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1、机械制造基础,焊接工艺基础,第一部分：焊接工艺常识第二部分：焊接结构学第三部分：钨极氩弧焊焊接工艺,机械制造基础,焊接工艺常识,焊接工艺永久性连接起源于一次世界大战后（凡尔赛公约）现代工业的基础工艺造船、航空、锅炉、化工、机械、汽车基本焊接方法电弧焊：属于熔化焊其他焊接方法：压力焊、钎焊,机械制造基础,本讲内容,一、电弧焊工艺常识二、焊条电弧焊三、特种焊接工艺方法四、金属材料的焊接性五、焊接结构设计六、连接技术,机械制造基础,一、电弧焊工艺常识,1、焊接电弧气体介质中导电现象,机械制造基础,焊接电弧的热量,热量来源于阳极43阴极36弧柱21热量扩散6585加热熔化金属其余散失在电弧周围飞溅的金
2、属液,机械制造基础,2、正接和反接,温度：阳极：2600K阴极：2400K电弧中心：6000K 8000K直流焊接正接法：工件温度高反接法交流焊接：两极温度均为2500K引弧电压：5090V电弧电压：1635V,机械制造基础,3、焊接接头的组织与性能,焊接工件上温度的变化与分布,机械制造基础,焊接接头组织,低碳钢,焊缝,焊接热影响区,机械制造基础,4、焊缝,从熔池底向中心凝固各个方向凝固速度不同柱状铸态组织铁素体少量珠光体杂质集中在焊缝中心，影响焊缝质量,机械制造基础,焊缝的热影响区,1融合区0.11mm，关键2过热区脆性比融合区更大3正火区力学性能优于母材4部分相变区比正火区稍差不同焊接方法
3、热影响区宽度不同焊后正火改善接头性能,机械制造基础,5、焊接应力与变形,极不平衡的热循环过程应力分布规律先冷受压，后冷受拉,机械制造基础,消除焊接应力,提高母材塑性避免焊缝交叉避免焊缝过宽过长合理焊接顺序先焊短焊缝后焊长焊缝预热焊件、振动焊缝焊后退火,机械制造基础,焊接变形,收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形,机械制造基础,防止焊接变形,减小焊接应力提高结构刚度对称焊缝分布焊前反变形,机械制造基础,防止焊接变形,合理焊接操作平衡温度分布利用变形,机械制造基础,防止焊接变形,焊后校正,机械制造基础,二、焊条电弧焊,焊条电弧焊过程药皮燃烧：电弧周围气体：CO2、CO、H2熔池中熔渣，冷却形成渣
4、壳保护熔池中的熔化金属,机械制造基础,1、电焊条,焊芯导电和填充焊缝焊接用钢丝低碳钢、合金结构钢、不锈钢药皮焊接过程顺利进行焊缝化学成分、力学性能,机械制造基础,焊条药皮,作用提高电弧燃烧的稳定性防止空气对熔化金属的有害作用对熔池脱氧、加入合金元素保证焊缝金属的化学成分和力学性能稳弧、造气、造渣、脱氧、合金、稀渣、粘接,机械制造基础,焊条药皮的作用,机械制造基础,焊条种类,按化学成分分成七大类碳钢、低合金钢、不锈钢、堆焊、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金焊条型号E4303：E碳钢焊条43：焊缝抗拉43 kgf/mm20：(0/1)全位置焊接、(2)平焊、(4)向下立焊03：3、4为组合表示焊接电流
5、种类和药皮类型，03为钛钙型药皮、交流或直流,机械制造基础,焊条种类,焊条牌号J422、J507J：结构钢焊条（奥氏体不锈钢A、铸铁Z）42：抗拉强度等级MPa（50、55、60、70、80）2：药皮和电流种类,机械制造基础,焊条种类,按熔渣性质酸性焊条酸性氧化物比碱性氧化物多适合各种电源、易操作、电弧稳定、成本低焊缝塑性韧性差、不宜用于重要构件碱性焊条焊缝塑性韧性好、抗冲击能力强要求直流电源、操作性差、电弧不够稳定、价格高，适于重要构件,机械制造基础,焊条选用原则,选择依据：根据焊件化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀耐高温性能结构形状、受力情况、焊接设备条件低碳钢和低合金钢构件：根据强度（两
6、构件强度较低者为准）酸性/碱性：根据重要性铸铁：碱性焊条和适当工艺（预热）不锈钢和耐热钢：特殊、专用焊条,机械制造基础,2、埋弧焊,埋弧焊演示,机械制造基础,埋弧焊特点,大电流（1000A）、生产率高焊接质量高且稳定节约金属热量集中、可无坡口、无焊条头、飞溅少改善劳动条件无弧光、烟雾自动化程度高工艺装备复杂，适合批量生产,机械制造基础,焊丝与焊剂,焊丝焊剂决定焊缝化学成分、力学性能熔炼焊剂、陶质焊剂,机械制造基础,埋弧焊工艺,仔细下料、准备（清理）坡口、装配引弧板与引出板焊后去掉,机械制造基础,防止烧穿焊剂垫、垫板,机械制造基础,环缝焊接,机械制造基础,3、气体保护焊氩弧焊,机械制造基础,气体
