第二章 焊接热过程资料
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焊接方法与设备第2章 焊条电弧焊知识讲解
细调节是通过手柄来改变一、二次侧绕组的距离进行，一、二次 侧绕组距离越大，漏磁增加，焊接电流就减小；反之，焊接电流增大。
19
(2)BX1—300型弧焊变压器 BX1—300是动铁式弧焊变压器，它由一个口字形固定铁心和一
个梯形活动铁心组成，活动铁心构成了一个磁分路，以增强漏 磁使焊机获得陡降外特性。她的一次侧和二次侧绕组各自分成 两半，分别绕在变压器固定铁心上，一次侧绕组两部分串联接 电源，二次侧绕组两部分并联接焊接回路。 BX1-300焊机的焊接电流调节方便，仅需移动铁心就可满足电流 调节要求，其调节范围为75-400A，调节范围广。当活动铁心由 里向外移动而离开固定铁心时，漏磁减少，则焊接电流增大， 反之，焊接电流减少。其梯形动铁心相对固定铁心移动调节电 流大小，如图2-9所示。
20
图2-9 动铁心相对固定铁心移动调节电流
Ⅰ—静铁心 Ⅱ—动铁心 δ—气隙长度
21
2.弧焊整流器 (1)硅弧焊整流器 硅弧焊整流器是以硅二极管作为整流元件，利用降压变 压器将50Hz的单相或三相交流电网电压降为焊接时所需的低电压，经硅整 流器整流和电抗器滤波后获得直流电的直流弧焊电源。硅弧焊整流器曾一 度是直流弧焊发电机的替代产品之一，现有被晶闸管式弧焊整流器、弧焊 逆变器替代的趋势，其型号有ZXG—160、ZXG—400等。硅弧焊整流器的组 成如图2-10所示。
16
三、 常用焊条电弧焊电源 1.弧焊变压器 (1)BX3—300型弧焊变压器 BX3—300型弧焊变压器属于动圈式，是生 产中应用最广的一种交流焊机，其外 形如图2-7所示。它是依靠一、二次 侧绕组间漏磁获得陡降外特性的。
图2-7 BX3—300型弧焊变压器外形 17
其结构如图2-8所示，它有一 个高而窄的口字形铁心。变压 器的一次侧绕组分成两部分， 固定在口形铁芯两芯柱的底部。 二次侧绕组也分成两部分，装 在两铁心柱的上部并固定于可 动的支架上，通过丝杆连接， 转动手柄可使二次侧绕组上下 移动，以改变一、二次侧绕组 间的距离，从而调节焊接电流 的大小。
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(2)BX1—300型弧焊变压器 BX1—300是动铁式弧焊变压器，它由一个口字形固定铁心和一
个梯形活动铁心组成，活动铁心构成了一个磁分路，以增强漏 磁使焊机获得陡降外特性。她的一次侧和二次侧绕组各自分成 两半，分别绕在变压器固定铁心上，一次侧绕组两部分串联接 电源，二次侧绕组两部分并联接焊接回路。 BX1-300焊机的焊接电流调节方便，仅需移动铁心就可满足电流 调节要求，其调节范围为75-400A，调节范围广。当活动铁心由 里向外移动而离开固定铁心时，漏磁减少，则焊接电流增大， 反之，焊接电流减少。其梯形动铁心相对固定铁心移动调节电 流大小，如图2-9所示。
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图2-9 动铁心相对固定铁心移动调节电流
Ⅰ—静铁心 Ⅱ—动铁心 δ—气隙长度
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2.弧焊整流器 (1)硅弧焊整流器 硅弧焊整流器是以硅二极管作为整流元件，利用降压变 压器将50Hz的单相或三相交流电网电压降为焊接时所需的低电压，经硅整 流器整流和电抗器滤波后获得直流电的直流弧焊电源。硅弧焊整流器曾一 度是直流弧焊发电机的替代产品之一，现有被晶闸管式弧焊整流器、弧焊 逆变器替代的趋势，其型号有ZXG—160、ZXG—400等。硅弧焊整流器的组 成如图2-10所示。
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三、 常用焊条电弧焊电源 1.弧焊变压器 (1)BX3—300型弧焊变压器 BX3—300型弧焊变压器属于动圈式，是生 产中应用最广的一种交流焊机，其外 形如图2-7所示。它是依靠一、二次 侧绕组间漏磁获得陡降外特性的。
图2-7 BX3—300型弧焊变压器外形 17
其结构如图2-8所示，它有一 个高而窄的口字形铁心。变压 器的一次侧绕组分成两部分， 固定在口形铁芯两芯柱的底部。 二次侧绕组也分成两部分，装 在两铁心柱的上部并固定于可 动的支架上，通过丝杆连接， 转动手柄可使二次侧绕组上下 移动，以改变一、二次侧绕组 间的距离，从而调节焊接电流 的大小。
第二章 焊接热过程
焊接结构
（2）产热机构
• 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；
• 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； • 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热； • 变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。
1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描
述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q(r) qm exp Kr 2
dn
2
3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度 在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
T
Q
hc 4at
exp
r2 4at
焊接结构
（2）薄板快速移动热源相当于面热源
T
Q/ A
1
c(4at) 2
exp
x2 4at
焊接结构
2.3 焊接热循环
