第二章 焊接热过程
(完整版)焊接课后习题答案
绪论1、什么是焊接?焊接是指通过加热或加压，或两者并用，并且用或者不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。
第一章1、焊接热过程有何特点？焊条电弧焊焊接过程中，电弧热源的能量以什么方式传递给焊件？其一是对焊件的加热是局部的，焊件热源集中作用在焊件的接口部位，整个焊件的加热时不均匀的。
其二是焊接过程是瞬时的，焊接热源始终以一定速度运动。
主要是通过热辐射和热对流。
2、什么叫焊接温度场？温度场如何表示？影响温度场的主要因素有哪些？焊接过程中每一瞬时焊接接头上各点的温度分布状态称为焊接温度场。
可用列表法、公式法或图像法表示。
影响因素:1热源的性质及焊接工艺参数，2被焊金属的热物理性质，3焊件的几何尺寸级状态。
3、焊接热循环的主要参数有哪些？有何特点？有哪些影响因素？焊接热循环的主要参数是加热速度（VH）、最高加热温度Tm、相对温度以上停留时间（tH）及冷却速焊接热循环具有以下特点：1焊接热循环的参数对焊接冶金过程和焊接热影响区的组织性能有强烈的影响，从而影响焊接质量。
2焊件上各点的热循环不同主要取决于各点离焊缝中心的距离，离焊缝中心越近，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大。
4、焊接冶金有何特点？焊条电弧焊有几个焊接化学冶金反应区？1焊接冶金反应分区域连续进行，2焊接冶金反应具有超高温特征，3冶金反应界面大，4焊接冶金过程时间短，5焊接金属处于不断运动状态。
药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区。
5、焊条电弧焊各冶金反应区的冶金反应有何不同？药皮反应区是整个冶金过程的准备阶段，其产物就是熔滴和熔池反应区的反应物，对冶金过程有一定的影响。
熔滴反应区是冶金反应最剧烈的区域，对焊缝的成分影响最大。
熔池反应区是对焊缝成分起决定性作用的反应区。
6、焊条加热与焊化的热量来自于哪些方面？电阻热过大队焊接质量有何影响？来自于三个方面：焊接电弧传递给焊条的热能；焊接电流通过焊芯时产生的电阻热；化学冶金反应产生的反应热。
焊接过程中的热传递与热应力分析
焊接过程中的热传递与热应力分析热传递和热应力是焊接过程中两个重要的参数，它们直接影响着焊接接头的质量和性能。
本文将对焊接过程中的热传递和热应力进行分析与讨论。
一、焊接过程中的热传递分析在焊接过程中，热传递是指热量从焊丝和工件中传递到接头的过程。
热传递受到许多因素的影响，比如焊接材料的导热性、焊接电流大小、焊接速度等。
首先，焊接材料的导热性对热传递有着决定性的影响。
一般来说，热传导性能较好的焊接材料能够更快地将热量传递到接头，使得焊接过程更加迅速和高效。
其次，焊接电流大小也对热传递有着直接的影响。
电流越大，焊接热量越大，热传递也就更加快速。
但是，如果电流过大，可能会导致过热和烧损的问题，从而影响焊接接头的质量。
此外，焊接速度也是影响热传递的重要因素之一。
焊接速度越快，热传递的时间就越短，从而减少了热对接头材料的影响。
但是，如果焊接速度过快，可能会导致焊接不充分，接头的强度和密封性可能会受到影响。
二、焊接过程中的热应力分析热应力是指由于热胀冷缩引起的工件和焊接接头的应力变化。
焊接过程中，由于焊接热量的作用，焊接接头会发生温度变化，从而引起热胀冷缩现象。
热应力对焊接接头的性能和质量有着重要的影响。
