焊接冶金学——基本原理
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–描述焊接热源对被焊金属的热作用过程
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数
① 加热速度 ② 加热的最高温度 ③ 在相变温度以上的停留时间 ④ 冷却速度或冷却时间
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•焊接热循环的参数
焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
化问题。
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焊接冶金学——基本原理
1.1 焊接过程分析
Ø 焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→
•加热过程
结晶→固态相变→接头（冷却而形成）
Ø 焊接热过程的特点
1. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 2. 瞬时性——1800K/s 3. 热源是运动的 4. 焊接传热过程的复合性
•冷却过程
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 热源在焊件上的分布
➢ 热流密度的分布
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•q:电弧的有效功率 •qm:加热斑点中心的最大比热流
•dH:回执斑点直径
•加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热
•焊接熔池形状示意图
➢ 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
Ø 焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
•距焊缝距离变近
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
Ø 焊接热循环的影响因素 ① 距离
② 焊接方法
③ 多层焊
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•不同焊接方法的焊接热循环
•1-手弧焊
2-埋弧焊 3-电渣焊
➢ 焊接热循环的主要参数 ① 加热速度
– 加热速度受许多因素影响： • 不同的焊接方法 • 不同的被焊金属 • 不同厚度 • 不同焊接热输入等
– 加热速度方面的研究还不够充分 – 特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
•所以，等温线的形状变得细长
•热输入量q=常数， •热源移动速度v对温度场的影响
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•热源功率q •增加
•影响因素
•热源移动速度v保持为常数时 •随热源功率q的增加
•等温线在焊缝横向变窄 •等温线在焊缝方向伸长
焊接冶金学——基本原理
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/21
焊接冶金学——基本原理
➢ 焊接热循环的主要参数 ② 加热的最高温度
– 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热效率
–电弧功率
–电弧有效热功率
–热效率
焊接方法
焊条电弧焊 埋弧焊 电渣焊
电子束及激光束 TIG焊 钢
MIG焊 铝
η
0.77～0.87 0.77～0.90
0.83 >0.9 0.68～0.85 0.66～0.69 0.70～0.85
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 等温线
•焊 缝
–等温线不可能相交 –等温线、等温面之间有温差
• 大小：温度梯度 • 方向：垂直于等温面
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 随着热源的移动，熔 池沿焊接方向作同步 移动
•熔池温度分布 •1-熔池中部 2-熔池前部 3-熔池尾部
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•影响因素
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•在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下 •不同材料板上移动线热源周围的温度场
焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环
–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
–焊接工艺参数 –被焊金属的热物理性质 –焊件的板厚及形状
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焊接冶金学——基本原理
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•热源移动速度v
•增加
•影响因素
•热源功率q保持为常数时 •随焊接速度v的增加
•等温线的范围变小 •温度场的宽度和长度均变小 •宽度显著变小
➢ 熔池前部
–母材不断地熔化
➢ 熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 度逐渐降低
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分
布 c. xoy面上的等温线 d. yoz面上沿y轴的温度分
布 e. yoz面上的等温线
➢ 焊接热循环的主要参数 ④ 冷却时间
• 从800oC冷却到500oC时所用时间 – 碳钢、不易淬火的低合金钢
• 从800oC冷却到300oC时所用时间 – 易淬火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右)
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• 从高温冷却到100oC时所用时间 – 扩散氢
焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
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焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
Ø 实现金属焊接所需的能量
–热能
–机械能
•熔 焊
Ø 焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； –快速实现焊接过程； –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
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焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
焊接冶金学——基本原 理
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2020/11/21
焊接冶金学——基本原理
传热学
Ø 传热学是研究热量传递规律的一门科学。 Ø 热传递：热传导、对流和热辐射 Ø 许多学科都涉及到传热学的问题！
➢ 焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力 变形等均有重要影响！
➢ 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 ➢ 焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变
➢ 焊接热循环的主要参数 ④ 冷却速度或冷却时间—决定热影响区组
织性能
– 指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时 温度的冷却速度
– 为了便于测量和分析比较，采用800～ 500oC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因 为这一温度区间是相变的主要温度范围
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
f. 板厚25mm低碳钢焊件
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•厚大焊件上点 状移动热源的温
度场
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 典型焊接温度场
–稳定温度场 –不稳定温度场——常态
➢ 焊接温度场的影响因素
–热源的性质
–一维温度场 –二维温度场 –三维温度场
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焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接
➢ 线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接
➢ 面热源（一维）plane heat source
–细棒磨擦焊
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•焊接熔池表面积内部的流体流动模式
焊接冶金学——基本原理
…
•商业软件： •ABAQUS, •ANSYS, •FLUENT,
•MARC, •PHOENIX,
•ADINA, •SYSWELD,
•…..