焊接热循环： ① 在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由 低而高，达到最大值后又由高而低的变化 ② 描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设： ① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变； ② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的； ④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的； ⑤ 点热源不考虑散热。
（2）产热机构
• 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；
• 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； • 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热； • 变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。
1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描
述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q(r) qm exp Kr 2
dn
2
3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度 在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
T
Q
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exp
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焊接结构
（2）薄板快速移动热源相当于面热源
T
Q/ A
1
c(4at) 2
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焊接结构
2.3 焊接热循环
焊接热循环： ① 在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由 低而高，达到最大值后又由高而低的变化 ② 描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设： ① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变； ② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的； ④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的； ⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构学教材解读
2.1.3 焊接热源
知识点：焊接过程中可能涉及到的热源类型、焊接热源的有 效热功率、构件几何尺寸的简化、焊接热源模型
7
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理 2.1.3 焊接热源
焊接热源的有效热功率
1. 热效率系数的定义 2. 有效热功率的数学表达
构件几何尺寸的简化
2.1 基本概念与基本原理 2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的局部热作用
6
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理
2.1ห้องสมุดไป่ตู้1 电弧焊热过程概述
知识点：产热机构、散热机构、热量传递方式
2.1.2 热传播基本定律
知识点：傅立叶定律、牛顿定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律、 导热微分方程及三类边界条件
3.2.1 简单杆件的应力与变形
知识点：自由变形、外观变形、内部变形及其相互关系，弹性范围
内的应力应变关系（胡克定律）
3.2.2 不均匀温度场作用下的应力与变形
知识点：平截面假设及其适用范围、长板条中心加热条件下弹性阶
段和塑性阶段的应力平衡条件（截面内应力之和为零）、板边加热
时的应力平衡条件（截面内的合力及合力矩为零）、利用平衡条件
2.4.2 电极的加热与熔化
知识点：电阻热的作用（焊丝和焊条上的温度场计算）、电 弧加热焊丝、电极熔化速度
2.4.3 焊接熔池模型（知识拓展内容）
知识点：控制方程组反映能量守恒、动量守恒及流体的连续 和不可压缩性、体积力、边界条件的确定
12
《焊接结构学》教材的重点及难点
第三章 焊接应力与变形 3.1 内应力的产生 3.2 焊接应力与变形的形成过程 3.3 焊接残余应力 3.4 焊接残余变形 3.5 焊接残余应力与变形的测量和调控
知识点：焊接过程中可能涉及到的热源类型、焊接热源的有 效热功率、构件几何尺寸的简化、焊接热源模型
7
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理 2.1.3 焊接热源
焊接热源的有效热功率
1. 热效率系数的定义 2. 有效热功率的数学表达
构件几何尺寸的简化
2.1 基本概念与基本原理 2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的局部热作用
6
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理
2.1ห้องสมุดไป่ตู้1 电弧焊热过程概述
知识点：产热机构、散热机构、热量传递方式
2.1.2 热传播基本定律
知识点：傅立叶定律、牛顿定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律、 导热微分方程及三类边界条件
3.2.1 简单杆件的应力与变形
知识点：自由变形、外观变形、内部变形及其相互关系，弹性范围
内的应力应变关系（胡克定律）
3.2.2 不均匀温度场作用下的应力与变形
