第九章熔化焊的热过程优秀PPT.ppt
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1、第九章 熔化焊的热过程第一页,本课件共有50页本课程参考书目:1.焊接冶金学 天津大学 张文钺主编2.材料成形原理 华中科技大学 陈昌平主编3.材料成形基本原理 合肥工业大学 刘全坤主编4.金属材料成型原理 江苏大学 雷玉成等主编第二页,本课件共有50页绪论本课程的研究内容本课程的研究内容:熔焊过程中的热作用熔焊过程中的热作用 液态金属与周围气体的反液态金属与周围气体的反应应,液态金属与熔渣的相互作用液态金属与熔渣的相互作用 液态金属凝固特点液态金属凝固特点 焊缝金属的组织与性能焊缝金属的组织与性能,焊接热影响区的组织与性焊接热影响区的组织与性能能 焊接缺陷分析焊接缺陷分析.焊接过程的物理本质
2、焊接过程的物理本质1 1、什么是焊接、什么是焊接?被焊工件的材质被焊工件的材质(同种或异种同种或异种),),通过通过加热或加压或两者加热或加压或两者并用并用,并且用或不用填充材料并且用或不用填充材料,使工件达到使工件达到原子间结合原子间结合,形形成成永久性接头永久性接头.第三页,本课件共有50页微观上:原子间结合 宏观上:永久性接头原子间结合,对于金属来说就是形成金属键.金属原子之间的距离达到0.30.5nm时,相互之间的作用力达到最大.第四页,本课件共有50页要让金属原子之间的距离达到要让金属原子之间的距离达到0.30.5nm,采用加压或加压的采用加压或加压的方式方式:加压加压:破坏氧化膜破
3、坏氧化膜,使接触紧密使接触紧密.加热加热:使结合处达到塑性或熔化使结合处达到塑性或熔化状态状态,此时此时,接触面的氧化膜迅速接触面的氧化膜迅速破坏破坏,降低变形阻力降低变形阻力,增加原子的振增加原子的振动能动能,促进扩散促进扩散,再结晶再结晶.实现金属焊接所需要的压力与实现金属焊接所需要的压力与温度之间有一定的关系温度之间有一定的关系.第五页,本课件共有50页第一节 熔化焊热源及温度场 一、焊接热源 焊接的能源从基本性质来看,主要是热能和机械能 对焊接热源的要求:能量密度高度集中,实现快速焊接过程,保证得到高质量(强韧而致密)焊缝和最小的焊接热影响区(HAZ)。1、焊接热源的种类 及特征 电弧
4、热:利用气体介质在正负电极之间产生的强烈而持久的放电过程所产生的热能来作为焊接热源.焊接中应用最广泛的热源。第六页,本课件共有50页等离子弧:利用等离子焊炬,将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧。利用等离子弧作为焊接热源的熔焊方法称为等离子弧焊。电子束:利用真空中被电场加速的电子轰击被焊工件表面所产生的热能作为焊接热源。如电子束焊,电子束焊的深宽比可达40以上.激光束:通过受激辐射而使放射增强的光(激光),经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源,如激光焊。化学热:利用可燃性气体的燃烧和铝、镁热剂的反应热作为焊接热源,如气焊、热剂焊。以上是熔化焊的主要热源形式。此
5、外,还有其它热源可用于压力焊和钎焊等。电阻热:利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源(如电阻焊)。高频热源:利用高频电流或高频感应产生的二次电流作为热源,对具有磁性的金属材料进行局部集中加热,其实质是电阻加热的另一种形式。这种加热方式的能量高度集中,故可实现很高的焊接速度,如管材的高频焊。摩擦热:利用机械磨擦所产生的热量进行焊接,如摩擦焊。第七页,本课件共有50页热 源最小加热面积/m2最大功率密度/(kW/cm2)温度/K乙炔火焰10-621033473金属极电弧10-71046000钨极氩弧(TIG)10-71.51048000埋弧焊10-721056400电渣焊10-61042300
