第二讲 焊接热源

1、焊接热源有哪些共同要求?描述焊接热源主要用什么指标能量密度高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区指标：最小加热面积，最大功率密度和正常规范条件下的温度等；；理想的焊接热源应具有加热面积小、功率密度高和加热温度高等特点.2、试述焊接接头的形成过程及对焊接质量的影响过程：加热熔化冶金反应凝固结晶固态相变3、熔滴比表面积的概念及对焊接化学冶金过程的影响答：熔滴的表面积Ag 与其质量之比称为熔滴的比表面积S。

熔滴的比表面积越大，熔滴与周围介质的平均相互作用时间越长，熔滴温度越高，越有利于加强冶金反应。

4、焊条熔化系数、熔敷系数的物理意义及表达式？真正反映焊接生产率的指标是什么？答：焊条熔化系数g M：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度；平均熔敷系数g H（真正反映焊接生产率的指标），由于损失系数不等于零，单位时间内真正进入焊接熔池的金属质量称为平均熔敷速度。

5. 试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有什么解决措施？药皮发红的原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。

解决措施:调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的融化系数，减少电阻热以降低焊条的表面升温。

6熔合比的表达式和影响因素？多层焊时，如果各层间的熔合比是固定的，试推导第n层金属的成分。

在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比θ。

θ=Fp/Fp+Fd影响因素：焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目及母材的热物理性质、焊接材料种类、焊条（焊丝）的倾角等。

Ww——焊缝金属中合金元素的实际质量分数;Wb——该元素在母材中的质量分数Wd——熔敷金属中该元素的质量分数。

因为Ww=θWb+(1-θ) WdW2=θW1+(1-θ) Wd=错误!未找到引用源。

Wb+(1-错误!未找到引用源。

)WdW3=ΘW2+(1-θ) Wd=错误!未找到引用源。

第2章 焊接热源模型焊接热源的物理模型，涉及两个问题。

一是热源的热能有多少作用在工件之上；二是已经作用于工件上的热量，是如何在工件上分布的。

因此，建立焊接热源的物理模型，是进行焊接热过程和熔池行为分析或数值模拟的前提和条件。

本章针对上述两个问题展开讨论。

2.1焊接热效率和焊接熔化效率电弧焊接时通过电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热和熔化焊丝（或焊条）与工件。

熔化极焊接时，焊接过程中焊丝 (或焊条)熔化，熔滴把加热和熔化焊丝 (或焊条)的部分热量带给熔池。

而对于钨极氩弧焊，电极不熔化．母材只利用一部分电弧的热量。

弧焊时，电弧功率可由下式表示a IU Q =0 (2-1)式中，a U 是电弧电压(V),I 是焊接电流(A)，0Q 是电弧功率(W ), 即电弧在单位时间内所析出的能量。

由于能量0Q 不是全部用在加热焊件，故真正有效用于加热焊件的功率为a IU Q Q ηη==0 (2-2) 式中，η为电弧功率有效利用系数或称为焊接热效率，它与焊接方法、焊接工艺参数和焊接材料的种类(焊条、焊丝、保护气等)有关。

各种弧焊方法在常用焊接工艺参数下的热效率η见表2-1。

表2-1 各种弧焊方法的热效率在其他条件不变的情况下，η值随着弧长的增加、电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。

应当指出，这里所说的热效率η，只是考虑焊件所能吸收到的热能。

实际上这部分热能一方面用于熔化金属而形成焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区。

η值并没有反映出这两部分热量的比例。

根据定义，电弧加热工件的热效率η是电弧在单位时间内输入到工件内部的热量Q 与电弧总功率0Q 的比值，即Q Q=η （2-3） 021Q Q Q +=η （2-4） 21Q Q Q += （2-5）式中，1Q —单位时间内熔化焊缝金属（处于液态m T T =时，m T 为熔点）所需的热量（包括熔化潜热）；2Q —单位时间内使焊缝金属处于过热状态（m T T >）的热量和向焊缝四周传导热量的总和。

第二讲
焊接基础知识
一、焊接热过程及焊接热源
熔化焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。

熔化焊时对焊接区域进行加热和冷却的过程称为焊接热过程。

1．焊接热过程的特点
（1）加热的局部性
（2）焊接热源的移动性
（3）极高的加热速度和冷却速度
2. 焊接温度场
温度场指的是一个温度分布的空间。

焊接温度场可以用等温线或等温面来表示。

3. 焊接热循环
母材上某一点所经受的升温和降温过程叫做焊接热循环。

焊接热循环可以用温度-时间曲线来表示。

4. 焊接热源
要求：
(1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。

高能量密度和高温可以使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速焊接，提高生产率。

(2) 热源性能稳定，易于调节和控制。

热源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。

(3) 高的热效率，降低能源消耗。

尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。

种类:
电弧热、化学热、电阻热、等离子焰、电子束和激光束等等。

焊接电弧
焊接电弧是在具有一定电压的两电极间或电极与工件之间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。

