材料成型理论基础焊接理论基础教学PPT.ppt

赵兴科 焊接理论基础 §1-1 焊接热源 §1-2 焊接温度场 第一章 焊接热过程 §1-3 焊接熔池 §1-4 焊接热循环 §1.4 焊接热循环 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，又由高而低的变化称为焊接热循环。 焊接热循环主要描述焊接热源对母材近缝区的热作用。距焊缝越近，加热的最高温度越高，热作用影响越大。 焊接热循环会造成近缝区的组织与性能异于母材，同时还会产生复杂的焊接内应力，严重时导致焊接变形。 Txyz=f(t) 一、焊接热循环的主要参数 加热速度（ωH） 加热最高温度 （TM） 高温停留时间 （tH） 冷却速度（ωC） 典型的焊接热循环曲线 1) 加热速度（ωH） 焊接热循环的加热速度比普通热处理条件下快得多。随加热速度提高，相变温度也将提高。 2) 加热最高温度 （TM） 熔合线处的加热最高温度接近母材的熔点，距离焊缝越远，最高加热温度越低。 3) 高温停留时间 （tH） 高温范围的确定与母材的种类和焊前状态有关。钢铁材料为相变温度；对于无相变的材料，可根据具体情况，确定温度范围，如晶粒快速长大、第二相溶解，回复与再结晶等。 4) 冷却速度（ωC） 冷却速度对与钢铁材料非常重要，冷却速度快会产生淬硬组织，诱发冷裂纹。 有时用冷却时间表示。 焊接热循环参数可以通过试件的实焊试验测定或计算。 焊接热循环参数的实焊试验测定 二、焊接热循环参数的计算 1.最高加热温度计算 根据焊接传热理论，焊件上某点的温度经一定时间后达到最高温度，此时温度的变化速度为零，通过将连续移动热源传热公式对时间求导，可以求得TM。 （1）厚大焊件 当 代入，得 （2-50） （2）薄板对接 当 代入，得 如表面散热很小，b可忽略 考虑表面散热时 2 高温停留时间的计算 高温停留时间可以用计算法，也可以用图解法，或者两者结合使用。实际上常引用无因次判据，再用图解法。 令 TM——最高加热温度；T0——初始温度； T——预设的高温； θ——温度无因次判据。 点状热源： 线状热源： 点状热源 预热增大高温停留时间； 焊接薄板比厚板易于过热。 3 瞬时冷却速度的计算 焊缝和熔合线附近的冷却速度相近，为计算方便，选取坐标原点进行计算（r0=0、y0=0）。 分别对应点状热源与线状热源 温度对时间求导可得某一温度下的瞬时冷却速度： 点状热源： 线状热源： T——所求冷却速度的瞬时温度，对于一般低合金钢，T常确定为540℃；对于某些淬硬倾向较大的钢种可考虑300 ℃ 。 应用计算举例： 在低碳钢厚大焊件上堆焊时，求熔合线上 （1）900℃以上的停留时间？ （2）600℃时的瞬时冷却速度？ （3）如冷却速度低于20 ℃ /s，最小的焊接线能量？ 焊接规范：I=300A；U=30V；v=7m/h=0.2cm/s; 钢的热物理常数： Tm=1500℃；cp=5.25J/cm3 · ℃ λ=0.42J/cm·s · ℃ 上述冷却速度的计算公式是从传热学理论推导而来，没有考虑实际焊接的各种因素，如板厚、接头形式等的影响，计算误差较大。 配合大量试验结果，还建立起许多情况下的经验公式。 测定和计算某温度下的瞬时冷却速度困难且误差较大，往往采用一定温度范围内的冷却时间来代替冷却速度，并以此作为研究焊接热影响区组织、性能和抗裂性的重要参数。 冷却温度范围的确定通常有三种： 800~500 ℃ t8/5 800~300 ℃ t8/3 峰值温度~100 ℃ t100 4. 某温度区间的冷却时间 已建立了一些计算不同条件下的冷却时间的经验公式；同时还建立了一些更方便的线算图。 三、多层焊接热循环 在焊接生产中，厚板多采用多层焊接。研究多层焊时的热循环特点具有普遍的意义。 多层焊与单层焊相比，优点在于： 更大范围内调整焊接线能量； 后道次焊接对前道焊缝具有热处理作用； 前道次焊接对后道次焊接有预热作用。 根据具体施焊工艺，多层焊分为两种：长段多层焊和短段多层焊 长段多层焊是指每次焊缝的长度较长（~1000m），焊接第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度（﹤200℃） 淬硬倾向大的材料不宜采用。 短段多层焊是指每次焊缝的长度较短（50~400m），未等前一层焊缝冷却完毕就开始焊下一层。 焊缝和热影响区具有更好的改善作用，适于焊接晶粒易长大而有易于淬硬的材料焊接。 确定一道次焊缝的长度很重要，如果焊缝过长，前一道焊缝已经冷至很低的温度，会形成淬硬组织；焊缝的长度过短，会使前道焊缝在高温停留时间过长，晶粒长大严重。 需要根据焊接传热理论并结合试验结果，确定每道次焊缝的长