q( r ) q m e
Kr 2
(1-3)
式中，q( r) 为A点的热流密度[J ／(cm2﹒s)]；qm 为加热斑点中心的最
大热流密度[J／(cm2﹒s)] ； K为能量
集中系数(cm-2)；r为A点距加热斑 点中心的距离(cm)。
图 1-2 电弧作用下的加热斑点
由式(1—3)可知，只要知道qm和K值就可以求出任意点的
等离子弧 电子束 激光束
108
109 1011
10
12
2 10 3473 5 6000 10 1.5 105 8000 5 2 10 6400 105 2300 105 ~ 106 6 1.5 10 18000 ~ 24000 8 10 10 ~ 10 108 ~ 1010
1.1.2 焊接热效率
___ （在 0~1500 °C） （0.63~ 37.8)× 10-3
___
___
焊件形态及接头形式
焊件的几何形态、尺寸大小及所处的状 （如环境温度、预热条件等）对焊接传热过
程有很大影响，必然会影响焊接温度场。而
接头形式的不同，造成传热条件的差异，同
样会影响温度的分布，即对温度场造成影响。
② 焊接温度场的解析求解 基本假设和简化 假设被焊金属是均质、且各向同性的；材料的热物理量 均为常数，与温度无关；不考虑焊接熔化与凝固过程， 即认为被焊工件始终为固态，并且不考虑固态相变的 作用。 作用于半无限大体的瞬时点热源 这种情况下，假设热量为Q的热源瞬时作用于厚大焊件 的某点上，则距热源为R的任何一点，经t 时间后，该点 的温度增量T－T0的数学表达式为
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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作：徐世伟 指导教师：刘耀东
第一章
熔化焊热源及接头形成
1.1
熔化焊热源及温度场
1.2
焊接热循环
1.3
熔化焊接头的形成
§ 1.1
焊接热源及温度场
1.1.1 焊接热源的种类及其特征 根据焊接生产的基本要求，不同焊接方法能 够满足焊接条件的焊接热源有以下几种： （1）熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电
（1）电弧热效率：如果电弧是无感的，此时电能全部转化 为热能，则电弧的功率为 q=UI (1-1) 式中，q为电弧功率，即电弧在单位时间内所放出的能 量(W)；U为电弧的电压(V)；I为焊接电流(A)。若能量 不全部用于加热焊件，则加热焊件获得的有效热功率为 qe=ηUI (1-2) 式中η为加热过程中的功率有效系数或称热效率。在一
定条件下η是常数，主要取决于焊接方法、焊接规范、焊
接材料和保护方式等。
焊件所吸收的热量可分为两部分：一部分用于熔化金 属而形成焊缝；另一部分使母材近缝区的温度升高以致发 生组织变化从而形成组织和性能都有别于母材的热影响区 。实际上，用于熔化金属形成焊缝的热量才是真正的热效 率。若从保证焊接质量的角度看，形成热影响区的热量越 小越好。电弧焊的热量分配如图1-1所示。
4).焊接温度场的计算
① 影响焊接温度场的因素
焊接热源种类及热源能量密度 对于同种材料的焊件，如果施焊时采用的焊接热源不同， 则温度场会有明显差异；同一焊接方法施焊同种材料时， 采用不同的焊接工艺参数，其热输入量也不同，温度场的 形状和大小也不同。
被焊材料的热物理性质
不同金属材料的热物理性质有很大差异，在同样热输入 条件下，温度场会有明显不同。表1.12是焊接工程中常 用金属材料的热物理参量。
（3）在相变温度以上的停留时间tH：即高温停留时
间。在相变温度以上停留时间越长，越有利于奥氏体的
均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长 大。加热温度越高，晶粒长大所需的时间越短。这会引 起接头脆化现象，从而降低接头的质量。 高温停留时间tH由加热过程持续时间t'和冷却过程 持续时间t''两部分组成，即t=t'+t''。对于一般的焊接 热循环有t’=t''。
影响区组织。
焊接热循环与焊接温度的区别： 焊接温度常反映某瞬时焊接接头中各点的温度分布状态， 而焊接热循环是反映焊接接头中某点温度随时间的变化规 律，也描述了焊接过程中热源对焊件金属的作用。
图1-4
低合金钢堆焊缝邻近各点的焊接热循环曲线
二、焊接热循环的特征参数
（1）加热速度
H
：焊接热源的集中程度较高，引
热流密度。高斯曲线下所覆盖的全部热能为
Kr 2r 故 q e F q ( r ) dF （1-4） q e 2 rdr q m m 0 K
qm
K

qe
(1-5)
式中，qe为电弧的有效功率，qe=ηUI。K值说明热流 集中的程度，主要取决于焊接方法、焊接工艺参数和被焊金属 材料的热物理性能等。不同焊接方法的能量集中系数K值见表 1.3。从今后的发展趋势来看，应采用K值较大的焊接方法， 如电子束和激光焊接等。