7、保护焊CO2保护焊,机械制造基础,4、等离子弧焊接与切割,电弧压缩机械压缩热压缩电磁收缩中心区域温度极高16000K焊接/切割熔点很高的金属不锈钢钛、钨,机械制造基础,5、焊接自动化,数控轨迹控制焊接质量监控,机械制造基础,焊接机器人,焊接机器人演示,机械制造基础,用电弧焊焊接钢板的问题,如图拼焊一张大钢板焊缝布置合理吗？如何改进？对称，错开如何合理安排焊缝顺序？先短后长,机械制造基础,三、特种焊接工艺方法,简略了解其它焊接方法电阻焊、摩擦焊、钎焊、电渣焊真空电子束焊接、激光焊接讨论可以用于焊接的能源形式,机械制造基础,1、电阻焊,电阻热Q=I2Rt特点生产率高、焊接变形小操作简便、易实现自动
8、（汽车外壳焊接）设备复杂、耗电量大接头形式、工件厚度受到限制点焊、缝焊、对焊,机械制造基础,点焊,局部高温焊合分流现象焊点的分布最小距离限制,机械制造基础,点焊的接头形式,硬规范软规范电极压力表面清洗接头形式,机械制造基础,缝焊,机械制造基础,对焊,机械制造基础,对焊接头形式,机械制造基础,讨论这个问题,铜及铜合金可以采用电阻焊吗？,机械制造基础,2、摩擦焊,机械制造基础,摩擦焊的接头形式,机械制造基础,3、钎焊,焊接过程示意图毛细管作用,机械制造基础,钎焊,硬钎焊450以上、接头强度200MPa以上自行车架、工具、刀具软钎焊450以下、接头强度70MPa以下仪表、导电元件、各种低载荷构件加热
9、方式烙铁、火焰、电阻、感应,机械制造基础,钎焊的常见接头形式,机械制造基础,钎焊接头的比较,机械制造基础,4、电渣焊,机械制造基础,5、真空电子束焊接,机械制造基础,6、激光焊接,机械制造基础,题外话：关于铝热剂,什么是铝热剂通常把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂用某些金属氧化物(如V2O5，Cr2O3，MnO2等)代替氧化铁也可以做铝热剂有什么特性难熔的金属氧化物与混合物中的铝反应时放出大量热有什么用？,机械制造基础,焊接钢轨,原理铝热反应公式示例：使用铝粉可还原氧化铁Fe2O3+2 Al=2Fe+Al2O3 还原反应产生大量的热能，无需外部的能源，就能熔化金属，可以用来焊接钢轨优点这些原料完全
10、彻底地和合金元素混合在一起形成铝热剂，它可以组成与钢轨化学、冶金、和机械方面相匹配的焊接接头,机械制造基础,焊接钢轨,过程铝热剂被投入到一个耐火坩埚中，用点火器点燃，开始铝热反应。反应结束后，液态钢自动从坩埚底部释放到耐火模具，从而连接钢轨的两端。模具带有几何形状特征，能控制铸造和固化的过程。当铝热钢冷却下来后，进行进一步的热处理来提高它的机械特性。,机械制造基础,铝热焊设备,机械制造基础,其它用途,冶炼难熔金属军事用途在炮弹导弹弹头一但装进铝热剂成分，可极大地提高杀伤力。在前苏联科学家编写的火箭炮一书中，谈到火箭炮弹头装药就有铝热剂的成分。在中国人民革命军事博物馆里，展品中就有美军的钢盔、卡
11、宾枪、被烧熔在一起，除了火箭弹以外，其它炸弹没有如此大的能量。,机械制造基础,选择焊接方法,自行车车架钢窗家用液化气罐主缝自行车圈电子线路板锅炉壳体钢轨对接不锈钢储罐,硬钎焊（盐浴）硬钎焊、对焊、电弧焊缝焊缝焊外边、闪光对焊软钎焊埋弧焊、电渣焊闪光对焊、铝热焊等离子弧焊接、氩弧焊,机械制造基础,四、金属材料的焊接性,焊接性概念设定相同（焊接方法、材料、参数、结构）易焊、难焊：获得优质焊接接头的难易程度焊接性并非一定焊接方法、焊接材料、焊接工艺评定方法工艺焊接性：出现工艺缺陷的倾向使用焊接性：使用中的可靠性（力学、特殊性能要求）,机械制造基础,钢材焊接性的估算,碳当量计算公式计算结果0.6%：焊
12、接性不好,机械制造基础,小型抗裂实验法,机械制造基础,碳钢焊接,低碳钢（C%应力、变形开裂焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊电阻焊保证焊接接头与母材等强度焊条：E4313(J421)E4303(J422)E4315(J427)等埋弧焊丝/焊剂：H08A(H08MnA)/431,机械制造基础,碳钢焊接,中碳钢：C%（0.25%0.6%）焊接性变差、淬硬倾向变大工艺特点：容易开裂：冷裂纹、热裂纹必须预热，减小工件各个部分的温差细焊条、小电流、开坡口多层焊接焊条电弧焊、电渣焊（厚件）选择抗裂能力较强的低氢型焊条、等强度焊条：E5016(J506)、E6015D1(J607),机械制造基础,合金钢
13、焊接,合金结构钢焊接件较少工艺与中碳钢近似低合金结构钢焊接工艺特点热影响区的淬硬倾向：合金含量大小焊接接头的裂纹倾向：冷裂纹倾向大小：含氢量、淬硬程度、应力热裂纹倾向不大（我国合金都含Mn）强度级别决定工艺低：同低碳钢低温大厚度高刚度构件：大电流、慢速、低氢焊条、退火高：焊前预热、焊后先消氢处理，再退火处理,机械制造基础,铸铁补焊,铸铁焊接性很差，只能进行补焊焊接特点焊缝易形成白口、难以切削加工易开裂、易产生气孔流动性好，只能进行平焊热焊法（600700）：防止开裂，补焊后可切削加工冷焊法（450以下）,机械制造基础,非铁金属及其合金的焊接,铜及铜合金困难导热性太好，容易焊不透易氧化、易开裂、