知识点：平截面假设及其适用范围、长板条中心加热条件下弹性阶
段和塑性阶段的应力平衡条件（截面内应力之和为零）、板边加热
时的应力平衡条件（截面内的合力及合力矩为零）、利用平衡条件
2.4.2 电极的加热与熔化
知识点：电阻热的作用（焊丝和焊条上的温度场计算）、电 弧加热焊丝、电极熔化速度
2.4.3 焊接熔池模型（知识拓展内容）
知识点：控制方程组反映能量守恒、动量守恒及流体的连续 和不可压缩性、体积力、边界条件的确定
12
《焊接结构学》教材的重点及难点
第三章 焊接应力与变形 3.1 内应力的产生 3.2 焊接应力与变形的形成过程 3.3 焊接残余应力 3.4 焊接残余变形 3.5 焊接残余应力与变形的测量和调控
焊接冶金学-焊接化学冶金
② 以 [OH ] 溶入 （电渣焊）
氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔 [OH ] 向金属中过渡 渣，然后再以
H2O (O ) 2(OH )
(Fe2 ) 2(OH ) [Fe] 2[O] 2[ H ]
40
2
此时的溶解反应为吸热反应，故溶解度随着温 度的升高而增大，并在一定温度下达到最大值
11
气保护 用于保护熔池和溶 滴的气体应是惰性气 体，并在高温下不分 解，或是活性的不溶 于金属液体的双原子 气体(CO2)。
12
氩气
氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度 可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会 影响焊缝质量。
3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性
20
21
2）熔滴反应区
指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个 熔池 特点:
１).温度高：1800－2400℃ ２).与气体、熔渣的接触面积大 ：1000－ 10000 cm2/kg ３).时间短速度快 :0.01-0.1s;0.0001-0.001s
焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手 工电弧焊为例，加以讨论
1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药 皮熔点前发生的一些反应。(100-1200℃)
1) 水分蒸发：100 ℃吸附水的蒸发，200－400 ℃结晶 水的去除，化合水在更高温度下析出
2) 某些物质分解:形成Co，CO2，H2O，O2等气体
13
熔渣保护 利用焊剂、药芯或药 皮熔化形成的熔渣起到 保护作用。对于埋弧焊 来讲，焊剂及其熔渣的 保护效果很好。 • 防止金属氧化和吸气 • 另一方面向熔池过渡合 金元素，提高焊缝性能 • 还可以减少散热，提高 生产率，防止强光辐射
氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔 [OH ] 向金属中过渡 渣，然后再以
H2O (O ) 2(OH )
(Fe2 ) 2(OH ) [Fe] 2[O] 2[ H ]
40
2
此时的溶解反应为吸热反应，故溶解度随着温 度的升高而增大，并在一定温度下达到最大值
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气保护 用于保护熔池和溶 滴的气体应是惰性气 体，并在高温下不分 解，或是活性的不溶 于金属液体的双原子 气体(CO2)。
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氩气
氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反 应，因此，氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度 可达99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会 影响焊缝质量。
3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性
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2）熔滴反应区
指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个 熔池 特点:
１).温度高：1800－2400℃ ２).与气体、熔渣的接触面积大 ：1000－ 10000 cm2/kg ３).时间短速度快 :0.01-0.1s;0.0001-0.001s
焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手 工电弧焊为例，加以讨论
1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药 皮熔点前发生的一些反应。(100-1200℃)
1) 水分蒸发：100 ℃吸附水的蒸发，200－400 ℃结晶 水的去除，化合水在更高温度下析出
2) 某些物质分解:形成Co，CO2，H2O，O2等气体
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熔渣保护 利用焊剂、药芯或药 皮熔化形成的熔渣起到 保护作用。对于埋弧焊 来讲，焊剂及其熔渣的 保护效果很好。 • 防止金属氧化和吸气 • 另一方面向熔池过渡合 金元素，提高焊缝性能 • 还可以减少散热，提高 生产率，防止强光辐射
焊接热-PPT精品
热影响区中的过热区，对焊接接头有不利影响，应使之尽可能减小。
熔合区：熔合线两侧有一个很 窄的焊缝与热影响区的过渡区。成分不均，组织为 粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而 且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。
