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1、熔化焊连接原理第1页，共29页，编辑于2022年，星期日熔化焊是最基本的焊接方法。根据焊接能源的不同，熔化焊可分为电弧焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子焊等。获得良好接头的条件:合适的热源,良好的熔池保护,焊缝填充金属焊接热过程,焊接化学冶金,焊接物理冶金第2页，共29页，编辑于2022年，星期日一.熔化焊的热源种类及其特性1、热源的发展上个世纪80年代 发现碳弧焊；1891年 金属极电弧焊；本世纪初 薄皮焊条电弧焊和氧乙炔气焊；30年代，厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氦气保护焊；40年代，埋弧焊和电阻焊；50年代，CO2气体保护焊和电渣焊；60年代，电子束焊和等离子弧焊与切割；70年代，
2、激光焊焊接与切割；80年代，逐步完善电子束焊接和激光焊接工程；90年代，寻找新能源，如太阳能、微波等。1.1 1.1 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成第3页，共29页，编辑于2022年，星期日5）激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。1）电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能2）化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能6）电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热8）高频感应热：对于有磁性的金属 材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。如高频焊管等。7）摩擦热：由机械摩擦而产生的
3、热能3）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，利用这种能量进行焊接。4）电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能。理想的焊接热源；加热面积小、功率密度高、加热温度高第4页，共29页，编辑于2022年，星期日二二.熔化焊的热效率熔化焊的热效率电弧的功率：P=UI 焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率为Pe=UI（手工电弧焊时为0.770.87;电子束焊,等离子弧焊和激光焊热效率0.9以上)反映焊件吸收的热量大小，不反映热量在焊缝和热影响区的分配热源热源产生的热量产生的热量向周围介质向周围介质辐射辐射工件吸收工件吸收飞溅飞
4、溅用于熔化金属形成焊缝使母材近缝区温度升高，形成热影响区第5页，共29页，编辑于2022年，星期日三三.熔化焊温度场熔化焊温度场热源热源-工件工件-工件内部工件内部对流、对流、辐射辐射热传导热传导等温面（等温线）等温面（等温线）“瞬时同温瞬时同温”,”,表示温度场的分布表示温度场的分布稳定温度场，非稳定温度场，稳定温度场，非稳定温度场，准稳定温度场准稳定温度场某瞬时焊件上各点温度的分布？传热学中，热能传递的3种方式：传导、对流、辐射热能作用的集中性、瞬时性 不均匀 有限第6页，共29页，编辑于2022年，星期日温度场分类：三维，二维，一维厚大焊件表面堆焊，一次焊透薄板，细棒电阻焊当恒定功率的热
5、源当恒定功率的热源,一定尺寸的焊件一定尺寸的焊件,匀速直线运动匀速直线运动,经过一段时间经过一段时间,焊件传热达到饱和焊件传热达到饱和,温度温度场暂时稳定场暂时稳定,随着热源同样速度移动随着热源同样速度移动准稳定温度场准稳定温度场第7页，共29页，编辑于2022年，星期日四四.焊接热循环焊接热循环定点焊件某点的温度随时间的变化过程基本参数基本参数加热速度加热速度最高加最高加热温度热温度在相变温在相变温度以上的度以上的停留时间停留时间冷却速度冷却速度瞬时焊接接头各点的温度分布状态瞬时焊接接头各点的温度分布状态-？焊接接头某点温度随时间变化的规律,描述了热源对焊件金属的作用决定焊接热循环特征的基本
