Transcript 第一章熔化焊热源及接头形成 - 焊接成型原理精品课

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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
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
最小加热面积/㎡
乙炔火焰
10
金属极电弧
10
钨极氩弧(TIG)
10
埋弧焊
10
电渣焊
10
熔化极氩弧焊和
CO2气体保护焊
等离子弧
电子束
激光束
6
7
7
7
6
10
10
10
10
最大功率密度
/(kW/cm2)
2  10
4
10
5
1 . 5  10
5
2  10
5
10
10 ~ 10
9
1 . 5  10
 12
3473
6000
5
8
 11
正常焊接条件下温
度/K
5
8000
6400
2300
6
6
8
10
8
10
10 ~ 10
10 ~ 10
18000 ~ 24000
1.1.2 焊接热效率
（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。
图1-1 电弧焊的热量分配
(2)电渣焊的热效率 ：电渣焊时，由于渣池处于厚大焊
件的中间，热能主要损失于强制焊缝成形的冷却滑块，所
以热量向外散失较少。实践表明，焊件越厚，滑块带走热
量的比例越小，这说明焊件的厚度越大，电渣焊的热效率
越高。例如，90mm厚钢板电渣焊时，其热效率可达到
80％以上。另外，电渣焊时的速度越慢，在金属熔化的
同时，大量的热量向焊缝周围的母材传导，易使焊接热影
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
吸收率在20%以下。随着温度的提高，反射率降低，
吸收率提高。在金属熔点以上吸收率急剧提高。
1.1.3 焊件加热区的分布
热源的热能传给焊件时所通过的焊件表面上的区域称为
加热区或加热斑点。如果讨论的热源是电弧热，其加热区可
分为活性斑点区和加热斑点区（见图1-2）。
（1）活性斑点区：带电质点（电子和离子）集中轰
击直径为dA的斑点面积。该部位的电能转化为热能，电
流密度了的变化如图1-2中的虚线所示。
（2 ）加热斑点区 ：在直径为dH的区域内，金属受
热是通过电弧的辐射与周围介质的对流进行的。
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
q(r )  qm 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
热流密度。高斯曲线下所覆盖的全部热能为


 Kr  r
故 q 
（1-4）
q
dF

q
e
2

rdr

q
e
F
(
r
)
m
m


2
K
0
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。
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。
(2)热作用的瞬时性：焊接热源在工作时始终以一定的速
度运动，因而对焊件上受到热作用的任意一点来说瞬时得
到的能量是有限的。当焊件上某点接近焊接热源时，该点
的温度迅速升高；随着焊接热源的离开，该点的温度急剧
下降。可见，焊件上受到热影响的任一点可能达到的峰值
温度必然是有限的。同整体均匀加热的一般热处理过程相
比，焊接传热过程要复杂得多。焊接热作用的集中性所引
起的不均匀组织、性能变化及焊接变形和焊接热作用的瞬
时性所引起的焊接化学冶金变化的不平衡性等，都将对焊
接接头的质量产生影响。
1.1.5 焊接传热遵循的基本定律
（1）传导传热定律
（2）对流传热定律
（3）辐射传热定律
1.1.6 焊接温度场
1)焊接温度场的概念：
在热源的作用下，焊件上各点的温度都在随时间的变
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）
（1-6）
式中，T为焊件上某点某瞬间的温度；z，y，z为焊
件上某点的空间坐标；t为时间；
温度场的分布可用等温线或等温面来描述(见图1-3)。
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。
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。
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。
表1.12 焊接中常用金属材料的热物理常数平均值
物理量名
称
符号
单位
物理意义
焊接条件下选取的平均值
低碳钢、 不锈钢
低合金
钢
铝
铜
热导率
λ
W
/(cm•K)
沿法线方向，0.378~0.
在单位时间 504
内，单位距
离相差1°C
时经过单位
面积所传输
的热量
0.168~0. 2.65
336
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
4.83~4.
56
3.36
~4.2
2.63
3.99
cm2/s
传热过程中，温
度传播速度
0.07~0.
10
0.05
~0.0
7
1.00
0.95
在某一温度1g物
质所含热量
（在
0~1500
°C）
1331.4
___
___
___
___
（在
0~1500
°C）
（0.63~
37.8)×
10-3
___
___
热扩散
率
a
热焓
H
J/g
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

