《熔化焊的熱過程》課件

熔化焊的熱過程熔化焊是通過高溫將焊件和填充材料熔化，形成熔池，冷卻后形成焊縫的焊接方法。熔化焊的熱過程是焊接過程的核心，它決定了焊縫的質(zhì)量和性能。11課程目標焊接工藝的理解深入理解熔化焊的熱過程原理，掌握焊接過程中的熱量傳遞、溫度場分布和相變行為。焊接質(zhì)量的控制學習控制焊接參數(shù)、優(yōu)化焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，避免焊接缺陷的產(chǎn)生。實踐能力的培養(yǎng)通過實驗和案例分析，鍛煉學生動手能力，掌握焊接熱過程的測試方法和分析手段。課程大綱11.熔化焊的熱過程概述熔化焊的基本概念和分類，熱過程的特點22.焊接熱輸入與溫度場熱輸入計算方法，溫度場分布規(guī)律33.焊縫金屬的相變與組織焊接熱影響區(qū)，焊縫金屬組織結(jié)構(gòu)，硬度分布44.焊接過程中的熱量控制焊接熱量的影響因素，熱量控制方法熔化焊的原理熔化焊是一種將焊件加熱到熔化狀態(tài)，并在熔化金屬冷卻凝固后形成焊接接頭的焊接方法。熔化焊利用電弧、激光、電子束等熱源將焊件局部加熱到熔化溫度，形成熔池，待熔池冷卻凝固后便形成了焊接接頭。熔化焊的原理是利用熱能使焊件和填充金屬熔化，并形成熔池，待熔池冷卻凝固后形成焊接接頭。焊接過程中的熱傳導熱量傳遞焊接過程中，熱量從電弧或激光束傳遞到焊件，并向周圍區(qū)域傳導。傳導方向熱量沿著溫度梯度方向傳遞，從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴散。熱量分布熱量在焊件中的分布不均勻，焊點溫度最高，隨著距離焊點的增加，溫度逐漸降低。焊點溫度場分布焊點溫度場是指焊接過程中，焊件內(nèi)部不同位置的溫度分布。溫度場受到焊接參數(shù)、材料性能和焊接工藝等因素的影響。高溫區(qū)熔池區(qū)域溫度最高，金屬處于熔融狀態(tài)過渡區(qū)熔池周圍區(qū)域金屬處于固態(tài)，但溫度較高熱影響區(qū)過渡區(qū)以外區(qū)域金屬溫度升高，但未達到熔點焊接過程中的熱量焊接過程中熱量的來源主要有電弧熱、熔池熱和其他熱。電弧熱占總熱量的60%，熔池熱占30%，其他熱占10%。焊縫金屬的相變過程1固態(tài)液態(tài)金屬凝固2奧氏體晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變3珠光體熱處理過程4馬氏體快速冷卻焊縫金屬在焊接過程中經(jīng)歷多個相變過程。液態(tài)金屬冷卻凝固后，形成奧氏體。隨后，奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w或馬氏體，這些相變過程決定了焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能。焊點的溫度梯度焊點溫度梯度是指焊接過程中焊縫金屬溫度從最高點到最低點之間變化的程度。溫度梯度會影響焊縫金屬的冷卻速度，從而影響焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能。溫度梯度越大，冷卻速度越快，焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)越細密，強度越高，但韌性會降低。影響溫度梯度的因素包括：焊接熱輸入、焊縫幾何形狀、焊接材料的熱物理性質(zhì)等?？梢酝ㄟ^控制焊接熱輸入、焊縫幾何形狀等因素來控制溫度梯度，從而獲得最佳的焊縫金屬組織結(jié)構(gòu)和性能。焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)是指焊縫金屬中各相的形狀、大小、分布和數(shù)量。影響因素包括焊接工藝參數(shù)、材料類型和焊縫金屬的冷卻速率。焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)對焊縫金屬的力學性能、耐腐蝕性能等有重要影響。組織結(jié)構(gòu)的不同會影響焊接質(zhì)量。焊縫金屬的硬度分布焊縫金屬的硬度分布受多種因素影響，包括焊接工藝參數(shù)、焊接材料和基材材質(zhì)等。通常，焊縫金屬的硬度較高，而在熱影響區(qū)，硬度會逐漸降低。HV500焊縫中心硬度最高HV400熱影響區(qū)硬度降低HV300基材原有硬度殘余應(yīng)力和變形問題焊接過程中的熱應(yīng)力焊接過程中的熱量輸入會導致金屬材料的溫度變化，進而產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種應(yīng)力會隨著冷卻過程而逐漸積累，最終形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力可能會導致焊接接頭的變形、開裂甚至失效。因此，控制殘余應(yīng)力是焊接質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一。焊接變形焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導致焊接接頭發(fā)生變形。