14、易形成气孔电阻很小，难以采用电阻焊铜合金比纯铜更难焊接氩弧焊（紫铜、青铜）气焊（黄铜）、碳弧焊、钎焊,机械制造基础,非铁金属及其合金的焊接,铝及铝合金也比较困难极易氧化、Al2O3阻碍金属熔和、易夹渣导热性较好，需预热、使用大功率热源容易产生气孔（易吸收H2）高温下强度塑性很低，焊缝塌陷氩弧焊、气焊、点焊、缝焊、钎焊,机械制造基础,选择焊接方法圆筒低压容器,Q235钢板20mm批量生产埋弧自动焊20钢板2mm批量生产缝焊45钢板6mm单件生产焊条电弧焊,紫铜板4mm单件生产氩弧焊铝合金板20mm单件生产氩弧焊不锈钢板10mm小批生产氩弧焊,机械制造基础,讨论焊接工艺问题,如图铸件补焊后还是开裂
15、，怎么样补焊才能既不开裂，又能切削加工？,机械制造基础,五、焊接结构设计,焊接结构件材料的选择应选碳当量小于0.4的金属材料优选强度等级低的低合金结构钢优选镇静钢（脱氧完全）异种金属间焊接以焊接性较差的金属材料设计焊接工艺各种金属材料的焊接性能可查表,机械制造基础,1、合理选用型材减少焊缝数量,机械制造基础,2、焊接接头设计,分散布置焊缝,机械制造基础,3、对称布置焊缝,机械制造基础,对称布置焊缝,机械制造基础,对称布置焊缝,机械制造基础,4、避开应力集中的位置,机械制造基础,避开应力集中的位置,机械制造基础,避开应力集中的位置,机械制造基础,5、避开机械加工位置,机械制造基础,6、便于电弧焊
16、的设计,机械制造基础,便于电弧焊的设计,机械制造基础,便于电弧焊的设计,机械制造基础,7、便于埋弧焊的设计,机械制造基础,8、便于点焊及缝焊的设计,机械制造基础,其他布置原则,尽可能平焊避免仰焊减少横焊一次装配，尽可能完成大部分焊接,机械制造基础,9、焊条电弧焊接头形式,对接接头,机械制造基础,焊条电弧焊接头形式,T型接头,机械制造基础,焊条电弧焊接头形式,角接接头,机械制造基础,焊条电弧焊接头形式,搭接接头,机械制造基础,接头过渡形式,机械制造基础,接头过渡形式,机械制造基础,电渣焊接头形式,机械制造基础,讨论如图三个焊件,这三个焊件结构设计都有问题,机械制造基础,六、连接技术综述,通过机械
17、、物理和化学方法，以及冶金方式，将多个零件连接成一个整体，并保持相互位置的工艺方法机械连接可拆卸连接/不可拆卸连接物理化学方法钎焊/粘接冶金方式：焊接,机械制造基础,机械连接可拆卸连接,机械制造基础,机械连接不可拆卸连接,机械制造基础,物理化学方法钎焊,机械制造基础,物理化学方法粘接,机械制造基础,讨论：汽车中的连接,举例说明汽车中的连接可拆卸连接不可拆卸连接粘接焊接,机械制造基础,焊接结构学,机械制造基础,焊接结构学 绪论,焊接技术在工业部门中应用的历史并不长，但其发展却非常迅速。短短的几十年中，焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆、压力容器等几乎全部取代了铆接。此
18、外，在机械制造业中，以往由整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，目前，世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量的45%。,机械制造基础,绪论 焊接结构的特点,与铆接、螺栓连接的结构相比较，或者与铸造锻造的结构相比较，焊接结构有下列特点（优点）：1、焊接接头强度高 铆接、螺栓连接的结构，要在母材上钻孔，削弱了工作截面，强度下降约20%焊接；接头强度可达到与母材等强度甚至高于母材强度。,机械制造基础,绪论 焊接结构的特点,2、焊接结构设计灵活性大，主要表现在：焊接结构的几何形状不受限制：如铆、铸、锻等方法无法制造空心结构，焊接则可以；结构的壁厚不受限制：两被连接构件的壁厚可以相差很大，薄厚均可
19、；结构的外形尺寸不受限制：对大型结构可分段制成部件，现场组焊、锻、铸、工艺则不允许；可利用标准或非标准型材组焊接成所需要结构，段结构重量减轻。焊缝减少；可与其它工艺方法联合使用：铸焊 锻焊 栓焊 冲压焊接等联合的金属结构；可实现异种材料的连接：同一结构的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物尽其用。,机械制造基础,绪论 焊接结构的特点,3、焊接接头密封性好 气密性，水密性均优于其它方法，特别是在高温，高压容器上，只有焊接接头才是最理想的连接形式。4、焊前准备工作简单 由于近年来数控精密气割设备的发展，对于各种厚度或形式状复杂的待焊接，不必预划线就能直接从板料上切割出来，一般不用再机械加工就
20、可投入装配焊接。,机械制造基础,绪论 焊接结构的特点,5、易于结构的变更和改型 铸造铸型（木型）锻造开模具 周期长、成本高 焊接、则快速、简便、投资少6、适用于制作大型或重型、结构简单而且是单件小批量生产的产品结构 结构 大 简单 批量小 焊接占优势 结构 小 复杂 批量大 铸锻占优势7、成品率高 一旦出现缺陷，可以修复、很少产生废品。,机械制造基础,绪论 焊接结构的特点,焊接结构所存在的问题（缺点）：1、存在较大的焊接应力和变形 焊接（局部加热）内应力变形工艺缺欠承载能力（刚度、强度、稳定性）下降尺寸精度，尺寸稳定性下降校形增加工作量增加成本,机械制造基础,绪论 焊接结构的特点,焊接结构所存
