第一章熔化焊热源及接头形成
q( r ) q m e
Kr 2
(1-3)
式中，q( r) 为A点的热流密度[J ／(cm2﹒s)]；qm 为加热斑点中心的最
大热流密度[J／(cm2﹒s)] ； K为能量
集中系数(cm-2)；r为A点距加热斑 点中心的距离(cm)。
图 1-2 电弧作用下的加热斑点
由式(1—3)可知，只要知道qm和K值就可以求出任意点的
等离子弧 电子束 激光束
108
109 1011
10
12
2 10 3473 5 6000 10 1.5 105 8000 5 2 10 6400 105 2300 105 ~ 106 6 1.5 10 18000 ~ 24000 8 10 10 ~ 10 108 ~ 1010
1.1.2 焊接热效率
___ （在 0~1500 °C） （0.63~ 37.8)× 10-3
___
___
焊件形态及接头形式
焊件的几何形态、尺寸大小及所处的状 （如环境温度、预热条件等）对焊接传热过
程有很大影响，必然会影响焊接温度场。而
接头形式的不同，造成传热条件的差异，同
样会影响温度的分布，即对温度场造成影响。
② 焊接温度场的解析求解 基本假设和简化 假设被焊金属是均质、且各向同性的；材料的热物理量 均为常数，与温度无关；不考虑焊接熔化与凝固过程， 即认为被焊工件始终为固态，并且不考虑固态相变的 作用。 作用于半无限大体的瞬时点热源 这种情况下，假设热量为Q的热源瞬时作用于厚大焊件 的某点上，则距热源为R的任何一点，经t 时间后，该点 的温度增量T－T0的数学表达式为
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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作：徐世伟 指导教师：刘耀东
第一章
熔化焊热源及接头形成
1.1
熔化焊热源及温度场
1.2
焊接热循环
1.3
熔化焊接头的形成
§ 1.1
焊接热源及温度场
1.1.1 焊接热源的种类及其特征 根据焊接生产的基本要求，不同焊接方法能 够满足焊接条件的焊接热源有以下几种： （1）熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电
（1）电弧热效率：如果电弧是无感的，此时电能全部转化 为热能，则电弧的功率为 q=UI (1-1) 式中，q为电弧功率，即电弧在单位时间内所放出的能 量(W)；U为电弧的电压(V)；I为焊接电流(A)。若能量 不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效热功率为 qe=ηUI (1-2) 式中η为加热过程中的功率有效系数或称热效率。在一
定条件下η是常数，主要取决于焊接方法、焊接规范、焊
接材料和保护方式等。
焊件所吸收的热量可分为两部分：一部分用于熔化金 属而形成焊缝；另一部分使母材近缝区的温度升高以致发 生组织变化从而形成组织和性能都有别于母材的热影响区 。实际上，用于熔化金属形成焊缝的热量才是真正的热效 率。若从保证焊接质量的角度看，形成热影响区的热量越 小越好。电弧焊的热量分配如图1-1所示。
4).焊接温度场的计算
① 影响焊接温度场的因素
焊接热源种类及热源能量密度 对于同种材料的焊件，如果施焊时采用的焊接热源不同， 则温度场会有明显差异；同一焊接方法施焊同种材料时， 采用不同的焊接工艺参数，其热输入量也不同，温度场的 形状和大小也不同。
被焊材料的热物理性质
不同金属材料的热物理性质有很大差异，在同样热输入 条件下，温度场会有明显不同。表1.12是焊接工程中常 用金属材料的热物理参量。
（3）在相变温度以上的停留时间tH：即高温停留时
间。在相变温度以上停留时间越长，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。加热温度越高，晶粒长大所需的时间越短。这会引 起接头脆化现象，从而降低接头的质量。 高温停留时间tH由加热过程持续时间t'和冷却过程 持续时间t''两部分组成，即t=t'+t''。对于一般的焊接 热循环有t’=t''。
影响区组织。
焊接热循环与焊接温度的区别： 焊接温度常反映某瞬时焊接接头中各点的温度分布状态， 而焊接热循环是反映焊接接头中某点温度随时间的变化规 律，也描述了焊接过程中热源对焊件金属的作用。
图1-4
低合金钢堆焊缝邻近各点的焊接热循环曲线
二、焊接热循环的特征参数
（1）加热速度
H
：焊接热源的集中程度较高，引
热流密度。高斯曲线下所覆盖的全部热能为
Kr 2r 故 q e F q ( r ) dF （1-4） q e 2 rdr q m m 0 K
qm
K
qe
(1-5)
式中，qe为电弧的有效功率，qe=ηUI。K值说明热流 集中的程度，主要取决于焊接方法、焊接工艺参数和被焊金属 材料的热物理性能等。不同焊接方法的能量集中系数K值见表 1.3。从今后的发展趋势来看，应采用K值较大的焊接方法， 如电子束和激光焊接等。
