。
不 同丝间距 、 同点热循 环 曲线 的特点 ， 出 了判
池 ， 图 ２ 所 示 ， 共 熔 池 双 丝 埋 弧 焊 能 起 到 前 弧 如 ｃ 不
预热 、 弧 填 丝及 后 热作 用 ， 后 以达 到 堆焊 或焊 接 合
金 不 出 现 裂 纹 和 改 善 接 头 性 能 的 目 的 ， 双 丝 埋 弧 在 焊 中多 用 后 一 种 方 法 。 然 ， 丝 间距 形 成 的熔 池 类 当 两 型除 了与 丝 间距有 关 外 ， 与焊接 丁 艺规 范（ 前 、 还 如
￡ １－ ０ｍ 时 ， ＝ ５５ ｍ 两丝 电弧 形 成 在 一 个 熔 池 即 双 丝 共
熔池 ， 此种 间距 特别 适合 焊丝 掺合 金堆 焊或 焊接 合
金钢； 当 ≥５ ５ｍｍ 时 ， 丝 电 弧 形 成 两 个 独 立 的熔 两
是 两单丝 单 电弧热 作用 的 简单叠 加 ， 为解 释 双丝 焊
ｂ 双 丝双 弧 分 离 熔 池
ａ 丝 间 距 为 １ ｔｌ Ｏｌ ｎ共熔 池 ｉ
焊接热循环
即：t H = t′+ t″
奥氏体不仅在加热过程中长大，而且冷却过程中也在长大 ——奥氏体长大的热惯性.
加热速度ωH 最高加热温度Ｔm 相变温度以上
晶 粒 大 小
停留时间tH
冷却速度ωc (或冷却时间t8 / 5)
相 变 组 织
（4）冷却速度 ωc
冷却速度是决定焊接HAZ组织和性能的主要参数。
i. 某一温度下的冷却速度（瞬时冷速） ωc
② 接头形式 不同接头形式的导热有差异，冷速不同。
相同板厚的丁字接头冷速要比V字接头大约1.5倍。
③ 焊道长度 接头形式、焊接参数一定时，焊道越短，冷速越大。
当焊道长度<40mm时，冷速明显增大。 弧坑处冷速约为焊缝冷速的2倍；甚至 比引弧断大20％。
④ 焊接线能量 随E增大，Tm 、tH增大 ， ωc增大。
低碳、低合金钢熔合线附近在冷却过程中，冷到540℃左右的瞬时冷速。 因焊接冷速快，瞬时冷速测定困难，常用如下冷速：
ii. 一定温度范围内的平均冷速
速。
为便于研究，常采用“某一温度范围内”的冷却时间”来表示平均冷
即在某温度范围内，冷却所持续的时间。 如 t8/5 ，t8/3 , t100 等。
c
t8/5－熔合线附近的金属从800℃冷却到500℃所持续的时间。 t8/3－熔合线附近的金属从800℃冷却到300℃所持续的时间。 t100－熔合线附近的金属从Tm冷却到100℃所持续的时间。 注： 冷裂倾向较大的钢种用t8/3 和t100 表示冷速；
（1）长段多层焊焊接热循环
长段多层焊，指每道焊缝较长（>1m）。 在焊接后一层时，前一焊层已冷至较低的温度（100~200或MS点以下） 图5-4 。 长段多层焊适于淬硬倾向小的钢种的焊接。 淬硬倾向较大的钢种，不适于长段多层焊。 淬硬倾向大钢种焊接时，层间温度较低，熔合线附近易出现淬硬 组织而产生裂纹。必须采用相应的工艺措施，如焊前预热，控制层 间温度，缓慢冷却等。
SMA490BW钢焊接CCT曲线的研究
崮 蓟
插 １ 、 诺尔 南 口供风设 备 （ 京 ） 限公 司 ５克 北 有 插 １ 、 苏 华 昌铝 厂 有 限 公 司 ６江 插 ｌ 、 航 锂 电 （ 阳 ） 限 公 司 ７中 洛 有
插 ２ 长 春轨道 客车装 备有 限责 任公 司 、
插 ３ 广 东恒 大新材 料科技 有 限公 司 、 插 ４ 山西 大 钢 物 资 有 限公 司 、 插 ５ 广 东 兴 发 铝 业 有 限公 司 、 ‘
插 ７ 上 海 中电罗莱 数码技 术有 限公 司 、 插 ８ 永 济新 时速 电机 电器有 限责任公 司 、 插 ９ 株 洲时 代新材 料科 技股份 有 限公司 、 插 １ 、 同机 车设 备制修 有 限责任公 司 ０大
插 １ 、 东 圣 阳 电 源 股 份 有 限 公 司 １山
插 ２、 ３ 江苏 丰立 精密制 管有 限公 司
２ ４
测定其 值 ， 在试 验 过 程 中实 时 采 集试 样加 热 和 冷 并
却过程 中的时 间 、 度 和膨 胀量 。 温
冷 热 工 艺
机车车辆工 艺 第４ ２１ 年 ８月 期 ０２
表 ２ 各冷 却 速 度 下 的 硬 度 值
样 室温 组织 为 少 量 白色 小块 （ 素 体 ）＋大 量 小 岛 铁
