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材料成形工程试验课实验四焊接成形过程中的热循环测定实验一、实验目的1．掌握热电偶法测量焊接接头热循环的方法。
2．认识焊接接头热循环的特征，弄清其与接头组织的对应关系3．深入理解热电偶法测量焊接接头热影响区的热循环，能够验证有限元模型的正确性，从而获得焊缝区的热循环。
4．深刻领会熔化焊焊接过程特点。
二、实验原理熔化焊是焊接技术中的主要焊接方法，广发应用于工业生产中。
在熔化焊焊接过程中，在热源的热作用下焊接接头的金属均经历常温状态升温到一定温度后，然后再逐渐冷却到常温的过程。
焊接接头经历的热过程决定接头的组织特征，控制接头的力学性能。
弄清接头的热循环特征有助于理解接头的形成过程和形成机理。
焊接接头包括焊缝、热影响区以及母材区。
图1表示了焊件横截面上各区域温度的变化情况。
在焊接时各部分和焊缝距离不同而受热不均匀，导致不同位置的点所经历的焊接热循环是不同的（即被加热的最高温度不同），而且焊接后的冷却速度也不同。
因此，各部分组织与性能变化也不同。
图1 焊接接头各区热循环特征本实验采用预埋热电偶方法测量焊接过程中的热循环。
实验材料为低碳钢，热电偶为K型热电偶。
热点偶测温原理为两种不同成分的材质导体组成回路，当两端存在温度梯度时，回路中产生电流，两端产生电动势。
实验中将K 型正负极打成节点，节点的其余部分不允许发生接触，否则导致测量失败。
K 型热电偶的正极为NiCr合金为绿色，负极为NiSi合金为灰色。
NiSi合金有磁性。
热电偶只能放在接头的未熔化的区域即热影响区。
热电偶不能放在焊缝区，否则热电偶被热源熔化而无法测温。
测量焊缝温度可用红外线测温。
红外线测温仅能测量熔池表面的温度。
而熔池有一定的高度，如图2所示。
因而，采用红外线的方法无法准确测温。
目前，均采用有限元法建立热源模型，划分网格、带入边界条件，即可获得接头的热循环。
利用有限元软件提取热影响区的热循环。
同时采用热电偶测量接头热影响区的热循环。
将热影响区热电偶测量结果和热影响区模拟结果对比。
图8-1 低合金钢堆焊焊缝邻近各点的焊接热循环 （注：t －电弧通过热电偶正上方时算起的时间）实验八 焊接热循环曲线测定一、实验目的1、了解焊接热循环过程对焊接接头质量的影响；2、熟悉焊接热循环测试相关仪器和设备的使用，学会用热电偶测定焊接热循环曲线的方法；3、掌握典型焊接热循环曲线的特征及其主要表征参数。
二、实验原理焊接热循环是指在焊接热源作用下焊件上某一点的温度随时间的变化过程，可以用T(x,y,z)=f(t)这一函数关系来描述。
按此关系所画出的曲线称为该点的热循环曲线。
在焊接过程中，热源热量所及的焊件上任一点的温度，都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。
在距离焊缝不同位置的各点所经历的这种热循环是不同的（见图8-1），离焊缝越近的点，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度越大，并且加热速度比冷却速度要大得多。
焊接热循环曲线包含了焊接接头温度变化和冷却相变等重要信息，这些信息对于了解焊接冷却相变过程、接头组织、应力变形等具有重要意义。
同时，焊接热循环参数是分析HAZ 组织与性能的重要数据，也是制定、评定和优化焊接工艺的重要依据。
因此，测定焊接热循环曲线具有重要的理论意义和实用价值。
目前，焊接热循环曲线可以利用软件通过数值仿真计算的方法获得，但由于计算时所采用的假定条件与实际焊接条件出入较大，计算所得的理论热循环曲线对比实际测得的曲线仍有很大误差，故实际上多用实测的方法来获得热循环曲线。
测定焊接热循环的方法，大体上可分为接触式和非接触式。
非接触式测定方法是利用红外测温及热成像技术，其测温原理是从熔池背面摄取温度场的热像（红外辐射能量分布图），然后把热像分解成许多像素，通过电子束扫描实现转换，在显像管屏幕上获得灰度等级不同的点构成的图像，该图像间接反映了焊接区的温度变化，经过图像处理和换算，便可得出某一瞬间或动态过程的真实温度场。
接触式的测温原理是利用热电偶两端由于温度差而产生热电势进行测量的。
线能量与预热温度对焊接热循环参数的影响
线能量是指单位时间内通过焊丝的能量，预热温度是焊接前工件进行热处理的温度。
线能量的大小直接影响焊接过程中的热输入量，它与焊接过程中的电流和焊接速度有关。
线能量过大会导致焊缝过宽、熔深过深，易产生焊缝烧穿等缺陷；线能量过小则焊缝不完全熔化，焊缝质量不理想。
因此，合适的线能量是保证焊接质量的关键之一。
在实际焊接过程中，可以根据焊接材料和工件的具体情况，通过不断调整焊接电流和速度，来控制线能量的大小。