起焊接时的加热速度增加。对于钢铁材料而言，加热速度
快，意味着发生奥氏体转变的温度提高，奥氏体的均质化 和碳化物的溶解过程就越不充分，因此必然会影响到其后
冷却过程组织和性能。
（2）加热最高温度Tm：即峰值温度。它对焊后母材 热影响区组织和性能有很大影响。接头上熔合线附近，由 于温度高，引起晶粒严重长大，导致韧性降低。对于低碳 钢和低合金钢，熔合线附近的最高温度可达 1300~1350°C。
图1-3 温度场中的等温线和温度梯度
2)等温线（或等温面）和温度梯度 焊件上瞬时温度相同的点连成的线或面称为等温线或 等温面。各个等温线或等温面之间不能相交。 每条线或面度差，其大小可用温度梯度表示。温度梯
度是矢量，其正值为温度增加，负值为温度减小。温
度梯度反映了温度场中任意点温度沿法线方向的增加 率。
由图1-2可以看出，加热 斑点区的热能分布是不均
匀的，中心多而边缘少。
在电流密度不变的条件下， 电弧电压越高，则中心与 边缘的热能相差越小。若 电压不变时，电流密度越
大，则中心与边缘的热能
相差也越大。
图 1-2 电弧作用下的加热斑点
单位时间通过单位面积传递给焊 件的热能称为热流密度q( r )。研究结 果表明，加热斑点上的热流密度分布， 可近似地用高斯分布来描述。距斑点 中心O为r的任意点A的热流密度为
子束、激光束、化学热。
（2）压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、 高频感应热。
表1.11
热源
各种焊接热源的主要特性
最大功率密度 /(kW/cm2)
4
最小加热面积/㎡
6
正常焊接条件下温 度/K
乙炔火焰 金属极电弧 钨极氩弧(TIG) 埋弧焊 电渣焊
10 107
107 107 106
熔化极氩弧焊和 CO2气体保护焊
化而变化，因此，某瞬时焊件上各点温度的分布称为温度
场。温度场以某一时刻在某一空间内所有点的温度值来描 述，在直角坐标系内为
T = ƒ(x , y , z , t）
件上某点的空间坐标；t为时间；
（1-6）
式中，T为焊件上某点某瞬间的温度；z，y，z为焊 温度场的分布可用等温线或等温面来描述(见图1-3)。
3)稳定、非稳定和准稳定温度场
当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之为稳定
温度场； 当焊件上各点的温度随时间变化的温度场，称之为非稳
定温度场。
当恒定功率的热源作用在一定尺寸的焊件上并做匀速直 线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态， 温度场会达到暂时稳定状态，并可以随着热源以同样速 度移动，这样的温度场称为准稳定温度场。
Q x2 T T0 exp( b t ) （1-9） 1/ 2 cA(4at ) 4at
式中， b ( ) P / cA ，P和A分别为杆的横截 c r 面的周长和面积。
Contents
§ 1．2 焊接热循环
一、焊接热循环的概念： 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。 研究焊接热循环的意义：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
响区过宽，晶粒粗大，焊接接头的机械性能下降。
（3）电子束焊热效率 ：电子束焊时因功率密度大，
能量集中，穿透力强，因此焊接时，能量的损失较少，
其热效率可达90%以上。 （4）激光焊接热效率：激光焊的热效率取决于工件对 激光束能量的吸收程度，与焊件表面状态有关。光亮 的金属表面在室温下对激光具有很强的反射作用，其
热扩散 率
a
c
0.07~0. 10
0.05 ~0.0 7
1.00
0.95
热焓
H
J/g
在某一温度1g物 质所含热量
（在 0~1500 °C） 1331.4
___
___
___
表面传 热系数
h
J/ 传热体表面与周 (cm2•s•K) 围介质每相差 1°C时，通过单 位面积在单位时 间内所散失的热 量
3.78
比热容
c
J /(g•K)
一克物质每 0.652~0. 升高1°C时，756 所需热量
0.42~0.5 1.0 0
1.22
续表1.12
容积比 热容 cρ J 单位体积的物质 /(cm3•K) 升高1°C时所需 的热量 cm2/s 传热过程中，温 度传播速度 4.83~4. 56 3.36 ~4.2 2.63 3.99
表1.3 不同焊接方法K值
1.1.4
焊接温度场
一、焊接时的热作用特点
(1)热作用的集中性：焊接热源集中作用在焊件
连接部位。这样，焊件上存在较大的温度梯度，形成 不均匀的温度场，易引起不均匀分布的应力或应变场， 以及不均匀的组织和性能变化等问题。