目前 多 采 用 热 模 拟 技 术 对 金 属 材 料 的 Ｃ Ｔ 曲 Ｃ
线 进行测 试 。本试 验是在 Ｇｅｂｅ ｌｅｌ 热／ 力模 拟试 验机 上 进行 ， 采用 专用 软件 编制程 序 ， 编程 时输入 热模 在 拟试验 的 主要 数据 ： 加热 速 度 （ 间 ） 峰值 温度 、 时 、 高
关 键 词 ： ＭＡ４ ０ Ｗ 钢 ； Ｔ 曲 线 ； 接 工 艺 Ｓ ９Ｂ ＣＣ 焊
焊接热循环讲解
焊接冷却过程的组织转变
❖ 根据材料化学成分和冷却条件的不同，固态相变 一般可分为扩散型固态相变和非扩散型固态相变， 焊接过程中这两种相变都会遇到。
❖ 焊接条件下的组织转变特点不仅与等温转变不同， 也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同，而 且在组织成分上比一般热处理条件下更为复杂。
焊接热循环
作者：陈立伟 学号：201303010
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目录
1
研究焊接热循环的意义
2
焊接热循环的参数及特征
3
焊接加热过程的组织转变
4
焊接冷却过程的组织转变
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焊接热循环的意义
❖在焊接热源的作用下，焊件上某点的温 度随时间的变化过程称为焊接热循环 。
由图可知，离焊缝越近的点其 加热速度越大，加热的峰值温度越 高，冷却速度也越大。但加热速度 远大于冷却速度。对于整个焊接接 头来说，焊接中的加热和冷却时不 均匀的，这种不均匀的热过程将引 起接头组织和性能的不均匀变化以 及复杂的应力状态。
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焊接冷却过程的组织转变
❖ 焊接过程属于非平衡热力学 过程，在这种情况下，随着 冷却速度的增大Ar1、Ar3、 Acm等均向更低的温度移动， 同时共析成分已经不是一个 点，而是一个成分范围。
❖ 钢中除碳之外，上有多种合 金元素，他们对相图的影响 也十分复杂。当冷却速度增 加到一定程度之后，珠光体 转变将被抑制，发生贝氏体 转变和马氏体转变。
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焊接热循环的参数及特征
❖相变温度以上的停留时间tH 在相变温度TH以上 停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程， 增加奥氏体的稳定性。但同时易使晶粒长大，引 起接头脆化现象，从而降低接头的质量。
基于Labview的激光焊接多点热循环曲线测量技术研究
拟 仪器 的硬 件 连接 被测 对 象 和计 算机 ， 其核 心部 位
是 数据 采集 卡 。 研究 采用 Ｎ 公 司 的 Ｕ Ｂ ６ １ 本 Ｉ Ｓ － ２ １型
数 据采 集 卡 ， 设 计合 理 的虚 拟 仪器 的 采集 程 序 完 并
成 热 电偶 的数 据采 集功 能 。
露 式 细直 径偶 丝热 电偶 。 献【】 出热 电偶测 量温 文 ２提
焊 设 接备
重珲梭
１ － 信 号 调 理模 块 ２
第４卷 ２
性 能具有 重要 的理 论 和实 际意 义 。目前 主 要采 用 热 电偶 接 触 式测 温 ， 方 法通 过 打孔 测得 焊 件 内部 点 该
信 号调 理 模块 采 用 Ｋ ８ ３ － ０ Ｂ ８板 ， 子布 局 如 板
１ 测 量 系 统 硬 件 和 工 作 原 理
系统 硬件 由热 电偶 传感 器 、 信号 调理模 块 、 数据
采集 卡 和 Ｐ Ｃ机 四部 分 组成 ， 工作 原 理如 图 １所示 。 Ｋ ８３ － ０ Ｂ板 通 过 与 Ｕ Ｂ 总线 兼 容 的一 块 数 据 采 集 Ｓ 板 ＵＢ６１ Ｓ － ２ １芯 片相 连 ， 采 集 到 的热 电偶 电势 信 将 号 进行模 数 转化 ， 由 Ｕ Ｂ接 口将测 量数 据 传输 给 再 Ｓ
变 化 的 恒 电 流 源 ， 上 升 １ 增 加 １ Ａ， 回 路 中 每 ℃ 将
温 度 ， 有 价 格便 宜 、 度 高 、 于扩 展 的优 点 ， 具 精 易 能 够 实现 多通 道 同时采 集连 续 的温度 数 据 。 随着 计算