c
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
T  T0 
2Q
 c ( 4  at )
3/2
exp( 
R
2
4 at
)
(1 - 7)
 作用于无限板的瞬时线热源
假设热量Q的热源瞬时作用于厚度为h的无限大薄板上
，并设Q在厚度h内均匀分布，形成与厚度有关的热流
密度Q/h,则距线热源r处的任何一点，经时间t后，该
点的温度增量T－T0的数学表达式为：
T  T0 
式中,
Q
 ch ( 4  at )
b  2 ( c   r ) /  ch
exp( 
r
2
 bt )
（1-8）
4 at
, 称为传热系数； r 2  x 2  y 2
 作用于无限长杆的瞬时面热源
假设热量Q的热源瞬时作用于具有横截面积为A的无限
长杆的x=0处，并设Q均布于A上，形成与面积有关的
热流密度Q/A，则距线热源x处的温度增量T－T0的数
学表达式为：
T  T0 
Q
 cA ( 4  at )
1/ 2
exp( 
x
2
4 at

 b t ) （1-9）
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
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
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。
（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''。
(4)冷却速度wc(或冷却时间t8／5)：冷却速度
是指在焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温
度的冷却速度。它是决定热影响区组织和性能的最
重要的参数之一。
对低碳钢和低合金钢来说，采用540℃左右的
瞬时冷却速度作为热循环特征参数；对于合金钢，
采用800～500℃的冷却时间t8／5；对易淬火钢，
常用800～300℃的冷却时间t8／3和从峰值温度
(Tm)冷却至100℃的冷却时间t100。
总之，焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高
、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特
点(图1-6)，这些直接影响到焊缝的化学冶金过程，
从而使接头的质量发生变化。另外，焊接热循环还使
接头的组织和性能发生变化，形成焊接热影响区。
表1.21
单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数
三、 焊接热循环参数的计算
（1）最高温度 Tm的计算：
① 厚板（点热源）为
Tm  T0 
）
2E
 ec  r
2
（1-10
② 薄板（线热源）为
Tm  T0 
E /h
2 e .c  . y
（1-11
）
图 1-6 焊接热循环的特征
（2）瞬时冷却速度ωc的计算：
厚板为
(T c  T 0 )
 c  2
（1-12）
E
薄板为
 c  2 c 
(T c  T 0 )
(E / h)
2
2
（1-13）
（3）相变温度以上停留时间tH的计算：
厚板为
E
tH 
薄板为
tH 
2  (T H  T 0 )
(E / h)
（1-14）
2
4 c (T H  T 0 )
2
（1-15）
（4）冷却时间tA的计算：冷却时间的长短直接影响到焊缝
金属及过热区的力学性能。对于结构钢来说，主要控制从
A3到Tmin（奥氏体的最低温度）或到Ms的冷却时间tA。
为了方便使用，统一规定A3≈800℃，Tmin≈500℃，这样
可用t8/5代替tA,即
厚板为
t8 / 5 
E
2 500  T 0
薄板为
t8 / 5 
[
1
(E / h)
2
[

1
4 c  ( 500  T 0 )
2
1
800  T 0

]
（1-16）
1
(800  T 0 )
2
]
（1-17）
（5）临界板厚hc 的计算：在计算焊接热循环参数时，首
先要确定是选用“厚板”公式还是用“薄板”公式。为此引
入“临界板厚”的概念。实验结果表明，当线能量E一定
时，板厚增加到一定厚度后对ωc和t8/5的影响不大。因
此可将对ωc和t8/5的板厚称为临界板厚，以hc表示，即
hc 
E
c  (T c  T 0 )
或 hc 
E
(
1
2 c  500  T 0