21、在的问题（缺点）：2、对应力集中敏感 焊接结构具有整体性，其刚度大，焊缝的布置、数量和次序等都会影响到应力分布，对应力集中敏感，而应力集中是疲劳，脆断等破坏的起源，因此在焊接结构设计时要妥善处理。,机械制造基础,绪论 焊接结构的特点,焊接结构所存在的问题（缺点）：3、焊接接头的性能不均匀 焊接金属是由母材料和填充金属在焊接热作用下熔合而成的铸造组织，靠近焊接金属的母材（近缝区）受焊接热的影响，组织和性能发生变化（谓之热影响区），因此，焊接接头在成分，组织和性能上都是一个不均匀体，其不均匀程度远远超过了铸、锻件，这种不均匀性对结构的力学行为，特别是断裂行为有重要影响。,机械制造基础,焊接结构学
22、绪论,二、焊接性分析焊接作为一种制造技术或生产手段，其目的是要获得具有优异的连接质量和优秀的使用性能的产品（或构件）。但是由于焊接过程的复杂性和众多的影响因素、非线性问题，瞬时作用以及温度的相关性效应等等，使得要正确描述在各种情况下产生的焊接变形和焊接残余应力，准确把握产品质量变得非常困难。在实际工作中，人们采用焊接性的概念。作为一个分类系统，它在考虑焊接残余应力和焊接变形的影响方面有一定的意义。随着科学技术的不断发展和进步，现在已经有可能将焊接性分解为热学、力学，显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。,机械制造基础,绪论 焊接性分析,1、构件焊接性 与焊接冶金课程中介绍的，“材料
23、焊接性”的概念相比，构件焊接性含义更广泛，它可以包含以下几方面内容：“材料的焊接适应性”、“设计的焊接可靠性”和“制造的焊接可行性”。焊接残余应力和焊接变形是焊接性的多要组成部分，它影响到冷、热裂纹、影响使用性能并妨碍制造过程。,焊接性的定义,机械制造基础,绪论 焊接性分析,2、影响焊接性的因素 根据上述分类，可将影响焊接的因素按下面的方式分类：,影响焊接性的因素,与材料有关的因素,与制造有关的因素,与设计有关的因素,母材和填充材料的类型(化学)成分和显微组织,结构的形状、尺寸、支撑条件和负载，焊缝类型，厚度和配置,焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形状，焊接顺序，多层焊，定位焊。夹紧、预热和焊后
24、热处理。,机械制造基础,绪论 焊接性分析,从狭义上来说，焊接性可理解为所需求的强度性能、焊接接头的强度受到化学分成或温度循环等主要影响因素的支配，而这些因素又受到如焊缝类型，或预热温度等的影响，强度行为可用一些主要的或物理特征值来描述，而这些特征值又可能涉及另一些次要的或工艺的特征值，下图为一张仅限于影响强度性能的不完全的可变因素图，由此，可看出“焊接性”的复杂性。,机械制造基础,绪论 焊接性分析,主要影响因素,主要特征值,合金元素含量相、显微组织、晶粒尺寸冷却时间、奥氏体化时间退火时间和温度板厚、焊缝类型等效应力、三轴度焊条药皮、水分,次要特征值,碳当量焊接性指数脆性指数裂纹敏感性指数（脆性
25、）转变温度,目标参数,硬度强度延展性冷列敏感性热烈敏感性层状撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蚀性,次要影响因素,焊条类型焊接方法焊接参数焊缝类型预热温度层数稀释率烧穿，夹杂物,化学成分 相变、显微组织 焊接温度循环 焊后热处理 构件形状 负载条件 氢含量,影响焊接接头强度的主要因素,机械制造基础,绪论 焊接性分析,焊接过程涉及到热学、力学、金相学等多方面知识，将焊接性分解成温度场、应力和变形场、显微组织状态场，这对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。,温度场、应力与变形场及显微组织状态场的分解和相互影响,机械制造基础,绪论 焊接性分析,“焊接性”是一个复杂的问题，以往对焊接性的描述多数
26、为定性的语言描述，已经发展了一些实验方法，可以针对某一具体情况或特定的性能参数来定量描述，但全面，宏观上对焊接性进行定量描述却十分复杂，也十分困难。随着科学技术的发展，特别是计算机和数值模拟技术的进步，将焊接性分解成温度场，应力和变形场和显微组织状态场、这对于定量分析焊接问题具有重要意义。,显微组织转变的影响,机械制造基础,绪论本课程的内容和范围,从前述内容可以看出，焊接结构的性能和质量问题涉及到三个主要方面，即热场（温度场），应力和变形场以及显微组织状态场，其对应的基本理论分别为热学（传热学、）、力学（流体力学、材料力学、弹塑性力学、断裂力学）和金相学（金属学、冶金学、金属力学性能等）。关于