6、参数决定焊接热循环特征的基本参数第8页，共29页，编辑于2022年，星期日加热快,温度高,冷却快,相变温度以上停留时间不易控制决定热影响区组织和性能的最重要参数决定热影响区组织和性能的最重要参数t t8/58/5t t8/38/3t t100TmTm 100100的冷却时间的冷却时间加热速度加热速度:若过快若过快,相变过程不充分相变过程不充分最高加热温度最高加热温度:间接判断焊件产生内应力的情况和塑性变形区的范围间接判断焊件产生内应力的情况和塑性变形区的范围.在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间:冷却速度（某温度范围内的冷却时间）冷却速度（某温度范围内的冷却时间）:晶粒长大晶粒长大
7、,加热温度越高加热温度越高,长大的时间越短长大的时间越短,接头粗晶脆化接头粗晶脆化焊接热影响区第9页，共29页，编辑于2022年，星期日2.焊接热循环参数的数值模拟(自学)最高温度Tm的计算 厚板,点热源 薄板,线热源瞬时冷却速度c的计算,计算焊缝的冷却速度相变温度以上停留时间的tH计算薄板比厚板易过热冷却时间tB的计算用t8/5代替临界板厚cr的计算线能量E一定时,对c和t8/5不发生影响的板厚临界板厚cr的计算/cr0.75 厚板 三维传热/cr0.75 薄板 二维传热第10页，共29页，编辑于2022年，星期日4.焊接热循环的影响因素1)材质2)接头形状尺寸3)焊道长度4)预热温度 5)
8、线能量长段多层焊3.多层焊接热循环厚板连接 预热 后热短段多层焊每道焊缝长度较短，未等前层焊缝冷却到较低温度就开始焊接下道焊缝。每道焊缝的长度较长，第一层基本冷至较低的温度。第11页，共29页，编辑于2022年，星期日五五.熔化焊接头的形成熔化焊接头的形成1.焊接材料熔化与熔池形成(1)焊接材料熔化焊条,焊丝-熔滴焊条金属的平均熔化速度gM与焊接电流成正比损失系数 飞溅 氧化 蒸发焊条金属的平均熔敷速度gH 进入熔池gH=(1-)gM第12页，共29页，编辑于2022年，星期日(2)(2)熔滴过渡熔滴过渡熔滴-焊条端部熔化形成滴状液态金属药皮焊条焊接时,三种形式碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；
9、酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。1）熔滴的比表面积S：S=Ag/Vg=4R2/(4/3R3)=3/RI,R,S，利于冶金反应进行。熔滴的比表面积是相当大的，S=100010000Cm2/kg熔滴过渡熔滴过渡短路过渡短路过渡颗粒过渡颗粒过渡附壁过渡附壁过渡第13页，共29页，编辑于2022年，星期日2 2）熔滴的平均作用时间）熔滴的平均作用时间指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯的平均熔化速度之比。cp=(m0/mtr+1/2)其中：cp=0.011.0s3 3）熔滴的温度）熔滴的温度手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度不超过1900K熔滴的比表面积越大,与周围介质作用时间越长,熔
10、滴温度越高,越有利于加强冶金反应第14页，共29页，编辑于2022年，星期日(3)(3)熔渣过渡熔渣过渡药皮溶化后的熔渣向熔池过渡形式:薄膜形式,包在熔滴外面或夹在熔滴内直接从焊条端部流入熔池或滴状落入不超过1900K第15页，共29页，编辑于2022年，星期日(4)熔池的形成第16页，共29页，编辑于2022年，星期日(4)熔池的形成1）熔池的形状和尺寸熔池为半椭球，几何尺寸为：L=q2IU其中，q2是比例系数，取决于焊接方法和焊接电流。I是焊接电流，U是焊接电压，焊接电流I焊接电压U与熔池宽度B和熔池深度H的关系：I，H，B；U，H，B。第17页，共29页，编辑于2022年，星期日2）熔池