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第一章 焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金
37
3)、气孔 4)、组织变化和显微斑点
焊缝金属A—M时，由于氢在A有较大的 溶解度，当含氢量高的焊缝自A化，温度 冷却时，引起局部A过冷残余A增加，残 余A—M时，富氢的组织内产生大的内应 力，造成显微裂纹
5)、产生冷裂纹
第一章 焊接化学冶金
38
（四）控制氢的措施
1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分 2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污 、吸附水分 3)、冶金处理 4)、调整焊接规范 5)、焊后脱氢处理
气体保护、抽真空。对于适渣型焊条： 保护效果取决于药皮的数量及成分
2）、焊接工艺规范影响 ： 3）、焊丝成分的影响 ：增加焊丝或药
皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量d
第一章 焊接化学冶金
30
三、氢对金属的作用
（一）、氢在金属中的溶解 1、来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯 中水分，药皮中有机物为、焊件表面杂 质（锈、油）空气中水分 第一类能形成稳定氢化物金属 第二类不形成稳定氢化物的金属
第一章 焊接化学冶金
42
2.熔渣的成分和分类
1).熔渣成分：大体由氧化物、氯化
物、氟化物、硼酸盐类组成是多种 化学组成的复杂体系。
2).熔渣分为三类
第一类 氧化物型 第二类 盐—氧化物型 第三类 盐型
第一章 焊接化学冶金
43
（二）熔渣结构理论
液态熔渣的结构有两种理论：
分子理论和离子理论
分子理论可简明的定性为解释熔渣与 金属之间的冶金反应,但不能解释一 些重要现象，如导电性、电解等。
第一章 焊接化学冶金
39
四、氧对金属的作用
（一）氧在金属中的溶解
1).以原子氧形式溶解 2).以FeO形式溶解
37
3)、气孔 4)、组织变化和显微斑点
焊缝金属A—M时，由于氢在A有较大的 溶解度，当含氢量高的焊缝自A化，温度 冷却时，引起局部A过冷残余A增加，残 余A—M时，富氢的组织内产生大的内应 力，造成显微裂纹
5)、产生冷裂纹
第一章 焊接化学冶金
38
（四）控制氢的措施
1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分 2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污 、吸附水分 3)、冶金处理 4)、调整焊接规范 5)、焊后脱氢处理
气体保护、抽真空。对于适渣型焊条： 保护效果取决于药皮的数量及成分
2）、焊接工艺规范影响 ： 3）、焊丝成分的影响 ：增加焊丝或药
皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量d
第一章 焊接化学冶金
30
三、氢对金属的作用
（一）、氢在金属中的溶解 1、来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯 中水分，药皮中有机物为、焊件表面杂 质（锈、油）空气中水分 第一类能形成稳定氢化物金属 第二类不形成稳定氢化物的金属
第一章 焊接化学冶金
42
2.熔渣的成分和分类
1).熔渣成分：大体由氧化物、氯化
物、氟化物、硼酸盐类组成是多种 化学组成的复杂体系。
2).熔渣分为三类
第一类 氧化物型 第二类 盐—氧化物型 第三类 盐型
第一章 焊接化学冶金
43
（二）熔渣结构理论
液态熔渣的结构有两种理论：
分子理论和离子理论
分子理论可简明的定性为解释熔渣与 金属之间的冶金反应,但不能解释一 些重要现象，如导电性、电解等。
第一章 焊接化学冶金
39
四、氧对金属的作用
（一）氧在金属中的溶解
1).以原子氧形式溶解 2).以FeO形式溶解
第1章 熔焊热源及温度场
(1) 高斯分布热源
a). 热源在焊件上的分布
b). 热流密度的分布
加热斑点上热流密度的分布
(2) 双椭圆分布热源
双椭圆分布热源示意图
(3) 双椭球体积分布热源
双椭球体分布热源示意图
3. 焊接温度场
(1) 厚大焊件的温度场
厚大焊件上点状移动热源的温度场
a). 坐标示意图 b). Oxy面上沿x轴的温度分布 c). Oxy面上的等温线
材料连接原理
第1章 熔焊热源及温度场
主要内容
▲ 焊接热源的种类及特点 ▲ 焊件上的热量分布模式 ▲ 焊接温度场 ▲ 焊接热循环 ▲ 焊接热传导与熔池形态的数值模拟
1. 焊接热源的种类及特点
电弧热 化学热 电阻热 摩擦热 等离子焰 电子束 激光束
2. 焊件上的热量分布模式
(1) 热传导的有限差分法计算 (2) 热传导的有限单元法计算 (3) 焊接熔池的数值模拟
焊接熔池表面及内部的流体流动模式
a).