27、显微组织状态场的问题，重点在焊接冶金学中解决，关于应力和变形场以及结构强度等问题则是本课程的主要内容。而热场问题，由于没有安排专门的课程来介绍，而其又是焊接过程的重要基础，因此，在本学课程中一并解决，因此，本课程的主体思路为：焊接过程加热应力变形接头性能结构特征焊接结构产品（实例分析）,机械制造基础,第一章 焊接热过程,机械制造基础,第一章 焊接热过程,除冷压焊等极个别的特例之外，其它焊接过程都需要加热，即热过程是伴随焊接过程始终的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在热过程的问题，如：工件在焊前进行预热和焊接之后进行的冷却和热处理等过程。因此，热过程在决定焊接质量和提高焊接生产率等方面具有重要意义。
28、焊接的热过程是一个十分复杂的问题，从30年代由罗塞舍尔和雷卡林开始进行了系统研究，到目前，已取得很大进展，但尚未得到圆满解决。这一问题的复杂性主要表现在以下几个方面：,机械制造基础,第一章 焊接热过程,焊接热过程的局部性或不均匀性与热处理工艺不同，多数焊接过程都是局部进行加热的，只有在热源直接作用下的区域受到加热，有热量输入，其它区域则存在热量损耗，（举例：电弧焊、电阻焊等），受热区域的金属熔化，形成焊接熔池，这正是引起残余应力和变形的根源。焊接热源的相对运动由于焊接热源相对于工件的位置在不断发生变化，这就造成了焊接热过程的不稳定性。,机械制造基础,第一章 焊接热过程,焊接热过程的瞬时性（非稳
29、态性）由于金属材料中热的传播速度很快，焊接将必到用高度集中的热源，这种热源可以在极短的瞬间内将大量的热量由热源传递给工件，这就造成了焊接热过程的时变性和非稳态特性，例如，在最不利的情况下，构件的初始温度可达到-40，（在哈尔滨冬天的室外），而焊接熔池的最高温度可以达到金属汽化的温度（钢的沸点为3000），而熔池的形成是在很短时间内完成的，因此其加热速度之快，常可以达到1500/S以上。,机械制造基础,第一章 焊接热过程,由以上几点可以看出焊接的热过程是十分复杂的问题，这给分析研究工作带来了许多困难，但是如果我们能够了解和掌握焊接热过程的基本规律，能够准确知道工件任一位置在任一时刻的状态和温度，
30、则对控制焊接质量，调整焊接工艺参数，清除焊接应力，减小焊接变形，预测接头性能等方面均具有重的意义。,机械制造基础,第一章 焊接热过程,到目前为止，世界上许多国家的焊接工作者对焊接热过程进行了大量的系统的研究工作，但距离上述要求还存在着差距，这主要是因为在解决一些复杂的焊接传热问题时间不得不提出一些数学上的假设和推导，这一方面的经典工作是由前苏联的雷卡林完成的，雷卡林的工作对一些相对简单的情况给出一些解析解，但其结果常存在很大偏差，有时偏差量常常可以达到100%，近期有限元理论和数值分析技术的发展，使一些复杂问题的计算得以进行，因而使计算模型的建立可以更接近实际情况，准确程度也明显提高，但仍没有
31、达到完全实用化的程度，并且许多复杂的理论问题也未得到很好的解决，因此，焊接热过程目前仍然是国际焊接界研究的热点问题之一。,机械制造基础,第一章 焊接热过程,本章以最常规的MIG焊为例来讨论焊接热源，热场、流场的基本规律和焊接热过程的计算方法，以及焊接热循环的有关问题，目的是为讨论焊接冶金、应力、变形、热影响区等建立基础。,机械制造基础,第一章 焊接热过程,第一节 基本概念和基本原理第二节 整体温度场第三节 焊接热循环第四节 对熔化区域的局部热作用,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,一、电弧焊热过程概述 首先，我们来分析一下最典型的焊接过程-MIG焊接时都有哪些因素会影响到热过程。1、产
32、热机构电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量；相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；变形热：构件变形时将产生变形热,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,一、电弧焊热过程概述 2、散热机构 环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量；飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损失。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,一、电弧焊热过程概述3、热量传递方式 热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导；对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的冲击作用