11、质量手工电弧焊:熔池质量5克以下,埋弧自动焊:熔池的质量小于100克3）熔池的存在时间熔池在液态存在的最大时间：tmax=L/v 几秒到几十秒熔池平均存在时间：tcp=Gp/vWW：焊缝的横截面积。第18页，共29页，编辑于2022年，星期日4 4）熔池温度）熔池温度熔池温度不均匀，熔池中部温度最高，其次为头部和尾部熔池温度不均匀，熔池中部温度最高，其次为头部和尾部第19页，共29页，编辑于2022年，星期日(5)熔池中液相的运动状态熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的搅拌作用。1）液态金属密度差引起自由对流运动2）表面张力差强迫对流运动3）熔池中各种机械力搅拌焊接工艺参数、焊接材料
12、的成分、电极直径及其倾斜角度等都对熔池中的运动状态有很大的影响。第20页，共29页，编辑于2022年，星期日保护方式:1、熔渣保护2、气体保护3、熔渣气体联合保护 手工电弧焊4、真空保护5、自保护;不利用隔离空气的方法,在焊丝中加脱氧剂脱氮剂,去除溶入金属的N和O2.2.熔池的保护熔池的保护必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失第21页，共29页，编辑于2022年，星期日 熔焊焊缝的形成熔焊焊缝的形成熔焊焊缝的形成熔焊焊缝的形成在在高高温温热热源源的的作作用用下下，填填充充金金属属（如如焊焊条条）和和基基体体金金属属发发生生局局部部熔熔化化。熔熔池池前前部部（2-1-2区区）
13、熔熔化化金金属属被被电电弧弧吹吹力力吹到熔池后部吹到熔池后部（2-3-2区区），迅迅速速冷冷却却结结晶晶。随随着着热热源源不不断断移移动动，从从而而形形成成连连续续的的致致密密层层状状组织焊缝。组织焊缝。焊缝形成过程示意图焊缝形成过程示意图焊缝形成过程示意图焊缝形成过程示意图第22页，共29页，编辑于2022年，星期日以熔化焊为例，焊接过程经过了加热熔化冶金反应结晶固态相变接头。（1）焊接热过程;贯穿整个焊接过程，决定焊接应力、应变、冶金反应、结晶、相变。（2）焊接化学冶金过程;熔化金属、熔渣、气相进行系列的化学冶金反应。（3）焊接时金属结晶和相变过程焊接热过程-焊接化学冶金过程-熔池凝固和相
14、变过程3.3.焊接接头形成与焊接性焊接接头形成与焊接性第23页，共29页，编辑于2022年，星期日（1）焊接接头的特征焊接接头是指整个焊接区，不仅包括结合区，也包括其周围区域。结合区即是焊缝（WM），熔池凝固并发生固态相变的区域结合区邻近区即是母材中发生固态相变的区域，称为热影响区（HAZ）。过渡区是指母材与焊缝交界处，也称为熔合区。焊接接头包括焊缝、热影响区和熔合区。接头的质量包括焊缝、热影响区、熔合区。11焊缝区（熔化区）焊缝区（熔化区）22熔合区（半熔化区）熔合区（半熔化区）33热影响区热影响区44母材母材第24页，共29页，编辑于2022年，星期日(2)熔化焊接头形式典型接头对接,角接
15、,丁字接,搭接坡口加工坡口主要为了焊接工件，保证焊接度,普通情况下用机加工方法加工出的型面，要求不高时也可以气割.根据需要，有型坡口，型坡口，型坡口，型坡口等坡口形式，但大多要求保留一定的钝边 第25页，共29页，编辑于2022年，星期日坡口形式第26页，共29页，编辑于2022年，星期日(3)熔合比母材在焊缝金属中比例=0时,熔敷金属;堆焊计算焊缝的化学成分第27页，共29页，编辑于2022年，星期日(4)(4)金属的可焊性概念金属的可焊性概念 金属的可焊性属于工艺性能，是指被焊金属材料在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。金属的可焊性主要与下列因素有关:1）材料本身的成分组织；2）焊接方法；3）焊接工艺条件；接合性能，焊接时形成缺陷的敏感性；使用性能，焊成的焊接接头满足使用要求的程度第28页，共29页，编辑于2022年，星期日本节小结不同焊接热源具有不同的热效率，电子束等离子弧和激光束的热效率在0.9以上，是理想的热源。温度场，准稳定温度场焊接热循环，了解多层焊的特点焊接接头包括焊缝、热影响区和熔合区。焊缝的熔合比焊接热过程贯穿整个焊接过程，对焊接接头的形成过程（化学冶金、熔池凝固、固态相变、缺陷）以及接头性能具有重要的影响。第29页，共29页，编辑于2022年，星期日