y / T 0
b). y / T 0
d). Oyz面上沿y轴的温度分布
c). Oyz面上的等温线
பைடு நூலகம்
(2) 薄板焊接时的温度场
薄板焊接时的温度场
a). Oxy面上平行x轴的温度分布 c). Oxy面上平行y轴的温度分布 b). Oxy面上平行y轴的温度分布 d). 坐标示意图
(3) 中厚件焊接时的温度场
中厚焊件焊接时的温度场
a). 中厚件上表面不同y值时x方向上的温度分布曲线 b). Oxz面上的等温线 c). 中厚焊件的表面温度场 d). Oyz平面，x=0时的温度分布 e). Oyz平面，x=0时的 热流分布（Ⅰ区相当厚大焊件，Ⅲ区相当于薄板，Ⅱ区为无定型传热区）
a). 热源在焊件上的分布
b). 热流密度的分布
加热斑点上热流密度的分布
(2) 双椭圆分布热源
双椭圆分布热源示意图
(3) 双椭球体积分布热源
双椭球体分布热源示意图
3. 焊接温度场
(1) 厚大焊件的温度场
厚大焊件上点状移动热源的温度场
a). 坐标示意图 b). Oxy面上沿x轴的温度分布 c). Oxy面上的等温线
材料连接原理
第1章 熔焊热源及温度场
主要内容
▲ 焊接热源的种类及特点 ▲ 焊件上的热量分布模式 ▲ 焊接温度场 ▲ 焊接热循环 ▲ 焊接热传导与熔池形态的数值模拟
1. 焊接热源的种类及特点
电弧热 化学热 电阻热 摩擦热 等离子焰 电子束 激光束
2. 焊件上的热量分布模式
(1) 热传导的有限差分法计算 (2) 热传导的有限单元法计算 (3) 焊接熔池的数值模拟
焊接熔池表面及内部的流体流动模式
a).