• 研究焊接热循环的意义为： ① 找出最佳的焊接热循环； ② 用工艺手段改善焊接热循环； ③ 预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。
二、焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH
• 最高加热温度Ｔm
晶粒 大小
• 相变温度以上 的停留时间tH
• 冷却速度Ωc (或冷却时间t8 / 5)
相变 组织
三、焊接热循环参数的计算
不易淬火钢焊接热影响区的组织分布
焊接热影响区的组织分布特征
1-熔合区；
不易 2-过热区；
淬火钢 3-相变重结晶区；
T
• 厚大当件固对定电热弧源加分
热别部作位用的在冷厚却大作件用、
3
最薄强板，和接细头长温杆度上下时，
2
x=0
降假速设度焊最件快从。热其源次获
1
r=0
是得薄的板瞬，时而热细能杆相的等，
பைடு நூலகம்
R=0
散可热以速比度较最三慢种。情况 0
t
下焊件的温度变化 速率。
图2-17 三种情况下热源直接作用 部位的温度随时间的变化曲线
4.1 焊接热循环 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
一、研究焊接热循环的意义
• 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。
熔合区：熔合线两侧有一个很 窄的焊缝与热影响区的过渡区。成分不均，组织为 粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中的最差的部位。
在低碳钢焊接接头中，熔合区很窄，但因强度、塑性和韧性都下降，而 且此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定焊接接头的性能。
• 研究焊接热循环的意义为： ① 找出最佳的焊接热循环； ② 用工艺手段改善焊接热循环； ③ 预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。
二、焊接热循环的参数及特征
• 加热速度ωH
• 最高加热温度Ｔm
晶粒 大小
• 相变温度以上 的停留时间tH
• 冷却速度Ωc (或冷却时间t8 / 5)
相变 组织
三、焊接热循环参数的计算
不易淬火钢焊接热影响区的组织分布
焊接热影响区的组织分布特征
1-熔合区；
不易 2-过热区；
淬火钢 3-相变重结晶区；
T
• 厚大当件固对定电热弧源加分
热别部作位用的在冷厚却大作件用、
3
最薄强板，和接细头长温杆度上下时，
2
x=0
降假速设度焊最件快从。热其源次获
1
r=0
是得薄的板瞬，时而热细能杆相的等，
பைடு நூலகம்
R=0
散可热以速比度较最三慢种。情况 0
t
下焊件的温度变化 速率。
图2-17 三种情况下热源直接作用 部位的温度随时间的变化曲线
4.1 焊接热循环 一、研究焊接热循环的意义 二、焊接热循环的参数及特征 三、焊接热循环参数的计算
一、研究焊接热循环的意义
• 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。
焊接基本知识
用于薄板金属的焊接
⑶ 手工电弧焊焊条
• 涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极称为焊条
• 焊条的组成及作用
焊芯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
焊缝的填充材料 — 填充焊缝 电极传导电流 — 导电
焊条
药皮
保护的作用 稳定电弧的作用 冶金的作用 掺合金的作用 改善焊接的工艺性能
焊条芯 药皮
• 焊条药皮的组成物按其作用分为：稳弧剂、造气剂、造渣 剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂。
焊接的优点： 1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短 ； 4）易于实现机械化和自动化。
缺点： 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ； 2）要产生焊接残余应力和焊接变形； 3）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。
焊接的分类：
第二节 焊接接头
一、焊接接头的形式
• 按焊缝本身截面形式不同分为：对接焊缝、角焊缝 对接焊缝
被连接板件1
对接焊缝
名称
被连接板件2
角焊缝
特点
对接焊缝
板边要精加工（包括坡口、矫正缝距），施工不便，但用料 经济，传力平顺，无显著应力集中，承受动荷载有利
角焊缝
板边不必精加工（不需要坡口、矫正缝距），施工方便，但 有显著应力集中，传力不平顺，采用搭接接头时，需要有一 定的搭接长度，用料不经济
隙则是为了便于焊透。
三、焊接接头金属的组织与性能
1. 熔焊过程冶金特点: 熔池金属温度高于一般冶金温度,(2000k)使金属元素强
烈蒸发、烧损。
熔池金属冷却快，处于液态的时间短(10s)化学成分不均 匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。
空气对焊缝的影响严重
⑶ 手工电弧焊焊条
• 涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极称为焊条
• 焊条的组成及作用
焊芯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
焊缝的填充材料 — 填充焊缝 电极传导电流 — 导电
焊条
药皮
保护的作用 稳定电弧的作用 冶金的作用 掺合金的作用 改善焊接的工艺性能
焊条芯 药皮
• 焊条药皮的组成物按其作用分为：稳弧剂、造气剂、造渣 剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂。
焊接的优点： 1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短 ； 4）易于实现机械化和自动化。