1
800  T 0
计算时，可用实际板厚与临界板厚相比较，若h≥hc
，可以认为属于三维导热的“厚板”；若h≤hc，则可认
为属于二维导热的“薄板”。
)
四、多层焊接热循环
（1）长段多层焊接热循环
长段多层焊是指施焊的每一焊道长度较长，其长度一
般大于1m。施焊特点是，不同的焊道之间具有依次
的热处理作用。采用多层多道焊时，由于焊道较长，
焊缝和热影响区的冷却速度都较快。长段多层焊的第
一层和最后一层是保证焊接质量的关键，如果第一层
和最后一层不会产生淬火组织，则其间的各层也不会
产生淬火组织。因此，第一层和最后一层的热循环特
征参数具有重要意义。
长段多层焊的热循环曲线图
（2）短段多层焊热循环
短段多层焊是指施焊的每一焊道长度较短（约为
50~400mm）。施焊特点是，前一层焊缝尚未完
全冷却（一般在MS以上），就开始施焊后一层焊缝
。施焊第一层焊道和最后一层焊道时热影响区的冷
却速度较高，其它焊道的较低，只要控制第一层焊
道和最后一层焊道施焊时不出现裂纹，中间各焊缝
施焊时也不会出现裂纹。故第一层焊道和最后一层
焊道的热循环特征参数具有重要意义。
短段多层焊热循环曲线
五、焊接热循环的影响因素
(1)材质的影响：母材不同，材料的热物性参数不同，cρ
和λ的变化将影响到焊接热循环的各个特性参数，从而得
到不同的热循环曲线。但在金属材料一定的情况下，焊件
形状、尺寸、线能量和预热温度等对焊接热循环曲线也有
很大的影响。
(2)接头形状尺寸的影响：接头形状尺寸不同，导热情况会
有差异。如板厚相同的T型接头和对接接头相比，前者的
冷却速度约为后者的1.5倍。
(3)焊道长度的影响：在焊接条件和接头形式一定的条件
下，焊道长度越短，如小于40mm时，冷却速度会急剧
增大。因此，定位焊的焊道不能过短。
(4)预热温度的影响：提高T0，可增加tH和t8／5，但T0
对在Tm附近的停留时间影响不明显。但T0的增加会使热
影响区宽度增加。
(5)线能量E的影响：E的提高会使Tm、TH和t8／5增大，
而wc随之降低。
Contents
§1.3
熔化焊接头的形成
一、焊接材料熔化与熔池形成
1.焊接材料熔化
熔焊过程中，焊接材料(焊条、焊丝等)在焊接热源作用下
将被熔化，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴。
当熔滴长大到一定的尺寸时，便在各种力(如电磁力、电
弧力等)的作用下脱离焊条，以滴状的形式向熔池过渡。
关于焊条的熔化，有如下基本参数需要了解：
(1)焊条金属的平均熔化速度gM：在单位时间内熔化的焊芯
质量或长度，试验表明，在正常焊接条件下，焊条金属的
平均熔化速度与焊接电流成正比；
(2)损失系数ψ：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发而损
失的金属质量与熔化的焊芯质量之比；
(3)平均熔敷速度( gH )：焊接过程中并非所有熔化的焊条
金属都能进入熔池，即由于损失系数不等于零，故把单位
时间内真正进入焊接熔池的那部分金属质量称为平均熔敷
速度；
(4)相互关系：以上三个参数之间有如下关系
gH = （1－ψ）gM
（1-18）
2.熔池的形成
在焊接材料熔化的同时，被焊金属也发生局部熔化
。母材上由于熔化的焊条金属与局部熔化的母材共同
组成的具有一定几何形状的液体金属区域称为熔池。
如果焊接时不使用焊接材料(如钨极氩弧焊)，则熔池
仅由局部熔化的母材组成。
(1)熔池的形状和尺寸
熔池的形成需经过一个过渡期，此 后就进入准稳定期，
这时熔池的形状、尺寸和质量不再发生变化。图1-8
为电弧焊时熔池形状的
示意图。可以看出，熔
池为不标准的半椭球，
其外形轮廓处为温度等
于母材熔点的等温面。
图1-8
焊接熔池形状示意图
熔池的宽度与深度沿X轴方向连续变化。随着焊接电
流的增加，熔池的最大深度Hmax增大，熔池的最大宽度
Bmax相对变小；随着电弧电压的升高，Hmax减小，Bmax
增加。熔池的长度L可表示为：
L = P2q = P2UI
（1- 19）
式中，P2为比例常数；q为电弧功率；U为电弧电压
；I为焊接电流。实验表明：P2和熔池的表面积都取决于
焊接方法和焊接工艺参数。
(2)熔池的质量
手工电弧焊时熔池的质量通常在0.6～16g的范围之内，一般为
5g以下，实验表明：手工电弧焊时，熔池的质量与q2/v成正
比。而在埋弧自动焊时，由于焊接电流值较大，熔池的质量也
较大，但熔池的质量一般小于100g。
(3)熔池存在的时间
由于熔池的体积和质量较小，其存在的时间一般只有几秒至几
十秒，因此，熔池中的冶金反应时间是很短的，但比熔滴阶段
存在的时间要长。熔池在液态时存在的最大时间tmax为
t max