y / T 0
b). y / T 0
d). Oyz面上沿y轴的温度分布
c). Oyz面上的等温线
பைடு நூலகம்
(2) 薄板焊接时的温度场
薄板焊接时的温度场
a). Oxy面上平行x轴的温度分布 c). Oxy面上平行y轴的温度分布 b). Oxy面上平行y轴的温度分布 d). 坐标示意图
(3) 中厚件焊接时的温度场
中厚焊件焊接时的温度场
a). 中厚件上表面不同y值时x方向上的温度分布曲线 b). Oxz面上的等温线 c). 中厚焊件的表面温度场 d). Oyz平面，x=0时的温度分布 e). Oyz平面，x=0时的 热流分布（Ⅰ区相当厚大焊件，Ⅲ区相当于薄板，Ⅱ区为无定型传热区）
熔化焊的原理
熔化焊的原理
熔化焊是一种常见的焊接方法，通过加热金属材料，使其熔化并与其他金属材料结合在一起。
熔化焊的原理可以总结为以下几个方面：
1. 热源：熔化焊主要依靠热源来提供足够的能量使金属材料熔化。
常见的热源包括火焰、电弧、电阻加热等。
其中，火焰热源是指以燃烧为基础，通过燃料与氧气的混合产生大量热能。
电弧热源是指通过电弧放电产生的高温热能。
电阻加热则是将电流通过电阻材料产生热能。
2. 熔化：熔化焊的基本原理就是将金属材料加热到其熔点以上，使其从固态转变为液态。
当金属材料达到熔点时，其原子开始通过热运动相互分离，形成液态。
3. 流动：金属材料处于液态时，其分子间的间距增大，使得原子之间的化学键发生改变。
通过调整焊接过程中的温度和焊接材料的成分，可以实现金属材料的流动和融合。
当金属材料冷却凝固后，焊接接头的结晶组织和力学性能就被形成。
4. 冷却：在熔化焊后，焊接接头需要被冷却以恢复到固态。
冷却过程中，焊接接头中的熔融金属将重新结晶，并形成固态的晶体结构。
焊接接头的冷却速度影响着其最终的组织结构和性能。
总之，熔化焊的原理是通过加热金属材料使其熔化，然后通过流动和冷却使其与其他金属材料融合在一起。
不同的熔化焊方法有不同的热源和焊接过程，但基本
的原理和步骤是相似的。
熔化焊广泛应用于各个领域，如汽车制造、船舶建造和机械制造等。
第一章 焊接化学冶金
●与熔滴相比，熔池的平均温度较低，约为1600~1900℃；比表面 积较小，约为3~130cm2/kg；反应时间稍长些，如手工电弧焊时 通常为3~8s，埋弧焊时为6~25s。
●熔池温度分布极不均匀，因此在熔池的前部和后部反应可以同时 向相反的方向进行。
●熔池中的强烈运动，有助于加快反应速度，并为气体和非金属夹 杂物的外逸创造了有利条件。
三 焊接化学冶金反应区及其反应条件
不同焊接方法有不同的反应区： ◆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。 ◆熔化极气体保护焊：只有熔滴和熔池反应区。 ◆不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊接只有一个熔池
反应区。
图1-8 焊接化学冶金反应区 Ⅰ-药皮反应区 Ⅱ-熔滴反应区 Ⅲ-熔滴反应区，
焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。 热源周围的气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而
焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空 气。 焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、 油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进 入气相中。
(二)气体的产生
6Fe2O3＝4Fe3O4＋O2； 2Fe2O3＝6FeO＋O2 4Mn2O3＝2Mn3O4＋O2；6Mn2O3＝4Mn3O4＋O2
第一章 焊接化学冶金
主要内容
焊接化学冶金过程的特点 气相对金属的作用 熔渣对金属的作用 合金的过渡
第一节 焊接化学冶金过程的特点
焊条熔化→形成熔滴→过渡→形成熔池 焊接保护 化学冶金反应区 熔合比
本节概念性的内容较多，通过对本节的理解， 加以记忆
一 焊条熔化及熔池形成
(一)焊条的加热及熔化 1 焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝)的热能有： 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生电阻热，使其本身和药皮的温
●熔池温度分布极不均匀，因此在熔池的前部和后部反应可以同时 向相反的方向进行。
●熔池中的强烈运动，有助于加快反应速度，并为气体和非金属夹 杂物的外逸创造了有利条件。
三 焊接化学冶金反应区及其反应条件