起焊接时的加热速度增加。对于钢铁材料而言，加热速度
快，意味着发生奥氏体转变的温度提高，奥氏体的均质化 和碳化物的溶解过程就越不充分，因此必然会影响到其后
冷却过程组织和性能。
（2）加热最高温度Tm：即峰值温度。它对焊后母材 热影响区组织和性能有很大影响。接头上熔合线附近，由 于温度高，引起晶粒严重长大，导致韧性降低。对于低碳 钢和低合金钢，熔合线附近的最高温度可达 1300~1350°C。
图1-3 温度场中的等温线和温度梯度
2)等温线（或等温面）和温度梯度 焊件上瞬时温度相同的点连成的线或面称为等温线或 等温面。各个等温线或等温面之间不能相交。 每条线或面度差，其大小可用温度梯度表示。温度梯
度是矢量，其正值为温度增加，负值为温度减小。温
度梯度反映了温度场中任意点温度沿法线方向的增加 率。
由图1-2可以看出，加热 斑点区的热能分布是不均
匀的，中心多而边缘少。
在电流密度不变的条件下， 电弧电压越高，则中心与 边缘的热能相差越小。若 电压不变时，电流密度越
大，则中心与边缘的热能
相差也越大。
图 1-2 电弧作用下的加热斑点
单位时间通过单位面积传递给焊 件的热能称为热流密度q( r )。研究结 果表明，加热斑点上的热流密度分布， 可近似地用高斯分布来描述。距斑点 中心O为r的任意点A的热流密度为
子束、激光束、化学热。
（2）压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、 高频感应热。
表1.11
热源
各种焊接热源的主要特性
最大功率密度 /(kW/cm2)
4
最小加热面积/㎡
6
正常焊接条件下温 度/K
乙炔火焰 金属极电弧 钨极氩弧(TIG) 埋弧焊 电渣焊
10 107
107 107 106
熔化极氩弧焊和 CO2气体保护焊
化而变化，因此，某瞬时焊件上各点温度的分布称为温度
场。温度场以某一时刻在某一空间内所有点的温度值来描 述，在直角坐标系内为
T = ƒ(x , y , z , t）
件上某点的空间坐标；t为时间；
（1-6）
式中，T为焊件上某点某瞬间的温度；z，y，z为焊 温度场的分布可用等温线或等温面来描述(见图1-3)。
3)稳定、非稳定和准稳定温度场
当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之为稳定
温度场； 当焊件上各点的温度随时间变化的温度场，称之为非稳
定温度场。
当恒定功率的热源作用在一定尺寸的焊件上并做匀速直 线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态， 温度场会达到暂时稳定状态，并可以随着热源以同样速 度移动，这样的温度场称为准稳定温度场。
Q x2 T T0 exp( b t ) （1-9） 1/ 2 cA(4at ) 4at
式中， b ( ) P / cA ，P和A分别为杆的横截 c r 面的周长和面积。
Contents
§ 1．2 焊接热循环
一、焊接热循环的概念： 在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化 过程称为焊接热循环。 研究焊接热循环的意义：①找出最佳的焊接热循环；②用 工艺手段改善焊接热循环；③预测焊接应力分布及改善热
响区过宽，晶粒粗大，焊接接头的机械性能下降。
（3）电子束焊热效率 ：电子束焊时因功率密度大，
能量集中，穿透力强，因此焊接时，能量的损失较少，
其热效率可达90%以上。 （4）激光焊接热效率：激光焊的热效率取决于工件对 激光束能量的吸收程度，与焊件表面状态有关。光亮 的金属表面在室温下对激光具有很强的反射作用，其
热扩散 率
a
c
0.07~0. 10
0.05 ~0.0 7
1.00
0.95
热焓
H
J/g
在某一温度1g物 质所含热量
（在 0~1500 °C） 1331.4
___
___
___
表面传 热系数
h
J/ 传热体表面与周 (cm2•s•K) 围介质每相差 1°C时，通过单 位面积在单位时 间内所散失的热 量
3.78
比热容
c
J /(g•K)
一克物质每 0.652~0. 升高1°C时，756 所需热量
0.42~0.5 1.0 0
1.22
续表1.12
容积比 热容 cρ J 单位体积的物质 /(cm3•K) 升高1°C时所需 的热量 cm2/s 传热过程中，温 度传播速度 4.83~4. 56 3.36 ~4.2 2.63 3.99
表1.3 不同焊接方法K值
1.1.4
焊接温度场
一、焊接时的热作用特点
(1)热作用的集中性：焊接热源集中作用在焊件
连接部位。这样，焊件上存在较大的温度梯度，形成 不均匀的温度场，易引起不均匀分布的应力或应变场， 以及不均匀的组织和性能变化等问题。