變形的形式多種多樣，包括彎曲、扭曲、拉伸等。焊接變形會影響產(chǎn)品的尺寸精度和外觀質(zhì)量，需要采取相應(yīng)的措施進行控制。控制焊接變形的方法包括：選擇合適的焊接工藝參數(shù)、采用預熱和后熱處理、進行合理的焊接順序等。焊點硬度測試1維氏硬度測試維氏硬度測試法適用于各種金屬材料，尤其適用于薄板、硬質(zhì)合金等材料的硬度測試。2洛氏硬度測試洛氏硬度測試法是一種常用的硬度測試方法，它使用金剛石圓錐壓頭或鋼球壓頭，在一定負荷下壓入被測材料表面。3布氏硬度測試布氏硬度測試法是一種常用的硬度測試方法，它使用硬質(zhì)合金球壓頭，在一定負荷下壓入被測材料表面。焊點顯微組織觀察顯微組織觀察是了解焊點內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的重要手段，可以觀察焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的微觀形貌。通過顯微鏡觀察焊縫金屬的晶粒尺寸、形狀、排列方式，可以判斷焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能。觀察熱影響區(qū)的微觀形貌可以了解焊接熱量對母材的影響，判斷熱影響區(qū)的組織變化和性能變化。焊接熱影響區(qū)定義焊接熱影響區(qū)（HAZ）是指焊接過程中，由于熱量輸入而發(fā)生物理和化學變化的區(qū)域，但不包括熔化金屬區(qū)域。影響因素焊接參數(shù)、材料特性、焊接工藝都會影響HAZ的范圍、組織變化和性能變化。重要性HAZ的特性會影響焊接接頭的強度、韌性、抗腐蝕性等性能，對焊接質(zhì)量至關(guān)重要。焊縫金屬的成分及性能焊縫金屬的成分和性能對于焊接接頭的強度和耐久性至關(guān)重要。焊縫金屬的成分取決于所用焊材和母材的成分。焊接過程中的熱量會影響焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其性能。焊縫金屬的性能包括強度、韌性、硬度、耐腐蝕性等。焊點金屬相變行為分析1熔化焊絲熔化，形成液態(tài)金屬。2混合液態(tài)金屬與母材混合，形成熔池。3凝固熔池冷卻，金屬結(jié)晶，形成焊縫。4相變焊接過程中的熱量影響金屬的晶體結(jié)構(gòu)。焊接過程中的熱循環(huán)導致焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。熔化、混合、凝固和相變是焊點金屬相變行為的主要階段。了解焊縫金屬的相變行為有助于控制焊縫的組織結(jié)構(gòu)和性能。焊點溫度場的測量方法熱電偶法測量焊點溫度的常用方法，精度高，響應(yīng)速度快。紅外熱像儀法非接觸式測量，可實時觀測焊點溫度分布。激光熱成像法利用激光掃描焊點，測定溫度場的分布。焊接過程中的熱量計算熱量計算公式應(yīng)用輸入熱量Q=I*U*t焊接電源的功率熔化熱Q=m*L熔化焊縫金屬熱損失Q=K*A*ΔT熱量散失到周圍環(huán)境焊縫組織結(jié)構(gòu)的影響因素焊接工藝參數(shù)焊接電流、焊接速度和焊接電壓等參數(shù)對焊縫組織結(jié)構(gòu)有顯著影響。焊接電流過高會導致熔池過熱，造成焊縫金屬過燒和晶粒粗化。焊接速度過快會導致熔池冷卻速度過快，形成細小晶粒和較高的硬度。母材成分母材的化學成分會影響焊縫金屬的熔點、流動性和凝固速度。不同母材的化學成分會影響焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能，例如，高碳鋼的焊縫金屬易于形成馬氏體組織，而低碳鋼的焊縫金屬易于形成珠光體組織。焊接材料焊接材料的種類和性能對焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)有重要影響。焊接材料中的合金元素會影響焊縫金屬的晶粒尺寸、硬度和強度。冷卻速度焊接過程中的冷卻速度會影響焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能。冷卻速度過快會導致焊縫金屬形成細小晶粒和較高的硬度，而冷卻速度過慢會導致焊縫金屬形成粗大晶粒和較低的硬度。焊縫金屬性能與組織結(jié)構(gòu)1力學性能強度、硬度、韌性2物理性能熔點、密度、導熱性3化學性能耐腐蝕性、抗氧化性4工藝性能可焊性、可加工性焊縫金屬性能與組織結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，組織結(jié)構(gòu)決定金屬性能，而金屬性能則是焊接質(zhì)量的重要指標。例如，焊縫的強度、硬度、韌性等力學性能與焊縫金屬的晶粒尺寸、相組成、缺陷等因素有關(guān)。焊縫的耐腐蝕性、抗氧化性等化學性能則與焊縫金屬的成分、組織結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)有關(guān)。焊接變形及其控制措施夾緊焊接過程中，對焊件進行適當?shù)膴A緊，可以有效地防止焊接變形。預熱預熱可以降低焊接過程中焊件的溫度梯度，減少熱應(yīng)力，從而控制焊接變形。工裝使用專門的工裝夾具，可以精確控制焊件的定位和尺寸，從而減少焊接變形。