6、熔化极氩弧焊10-8104105-等离子弧10-91.51051800024000电子束10-11107109-激光束10-12107109-各种焊接热源的主要特性 第八页,本课件共有50页2.焊接热效率(1)电弧焊热效率 如果电弧是无感的 q=UI 若能量不全部用于加热焊件,则加热焊件获得的有效功率为 q=UI :有效功率系数在一定条件下是常数,主要取决于焊接方法、焊接规范、焊接材料和保护方式。第九页,本课件共有50页(2)电渣焊热效率)电渣焊热效率 电渣焊时,由于熔池处于厚大件的中间,热能主要损失于电渣焊时,由于熔池处于厚大件的中间,热能主要损失于强制焊缝的冷却滑块,热效率可达强制焊缝的冷
7、却滑块,热效率可达80%以上。电渣焊易使热以上。电渣焊易使热影响区过宽,晶粒粗大,焊接接头的性能下降。影响区过宽,晶粒粗大,焊接接头的性能下降。(3)电子束和激光焊接的热效率)电子束和激光焊接的热效率 他们的特点是能量高度集中,在进行焊接时能量损失较他们的特点是能量高度集中,在进行焊接时能量损失较少,热效率可达少,热效率可达90%以上以上3.焊件加热区的热能分布焊件加热区的热能分布 加热区加热区热源的能量传递给焊件时所通过的焊件表热源的能量传递给焊件时所通过的焊件表面上的区域面上的区域第十页,本课件共有50页(1)活性斑点区 带点质点直接轰击直径为dA的斑点区域,电能热能(2)加热斑点区 在直
8、径为dH的区域内,金属受热是通过辐射、对流进行的。加热斑点区的热能分布是不均匀的。加热斑点区的热能分布不均匀:中心高,边缘低。电流不变,电压升高,T减小;电压不变,电流升高,T增大第十一页,本课件共有50页第十二页,本课件共有50页第十三页,本课件共有50页二、焊接温度场1.焊接时热作用的特点焊接时热作用的特点(1)集中性)集中性(2)瞬时性)瞬时性2.焊接传热基本形式焊接传热基本形式(根据传热学基本理论)(根据传热学基本理论)(1)、热传导)、热传导 再连续介质内部或相互接触的物体之间不发生位移,再连续介质内部或相互接触的物体之间不发生位移,而仅依靠分子、原子等微观颗粒的热运动而产生的热量传
9、输。而仅依靠分子、原子等微观颗粒的热运动而产生的热量传输。(2)、热对流)、热对流 由流体各质点之间的相对位移而引起的热量传输形由流体各质点之间的相对位移而引起的热量传输形式。温差、密度式。温差、密度 自然对流,机械力、电磁力自然对流,机械力、电磁力 强迫对流。强迫对流。(3)、热辐射)、热辐射 由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递。传递。第十四页,本课件共有50页焊接过程中,热源焊接过程中,热源 焊件焊件 对流、辐射为主对流、辐射为主 母材、焊条本身母材、焊条本身 热传导为主热传导为主热传导过程的偏微分方程热传导过程的偏微分方程(根据傅
10、立叶公式和能量守恒定律建立)(根据傅立叶公式和能量守恒定律建立)三维传热三维传热 二维传热二维传热 一维传热一维传热具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。具体求解时需给出热导体的初始条件与边界条件。初始条件:物体开始导热时的瞬时温度分布初始条件:物体开始导热时的瞬时温度分布边界条件:热导体表面与周围介质间的热交换情况。边界条件:热导体表面与周围介质间的热交换情况。常见的三种边界条件:常见的三种边界条件:第一类:给定物体表面温度随时间的变化关系第一类:给定物体表面温度随时间的变化关系第二类:给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系第二类:给出通过物体表面的比热流随时间变化的关系第三类:给出
11、物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系第三类:给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数数a。第十五页,本课件共有50页第十六页,本课件共有50页3.焊接温度场的概念焊接温度场焊接温度场某瞬时焊件上各点的温度分布某瞬时焊件上各点的温度分布 T=f(x,y,z,t)等温线(面)等温线(面)焊件上瞬时温度相同的点连成的线(面)焊件上瞬时温度相同的点连成的线(面)每条线或面之存在温度差,其大小可以用温度梯度来表示:每条线或面之存在温度差,其大小可以用温度梯度来表示:Grad T第十七页,本课件共有50页稳定温度场稳定温度场非稳定温度场非稳定温度场准稳定温度场准稳定温度场第十八页,本