33、产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带走热量；辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生辐射，并传递热量；热焓迁移：（1）具有高温的熔滴从焊丝向母材迁移，在传质同时传热；（2）飞溅从熔池向四周飞散，同时传质传热。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题：热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅）相变问题：潜热、热物理参数变化位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。力学问题；电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘
34、束力、相变应力等。综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识，因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,二、焊接热源 一般来说，必须由外界提供相应的能量才能实现基本的焊接过程，也就是说有能源的存在是实现焊接的基本条件。到目前为止，实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机械能、光辐射能和化学能等。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,1、焊接热源的类型及特征（1）电弧焊热源 电弧焊时，热量产生于阳极与阴极斑点之间气体柱（弧柱、热等离子体）的放电过程。焊接过程采用的是直接弧，阳极斑点和阴极斑点直接
35、加热母材和焊丝（或电极材料）。电弧柱产生的辐射和对流（气流效应）传热和电极斑点产生的辐射传热也起辅助作用。等离子弧焊时，应用非直接弧，也就是电弧是间接加热被焊工件。直接弧：主要作用：阴、阳极斑点直接加热母材和焊丝；辅助作用：弧柱产生的辐射、对流，电极斑点产生的辐射等。间接弧：主要依靠辐射和对流加热。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,1、焊接热源的类型及特征（2）气体火焰焊接热源 气焊时，乙炔C2H2在纯氧O2中部分燃烧，在环绕焰心的还原区形成一氧化碳CO和氢H2，然后在外焰区与空中的氧作用，完全燃烧形成二氧化碳CO2和水H2O蒸气，焰流以高速冲击焊接区表面，通过对流和辐射加
36、热工件。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,1、焊接热源的类型及特征（3）电阻焊热源 包括电阻点焊（如凸焊，缝焊、点焊等）、电阻对焊（压力对焊、闪光对焊）及电渣焊。电阻点焊和电阻对焊时，最初起主要作用的是被焊构件间（和与电极表面间）接触区域的接触电阻，导致表面加热，表面局部熔化后，接触电阻减弱甚至消失，（闪光对焊时，由于工件反复分离，使接触电阻得以保持），此后，起主要产热作用的是取决于电流密度的体积加热。在通过传导或感应传递能量的高频电阻焊时，由于集肤效应和传输电阻，首先使极薄的表面层被加热；电渣焊时，熔融而导电的渣池被电阻热加热，并熔化母材和连续给进的焊丝。,机械制造基础,
37、第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,1、焊接热源的类型及特征（4）摩擦焊 磨擦焊时，相对旋转的表面被摩擦加热，去除不纯材料层，最后在轴向加压及焊件在略低于熔点的温度下连接起来。搅拌摩擦焊是由于摩擦热和变形热来提高工件的温度和塑性变形能力，并在压力下形成接头。振动焊接（超声波）时，利用了高频率的摩擦效应，但其温度远低于材料熔化温度。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,1、焊接热源的类型及特征（5）电子束焊接 在电子束焊时，电子（由热阴极发射，电子透镜聚焦）被大约10M厚的表面层吸收，并产生热量。当电子束功率密度足够大时，焊件表面被熔化，最后导致形成很深的穿透型蒸气毛细孔，其周
38、围是熔化的金属，并由此进行加热焊接。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,1、焊接热源的类型及特征（6）激光焊接 聚焦的激光束直接照射焊接区域，并被大约0.5M厚的表面层吸收。如果功率密度足够大，可以象电子束一样形成毛化毛细管。作为实际焊接热源，激光散焦时，通过热传导传递热量到焊件内部。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,1、焊接热源的类型及特征（7）铝热剂焊接 这种方未能主要用于钢轨焊接，熔池通过铝粉和金属氧化物的化学（放热）反应而使工件被加热并形成熔池，反应后形成铝的氧化物（熔渣），填充金属和热量都是在反应区体积内产生的。从上述各种焊接热源来看，有些热量产