L
v
(1-20)
式中，L为熔池长度(cm)；v为焊接速度 (cm／s)。
由熔池质量确定的熔池平均存在时间tcρ为
t c 
G
p
 .v . F w
(1-21)
式中，Gp为熔池质量(g)；ρ为熔池液态金属的密度
(g／cm3)；v为焊接速度(cm／s)；Fw为焊缝的横断面
积(cm2)。焊接方法和焊接工艺不同，熔池的最大存在时
间和平均时间也不同。
(4)熔池的温度分布
实验表明，熔池各点的温度是不均匀的，如图1-9所示。在熔池的前部
，由于输入的热量大于散失的热量，所以随着焊接热源的向前移动，母材
不断被熔化。在电弧下的熔池中部，具有最高的温度。在熔池的后部，由
于输入的热量小于散失的热量，温度逐渐降低，于是发生金属的凝固过程
。
图1-9 熔池的温度分布
1-熔池中部； 2-前部；3-后部
(5)熔池中液相的运动状态
在焊接过程中，熔池中的液相发生强烈的搅拌作用，将
熔化的母材与填充金属充分混合和均匀化。其产生液相
运动的原因有以下几点：
①熔池中温度分布不均匀引起液态金属密度差，使
液相从低温区向高温区流动，产生对流运动。
②熔池温度分布不均匀引起表面张力分布不均匀，
产生的表面张力差将使液相发生对流运动。
③焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中
的液相产生搅拌作用。
研究表明，焊接工艺参数，电极直径，焊炬的倾
斜角度等对熔池中液相的运动状态都有很大的影响。
搅拌作用有利于熔池金属充分地混合，使成分均匀化
，也有利于气体和杂质的排除，提高焊缝质量。但是
，在液态金属与母材的交界处，常出现成分的不均匀
性。
二、焊接接头的形成
熔焊时焊接接头的形成
过程包括加热、熔化、
冶金反应、凝固结晶和
固态相变。这些过程随
时间和温度的变化。如
右图1-10所示。
TM：金属熔化温度；
TS：金属的凝固温度；
A：钢的A相变点；
T0：初始温度。
图1-10 焊接所经历的过程
（1）焊接接头的组成
焊接接头由焊缝和热影响区两大部分组成，其间有过
渡区，称为熔合区。
熔合区（Heat Affected Zone,HAZ)：靠近焊缝的金属
在焊接温度场分布以内的区域受到焊接热循环的作用
后，在一定范围内发生组织和性能变化的区域。
图1-11焊接接头示意图
1-焊缝；2-熔合区；3-热
影响区；4-母材
（2）熔化焊接头形式
最常见的典型接头有对接接头、角接头、丁字接
头、搭接接头等。
坡口加工：为了满足熔透和成形的要求或为了保
证焊接电弧的可达性要求，常将待焊部位预先加工成
一定形状的坡口。一些典型坡口形式如下图。
图1-12 熔焊坡口形式示意图
(a)I型坡口 (b)V型坡口 (c)U型坡口 (d)X型坡口
（3）熔合比：在焊缝金属中局部熔化的母材 所占的比
例，用θ表示，即
 