缺点： 1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ； 2）要产生焊接残余应力和焊接变形； 3）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。
焊接的分类：
第二节 焊接接头
一、焊接接头的形式
• 按焊缝本身截面形式不同分为：对接焊缝、角焊缝 对接焊缝
被连接板件1
对接焊缝
名称
被连接板件2
角焊缝
特点
对接焊缝
板边要精加工（包括坡口、矫正缝距），施工不便，但用料 经济，传力平顺，无显著应力集中，承受动荷载有利
角焊缝
板边不必精加工（不需要坡口、矫正缝距），施工方便，但 有显著应力集中，传力不平顺，采用搭接接头时，需要有一 定的搭接长度，用料不经济
隙则是为了便于焊透。
三、焊接接头金属的组织与性能
1. 熔焊过程冶金特点: 熔池金属温度高于一般冶金温度,(2000k)使金属元素强
烈蒸发、烧损。
熔池金属冷却快，处于液态的时间短(10s)化学成分不均 匀；焊缝区易产生气孔、夹渣等缺陷。
空气对焊缝的影响严重
第2章熔焊基本原理
（2）磁偏吹产生的原因：
电弧两侧磁力线分布不均匀（可由接线不当、电弧两侧铁磁物质分布 不均引起）。
（1）导线接线位置不当：
焊接时不只是通过焊条的电流会在电弧空间产生磁场而且通过工件的 电流也会在电弧空间产生磁场，如果接线位置不当如图2-7（c）、（d）那 样接线，由于电流通路在电弧处相互垂直，则在电弧左侧（c图）或右侧 （d图）的空间为两段电流导体（电弧和工件）产生的同方向的磁力线相互 迭加从而提高了该处的磁力线密度，而电弧另一侧的空间只有电弧本身产 生的磁力线，因此电弧俩侧的磁力线分布不均匀，故磁力线密度大的一侧 对电弧产生的推力大，磁力线密度小的一侧对电弧产生的推力小，由此使 电弧偏离焊条轴线。
第二章 熔焊基本原理
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 §2-6
焊接电弧 焊接热过程 焊接冶金 焊接裂纹 焊接接头的金相组织和机械性能 焊缝及焊接接头的形式和特点
§2-1 焊接电弧
实现焊接过程必需由外界提供相应的 能量，对于熔化焊来讲，采用的能源主要 是热能源，而焊接电弧就是热能源中应用 最为广泛的一种。
焊接电弧的稳定性是指电弧电 压和焊接电流能否保持相对稳定， 同时保持一定的弧长不偏吹、不摇摆、 不熄灭 。
影响电弧稳定性的因素
1、弧焊电源 2、焊条药皮 3、气流 4、焊接处不清洁 5、电弧的磁偏吹
1、弧焊电源：
弧焊电源的种类和极性都影响电弧的稳定性。 直流电源的电弧要比交流电源的电弧稳定； 空载电压较高的弧焊电源其电弧较空载电压低的 稳定； 有良好动特性的弧焊电源容易保证电弧稳定； 采用直流电源焊接时，如果用碱性焊条则必须采 用直流反接才能使电弧稳定燃烧，而不能用直流 正接。
焊接
第一章焊接化学冶金名词解释1.焊接：被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接工艺过程(p1)2.扩散氢：由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢（p40)3.残余氢：还有一部分氢聚集到陷阱（金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙）中，结合为氢分子，因其半径大，不能自由扩散，故称之为残余氢4.合金过渡：就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程（p68）5.合金过渡系数：合金元素的过渡系数等于它在熔敷金属中的试剂含量与它的原始之比填空1熔滴过度的形式：短路过渡，颗粒状过渡和附壁过渡(p17)2手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区，熔滴反应区和熔池反应区(p24)3氢分为2种：扩散氢，残余氢（p40)4氧对金属的作用？（p46-50)5焊渣的分类：a盐型熔渣；b盐—氧化物型熔渣；c氧化物型熔渣；6活性熔渣对焊缝金属的氧化可分为两种基本形式：扩散氧化和置换氧化看图：1-8熔合比：在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例(p27)焊接区内的气体：H2 O2 N2 H2 （氧，氮，水气)简答：1.（课后）氢对焊接质量的影响及控制措施？影响：1.氢脆，2.白点3.形成气孔4.产生冷裂纹(p41)控制措施：a 限制焊接材料中的含氢量；b 清除焊丝和焊件表面上的杂质；c 冶金处理；d 控制焊接工艺参数；e 焊后脱氢处理；2熔渣的作用？A 机械保护作用：焊接时形成的熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上，把液态金属与空气隔开，防止液态金属的氧化和氮化。
熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可防治处于高温的焊缝金属受空气的有害作用。
B改善焊接工艺性能的作用：良好的焊接工艺性能是保证焊接化学冶金过程顺利进行的前提。
在熔渣中加入适当的物质可使电弧容易引燃，稳定燃烧，减少飞溅，保证具体良好的操作性，脱渣性和焊缝成形等。
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第一章 绪 论 Introduction
材料成型及控制工程 2012.9
焊接结构
本章内 容
2.1 基本概念及原理
2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的热作用
焊接结构
2.1 基本概念与原理 2.1.1 电弧焊热过程概述 （1）焊接热过程的特点： – 局部性——加热和冷却过程极不均匀 – 瞬时性——1800K/s – 热源是运动的 – 焊接传热过程的复合性
焊接结构
（4）热量传递方式