39、生于表面（必须通过传导将其传送至工件内部），有些产生于材料内部。由于构件及其坡口的几何尺寸不同，和焊接热源的可调节将性等方面的差异，在实际应用中有各种变化。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,各种焊接热源的主要特征,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,2、焊接热源的有效热功率（热效率）焊接热源对焊接温度场（热场、流场）的影响主要表现在热输入参数上：热输入 瞬时热源：采用热量QJ 连续热源：采用热流量qJ/S 由于在焊接过程中所产生的热量并非全部用于加热工件，而是有一部分热量损失于周同介质和飞溅，因此，热源也存在一个热效率问题。热效率（或称功率系数量）h1,机械
40、制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,2、焊接热源的有效热功率（热效率）电弧焊时，一般可将电弧看成是无感的纯电阻，则全部电能转变为热能，其有效热功率为：其中：q为电弧的有效热功率J/S U为电弧电压V I为电弧电流A h为功率系数 R为电弧的欧姆电阻 Ieff为有效电流A（交流情况下，用瞬时 积分得出的有效值）,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,2、焊接热源的有效热功率（热效率）气焊时，以乙炔的消耗量VAc为基本参数，有效热功率为：电阻焊（点焊和压焊）时，其有效能量为其欧姆电阻R、有效电流Ieff和电流持续时间tc的乘积。缝焊时(焊缝速度vmm/s),常用单位长度焊
41、缝的热输入qwJ/mm来替代单位时间的热输入q，这样比较方便。此外，根据不同的焊接方法，还可以用单位质量熔敷金属的热量qm代替q和qw。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-焊接热源,2、焊接热源的有效热功率（热效率）在一定条件下，h是常数，其主要取决于焊接方法，焊接规范和焊接材料的种类。下表给出了钢和铝常用焊接方法的热功率数据。钢和铝常用熔焊方法的热功率数据,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,三、传热基本定律热传导定律 金属材料焊接时，局部集中的随时间变化的热输入，以高速度传播到构件的边远部分。在多数情况下，输入和对流在热输入过程中，也起着重要的作用，因而也是构件表面热热损失的
42、主要因素。热传导问题由傅立叶定律来描述：物体等温面上的热流密度q*J/mm2s与垂直于该处等温面的负温度梯度成正比，与热导率成正比：其中：-热导率J/mmsK T/n温度梯度K/mm,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-传热定律,对流传热定律 在气体和流体中热的传播主要借助于物质微粒，的运动，如果这种运动仅仅由于温度差引起的密度差而造成的，则产生自然对流，如果依靠外力来维持这种运动，则产行强迫对流（如电弧和火焰的吹力效应）。由牛顿定律，某一与流动的气体或液体接触的固体的表面微元，其热流密度q*c与对流换热系数cJ/mmsK和固体表面温度与气体或液体的温度之差（T-T0）成正比:其中：T固
43、体表面强度；T0气体或液体温度。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理-传热定律,辐射传热定律 加热体的辐射传热是一种空间的电磁波辐射过程，可以穿过透明体，被不透光的物体吸收后又转变成热能，因此，任何物体间均处于相互热交换状态。根据斯蒂芬波尔兹曼定律：受热物体单位时间内单位面积上的辐射热量，即其热流密度q*r与其表面温度为4次方成正比:其中:C0=5.6710-14J/mm2sK,适用于绝对黑体;1为黑度系数(吸收率)。对于抛光后的金属表面，=0.20.4,对于粗糙、被氧化的钢材表面，=0.60.9,黑度随温度的增加而增加，在熔化温度的范围内，=0.900.95。,机械制造基础,第一节 基
44、本概念和基本原理-传热定律,辐射传热定律 在重要的焊接条件下，相对比较小的物体（温度为T）在相对较宽阔的环境中（温度为T0）冷却，通过热辐射（和对流相比，高温下热辐射占主要地位）发生的热量损失按下式计算：作为上式的线性化近似：其中：r为辐射换热系数J/mm2sK，其在很大程度上取决于T和T0。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,四、导热微分方程 对于均匀且各向同性的连续体介质，并且其材料特征值与温度无关时，在能量守恒原理的基础上，可得到下面的热传导微分方程式：其中：-热传导系数J/mmsK；c-质量比热容J/gK；-密度g/mm3；Qv-单位体积逸出或消耗的热能；Qv/t内热源强度。定