不同焊接方法有不同的反应区： ◆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。 ◆熔化极气体保护焊：只有熔滴和熔池反应区。 ◆不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊接只有一个熔池
反应区。
图1-8 焊接化学冶金反应区 Ⅰ-药皮反应区 Ⅱ-熔滴反应区 Ⅲ-熔滴反应区，
焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。 热源周围的气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而
焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空 气。 焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、 油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进 入气相中。
(二)气体的产生
6Fe2O3＝4Fe3O4＋O2； 2Fe2O3＝6FeO＋O2 4Mn2O3＝2Mn3O4＋O2；6Mn2O3＝4Mn3O4＋O2
第一章 焊接化学冶金
主要内容
焊接化学冶金过程的特点 气相对金属的作用 熔渣对金属的作用 合金的过渡
第一节 焊接化学冶金过程的特点
焊条熔化→形成熔滴→过渡→形成熔池 焊接保护 化学冶金反应区 熔合比
本节概念性的内容较多，通过对本节的理解， 加以记忆
一 焊条熔化及熔池形成
(一)焊条的加热及熔化 1 焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝)的热能有： 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生电阻热，使其本身和药皮的温
焊接技术教案
本册教案目录
第 1 次课 2 学时授课时间第1周教案完成时间第-1周
第 2 次课 2 学时授课时间第1周教案完成时间第-1周
第 3 次课 2 学时授课时间第2周教案完成时间第1周
第 4 次课 2 学时授课时间第2周教案完成时间第1周
第 5 次课 2 学时授课时间第3周教案完成时间第2周
第 6 次课 2 学时授课时间第3周教案完成时间第2周
第 7 次课 2 学时授课时间第4周教案完成时间第3周
第 8 次课 2 学时授课时间第4周教案完成时间第3周
第 9 次课 2 学时授课时间第5周教案完成时间第4周
第 10 次课 2 学时授课时间第5周教案完成时间第4周
第 11 次课 2 学时授课时间第6周教案完成时间第5周
第 12 次课 2 学时授课时间第6周教案完成时间第5周
第 13 次课 2 学时授课时间第7周教案完成时间第6周
第 14 次课 2 学时授课时间第7周教案完成时间第6周
第 15 次课 2 学时授课时间第8周教案完成时间第7周
教学总结。
焊工工艺学第五版教学课件第一章 焊接技术概述
焊接技术的应用 a）多丝埋弧焊 b）焊接机器人在汽车制造业中的应用 c）三峡水轮机转轮 d）北京奥运会主体育场“鸟巢”
§1-1 焊接技术及发展概况
四、焊接技术的应用与发展
已广泛应用于航空、石油化工机械、矿山机械、起重机械、建筑 及国防等各工业部门，并成功地完成了不少重大产品的焊接，如直径为 15.7 m 的大型球形容器、万吨级远洋考察船“远望号”。
31 第 一 章 焊 接 技 术 概 述
正常焊接时的电弧 a）焊条与焊件垂直 b）焊条与焊件倾斜
§1-2 常用焊接热源
4．焊接电弧的稳定性 但在实际焊接中，由于电弧周
围气流的干扰、磁场的作用或焊条 偏心的影响，会使电弧中心偏离电 极轴线的方向，这种现象称为电弧 偏吹，如图2所示为磁场作用引起 的电弧偏吹。
第一章 焊接技术概述
1 第一章 焊接技术概述
§1-1 焊接技术及发展概况
在工业生产中，经常需要将两个或两个以上的零件按一定的形式 和位置连接起来，根据连接的特点，可以将其分为两大类：一类是可拆 卸连接，即不必毁坏零件就可以进行拆卸，如螺纹连接、键连接等；另 一类是永久性连接，只有在毁坏零件后才能进行拆卸，如铆接、焊接等， 其中应用最广泛的是焊接。据不完全统计，全世界年钢产量的50% 要经 过焊接加工出成品。
（1）弧焊电源的影响 （2）焊接电流的影响 （3）焊条药皮或焊剂的影响
30 第 一 章 焊 接 技 术 概 述
§1-2 常用焊接热源
4．焊接电弧的稳定性
（4）焊接电弧偏吹的影响 在正常情况下焊接时，电弧的 中心线总是保持着沿焊条（丝）电 极的轴线方向。即使当焊条（丝） 与焊件有一定倾角时，电弧也会跟 着电极轴线的方向而改变，如图所 示。