机技 术 和采 集 系统 的快 速发 展 ， 电偶 测试 焊 接 温 热
Ｄ２
１ ． 数 据采 集卡 的主要参 数 ．２ ３
回流焊的温度曲线
通过对回流焊温度曲线的分段描述，理解焊膏各成分在回流炉中不同阶段所发生的变化，给出获得最佳温度曲线的一些基本数据，并分析不良温度曲线可能造成的回流焊接缺陷。
在SMT生产流程中，回流炉参数设置的好坏是影响焊接质量的关键，通过温度曲线，可以为回流炉参数的设置提供准确的理论依据，在大多数情况下，温度的分布受组装电路板的特性、焊膏特性和所用回流炉能力的影响。
为充分理解焊膏在回流焊接的不同阶段会发生什么，产生的温度分布对焊膏组成成分的影响，以下先介绍焊膏的组成成分及其特性，再介绍获得温度曲线的方法，然后对温度曲线进行较为详细的分段简析，最后列表分析不良温度曲线可能造成的回流焊接缺陷。
(1)冷却段这一段焊膏中的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被焊接表面，快速度地冷却会得到明亮的焊点并有好的外形及低的接触角度，缓慢冷却会使板材溶于焊锡中，而生成灰暗和毛糙的焊点，并可能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。
(2)回流焊接段这一段把电路板带入铅锡粉末熔点之上，让铅锡粉末微粒结合成一个锡球并让被焊金属表面充分润湿。
结合和润湿是在助焊剂帮助下进行的，温度越高助焊剂效率越高，粘度及表面张力则随温度的升高而下降，这促使焊锡更快地湿润。
但过高的温度可能使板子承受热损伤，并可能引起铅锡粉末再氧化加速、焊膏残留物烧焦、板子变色、元件失去功能等问题，而过低的温度会使助焊剂效率低下，可能使铅锡粉末处于非焊接状态而增加生焊、虚焊发生的机率，因此应找到理想的峰值与时间的最佳结合，一般应使曲线的尖端区覆盖面积最小。
曲线的峰值一般为210℃－230℃，达到峰值温度的持续时间为3－5秒，超过铅锡合金熔点温度183℃的持续时间维持在20－30秒之间。
(3)保温段溶剂的沸点在125－150℃之间，从保温段开始溶剂将不断蒸发，树脂或松香在70－100℃开始软化和流动，一旦熔化，树脂或松香能在被焊表面迅速扩散，溶解于其中的活性剂随之流动并与铅锡粉末的表面氧化物进行反应，以确保铅锡粉末在焊接段熔焊时是清洁的。
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焊接热循环曲线的测定
一、实验目的
（一）了解焊接热循环曲线的特征和主要参数；
（二）了解焊接规范对热循环曲线的影响；
（三）掌握测定焊接热循环曲线的方法。
二、实验装置及实验材料
（一）钨极氩弧焊机1台
(二）电容储能式热电偶焊机1台
（三）镍铬—镍硅或铂铑—铂热电偶丝(φ0.3~0.5mm)1对
（四）氩气1瓶
（五）X—Y／函数记录仪1台
（六）试件300×200×20mm低碳钢板2块（可用A3、A5、09Mn、16Mn等材料）
（七）0～300(A)直流电流表、秒表、φ5mm钻头、φ5mm平头铰刀、深度尺等
三、实验原理
焊接热循环是指焊件上某点经历焊接过程时的温度变化，它可以用Ｔ＝ｆ（ｔ）这一函
图１低合金钢手弧堆焊时焊缝附近各点的热循环
（ｔ－从电弧通过测温点正上方时开始算起的时间）
数关系来描述。
按此关系所画出的曲线称为该点的热循环曲线。
焊接过程中，焊件上直接被热源加热的部位将被熔化形成熔池。
连续相接的熔池冷却凝固后即成为焊缝。
焊缝以远的部位则保持固态，焊件上各点由于在焊件上所处位置不同，受到焊接热的作用不同而经历着不同的热循环，它们的热循环曲线也就不同。
图l为低合金钢手弧焊时焊件上热影响区不同点的焊接热循环曲线。
从该图可以看出：离焊缝熔合线越近的点，加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大，并且所有各点的加热速度都比冷却速度要大得多。
这表示焊接接头热影响区的金属都经历了一个自发的、特殊的热处理过程，产生了相变、晶粒长大、应力和变形等变化，从而对焊件金属的组织和性能发生强烈的影响。
因此，测量并正确控制焊接热循环对于控制接头热影响区金属的组织和性能具有重要意义。