12、课件共有50页第十九页,本课件共有50页数学分析法(1)数学解析的简化条件:数学解析的简化条件:1)焊接过程中材料的热物理常数不变,初始温度均匀)焊接过程中材料的热物理常数不变,初始温度均匀2)三维或二维传热时,各方向传热互不影响)三维或二维传热时,各方向传热互不影响3)焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型:)焊件尺寸和焊接热源可概括为三种类型:a)半无限大物体半无限大物体 三维传热三维传热 点热源点热源b)无限薄物体无限薄物体 二维传热二维传热 线热源线热源c)无限长细杆无限长细杆 一维传热一维传热 面热源面热源4)边界条件:厚板焊件的热能全部向物体内部传导;薄板)边界条件:厚板焊件的热能全部
13、向物体内部传导;薄板或细杆表面与介质间的热传导忽略不计或细杆表面与介质间的热传导忽略不计5)焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变)焊接热源在单位时间内输出的能量保持不变6)热源运动过程中所产生的热作用效果,可视为相继作)热源运动过程中所产生的热作用效果,可视为相继作用于不同点的无数集中热源作用的总和,而多个瞬时热源用于不同点的无数集中热源作用的总和,而多个瞬时热源之间互不影响之间互不影响第二十页,本课件共有50页厚板温度场表达式1.正常速度运动时的特解:正常速度运动时的特解:2.热源稿速度运动时的近似解:热源稿速度运动时的近似解:薄板温度场表达式1.正常速度运动时的特解:正常速度运动时的特解
14、:2.热源稿速度运动时的近似解:热源稿速度运动时的近似解:第二十一页,本课件共有50页5.影响温度场的因素(1)热源的性质(2)焊接工艺参数 q v q一定 v增大增大 等温线的范围变小,热源集中程度增大等温线的范围变小,热源集中程度增大 v一定一定 q增大增大 温度场的范围增大温度场的范围增大 grad T q/v一定 v 较大时 grad T(3)金属的热物理性质 热物理性质主要是指 热扩散率=/c 焊接线能量 E 相同 a grad T 板厚 其他因素不变,随板厚的减小,焊件表面的高温区域第二十二页,本课件共有50页第二十三页,本课件共有50页第二十四页,本课件共有50页第二十五页,本课
15、件共有50页第二节 焊接热循环 焊焊接接时时在在焊焊接接热热源源的的作作用用下下,焊焊缝缝周周围围的的母母材材发发生生组组织织和和性性能能变变化化的的区区域域称称为为焊焊接热影响区(接热影响区(HAZHAZ),或称为),或称为“近缝区近缝区”一、焊接热循环一、焊接热循环 在焊接热源的作用下,焊在焊接热源的作用下,焊在焊接热源的作用下,焊在焊接热源的作用下,焊件上某点的温度随时间的变件上某点的温度随时间的变件上某点的温度随时间的变件上某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。化过程称为焊接热循环。化过程称为焊接热循环。化过程称为焊接热循环。右图为低合金钢堆焊时焊件上右图为低合金钢堆焊时焊件上右图
16、为低合金钢堆焊时焊件上右图为低合金钢堆焊时焊件上不同点的温度不同点的温度不同点的温度不同点的温度图图图图9-10 9-10 低合金低合金低合金低合金钢堆焊焊缝附近各点的焊接热循环钢堆焊焊缝附近各点的焊接热循环钢堆焊焊缝附近各点的焊接热循环钢堆焊焊缝附近各点的焊接热循环第二十六页,本课件共有50页(一)研究焊接热循环的意义:(一)研究焊接热循环的意义:找出最佳的焊接热循环;找出最佳的焊接热循环;用工艺手段改善焊接热循环;用工艺手段改善焊接热循环;预测焊接应力分布及改善热影响区组织。预测焊接应力分布及改善热影响区组织。(二)焊接热循环的主要参数(二)焊接热循环的主要参数 焊接热循环反映了焊接过程中