15 第 一 章 焊 接 技 术 概 述
金属熔焊原理及材料焊接第一章-焊接热源及其作用
焊接热源
焊接的发展趋势：焊接技术逐步向高效率、高质量、低 成本、降低劳动强度、降低能耗的方向发展。
热源的性能不仅影响焊接质量，而且对焊接生产率有着 决定性作用。
作为焊接热源应当是：能量高度集中、快速实现焊接过 程，并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的热影响区。
焊接热源
满足焊接条件的热源：
电弧热：利用气体介质中放电过程所产生的热能
• 焊接温度场：某一瞬时焊件上各点的温度分布
等温线或等温面：把焊件上瞬时温度相同的各点 连接在一起。 各等温线或等温面彼此间不能相交，存在一定的 温度差。
焊接温度场的类型： • 稳定温度场：焊接温度场各点的温度不随时间变动。 • 非稳定温度场：各点温度随时间而变动。 • 准稳定温度场：功率恒定的热源在工件上作匀速直线运
• 思考：调整焊接热循环的方法有哪些？
本章结束
源的典型焊接方法有哪些？
焊接热循环：在焊接热源作用下，焊件上某一点的温度随
时间的变化过程。
焊接热循环是描述焊接过程中热源对被焊金属的热作用。距焊缝不同 距离的各点，所经历的热循环不同。距焊缝越近的点，加热的最高温度 越高；越远的点，加热的最高温度越低。
焊接热循环的主要参数：
• 加热速度ωH
晶粒
• 最高加热温度Ｔm 大小
化学热：助燃和可燃气体（氧、乙炔）的燃烧火焰或铝、镁 热剂进行化学反应 电阻热：电流通过导体时产生的电阻热 摩擦热：机械摩擦而产生的热能作为焊接热源
等离子弧焊：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流 电子束焊：高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局 部表面，动能转化为热能
激光焊：受激辐射而使放射增强的光，经聚焦产生能量高 度集中的激光束。
电阻焊接过程
(最新整理)焊接冶金学基础知识
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2）焊缝成形系数φ
焊缝余高(a)
焊缝宽度(B)
焊缝熔深（H)
热影响区（HAZ) 焊缝成形系数—— 焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值
公式： φ = B/H (一般大于1.0—1.3，对防止裂纹有利）
综合机械性能：多层多道焊优于单层焊，因为前道焊缝对后道焊缝是预 热，后道焊缝对前道焊缝有退火作用，防止产生淬硬组织。
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3）焊缝余高系数
余高系数——焊缝有效宽度B与余高a的比值。 公式： Ψ = B/a（%）
4）焊缝成形过程
在热作用下，焊丝与母材被熔化，焊件上形成一个具 有一定形状和尺寸的液态熔池，熔池随着热源的移动向前 运动，在电弧后形成凝固的焊缝。
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5、焊接化学冶金过程（手工电弧焊）：
②熔滴反应区
使气相的氧化性下降，通常 把这个过程称为“先期脱氧”
从熔滴形成、长大到过渡到熔池中，属于熔滴反应区。
该区反应时间虽短(0.01-1S)，但温度很高(1800-2400℃)， 相(气相、液相、熔渣)接触面积大，并伴随着强烈混合作用 ，冶金反应激烈，反应进行相对完全，对焊缝影响极大。
主要的物理化学反应：金属的蒸发，气体的分解和溶解，金 属的氧化还原以及合金化等。
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(一)短路过渡 (二)滴状过渡 (三)渣壁过渡 (四)喷射过渡
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熔滴过渡的形式
小电流、低电压。熔滴长大 受到空间限制而与母材短路， 在表面张力及小桥爆破力作 用下脱离焊丝。
电弧长度较长，熔滴可自由 长大，直至下落力大于表面 张力时，脱离焊丝落入熔池， 属自由过渡。
焊接成型原理
域称为加热区或加热斑点。如果讨论的热源是电弧
热，其加热区可分为活性斑点区和加热斑点区（见 图1-2）。 （1）活性斑点区：带电质点（电子和离子）集 中轰击直径为dA的斑点面积。该部位的电能转化 为热能，电流密度了的变化如图1-2中的虚线所示。
（2 ）加热斑点区 ：在直径为dH的区域内，金
属受热是通过电弧的辐射与周围介质的对流进行 的。
9
2 10 5 10 1.5 105 5 2 10 105 105 ~ 106