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊接热源的种类
-电弧热 • 气体介质中的电弧放电
?新焊接能源？！！！！
– 摩擦热 • 机械高速摩擦
– 化学热 • 可燃气体
– 电阻热 • 电阻焊、电渣焊
– 高频感应热 • 磁性的金属高频感应产生二次 电流作为热源
– 电子束 高速运动的电子轰击
– 等离子焰 • 电弧或高频放电—离子流
– 激光束 • 激光聚焦
➢ 狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布
•y ’
•y
•O’ •z ’
•vt •O
•z
• 焊件上各
点瞬时温度
分布的温度
场对分析焊
接传热过程,
焊接物理冶
•x
金过程和焊 接化学冶金
过程至关重
要。
➢ 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热 源周围的温度分布即“焊接温度场”
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焊接冶金学——基本原理
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•热源移动速度v=常数， •热输入量q对温度场的影响
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•热源移动速度v •热源功率q增加
•影响因素
•q/v保持为常数时 •同比例改变q和v
•等温线拉长 •温度场范围拉长
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•q/v=常数，热输入量及热源移动速度 •等比例变化时对温度场的影响
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数
① 加热速度 ② 加热的最高温度 ③ 在相变温度以上的停留时间 ④ 冷却速度或冷却时间
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•焊接热循环的参数
焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
化问题。
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焊接冶金学——基本原理
1.1 焊接过程分析
Ø 焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→
•加热过程
结晶→固态相变→接头（冷却而形成）
Ø 焊接热过程的特点
1. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 2. 瞬时性——1800K/s 3. 热源是运动的 4. 焊接传热过程的复合性
•冷却过程
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 热源在焊件上的分布
➢ 热流密度的分布
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•q:电弧的有效功率 •qm:加热斑点中心的最大比热流
•dH:回执斑点直径
•加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热
•焊接熔池形状示意图
➢ 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
Ø 焊接热循环的影响因素 ① 距离 ② 焊接方法 ③ 多层焊
•距焊缝距离变近
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
Ø 焊接热循环的影响因素 ① 距离
② 焊接方法
③ 多层焊
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•不同焊接方法的焊接热循环
•1-手弧焊
2-埋弧焊 3-电渣焊
➢ 焊接热循环的主要参数 ① 加热速度
– 加热速度受许多因素影响： • 不同的焊接方法 • 不同的被焊金属 • 不同厚度 • 不同焊接热输入等
– 加热速度方面的研究还不够充分 – 特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
•所以，等温线的形状变得细长
•热输入量q=常数， •热源移动速度v对温度场的影响
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•热源功率q •增加
•影响因素
•热源移动速度v保持为常数时 •随热源功率q的增加
•等温线在焊缝横向变窄 •等温线在焊缝方向伸长
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焊接冶金学——基本原理
➢ 焊接热循环的主要参数 ② 加热的最高温度
– 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热效率
–电弧功率
–电弧有效热功率
–热效率
焊接方法
焊条电弧焊 埋弧焊 电渣焊
电子束及激光束 TIG焊 钢
MIG焊 铝
η
0.77～0.87 0.77～0.90
0.83 >0.9 0.68～0.85 0.66～0.69 0.70～0.85
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 等温线
•焊 缝
–等温线不可能相交 –等温线、等温面之间有温差
• 大小：温度梯度 • 方向：垂直于等温面
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 随着热源的移动，熔 池沿焊接方向作同步 移动
•熔池温度分布 •1-熔池中部 2-熔池前部 3-熔池尾部
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•影响因素
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•在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下 •不同材料板上移动线热源周围的温度场
焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环
–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