Fp
F p  Fd
（1-22）
式中， FP：焊缝截面中母材所占的面积；
Fd：焊缝截面中填充金属所占的面积。
θ=0时，表明焊缝金属完全由填充金属熔敷而成
，这种焊缝金属特称为熔敷金属。堆焊时的焊缝金属
可认为是熔敷金属，一般焊缝均是由熔敷金属和母材
按一定熔合比混合而成。
三、熔化焊接冶金与焊接性问题
 熔化焊接冶金问题
对于焊缝金属，在其形成过程中伴随着化学冶金和物理冶金问题，
焊缝的成分和组织往往会与母材有很大的区别。焊接时，有益的
合金元素会被烧损，有害的杂质元素则可能会增高，焊缝金属成
分一般难以同填充金属或母材完全相同。实际上，即使焊缝的主
要成分含量与母材相同，也难以保证焊缝与母材的组织和性能相
同。这是因为母材可通过多种加工手段来改善性能，而焊缝金属
在焊后一般不进行再加工(如形变、热处理等，这种焊缝金属称为
焊态)，只能依靠合金化和调整焊接工艺来控制焊缝的组织和性能。
另外，焊接过程中还会产生多种焊接缺陷(如气孔和裂纹)，使得
焊接结构无法使用。
对于母材的焊接热影响区，由于在焊接热源作用下
又重新经历了一次(单道单层焊)或多次(多道或多层
焊)特殊的加热和冷却循环，从而使原本性能优良的
母材发生某些组织和性能的恶化(如硬化、脆化或软
化)，甚至还会产生裂纹等缺陷。而熔合区则是整个
焊接接头中最薄弱的环节。
 焊接性问题
焊接性是指金属材料(同种或异种)在一定焊接工艺条件
下，能够焊成满足结构和使用要求的能力，也就是金属
材料对焊接加工的适应性、获得优质焊接接头的难易程
度。焊接性的具体内容包括：
①接合性能，即焊接时形成缺陷的敏感性，也称为工艺
焊接性；
②使用性能，即焊成的焊接接头满足使用要求的程度
，也称为使用焊接性。还应注意，这两者并不一定一
致，即焊接缺陷敏感性小，未必焊接接头性能就好，
反之亦然。焊接性好坏是一个相对概念，在简单焊接
工艺条件下，接合性能和使用性能均能满足要求时表
明焊接性优良，如必须采用复杂的焊接工艺才能实现
优质焊接时，则认为焊接性较差。
本章小结
熔化焊是在焊接热源(电弧、电子束、等离子弧
和激光束等)作用下，使局部母材和焊接材料〔使用
焊接材料时)熔化，两者共同形成熔池，冷却后与母
材形成牢固冶金连接的焊接方法。不同焊接热源具
有不同的热效率，电子束、等离子弧和激光束的热
效率可达90%以上，是比较理想的焊接热源。在热
源作用下，焊件上会形成一定的温度分布，在某一
瞬时焊件上的温度分布称为“温度场”，应理解“准稳
定温度场”的概念。
焊接热循环也是本章应掌握的重点。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。应掌握热循环特征参数的计算，线能量、预热温度
、焊件尺寸及接头形式对热循环的影响特点。理解临界板
厚的意义并会应用，了解多层焊焊接热循环的特点。焊接
接头包括焊缝、热影响区和熔合区，焊缝为熔池凝固并发
生固态相变的区域，热影响区为熔池附近受到热作用也发
生固态相变的区域，对焊缝应注意熔合比的概念。
“温度场”和“焊接热循环”常称为焊接热过程，热过程
贯穿整个焊接过程，对焊接接头的形成过程(化学冶金、
熔池凝固、固态相变、缺陷等)以及接头性能具有重要的
影响。
电弧热
 电弧热：利用气体介质在两电极之间产生的强烈而
持久的放电过程所产生的热能来作为焊接热源，这
种焊接称为电弧焊。如手工电弧焊、埋弧焊、气体
保护焊（TIG、MIG和MAG)等多种焊接方法。电
弧焊可以用药皮焊条（熔化）、活性或惰性气体保
护的熔化或不熔化极或焊剂保护的熔化电极，或形
成焊缝、或形成焊点。因此，电弧热是现代焊接中
应用最广泛的热源。
等离子弧热
 等离子弧热：利用等离子焊炬，将阴极和阳极之间的
自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧。
这些特性使得等离子弧不仅被广泛用于焊接、喷涂、