17、热源对被焊金属的作用。焊焊接热循环反映了焊接过程中热源对被焊金属的作用。焊接热循环曲线可分为加热和冷却两个阶段,采用四个主要参数接热循环曲线可分为加热和冷却两个阶段,采用四个主要参数来描述其特征。来描述其特征。加热速度:影响加热速度的因素有影响加热速度的因素有1 1、焊接方法、焊接方法 2 2、工艺条件、工艺条件 3 3、被焊材料、被焊材料 4 4、母材板厚、母材板厚 加热速度加热速度 相变温度升高,奥氏体化不均匀、碳化物溶解不充相变温度升高,奥氏体化不均匀、碳化物溶解不充分。分。第二十七页,本课件共有50页图图9-11 焊接热循环的特征焊接热循环的特征 最高加热温度Tmax:也称为峰值温度。
18、距焊缝远也称为峰值温度。距焊缝远近不同的各点,加热的最高温度不同。焊接中的高近不同的各点,加热的最高温度不同。焊接中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶,从而温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶,从而降低材料的塑性。降低材料的塑性。第二十八页,本课件共有50页在相变温度以上的停留时间tH:在相变温度以上停留时间越长,越有利于奥氏体晶粒长大,这会引起接头脆化现象,从而降低接头的质量。冷却速度C(或冷却时间t8/5):冷却速度是指在焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时的速度。它是决定热影响区组织和性能的参数之一。对低合金钢来说,从熔合线附近冷却到540左右的瞬时冷却速度是重要的参数。用某个
19、区间段的冷却时间表示t8/5,t8/3,t100。以上四个参数中,、Tmax、tH、C中,tH为非独立参数,Tmax、C较为重要。焊接热循环反应了母材在热作用下的相变特点。焊接热循环曲线的获得:采用热电欧测量温度;用传热学及有限元等树枝方法模拟焊接温度场,并计算特征参数获得。第二十九页,本课件共有50页表9.4单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数 板厚板厚mmmm焊接焊接方法方法 焊接线能量焊接线能量(J.cmJ.cm-1-1 )900900时的加时的加热速度热速度(.s.s-1-1 )900900以上停留时间以上停留时间/s/s 冷却速度冷却速度(.s.s-1-1)备备 注注 加热时
20、间加热时间冷却时间冷却时间 900900 540540 1 12 23 35 51010151525255050100100100100220220钨极氩弧焊钨极氩弧焊 钨极氩弧焊钨极氩弧焊 埋弧自动焊埋弧自动焊 埋弧自动焊埋弧自动焊 埋弧自动焊埋弧自动焊 埋弧自动焊埋弧自动焊 埋弧自动焊埋弧自动焊 电渣焊电渣焊 电渣焊电渣焊 电渣焊电渣焊 电渣焊电渣焊 8408401680168037803780714071401932019320420004200010500010500050400050400067200067200011760001176000966000966000170017001
21、200120070070040040020020010010060604 47 73 3。5 53 3。0 00 0。4 40 0。6 62 2。0 02 2。5 54 4。0 09 9。0 02525。0 0162162。0 03636。0 0125125。0 01441441 1。2 21 1。5 55 5。5 57 71313222275753353351681683123123953952402401201205454404022229 95 51 1。0 02 2。3 30 0。83830 0。8 86060303012129 95 52 21 10 0。3 30 0。7 70 0。
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