焊接热循环概述
第二章 焊接热过程
（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。
《四焊接热影响区》PPT模板课件
（4）焊接规范对HAZ冷却速度的影响
HAZ的冷却速度受焊接电流、电弧 电压、焊接速度等的影响，冷却速度随 着焊接线能量的增加而降低（图5－68）。
焊接接头的形状对冷却速度也有影 响。角焊缝、T字接头的冷却速度比对 接焊缝的冷却速度要快得多。
焊接方法
各区的平均尺寸 (mm) 过 热 相变重结晶 不完全重结晶
手弧焊 埋弧自动焊 电渣焊 氧乙炔气焊 真空电子束焊
0.8~1.2 2.2~3.0 18~20
21 —
0.8~1.7 1.5~2.5 5.0~7.0
4.0 —
0.7~1.0 2.2~3.0 2.0~3.0
2.0 —
总宽 (mm)
2.3~4.0 6.0~8.5 25~30
四焊接热影响区
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焊接热影响区（HAZ：heat affected zone）
焊接接头包括焊缝和焊接热影响区（图4－1） 。
HAZ也叫近缝区，是焊缝熔合区与母材被加热之间的区域, 是焊接接头最薄弱的部分（图4－2）。
第一节 焊接热循环
A体的不均匀将影响到冷却过程的组织转变。
二、 冷却过程的组织转变CCT图（1）
由于焊接与热处理的热循环特点不同（图4－20），所以即 使在同样的冷却条件下获得的组织也不一样（表4－9）。
表 4-9 焊接及热处理条件下的组织百分比
钢 冷却速度
组织
种 (℃／s) 铁素体 马氏体
(％) 珠光体及 中间组织
3 相变温度以上停留的时间（tH） tH包括加热时停留的时间t＇和冷却
焊接热过程
焊接热过程1、焊接热过程复杂性表现：①焊接热过程的局部性和不均匀性；②焊接热过程的瞬时性；③焊接热源的相对运动。
2、热量来源：电弧热、电阻热、相变潜热、变形热。
电弧热：利用气体介质的放电过程来产生热量，并熔化焊丝和加热工件，焊接的主要热源。
电阻热：焊接电流流过焊丝和工件时，有焊丝和工件本身电阻将电能转化为热能产生的热。
3、散热机构：①环境散热、②飞溅散热4、热传递方式：热传导、辐射、对流、焓迁移。
5、分析焊接热过程需处理的问题：①热源；②热量传输方式；③传质问题；④相变；⑤位移、⑥力学问题。
6、焊接热源：①按形式：电能、机械能、光辐射能、化学能。
②按种类：电弧焊热源、气焊热源、电阻焊热源、摩擦焊热源、电子束焊热源、激光焊热源、铝热剂焊热源。
7、构件几何尺寸简化：①半无限扩展的立方体、②无限扩展的板、③长度无限扩展的板。
8、焊接热源模型：点热源、线热源、面热源、高斯热源、双椭球热源、广义双椭球热源。
9、焊接温度场：焊接过程中，某一时刻所有空间各点温度的总计或分布。
用等温面（线）表示。
等温面：工件上具有相同温度的所有点的轨迹。
10、焊接热循环：指焊接过程中，工件上的温度随着瞬时热源或移动热源的作用而发生变化，温度随时间由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化。
简单说就是工件上某点的温度随时间的变化，它描述了该点在焊接过程中热源对其热作用的过程。
主要参数：①加热速度；②加热最高温度；③在相变以上温度停留时间；④冷却速度。
11、多层焊：长段多层焊（1m以上）、短段多层焊（50~400mm）（适合硬化倾向大和晶粒粗化倾向大的钢材焊接）12、热效率：熔化极焊接热效率>非熔化极，埋弧焊热效率>明弧焊，潜弧焊接热效率>明弧13、电极的熔化：是焊接电弧的重要功能之一，对焊接工艺过程、冶金过程、焊接缺欠的产生和焊接生产效率有很大影响。
14、电弧焊时加热和熔化电极的能量：电流流过焊丝的电阻热、电弧传给焊丝端部的热、化学反应热。
焊接冶金基础
（2） 熔池质量和存在时间 熔池质量在几克到几十几克之间，取决于焊接方法。 熔池液态存在的时间取决于焊接方法、焊接规范等。
表 1-4 碳钢电弧焊时溶池最大存在时间
焊接方法
焊接规范
熔池最大存在时间
I ／(A) U (V) υ(m／h)
(s)