–焊接工艺参数 –被焊金属的热物理性质 –焊件的板厚及形状
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1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•热源移动速度v
•增加
•影响因素
•热源功率q保持为常数时 •随焊接速度v的增加
•等温线的范围变小 •温度场的宽度和长度均变小 •宽度显著变小
➢ 熔池前部
–母材不断地熔化
➢ 熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 度逐渐降低
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分
布 c. xoy面上的等温线 d. yoz面上沿y轴的温度分
布 e. yoz面上的等温线
➢ 焊接热循环的主要参数 ④ 冷却时间
• 从800oC冷却到500oC时所用时间 – 碳钢、不易淬火的低合金钢
• 从800oC冷却到300oC时所用时间 – 易淬火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右)
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• 从高温冷却到100oC时所用时间 – 扩散氢
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
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1.2 焊接热源 welding heat source
Ø 实现金属焊接所需的能量
–热能
–机械能
•熔 焊
Ø 焊接热源的特点：
–能量密度高度集中； –快速实现焊接过程； –保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。
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1.2 焊接热源 welding heat source
焊接冶金学——基本原 理
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焊接冶金学——基本原理
传热学
Ø 传热学是研究热量传递规律的一门科学。 Ø 热传递：热传导、对流和热辐射 Ø 许多学科都涉及到传热学的问题！
➢ 焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力 变形等均有重要影响！
➢ 焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。 ➢ 焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变
➢ 焊接热循环的主要参数 ④ 冷却速度或冷却时间—决定热影响区组
织性能
– 指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时 温度的冷却速度
– 为了便于测量和分析比较，采用800～ 500oC的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因 为这一温度区间是相变的主要温度范围
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1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
f. 板厚25mm低碳钢焊件
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•厚大焊件上点 状移动热源的温
度场
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 典型焊接温度场
–稳定温度场 –不稳定温度场——常态
➢ 焊接温度场的影响因素
–热源的性质
–一维温度场 –二维温度场 –三维温度场
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焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 点热源（三维）point heat source
–厚大焊件焊接
➢ 线热源（二维） linear heat source
–薄板焊接
➢ 面热源（一维）plane heat source
–细棒磨擦焊
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•焊接熔池表面积内部的流体流动模式
焊接冶金学——基本原理
…
•商业软件： •ABAQUS, •ANSYS, •FLUENT,
•MARC, •PHOENIX,
•ADINA, •SYSWELD,
•…..
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊接热源的种类
-电弧热 • 气体介质中的电弧放电
?新焊接能源？！！！！
– 摩擦热 • 机械高速摩擦
– 化学热 • 可燃气体
– 电阻热 • 电阻焊、电渣焊
– 高频感应热 • 磁性的金属高频感应产生二次 电流作为热源
– 电子束 高速运动的电子轰击
– 等离子焰 • 电弧或高频放电—离子流
– 激光束 • 激光聚焦
➢ 狭义定义：某瞬时工件上各点的温度分布
•y ’
•y
•O’ •z ’
•vt •O
•z
• 焊件上各
点瞬时温度
分布的温度
场对分析焊
接传热过程,
焊接物理冶
•x
金过程和焊 接化学冶金
过程至关重
要。
➢ 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热 源周围的温度分布即“焊接温度场”
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•热源移动速度v=常数， •热输入量q对温度场的影响
焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
•热源移动速度v •热源功率q增加
•影响因素
•q/v保持为常数时 •同比例改变q和v
•等温线拉长 •温度场范围拉长
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•q/v=常数，热输入量及热源移动速度 •等比例变化时对温度场的影响