5．电弧焊焊接过程
电弧焊焊接过程
1-工件；2-焊缝；3-熔池；4-金属熔滴；5-药皮；6-焊芯；
7-气体；8-熔融熔渣；9-固态渣壳
下节预告
下一讲我们将学习焊接化学冶金。

第二节焊接热过程电弧焊时，焊件及填充金属被电弧加热熔化形成熔池，随着焊接热源移开后又冷却结晶形成焊缝，这样的加热与冷却过程称为焊接热过程。

焊接热过程的内容包括焊接热循环、焊接温度场、焊接传热的基本规律、焊接热源等。

一、焊接热过程的特点1)焊接热过程是在焊件的局部进行的。

通常焊条电弧焊时，熔池的质量仅为3～9g。

埋弧焊时，即使焊接电流很大，熔池质量也不超过100g。

因此对焊件整体来说，加热极不均匀。

2)焊接热过程是一个瞬时进行的过程。

主要体现在升温速度快，高温停留时间短，冷却速度快。

电弧焊时其加热速度可达1500℃／S以上，熔池存在的时间一般只有几秒至几十秒。

3)加热温度高。

电弧焊时，电弧的最高温度为5000～6000℃。

远高于金属的熔点。

对于低碳钢来讲，熔池的平均温度仅为(1770±100)℃，熔滴为(2300±200)℃，熔渣为(1550±100)℃。

表1-２－１列出了几种不同材质在不同焊接方法下熔池的平均温度。

表1-２－１熔池的平均温度（单位：℃）4)焊接过程中的热源是在不断地运动着的。

焊件受热区域的不断变化，使得这种传热过程具有不均匀性。

二、焊接温度场1．焊接温度场的概念热能传递的方式主要有传导、对流、辐射三种。

在电弧焊中，热能传给焊件主要是传导和辐射两种方式。

焊件受到电弧热源加热时，温度就会升高。

由于焊接热过程的特点，离开热源不同的距离，在不同的时刻，焊件上的各点温度都是不同的。

但这种变化有其内在的规律。

焊接温度场就是在焊接过程中的某一瞬时，焊件上各点的温度分布。

通常用等温线或等温面来表示(图1—２－１)。

为了便于分析、研究焊接温度场，对实际焊接条件下复杂的热过程进行简化处理，如假设热源的功率稳定不变，热源作恒速直线运动，在经过一段时间以后，以热源为中心的温度场达到饱和状态而趋于不变等等。

另外根据焊件的尺寸和热源的性质把温度场分为一维（单向线性传热）、二维（平面传热）、三维（空间传热）三种状况。

熔焊焊接热源熔焊焊接热源的种类主要有焊接电弧、焊接熔渣和气体火焰三大类。

1、焊接电弧它是一种强烈而持久的气体放电现象。

其最高温度在弧柱中央，可达5000-50000K(包括等离子弧)。

2、焊接熔渣当电流通过焊接熔渣时产生的电阻热则成为电渣焊的热源。

其最高温度在电极末端的渣池中，可达到1600-2000℃。

3、气体火焰是可燃气体与氧气发生强烈燃烧反应时形成的火焰。

其最高温度在焰心前端1~2mm处，对于氧乙炔焰可达3150℃，氧丙烷焰可达2800℃。

手工电弧焊基本知识1888年，俄罗斯发明了手工电弧焊接技术，使用无药皮的裸露金属棒来产生保护气体。

直到20世纪初，在瑞典发明卡尔伯格过程（Kjellberg process）和Quasi-arc方法传入英国后，药皮焊条才开始发展起来。

值得注意的是，由于成本较高，刚开始人们不怎么使用药皮焊条。

但是随着人们对好的焊缝质量需求的日益增长，手工电弧也开始使用药皮焊条。

金属棒（焊条）和工件之间形成的电弧会熔化金属棒和工件的表面，形成焊接熔池。

同时，金属棒上熔化的药皮会形成气体和熔渣，保护焊接熔池不受周围空气的影响。

因为熔渣会冷却、凝固，所以一旦焊缝焊完（或在熔敷下个焊道前）就必须从焊道上清除熔渣。

在焊钳更换新焊条前，手工电弧焊过程只能完成短焊缝的焊接。

焊缝熔深浅，熔敷质量取决于焊工技能。

1. 电弧焊的基本知识：利用电弧作为焊接热源的熔焊方法，称为电弧焊。

1）焊接电弧焊接电弧是在焊条端部与焊件之间的空气电离区内产生的一种强烈而持久的放电现象，实质上，电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程。