预热温度是指在焊接前对工件进行加热处理，提升材料的可塑性和热传导性，减少焊接过程中的热应力和变形。
预热温度的高低直接影响焊接热循环参数，预热温度过低会导致焊接区域温度梯度大，易产生热裂纹和冷裂纹；预热温度过高则会增加热应力和变形的可能性，影响焊接质量。
综上所述，线能量和预热温度是焊接热循环参数中重要的影响因素，合理控制它们的大小可以保证焊接质量和焊缝的力学性能。
在实际应用中，需要根据具体情况，通过试验和实践总结，确定合适的线能量和预热温度范围。
焊接热循环曲线的测定一、实验目的（一）了解焊接热循环曲线的特征和主要参数；（二）了解焊接规范对热循环曲线的影响；（三）掌握测定焊接热循环曲线的方法。
二、实验装置及实验材料（一）钨极自动氩弧焊机1台(二）电容储能式热电偶焊机1台（三）镍铬—镍硅或铂铑—铂热电偶丝(φ0.3~0.5mm)3对（四）氩气1瓶（五）X—Y／函数记录仪1台（六）试件300×200×20mm低碳钢板2块（可用A3、A5、09Mn、16Mn等材料）（七）0～300(A)直流电流表、秒表、φ5mm钻头、φ5mm平头铰刀、深度尺等三、实验原理焊接热循环是指焊件上某点经历焊接过程时的温度变化，它可以用Ｔ＝ｆ（ｔ）这一函图１低合金钢手弧堆焊时焊缝附近各点的热循环（ｔ－从电弧通过测温点正上方时开始算起的时间）数关系来描述。
按此关系所画出的曲线称为该点的热循环曲线。
焊接过程中，焊件上直接被热源加热的部位将被熔化形成熔池。
连续相接的熔池冷却凝固后即成为焊缝。
焊缝以远的部位则保持固态，焊件上各点由于在焊件上所处位置不同，受到焊接热的作用不同而经历着不同的热循环，它们的热循环曲线也就不同。
图l为低合金钢手弧焊时焊件上热影响区不同点的焊接热循环曲线。
从该图可以看出：离焊缝熔合线越近的点，加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大，并且所有各点的加热速度都比冷却速度要大得多。
这表示焊接接头热影响区的金属都经历了一个自发的、特殊的热处理过程，产生了相变、晶粒长大、应力和变形等变化，从而对焊件金属的组织和性能发生强烈的影响。
因此，测量并正确控制焊接热循环对于控制接头热影响区金属的组织和性能具有重要意义。
焊接热循环曲线固然可以借助焊接热过程的理论公式Ｔ＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）计算出来，但由于计算时所采用的假定条件与实际焊接条件出入较大，计算所得的理论热循环曲线对比实际测得的曲线仍有很大误差，故在实际上多用实测的方法来获得热循环曲线。
测定焊接热循环的方法，大体上可分为接触式和非接触式两类。
焊接热效率、热循环、线能量、预热温度和层间温度1. 焊接热效率焊接过程中，由电极（焊条、焊丝、钨极）与工件间产生强烈气体放电，形成电弧，温度可达6000℃，是比较理想的焊接热源。
由热源所产生的热量并没有全部被利用，而有一部分热量损失于周围介质和飞溅中。
被利用的热占发出热的百分比就是热效率。
它是一个常数，主要取决于焊接方法、焊接工艺、极性、焊接速度以及焊接位置等。
各种焊接方法的热效率见下表。
2. 焊接热循环在焊接热源作用下，焊件某点的温度是随着时间而不断变化的，这种随时间变化的过程称为该点的焊接热循环。
当热源靠近该点时，温度立即升高，直至达到最大值，热源离去，温度降低。
整个过程可以用一条曲线表示，此曲线称为热循环曲线，见图6。
距焊缝越近的各点温度越高，距焊缝越远的各点，温度越低。
焊接热循环的主要参数是加热速度、加热所达到的最高温度、在组织转变温度以上停留的时间和冷却速度。
加热到1100℃以上区域的宽度或在1100℃以上停留时间t△，即使停留时间不长，也会产生严重的晶粒粗大，焊缝性能变坏。
t△越长，过热区域越宽，晶粒粗化越严重，金属塑性和韧性就越差。
当钢材具有淬硬倾向时，冷却速度太快可能形成淬硬组织，极易出现焊接裂纹。
从t8/5可反映出此情况，有时还常用650℃时的冷却速度υ650℃或80 0～300℃的冷却时间t8/3来衡量。
应当注意的是熔合线附近加热到1 350℃时，该区域的冷却过程中约540℃左右时的瞬时冷却速度，或者800～500℃时的冷却时间tP8/5对焊接接头性能影响最大，因为此温度是相变最激烈的温度范围。
影响焊接热循环的因素有：焊接规范、预热温度、层间温度、工件厚度、接头形式、材料本身的导热性。
3. 焊接线能量熔焊时，热源输给焊缝单位长度上的能量，称为焊接线能量。
电弧焊时的焊接规范，如电流、电压和焊接速度等对焊接热循环有很大影响。
电流I与电压U的乘积就是电弧功率。
例如，一个220 A、24V的电弧，其功率W＝5280W，当其他条件不变时，电弧功率越大，加热范围越大。