埋弧焊
575
36
50
840
37
41
20
1100
38
18
1560
2 短段多层焊：第一道焊缝仍处于高温时，进行第二 道焊缝的焊接。 短段多层焊适于焊接晶粒易长大而又 易于淬硬的钢种，尤其是用于铸铁补焊。
（五）焊接热循环调整方法
（1） 根据被焊金属选择合理焊接方法。
（2）合理选择工艺参数。在保证焊接质量 的前提下，尽量减少焊接线能量E。但高效 焊接往往是高E。
（3）对淬硬钢采取预热或缓冷措施。
焊接线能量 E = Q =ηUI vv
式中：E－焊接线能量J/cm； v－焊接速度cm/s。
（三） 焊接传热的基本方式
(1) 传导：金属固体的内部、焊缝对熔渣之间的热传递。 (2) 对流：液态金属和液态熔渣的内部热传递。 (3) 辐射：焊条端部对熔池、热金属对大气之间的热传递。
二、焊接温度场
指焊接某一区域某一瞬 间温度的分布。也可以说， 温度是空间某点位置和时间 的函数。
(2) 将金属加热到塑性状态，施加压力使接触面的氧化膜被破 坏。加热也增加原子的振动能，促进扩散和结晶过程的进 行。
(3) 通过液态中间材料，如粘结剂或低熔点金属，将两个固态 金属连接在一起。
(4) 因液态金属原子之间的距离很容易达到rA，所以加热熔化 金属，凝固后两块金属即可实现连接。
焊接方法分为：
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。
第三章：焊接基础知识
三、焊接热循环
• 焊接热循环的概念
T
焊接过程中热源沿焊件秱 动时，焊件上某点温度由 低而高，达到最高值后， 又由高而低随时间的变化 称为焊接热循环
t
焊接热循环是用来描述焊接过程中热源对母 材金属的热作用。
• 在焊缝双侧丌同距离的各点所经历的热循环是 丌同的（见下图）
焊接热循环的主要参数
（一）加热速度（v H） v H= d T / d t
2）置换氧化 ①熔渣中癿SiO2、MnO等发生以下反应： （SiO2）+2[Fe][Si]+2FeO （MnO）+[Fe][Mn]+2FeO 焊缝增Si,Mn，使Fe氧化温度升高， K,故置换氧化主要发生在高温区，随着温 度降低，熔池后部癿低温区Si、Mn被氧化， 生成夹杂
②药皮中含Al、Ti、Cr等强脱氧元素时，置换脱氧效 果更明显，高碳高强钢应采用无SiO2药皮
一、对焊接区癿保护
1.光焊丝焊接时 [N] ＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍， [O] ＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍， [Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导 致塑性韧性下降,光焊丝无保护癿焊接丌实用 2.保护方法 药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等 3.保护效率 不保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好
1.药皮反应区
二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3）
（1）产生癿气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化 a. ＜100°C 吸附水分蒸发 b.>200~400°C 排除结晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有机物癿分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐癿分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):产生CO2 ④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿 MnO2):产生O2
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。