2) 焊接电弧构造：焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。

一、教学目标1. 知识目标：（1）了解焊接热源的种类及特点；（2）掌握焊接热源的选择原则；（3）熟悉焊接热源在焊接过程中的应用。

2. 技能目标：（1）能识别焊接热源；（2）能根据焊接材料、焊接方法、焊接结构等因素选择合适的焊接热源；（3）能正确使用焊接热源进行焊接操作。

3. 情感目标：（1）培养学生对焊接技术的兴趣和热情；（2）提高学生的焊接安全意识；（3）培养学生团结协作、勇于创新的精神。

二、教学内容1. 焊接热源概述（1）焊接热源的种类及特点；（2）焊接热源的选择原则。

2. 焊接热源的种类（1）电弧热源；（2）气体火焰热源；（3）等离子弧热源；（4）激光热源；（5）电子束热源。

3. 焊接热源的选择与应用（1）焊接材料；（2）焊接方法；（3）焊接结构；（4）焊接热源的应用实例。

三、教学方法1. 讲授法：系统讲解焊接热源的基本知识，帮助学生建立完整的知识体系。

2. 案例分析法：通过实际焊接案例，让学生了解焊接热源的选择与应用。

3. 实践操作法：组织学生进行焊接热源的操作练习，提高学生的实际操作能力。

4. 互动讨论法：鼓励学生积极参与课堂讨论，培养学生的思维能力和团队合作精神。

四、教学过程1. 导入：通过实际焊接案例，激发学生的学习兴趣，引入焊接热源的概念。

2. 讲解：系统讲解焊接热源的种类、特点、选择原则等基本知识。

3. 案例分析：选取具有代表性的焊接案例，分析焊接热源的选择与应用。

4. 实践操作：组织学生进行焊接热源的操作练习，指导学生正确使用焊接热源。

5. 互动讨论：针对焊接热源的选择与应用，组织学生进行课堂讨论。

6. 总结：回顾本节课所学内容，强调焊接热源在焊接过程中的重要性。

五、教学评价1. 课堂表现：观察学生在课堂上的学习态度、参与程度等。

2. 作业完成情况：检查学生对焊接热源知识的掌握程度。

3. 实践操作：评估学生在实际操作中运用焊接热源的能力。

4. 互动讨论：关注学生在课堂讨论中的表现，评估学生的思维能力和团队合作精神。

（完整版）焊接热源焊接热源模型摘要：根据⽬前焊接⼯作者的实践和共识,所谓的焊接热源模型,可以认为是对作⽤于焊件上的、在时间域和空间域上的热输⼊分布特点的⼀种数学表达。

到⽬前为⽌,⽤于焊接数值模拟中的所有焊接热源模型⼤都不随时间⽽发⽣变化,也就是认为在焊接进⾏过程中热源模型是不发⽣变化的,即静态焊接热源模型。

⽽动态焊接热源模型,其热输⼊是随着焊接的进⾏⽽发⽣变化的。

关键字：热源模型、⾼斯热源、双椭球热源、模型参数⼀、焊接热源模型种类及其参数在焊接尤其是熔化焊中,其热过程贯穿整个焊接过程的始终,⼀切熔化焊的物理化学过程都是在热过程中发⽣和发展的。

焊接温度场不仅决定焊接应⼒场和应变场,还与冶⾦、结晶及相变过程有着紧密的联系。

焊接温度场内包含着焊接接头质量及性能的充分信息, 始终是焊接发展中的最基本课题之⼀。

按照热源作⽤⽅式的不同，可以将焊接热源当作集中热源、平⾯分布热源、体积分布热源来处理。

当关⼼的⼯件部位离焊缝中⼼线⽐较远时，可以近似将焊接热源当作集中热源来处理。

对于⼀般的电弧焊，焊接电弧的热流是分布在焊件上⼀定的作⽤⾯积内，可以将其作为平⾯分布热源。

但对于⾼能束焊接，由于产⽣较⼤的焊缝深宽⽐，说明焊接热源的热流沿⼯件厚度⽅向施加很⼤的影响，必须按某种恰当的体积分布热源来处理。

1.1焊接模型特点1.焊接热源的特点：(1)能量密度⾼度集中;(2)快速实现焊接过程；(3)保证⾼质量的焊缝和最⼩的焊接热影响区。

2.焊接热源的种类：(1)电弧焊：⽓体介质中的电弧放电 (2)化学热：可燃⽓体 (3)电阻热：电阻焊、电渣焊 (4)⾼频感应热：磁性的⾦属⾼频感应产⽣⼆次电流作为热源 (5)摩擦热：机械⾼速摩擦 (6)电⼦束：⾼速运动的电⼦轰击 (7)等离⼦焰：电弧或⾼频放电—离⼦流 (8)激光束：激光聚焦3.热源的形式（从热传导的⾓度来考虑）：(1)点热源（三维）—厚⼤焊件焊接 (2)线热源（⼆维）—薄板焊接 (3)⾯热源（⼀维）—细棒摩擦焊4.焊接热源模型的概念：根据⽬前焊接⼯作者的实践和共识 ,所谓的焊接热源模型 ,可以认为是对作⽤于焊件上的、在时间域和空间域上的热输⼊分布特点的⼀种数学表达。