堆焊，而且可用于金属和非金属的切割。
 利用等离子弧作为焊接热源的熔焊方法称为等离子弧
焊。
激光束
 激光束：通过受激辐射而放射增强的光(激光），
经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源，
如激光焊。
 在激光束焊接时，聚焦的激光直射焊接区，并被大
约0.5um厚的表面层所吸收；如果功率密度足够，
则焊件表面被熔化；最后，以和电子束焊接时相同
的方式，形成气化毛细管，作为焊接实际热源。此
外，还有一种不同的（热效率低）工艺，热量仅由
低功率密度的散聚焦光束产生于焊件表面，通过热
传导输送至焊件内部。
化学热
 化学热：利用可燃性气体（液化气、乙炔）或
铝、镁热剂发生强烈反应时所产生的热能作为
焊接热源，如气焊、热剂焊。
电子束
 电子束：利用真空中被电场加速的集束电子轰击被
焊工件表面所产生的热能作为焊接热源。由于热能
高度集中和在真空中焊接，故焊接质量很高，如电
子束焊。
 在电子束焊时，电子被大约10um厚的表面层吸收，
并产生热量。如果其功率密度足够，焊件表层可被
熔化，最后导致形成很深的穿透型蒸气毛细孔，其
周围是熔化的金属，形成焊接热源。在焊件相对电
子束移动已形成焊缝时，蒸气毛细孔呈现“钥孔”
形式。
电阻热
 电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊
接热源，如电阻焊。采用这种热源的焊接工艺具有
高度的机械化和自动化水平，但需要强大的电力供
应。电阻热可用于电阻点焊（包括凸焊和缝焊）和
电阻对焊（压力对焊和闪光对焊，纵缝和螺旋形缝
的高频电阻焊）以及电渣焊。
摩擦热
 摩擦热：利用机械摩擦所产生的热量进行焊接，如摩
擦焊。
 在摩擦焊时，相对旋转的表面被摩擦加热，去除不纯
材料层，最后在轴向加压，使焊件在略低于熔点的温
度下连接起来。在振动焊时，利用了高频的摩擦效应，
但是没有达到熔化温度。
高频感应热
 高频感应热：利用高频感应产生的二次电流作为
热源，对具有磁性的金属材料进行局部集中加热，
其实质是电阻加热的另一种形式。这种加热方式
的能量高度集中，故可实现很高的焊接速度，如
管材的高频焊。
传导传热定律
 传导传热定律:热总是从物体的高温部位流向低温部位。在
导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量正比于该面法
线方向的温度变化率和截面面积。Fourier定律是传导传热
的基本定律，数学形式表示为：
Q  F
T
n
（1-6）
式中，Q表示热量；F表示面积；λ为热导率，
T
n
；
( J /( mm  s  K ))
为温度梯度。
对流传热定律
 传热定律：根据牛顿定律，对于某一与流动的气体
或液体接触的固体表面微元，其热流密度
qc
通过
对流换热系 数  c [ J /( mm 2  s  K )] 与固体表面温
度T和气体或液体温度T0之差成反比
q c   c (T  T 0 )
对流换热系数 αc 的值取决于表面流动条（特别是
边界层结构）、表面性质、流动介质的性质和温差
（T－T0)。
辐射传热定律
 辐射传热定律：根据蒂芬-玻尔兹曼定律，受热物体单位面积，单
2
4
 C 0 ( J / mm  s与
K )
位时间辐射的热量qr ，通过辐射系数
其表面温度T（K）的4次方成比例：
q r   C 0T
4
（1-7）
式中，ε为黑度系数，对于“绝对黑体”，ε=1；对于“灰体”
，ε<1；对于抛光的金属表面，ε=0.2~0.4;对于粗糙、被氧化
的钢材表面ε=0.6~0.9。黑度系数值随温度升高而增大，在熔
化温度范围，ε=0.9~0.95。比例系数C0决定于物体的表面情
况，对于绝对黑体，即能够吸收全部表面辐射能的物体。
C 0  5 . 67  10
14
( J / mm  s  K )
2
4