热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导； 对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的 冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带 走热量； 辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发 生辐射，并传递热量；
焊接结构
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力 等。
T
2Q c (4at)
3 2
r2 exp 4at
焊件表面上等温线的形状？
焊接结构
T
2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
Tmax
2Q c (4t )
3 2
在固定的位置r处，T与t的关系
1 r 2 T f 3 2 exp t 4t
电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子束热
源等 （2）焊接热源的有效热功率（热效率）：＜1。
热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S]
焊接结构
（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的 问题分为了三类：
焊接结构
温度 变化 导致 的能 量变 化
2 2 2 T T T T 2T 2 2 2 t c y z x
焊接结构
方程中假设初始条件为0℃，不考虑表面散热，则方程的特解 为 r2 Q T exp 3 4 at 2 c (4at) 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:
① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；
② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的；
④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；
⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构
2.2.1 瞬时固定热源
（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）
热传 导导 致的 能量 变化
dQx dqx dy dz dt
T 2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
焊接结构
（4）分布热源模型 分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描 述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q( r ) qm exp Kr
2
dn
2 3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度
在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
q1( x , y , z ) q2 ( x , y , z )
6 3 f1Q abcf 6 3 f 2Q abcb
e e
3 x2 3 y 2 3 z 2 c12 a 2 b2
3 x2 3 y 2 3 z 2 c22 a 2 b2
焊接结构
2.2 焊接温度场
• 分瞬时固定热源、移动热源两种类型。 • 每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、 二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设：
综上，可见焊接热过程是一个十分杂的问题，涉及到多学科的知识， 因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。
焊接结构
2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
2.1.3 焊接热源
（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机 械能、光辐射能和化学能等。
• 三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体 积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的 传导，又称为厚板点热源模型 • 二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整 个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维 热传导，又称为薄板线热源模型 • 一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整 个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型
T q n
q x 2T dqx dx 2 x x
2T dQx 2 dxdydzdt x
2T 2T 2T dQ 2 2 2 dxdydzdt x y z
+
dQ cdxdydzdT
焊接结构
（2）产热机构
• • • 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件； 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；
•
变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。
材料成型及控制工程 2012.9
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本章内 容
2.1 基本概念及原理
2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的热作用