焊接工藝參數(shù)控制焊接電流、焊接速度等參數(shù)，可以影響焊接熱輸入，從而控制焊接變形。焊接殘余應(yīng)力及其消除1焊接過程中的熱量變化焊接過程中熱量輸入不均勻，導致焊件冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。2材料的熱膨脹系數(shù)焊接材料的熱膨脹系數(shù)不同，冷卻過程中也會產(chǎn)生應(yīng)力。3焊縫形狀和尺寸焊縫形狀和尺寸對應(yīng)力分布也有影響，應(yīng)力集中點更容易產(chǎn)生裂紋。4消除焊接應(yīng)力熱處理、預熱、消除應(yīng)力退火、機械加工等方法可以有效降低殘余應(yīng)力。焊接質(zhì)量檢測技術(shù)超聲波檢測利用超聲波在金屬材料中的傳播特性，檢測焊接接頭的缺陷和質(zhì)量。X射線檢測利用X射線穿透金屬材料的特性，檢測焊接接頭的內(nèi)部缺陷。磁粉檢測利用磁粉在磁場中的分布特性，檢測焊接接頭的表面缺陷。滲透檢測利用滲透液的特性，檢測焊接接頭的表面缺陷。焊點組織觀察及分析焊點組織觀察是通過金相顯微鏡或掃描電鏡等設(shè)備對焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察和分析，從而了解焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)、成分及性能。焊點組織分析主要是通過對焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察和分析，確定焊縫金屬的組織結(jié)構(gòu)、相變過程、晶粒大小、缺陷類型等信息，并以此判斷焊縫金屬的性能。焊點缺陷及其形成原因氣孔氣孔是焊縫中最常見的缺陷之一，通常由焊接過程中氣體產(chǎn)生或殘留在焊縫中造成的。未熔合未熔合是指焊縫未與母材完全熔合，通常由焊接電流不足、焊接速度過快或焊接間隙過大造成。裂紋裂紋是焊縫中的一種嚴重缺陷，通常由焊縫冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力或焊縫金屬的內(nèi)部缺陷造成。夾渣夾渣是指熔化焊過程中，焊縫中混入熔渣或其他雜質(zhì)，通常由焊接操作不規(guī)范、焊絲質(zhì)量差或焊接環(huán)境不良造成。焊接熱過程的數(shù)值模擬1建立模型定義材料屬性和幾何形狀2設(shè)置邊界條件模擬焊接熱源和冷卻過程3求解方程使用有限元方法進行數(shù)值計算4結(jié)果分析溫度場、應(yīng)力場和變形數(shù)值模擬可用于預測焊接熱過程中的溫度場、應(yīng)力場和變形。這有助于優(yōu)化焊接參數(shù)、減少焊接缺陷、提高焊接質(zhì)量。焊接熱過程及其優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化目標提高焊接質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。減少焊接變形，提高焊接效率。優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，確保焊接質(zhì)量。優(yōu)化方法采用先進的焊接工藝，如激光焊接、電子束焊接等。優(yōu)化焊接參數(shù)，如焊接電流、焊接速度、焊絲直徑等。應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，預測焊接過程中的熱場和應(yīng)力分布。焊接熱過程的新技術(shù)發(fā)展激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束熔化工件，形成熔池并冷卻凝固，實現(xiàn)連接的技術(shù)。激光焊接具有速度快、精度高、熱影響區(qū)小、變形小的特點，是目前焊接領(lǐng)域發(fā)展迅速的應(yīng)用之一。等離子焊接等離子焊接是利用等離子弧的高溫等離子體來熔化焊件，實現(xiàn)連接的一種焊接方法。等離子焊接具有焊接速度快、焊接質(zhì)量高、熱影響區(qū)小、變形小、效率高、易于自動化等優(yōu)點。摩擦攪拌焊接摩擦攪拌焊接是一種固態(tài)焊接方法，利用旋轉(zhuǎn)工具與焊件表面摩擦產(chǎn)生熱量，使焊件材料軟化，并在旋轉(zhuǎn)工具的擠壓下實現(xiàn)材料的塑性流動和連接，該技術(shù)無需熔化焊接材料，可以連接不同金屬材料，具有高強度、低變形、環(huán)保等優(yōu)點。超聲波焊接超聲波焊接利用高頻振動產(chǎn)生的超聲波能量，使焊件接觸面產(chǎn)生高溫，實現(xiàn)塑性流動和熔接，具有焊接速度快、效率高、無污染、節(jié)省能源等優(yōu)點。焊接熱過程綜合實驗實驗設(shè)計與方案制定實驗方案，包括實驗目的、實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗步驟、實驗儀器、實驗材料等。實驗操作與數(shù)據(jù)采集按照實驗方案進行焊接操作，記錄實驗過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如焊接參數(shù)