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第九章 焊 接 接 头
目录
三、焊缝金属中的氮 四、焊缝金属中的硫 五、焊缝金属中的磷 复习思考题
第一节 焊接接头概述
一、焊接接头的组成
用焊接方法连接的接头称为焊接接头， 焊接方法应用最广泛的能源是使焊接材料和母材熔化的电能源， 熔焊焊接接头是由两个或两个以上的焊件或零件用熔焊焊接方 法连接的接头,它由焊缝金属、熔合区、热影响区组成，熔焊焊接接 头组成见图9-1，
目录
第一节 焊接接头概述 一、焊接接头的组成 二、焊接接头的形式 第二节 焊接热循环概述 一、焊接热循环的主要特点 二、影响焊接热循环的因素 第三节 焊缝金属的组织与性能 一、焊缝熔池的一次结晶 二、焊缝金属的二次结 三、焊接热影响区的组织与性能
第九章 焊 接 接 头
目录
第四节 改善焊接接头性能的方法 一、选择合适的焊接工艺方法 二、选择合适的焊接参数 三、选择合适的焊接热输入 四、选择合理的焊接操作方法 五、正确选择焊接材料 六、正确选择焊后热处理方法 七、控制熔合比 第五节 焊缝金属中的有害元素 一、焊缝金属中的氧 二、焊缝金属中的氢
第三节 焊缝金属的组织与性能
2 热影响区的强度和塑性变化
热影响区的强度和塑性变化情 况如图9-7所示，
3 热影响区的韧性变化
热影响区冲击韧度的变 化如图9-8所示，
图9-7 热影响区的强度和塑性变化
图9-8 热影响区冲击韧度的变化
第四节 改善焊接接头性能的方法
一Байду номын сангаас选择合适的焊接工艺方法 二、选择合适的焊接参数 三、选择合适的焊接热输入 四、选择合理的焊接操作方法 五、正确选择焊接材料 六、正确选择焊后热处理方法 七、控制熔合比
3.控制氧的措施
1 纯化焊接材料 2 正确选择焊接参数 3 脱氧反应
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焊接热循环概述
一、焊接热循环的特点
热能传递方式主要有传导、对流、辐射三种。
在利用电弧热进行焊接时，电弧热传递给焊件的方式是传导和辐射。
由于在焊接过程热源在不断的移动，不同的距离、不同的时刻焊件各点的温度都是不同的。
焊接温度场，是焊接过程中的某一瞬间在焊件上各点的温度分布
焊接温度场能反映出焊件温度在某一瞬间在空间的分布情况，但不能说明焊件上各点温度随时间变化的情况。
这种反映焊件上的某一点，在焊接热源的作用下，其温度随着时间的变化由高到低的过程为焊接热循环。
焊接热循环的主要参数是加热速度、加热最高温度、禁止变温度以上的停留时间和冷却速度。
特征：
1）虽然焊接过程加热温度高，加热速度和冷却速度都大，但是，加热速度比冷却速度更大。
2）焊件各点的热循环不同，越靠近焊缝中心位置，，峰值
温度越高，加热温度和冷却温度也越大，反之亦然。
二、影响焊接热循环的温度的因素
（1）焊接热输入：是综合焊接电流、电弧电压、焊接速度的参数，当焊接电流或电弧电压越大，而焊接速度不变或减小，则焊接热输入越大；当焊接速度越大，而焊接电流或电弧电压不变或减小，则焊接热输入越小。
由此，焊接热输入越大，在高温停留的时间就越长，焊后冷却速度也就变慢。
焊接热输入变小，在高温停留时间也变短，焊后的冷却速度将变快。
（2）焊接方法：焊接方法不同，加热速度、高温停留时间、焊后冷却速度及焊接热输入都有所不同。
不同焊接方法的热输入
焊接方法焊接电流电弧电压焊接速度焊接热输
入
180 24 0.25 17280 焊条电弧
焊
(3)焊前预热在焊接热输入相同的情况下,焊前预热可以降低焊后冷却速度。
但是，不会增加在高温停留的时间。
所以焊前预热不会使焊弧组织晶粒粗化加剧，力学性能变差。
相
反却可以避免焊缝组织淬硬。
（4）层间温度：层次温度与焊前预热的作用相同。
（5）其他因素：
1）焊件厚度增加时，焊件在高温停留的时间减小，冷却速度加快。
2）接头形式的影响：由于接头的散热面的不同，冷却速度各不相同。
3）热导率的影响：热导率大的材料，冷却速度快，焊件在
高温停留的时间短；反之。