焊接结构
2.1 基本概念与原理 2.1.1 电弧焊热过程概述 （1）焊接热过程的特点： – 局部性——加热和冷却过程极不均匀 – 瞬时性——1800K/s – 热源是运动的 – 焊接传热过程的复合性
焊接结构
（4）热量传递方式
热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导； 对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的 冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带 走热量； 辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发 生辐射，并传递热量；
焊接结构
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题：电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力 等。
T
2Q c (4at)
3 2
r2 exp 4at
焊件表面上等温线的形状？
焊接结构
T
2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
Tmax
2Q c (4t )
3 2
在固定的位置r处，T与t的关系
1 r 2 T f 3 2 exp t 4t
电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源 、摩擦焊 、电子束热
源等 （2）焊接热源的有效热功率（热效率）：＜1。
热输入 瞬时热源：采用热量Q[J] 连续热源：采用热流量q[J/S]
焊接结构
（3）集中热源模型的简化 Rosenthal根据构件的几何形状及其传热的特点将焊接传热的 问题分为了三类：
焊接结构
温度 变化 导致 的能 量变 化
2 2 2 T T T T 2T 2 2 2 t c y z x
焊接结构
方程中假设初始条件为0℃，不考虑表面散热，则方程的特解 为 r2 Q T exp 3 4 at 2 c (4at) 一般熔化焊热量是通过焊件表面传递的，因此焊件上的热量实际 上集中在半个椭球内，因此上式需修正为:
① 在整个焊接过程中，热物理常数不随温度而改变；
② 焊件的初始温度分布均匀，并忽略相变潜热； ③ 焊件的几何尺寸认为是无限的；
④ 热源集中作用在焊件上是按点状，线状或面状假定的；
⑤ 点热源不考虑散热。
焊接结构
2.2.1 瞬时固定热源
（1） 瞬时固定点热源（不考虑散热）
热传 导导 致的 能量 变化
dQx dqx dy dz dt
T 2Q c (4t )
3 2
r2 exp 4t
焊接结构
（4）分布热源模型 分布热源适合于采用有限元法求解温度场时热源的描述。 1）Gauss模型 • Gauss热源模型是最早的分布热源模型，该模型用高斯函数描 述电弧覆盖区域内的热流密度，即
q( r ) qm exp Kr
2
dn
2 3 k
K 为能量集中系数，主要取决于焊接速度、焊接规范等。
焊接结构
2）双椭球热源 Goldak在Gauss 的基础上改进了热源模型，他提出热流不仅作用 在表面，而是在一定深度上都有热流，即体积热源。而且热流密度
在宽度、长度、深度方向均为高斯分布。
q1( x , y , z ) q2 ( x , y , z )
6 3 f1Q abcf 6 3 f 2Q abcb
e e
3 x2 3 y 2 3 z 2 c12 a 2 b2
3 x2 3 y 2 3 z 2 c22 a 2 b2
焊接结构
2.2 焊接温度场
• 分瞬时固定热源、移动热源两种类型。 • 每一种热源类型中根据焊件的尺寸又分为三维点热源温度场、 二维线热源温度场、一维面热源温度场。
•温度场分析假设：
综上，可见焊接热过程是一个十分杂的问题，涉及到多学科的知识， 因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。
焊接结构
2.1.2 传热基本定律 （1） 热传导定律
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
焊接结构
2.1.3 焊接热源
（1）实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机 械能、光辐射能和化学能等。
• 三维传热的问题指的是对于非常大的厚大焊件，热源的作用体 积相对总体积非常小，因此焊接热源的热量将产生三个方向的 传导，又称为厚板点热源模型 • 二维传热问题指的是对于无限大薄板，焊接热源直接作用于整 个厚度，因此在厚度方向没有热传导，而只存在板面内的两维 热传导，又称为薄板线热源模型 • 一维传热问题指的是对于无限长的杆，焊接热源直接作用于整 个截面，因此传热只有长度方向，又称为面热源模型
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2T 2T 2T dQ 2 2 2 dxdydzdt x y z
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焊接结构
（2）产热机构
• • • 电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电 过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件； 电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量； 相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；
•
变形热：构件变形时将产生变形热
焊接结构
（3）散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量； 飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损 失。