首先，热应力可能会导致焊接接头的变形。
当焊接接头发生温度变化时，由于不同部位的热胀冷缩程度不同，会导致焊接接头产生变形，从而影响接头的几何形状和尺寸。
其次，热应力还可能导致焊接接头的裂纹和缺陷。
焊接过程中，由于热胀冷缩的应力作用，如果焊接接头材料强度不够或存在缺陷，可能会导致裂纹的产生。
最后，热应力还会影响焊接接头的强度和耐久性。
热应力可能会导致焊缝区域的晶粒细化和硬化，从而影响焊接接头的力学性能和抗腐蚀性。
为了减少焊接过程中的热应力，可以采取一些措施。
首先，可以选择适当的焊接材料，具有较低的热膨胀系数和较好的热导性能。
其次，可以采用预热和缓冷的方法，使得焊接接头温度变化更加缓慢，从而减少热应力的产生。
另外，也可以对焊接接头进行残余应力的热处理，以减少热应力的影响。
焊接热过程和冶金过程
焊接 热 过程 和冶金 过程
２ ０ ２ ４ 小 孔等 离 子 弧 焊 接 热 场 的 有 限元 分 析 ／ ０６０９ 王 怀 刚 …／ 焊 接 学 报 ．２ ０ ，６ ７ ．４ ～ ５ ／ 一０ ５ ２ （ ）一９ ３
从而得到焊材本身 的物性参 数 以及焊接 参数 对温度 分布的影响情况。 最终确定影响搅拌摩擦 焊温度场 的 主要 因素 。模拟 结果 短示 。 ３ｍｍ Ｙ ２温 度场 呈碗 Ｌ １
上 的热 量 分 布 ［ ／只 ｏ 髓 Ｈ．Ｆ ／ Ｂｐ ， ｒ－ 俄］ Ｋ 哪 ．／Ｃ ａｏ ． ｐ ￣ｉ
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的 计 算 ／ 政 强 … Ｉ ＇ 管 ．２ ０ ，８４ ．９ ｌ 朱 １ － 一０ ５ ２ （ ）一～ ｌ ￣ 针 对 全 焊 接 球 阀 生 产 中 的温 度 控 制 这 一 关 键 问
题 ， 平 板 对 焊 试 验 温 度 场 进 行 了 计 算 ． 析 丁 空 冷 对 分 和加紫铜散热条两种情况下的温度场分布 后发现 ： 按
评价 ［ 俄 ／ ｅｏｃＢ Ｉ Ｂ ａｙｏ Ｏ．Ｂ ／ Ｃ ａｏ ．ｎ － ．２０ ， ． ／ ＢｐＹ ｐＢ 一０ ２ Ｏ
（）一～ １ ・ １６ ８ ．８ ２ ６ ，３
上， 考虑等离子弧 对熔池 的热一 作用 ， 力 建立 了符合 小 孔形态 的热源模型 ．￣ ｑＬ ｘ ｄ 等离 子弧焊接热场进行 了 有 限元 分析 ． 计算出的小孔等离子弧焊缝形状 与试验 结 果吻合 良好 。图 ｌ 表 ｌ ｌ （ ） 参 ２
～
５．６ ２，６４
第二章 焊接结构的脆性断裂
造成脆性断裂的原因
材料选用不当 起源于焊接结构的不利因素 结构的构造越来越复杂 使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等） 荷载、钢材强度、板厚等都越来越大 设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低
二、金属材料脆性断裂的能量理论
（格里菲斯）Griffith裂纹理论
基点：材料中已存在裂纹 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理 论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 大量研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度只 有它理论断裂强度的1/10~1/1000.
