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1、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（H） 加热最高温度 （TM） 高温停留时间 （tH） 冷却速度（C）,典型的焊接热循环曲线,1) 加热
2、速度（H）,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（C）,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
3、,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； 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
4、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 =0.42J/cms ,上述冷
5、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：,800500 t8/5 800300 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
6、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（50400m），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度。,l每道次焊缝的长度；TB前道次焊缝保持温度； k经验常数，与焊接方法、工艺及接头形式等有关。,进行短段多层焊时，操作繁琐，生产效率低。为了克服短焊缝焊接的不足，可采用台阶型施焊工艺。,