焊接热循环曲线固然可以借助焊接热过程的理论公式Ｔ＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）计算出来，但由于计算时所采用的假定条件与实际焊接条件出入较大，计算所得的理论热循环曲线对比实际测得的曲线仍有很大误差，故在实际上多用实测的方法来获得热循环曲线。
测定焊接热循环的方法，大体上可分为接触式和非接触式两类。
在非接触式测定法中，
近年来发展了红外测温及热成象技术。
这种方法的实质是从弧焊熔他的背面，摄取温度场的热象(红外辐射能量分布图)，然后把热象分解成许多象素，通过电子束扫描实现光电和电光转换，在显象管屏幕上获得灰度等级不同的点构成的图象，该图象间接反映了焊接区的温度场变化，经过计算机图象处理和换算，便可得出某一瞬间或动态过程的真实温度场。
这种测定方法的优点是测定装置不直接接触被测物体，不会搅动和破坏被测物体的温度和热平衡，响应时间快、灵敏度高，并且可以连续测温和自动记录。
目前在国内已开展了这方面的研究，但由于这种测定法需要较复杂的设备和技术，所以尚未大量推广。
另一种方法为接触式测温，例如目前最常用的热电偶测温。
它是建立在热电偶两端由于温度差而产生热电势的基础上。
测温时把热电偶的热结点焊在被测点上，热电偶的另一端接在X－Y函数记录仪上，焊接时由于热结点受热产生热电势，并把这个电势作为X－Y函数记录仪的输入信号，经放大后由记录仪表笔自动记录下来，然后利用热电势温度换算表进行换算，即可得到被测点的热循环曲线。
这种测温方法由于热电偶的联接，会影响到被测物体的温度及热平衡，有时将降低测温的精确度，而且由于记录仪的机械惰性等原因，对于微小体积的快速温度变化响应速度也慢。
但是，它的突出优点是简单、直观、测出的温度有一定的精确性，因而仍是目前最主要的测温方法，本实验也是利用热电偶测温方法来获得热循环曲线。
四、实验方法及步骤
（一）实验方法
焊接热循环的测定方法如图２所示。
测定前，把热电偶丝的端头焊入试件背面的测
图２焊接热循环曲线测定方法示意图
１－弧焊整流器；２－电压表；３－电流表；４－试件；５－测温孔；６－ＴＩＧ焊炬；
７－热电偶；８－Ｘ－Ｙ函数记录仪。
温孔，当TIG电弧在试件表面上移动时，在X—Y函数记录仪上即可绘出工件上离熔合线不同距离的A、B两点的“热循环”曲线。
他们实际上为热电势－时间曲线。
第一个测温小孔离起弧处的距离应不小于80ｍｍ，以便测定时该点已处于准稳定状态的温度场。
测温孔的深度越大，表示该点离熔合线越近，则该点在焊接过程中所达到的最高温度也越高。
表1给出了采用手工电弧焊时离熔合线不同距离的各点所达到的最高温度T m℃，以供参考。
表１钢焊接时测温点位置与最高温度的关系
焊接规范：板厚20mm，焊接电流170A，电弧电压28V，焊接速度2.5mm/s，焊条直径φ4mm。
（二）实验步骤
1．焊接热电偶分别把每对镍铬—镍硅或铂铑—铂热电偶丝的端头用电容储能式热电偶焊机
焊合，以形成热结点。
然后将对热电偶的热结点分别焊到测温孔A、B的底部（如能将热电偶一端的两根单丝分别焊在被测点上十分挨近的位置，则其测温结果比焊在一起的热结点时更为准确），要仔细检查焊接点的质量，务必保证焊牢。
热电偶的正负极之间要隔开，以防短路影响测量。
2．接X—Y函数记录仪把热电偶的另一端分别接到X—Y记录仪上，注意把镍铬丝或铂姥丝接正极，镍硅丝或铂丝接负极。
镍硅丝有磁性，可用磁铁或磁性材料加以鉴别。
铂铑丝比铂丝更硬，略加弯曲便可以区分开来。
注意选择函数记录仪各旋钮所置定的量程及走纸速度。
3．焊接规范的调节建议采用表2所列的焊接方法及规范参数。
施焊时当焊接电弧经过被测点正上方时，即可先后得到某焊接电流下离熔合线不同距离的A、B两点的“热循环”曲线。
表２测温用的焊接方法和规范参数
五、实验结果的整理与分析，
根据记录纸上获得的两条“热循环”曲线，查热电势—温度换算表，把纵坐标所代表的电势换算成温度，经过整理将有关数据记入表中。
画出以温度—时间为坐标轴的A、B两点的热循环曲线。
应该注意：在用X—Y函数记录仪记录热电偶的热电势时，因为热电偶的冷端受环
境温度的影响，往往达不到0℃，因而对所测得的热电势应该进行修正。
本实验采用了补偿导线的方法进行了修正。
附录热电势与温度对照表
A B两点的焊接热循环曲线。