3473 6000 8000 6400 2300
10
12
1.5 106 18000 ~ 24000 108 ~ 1010 108 ~ 1010
1.1.2
焊接热效率
（1）电弧热效率：如果电弧是无感的，此时电能全部 转化 为热能，则电弧的功率为 q=UI (1-1) 式中，q为电弧功率，即电弧在单位时间内所放出 的能量(W)；U为电弧的电压(V)；I为焊接电流(A)。若 能量不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效热 功率为 qe=ηUI (1-2) 式中η为加热过程中的功率有效系数或称热效率。 在一定条件下η是常数，主要取决于焊接方法、焊接 规范、焊接材料和保护方式等。
故
q e F q ( r ) dF q e
（1-4）2 Kr r m 0
(1-5)
2rdr q m K
qe
K值说明热流集中 式中，qe为电弧的有效功率，qe=ηUI。 的程度，主要取决于焊接方法、焊接工艺参数和被焊金属材 料的热物理性能等。不同焊接方法的能量集中系数K值见表1.3。 从今后的发展趋势来看，应采用K值较大的焊接方法，如电子 束和激光焊接等。
q( r ) (1-3) qme
焊接结构学2
这种方未能主要用于钢轨焊接，熔池通过铝粉和金 属氧化物的化学（放热）反应而使工件被加热并形成 熔池，反应后形成铝的氧化物（熔渣），填充金属和 热量都是在反应区体积内产生的。
从上述各种焊接热源来看，有些热量产生于 表面（必须通过传导将其传送至工件内部）， 有些产生于材料内部。由于构件及其坡口的几 何尺寸不同，和焊接热源的可调节将性等方面 的差异，在实际应用中有各种变化。
＜10
＜1
0.25—0.85
第一节 基本概念和基本原理
三、传热基本定律
热传导定律
金属材料焊接时，局部集中的随时间变化的热输 入，以高速度传播到构件的边远部分。在多数情况 下，输入和对流在热输入过程中，也起着重要的作 用，因而也是构件表面热热损失的主要因素。
热传导问题由傅立叶定律来描述：物体等温面上 的热流密度q*[J/mm2s]与垂直于该处等温面的负温 度梯度成正比，与热导率成正比：
第一章 焊接热过程
• 本章以最常规的MIG焊为例来讨论焊接热
源，热场、流场的基本规律和焊接热过 程的计算方法，以及焊接热循环的有关 问题，目的是为讨论焊接冶金、应力、 变形、热影响区等建立基础。
第一章 焊接热过程
到目前为止，世界上许多国家的焊接工作者对焊接 热过程进行了大量的系统的研究工作，但距离上述要 求还存在着差距，这主要是因为在解决一些复杂的焊 接传热问题时间不得不提出一些数学上的假设和推导， 这一方面的经典工作是由前苏联的雷卡林完成的，雷 卡林的工作对一些相对简单的情况给出一些解析解， 但其结果常存在很大偏差，有时偏差量常常可以达到 100%，近期有限元理论和数值分析技术的发展，使一 些复杂问题的计算得以进行，因而使计算模型的建立 可以更接近实际情况，准确程度也明显提高，但仍没 有达到完全实用化的程度，并且许多复杂的理论问题 也未得到很好的解决，因此，焊接热过程目前仍然是 国际焊接界研究的热点问题之一。
从上述各种焊接热源来看，有些热量产生于 表面（必须通过传导将其传送至工件内部）， 有些产生于材料内部。由于构件及其坡口的几 何尺寸不同，和焊接热源的可调节将性等方面 的差异，在实际应用中有各种变化。
＜10
＜1
0.25—0.85
第一节 基本概念和基本原理
三、传热基本定律
热传导定律
金属材料焊接时，局部集中的随时间变化的热输 入，以高速度传播到构件的边远部分。在多数情况 下，输入和对流在热输入过程中，也起着重要的作 用，因而也是构件表面热热损失的主要因素。
热传导问题由傅立叶定律来描述：物体等温面上 的热流密度q*[J/mm2s]与垂直于该处等温面的负温 度梯度成正比，与热导率成正比：
第一章 焊接热过程
• 本章以最常规的MIG焊为例来讨论焊接热
源，热场、流场的基本规律和焊接热过 程的计算方法，以及焊接热循环的有关 问题，目的是为讨论焊接冶金、应力、 变形、热影响区等建立基础。
第一章 焊接热过程
到目前为止，世界上许多国家的焊接工作者对焊接 热过程进行了大量的系统的研究工作，但距离上述要 求还存在着差距，这主要是因为在解决一些复杂的焊 接传热问题时间不得不提出一些数学上的假设和推导， 这一方面的经典工作是由前苏联的雷卡林完成的，雷 卡林的工作对一些相对简单的情况给出一些解析解， 但其结果常存在很大偏差，有时偏差量常常可以达到 100%，近期有限元理论和数值分析技术的发展，使一 些复杂问题的计算得以进行，因而使计算模型的建立 可以更接近实际情况，准确程度也明显提高，但仍没 有达到完全实用化的程度，并且许多复杂的理论问题 也未得到很好的解决，因此，焊接热过程目前仍然是 国际焊接界研究的热点问题之一。