防止结构发生脆性破坏的两个设计准则
①
开裂控制（防止裂纹产生准则）
设计要求在焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头 处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗裂能力。
②
扩展控制（止裂性能准则）
设计要求如果在这些部位产生了脆性小裂纹，其 周围材料应具有将其迅速止住的能力。
（二）断裂评定方法
金属材料的断裂除与材料本质特征有关外，还与 结构所处于的温度、加载速度、应力状态等外加因 素有关，其中温度是个主要因素。 对于一种材料有两个临界温度即开裂温度和 止裂温度。开裂、止裂温度的高低可以用来衡量材 料的抗裂性能和止裂性能。且开裂、止裂的温度越 低，材料的抗开裂性能和止裂性能就越好。
1、冷应变时效：材料经历切割、冷热成形（剪切、弯
曲、矫正）等工序使材料发生应变时效导致材料变脆。
2、热应变时效：在焊接时，近缝区某些加工时留下的刻
槽，即缺口尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附 近，金属受到热循环和热塑变循环的作用，产生焊接应力-应 变集中，导致较大的塑性变形，引起应变时效。 解决措施：焊后经过550～650℃热处理可以消除两类应变时 效对低碳钢和一些合金结构钢的影响，恢复其韧性。
热传递方式及焊接过程热传递方式
热传递方式及焊接过程热传递方式热传递是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
常见的热传递方式有三种：传导、对流和辐射。
1.传导：传导是通过物质内部的分子或原子之间的碰撞和传递热能。
当物体的一部分加热时，热量会通过传导方式从热区域传递到冷区域。
导热性能好的物质（如金属）传导热量较快，而导热性能差的物质（如木材）传导热量较慢。
2.对流：对流是通过流体介质的流动来传递热量。
当流体受热时，它会膨胀变轻而上升，冷却后变重而下降形成对流循环。
对流传热可分为自然对流和强制对流，自然对流是由温差引起的流体自发的对流运动，强制对流是通过外部力（如风扇或泵）施加使流体运动。
3.辐射：辐射是指热量通过电磁波的传播而传递。
所有物体在温度不为绝对零度时都会辐射热能。
辐射传热不需要介质，可以在真空中传递。
辐射传热的强度与物体的温度和表面特性有关。
在焊接过程中，热传递方式主要涉及传导和对流：1.传导：焊接过程中，焊枪或焊接电弧加热焊接接头的表面，热量通过传导方式从焊接接头的表面向内部传递。
这导致接头材料局部升温，形成熔化和热影响区。
2.对流：焊接过程中，通常使用辅助气体（如氩气）来保护焊缝和冷却焊接区域。
辅助气体的流动可以帮助散热和保持焊接区域的稳定温度。
对流还可通过焊接过程中的熔融金属的液态流动来传递热量。
在焊接过程中，除了传导和对流，辐射传热也可能存在，特别是在高温焊接过程中。
然而，辐射传热在焊接中的贡献相对较小。
需要注意的是，具体的焊接过程和焊接设备可能会有不同的热传递机制和特性，因此在实际应用中，针对具体情况可能需要进行更详细的热传递分析和计算。
焊接基本知识
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
1_焊接概念及焊接原理
二、焊接热源及焊接方法
电弧热：利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为 热源（手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、TIG/MIG、MAG等） 化学热：利用可燃气体（液化气、乙炔）或铝、镁热剂与氧 或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源（气焊、热 剂焊） 电阻热：利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为 焊接热源（电阻焊和电渣焊、高频感应热） 摩擦热：由机械高速摩擦所产生的热能作为热源（摩擦焊、 搅拌摩擦焊） 电子束：在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金数 局部表面，使动能转换为热能（电子束焊） 激光束：利用受激辐射而增强的光，经聚焦产生能量高度集 中的激光束作为焊接热源（激光焊接与切割） 等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它 本身携带大量的热能和动能，利用该能量可作为焊接热源。
§1.2.2 焊接化学冶金