45、义热扩散系数a=/c，并引入拉普拉斯算子2，则上式简化为,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理导热微分方程,导热微分方程的边界条件常分为三类：（1）已知边界上的强度值：即：（2）已知边界上的热流密度分布，即：（3）已知边界上物体与周围介质间的热交换，即：当边界与外界无热交换(即绝热条件)时，T/n=0.其中：n-边界表面外法线方向；qs-单位面积上的外部输入热流;-表面换热系数(=c+r,包括辐射和对流换热）；T周围介质温度。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,五、焊接熔池计算的三维数学模型 在此，建立运动电弧用下三维TIG焊接池件的流体力学状态和传热过程的数值分析的模型，电弧热量
46、使被焊金属熔化并形成熔池，电弧以恒定的速度u0沿X方向移动。根据温度分布，熔池分为前后两部分，在熔池前部，输入热量大于散失的热量，所以，随着电弧的移动，金属不断熔化；在熔池后部，散失的热量大于输入的热量，所以发生凝固。在熔池内部则因自然对流、电磁力和表面张力等的驱动，产生流体对流。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接熔池计算的三维数学模型,控制方程组 在固定坐标系（，y，z）中，热能方程为其中:-密度；c比热容；导热系数；T温度；t时间；u、v、w分别为x、y、z，方向上的速度分量。上式的求解区域包括液态熔池和其周围的固态金属，在整个计算区域内，是一个对流与导热的问题，由于在固体中流
47、体的流速为零，所以在实际固体中就转化为纯导热问题，上式就还原成导热微分方程。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接熔池计算的三维数学模型,控制方程组 考虑到热源是一个热流密度为q(r)且以恒速运动的电弧，在此进行坐标变换，将x=-u0t代入上式，就可以将固定坐标转换为以热源中心为坐标原点的移动坐标。其中，x为电弧移动方向上的点到热源中心的距离。此时：上式为热能方程，表示系统满足能量守恒。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接熔池计算的三维数学模型,控制方程组 对于熔池中的流体应满足动量守恒，即满足动量方程；其中:流体黏度；P流体压力；X、Y、Z 体积力在x、y、z方向上的分量。
48、,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接熔池计算的三维数学模型,控制方程组 此外，流场还应满足一个附加的约束条件，即流体是连续和不可压续的，也就是说需满足连续性方程：上述热能方程，动量方程和连续性方程的就构成了焊接熔池问题求解的控制方程组，求解的结果应同时满足上述方程。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接熔池计算的三维数学模型,体积力 动量方程中出现了X、Y、Z三个体积力分量，电弧焊接熔池中的体积力包括电磁力和自然对流项，体积力为：其中：j电流强度：B磁感应强度；体积膨胀系数；g重力加速度；T温差。在x、y、z三个方面的分量分别为：,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接
49、熔池计算的三维数学模型,边界条件热能方程的边界条件为：当z=0（电弧覆盖区域），有热流q(r)向工件输入热量其中：I焊接电流；U焊接电压；q-热流分布函数；r距电弧中心的距离；h热效率。当z=L、z=0(上下表面的其它部分），通过对流和辐射向环境放热，此时在固液界面上，T=Tm，Tm为材料熔点。当y=0，表示要求解的温度场关于中心平面(x-y)对称，则,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接熔池计算的三维数学模型,边界条件动量方程和连续性方程的边界条件在固体中和固液相界面上，在熔池表面上，,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理焊接熔池计算的三维数学模型,由上述控制方程组和边界条件就构
50、成了描述焊接熔池的数学模型，求解此模型，就可以确定工件上各点的温度和熔池中流体的状态。但由于方程的复杂性，没有办法求出解析解，所以只能用数值方法。随着计算机技术的发展，使得这种复杂问题的求解已成为可能。,机械制造基础,第一节 基本概念和基本原理,构件几何尺寸的简化 在进行函数解析求解时，将有关的几何尺寸和热输入方式简化，作为分析模型的一部分，是绝对必要的，这可以使最后的公式更为简单。而在有限元求解时，原则上允许考点几乎任何复杂的情况，但实际上要受到问题的复杂程度和计算资源的限制。根据构件的几何形状，引入三种基本的几何形体，半无限扩展的立方体（半无限体），无限扩展的板（无限大板），和无限扩展的杆