熔焊时，焊接区内的各种物质，即液态金 属、熔渣和气相之间在高温下进行的极为 复杂的物理化学变化的过程，称为焊接化 学冶金过程。焊接化学冶金过程对焊缝金 属的成分、性能、焊接缺陷（如气孔、裂 纹等）以及焊接工艺性能都有重要的影响。
一、焊接化学冶金的特点 1、焊接区金属的保护 必要性：如果在空气中不采用任何保护方式进行焊接， 主要带来两方面的问题。 （1）焊接工艺性能差 光焊丝无保护焊接时电弧空间电离 度低，电弧不稳定，飞溅大，焊缝表面质量差，焊缝易产 生各类气孔。 （2）焊缝金属成分和性能变化大 光焊丝无保护焊接所得 到的焊缝金属与母材和焊丝相比，其成分和性能都发生了 较大变化。因高温熔化的金属与周围空气中的气体发生剧 烈反应，使焊缝金属中氧和氮的含量显著增加，而锰、碳 等合金元素由于蒸发和烧损而减少，这使得焊缝金属的塑 性和韧性显著降低，但由于氮的强化作用，焊缝金属强度 的变化不大。
焊接热过程和冶金过程
焊 接 接 头 高 温 使 用 过 程 中 的 热 稳 定 性 。 采 用 镍 基 焊 丝 钨 极 氩 弧 焊 单 面 多道 焊 ， 焊后 在 ７ ０℃ 炉 中 加 热 时 ８ 效 处 理 。 分 析 了 不 同 时 效处 理 后 的 接 头 金 相 组 织 、 显 微硬度 、 冲击 韧 性 ， 比较 了 相 同 时 效 处 理 后 的 Ｔ １ 并 ９ 同 种 钢 接 头 。结 果 表 明 ： 类 接 头 的组 织 与 性 能 帮 具 二 有 良好 的 热 稳 定 性 ， 以安 全 使 用 １ ０ ｈ以上 。经 可 ×１ 。 长 期 高 温 使 用 之 后 ， ｌ Ｓ ３ ４异 种 钢 接 头 Ｔ９ Ｔｇ ／ Ｕ￥ ０ １钢
学 显 微 镜 、 描 电 镜 分 析 １ ％Ｃ 扫 ２ ｒ铁 素 体 不 锈 钢 的 焊
接 热 影 响 区 为 铁 素体 和 马 氏体 以 及 碳 、 化 物 组 成 的 氮 粗 晶 区 和 细 晶 区二 部 分 结 果 表 明 ， 素 体 晶 粒 的 尺 铁
寸 与 马 氏 体 的 含 量 是 影 响 热 影 响 粗 晶 区 韧 性 的 主要
焊 接 接 头 和 母 材 蠕 变 速 率 逐 渐 超 过 细 晶 区 ， 变 断裂 蠕 易 发 生 在 焊 缝 或母 材 上 。 图 ６ ３ ９ 表 参
２ １３ ２ 基 于 Ｆ Ｕ Ｎ ０００９ Ｌ Ｅ Ｔ的 Ｔ Ｇ 焊 瞬 态 熔 池 三 维 形 Ｉ
态 的 数 值 模 拟 ／ 尤 智 … ／ 焊 接 学 报 ．２ ０ ， ０ １ ） 袁 ／ 一０ ９ ３ （ ２ ：
力较 低 时 ， 晶 区 的蠕 变 应 变 率 最 大 ， 此 在 低 应 力 细 因
下 细 晶 区容 易 发 生 蠕 变 开 裂 ； 着 应 力 水 平 的 增 加 ， 随
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。
第二章 电弧焊熔化现象
注意：微量元素会对熔深、熔宽有影响，当采用规范参数 不变时，可通过调整微量元素来改变熔深。
3） 焊接熔池表面张力流的研究（自学） 注意：微量元素会对熔深的影响原因是 引起表面张力的正温度系数变化。氧、
硫使熔深增加的原因如右图：
3
等离子流及电磁对流对熔化现象的影响 等离子流使熔池表面金属产生向着周边的流动。 电磁对流使熔池表面金属产生向着熔池中心的流动。
2）坡口和间隙
采用对接形式焊接薄板时不需留间隙，也不需开坡口； 板厚较大时，为了焊透工件需留一定间隙或开坡口，此时 余高和熔合比随坡口或间隙尺寸的增大而减小，因此，焊 接时常采用开坡口来控制余高和熔合比。
总之，影响焊缝成形的因素很多，想获得良好的焊缝 成形，需根据工件的材料和厚度、焊缝的空间位置、接头 形式、工作条件、对接头性能和焊缝尺寸要求等，选择合 适的焊接方法和焊接工艺参数；否则就可能造成焊缝的成
（一）熔滴上的作用力
1
重力
重力对熔滴过渡的影响依焊接位置的不同而不同。 平焊时，熔滴上的重力促使熔滴过渡；而在立焊及仰 焊位置则阻碍熔滴过渡。 FG＝mg＝(4／3)πRD³ρg
2
表面张力Fσ 此处的表面张力Fσ 是指焊丝端头上保持熔滴的 作用力。
Fσ ＝2π Rσ 式中 ： R——焊丝半径；σ ——表面张力系数。
3） 熔池内部的电流产生的电磁力：指向电流发散方向。
4）熔化金属密度差引起的浮力流。 2 表面张力流与微量元素的影响 1）液态金属的表面张力 （1） 表面张力随温度的增加而降低。
（2） 大多数液态金属，当其含有氧、硫等表面活性元素 时，表面张力会大幅度降低。 注意：当有表面活性元素存在时，表面张力的温度系数会 变为正值。见P65图2.11。 2） 微量元素对熔池现象的影响（自学）