热源强度对焊接过程的影响

几乎所有的焊接方法都采用集中热源，并在能量向别处扩散、传播之前，就使焊接接头处的材料局部熔化或软化。在众多的熔焊方法中，各自都有其加热的特点，为了区别彼此间的主要特征应使用热源强度这个概念（与功率密度概念相当）。事实上，焊接使用了几乎每一种集中热源，而这些热源的多数特性和焊接热效应（对焊接件的主要影响作用）都是由热源强度决定的。图5-3显示了在钢材表面使用功率密度为400～8000 W/cm²的热源加热时，钢材试件表面温度的变化规律。功率密度在400W/cm²时，表面熔化需要2min的时间；如果这个热源只是作用在平面中的一个点上，热量会快速散失掉，钢材表面甚至不能够熔化。通常，能使大多数金属形成熔焊所必需的热源功率密度大约为10³ W/cm²。

常规工艺条件下典型的焊接方法与其对应的热源强度如图5-4所示。在这个功率密度序列图的右端，热强度在10⁶ W/cm²或10⁷ W/cm²范围，这样的高能束热源可以在几微秒内就引起大多数金属的气化。在这个功率密度值以上，则所有与热源相互作用的固体材料都会气化，这时将不可能进行熔焊。因此，所有给定的熔焊方法的热源功率密度都是位于大约10³ W/cm²和10⁶ W/cm²之间。

图5-3 不同强度的热源加热厚钢板时表面的温度分布（钢板初始温度为25℃）

图5-4 典型熔焊方法与热源强度

由图5-3中数据还可知道，功率密度与热源-材料间相互作用时间呈反比关系。因为这是一个瞬时热传导问题。由Einstein方程得知，热流由钢材表面向内传导的深度x与热源作用时间t的平方根成正比，即：

式中 x——热量传入固体的距离（cm）；

α——固体的热扩散率（cm²/s）；

t——时间（s）

对应于图5-3，平面热源加热钢材表面并使其熔化所需要的时间t（s），可由下式给出：

t_m=（5000/H.I.）2（5-10）(www.xing528.com)

式中 t_m——表面熔化所需的时间（s）；

H.I.——传入钢材的净热强度（W/cm2）。

图5-5 热源强度与钢材的作用时间

图5-6 热源强度与焊接的最大速度

用式（5-10）可粗略计算加热钢材（基于钢的热扩散率）时其表面熔化所需要的时间。如果材料的热扩散率很高或使用局部点热源而不是平面热源，将会增加表面熔化所需的时间，增加的时间可以是钢材所需时间的2～5倍。另一方面，材料越薄，则加热的速度越快。

如果将材料熔化所需的时间t_m作为一特征值，可以得到图5-5。氧乙炔和电渣焊的热源功率密度大约为10³W/cm²，熔化钢所需的作用时间t_m为25s；而激光和电子束在功率密度为10⁶W/cm²时，t_m仅为25μs。如果将作用时间换成热源直径d_H，就可以获得各种焊接方法的最大焊接速度V_max，如图5_-6所示。因为热强度与加热半径的平方成反比，所以，在热源功率不变情况下，功率密度的增加使得加热尺寸急剧降低。

相对于热源功率密度的另一个重要的参数是热影响区（HAZ）宽度。这是焊缝金属邻近的区域，该区域虽然并不熔化，但其组织和性能在焊接热的作用下会出现很大的变化，对焊接接头的性能产生强烈的影响。使用前面所述的Einstein方程和热源-工件作用时间以及材料的热扩散率，我们能够估算出热影响区的宽度。图5-7所示是热影响区宽度变化的结果。功率密度在10⁴W/cm²以上时，热影响区宽度基本上是常数。在低能密度焊接时，热影响区宽度是由热源-工件作用时间控制的，而在高能密度焊接时，它与热源-工件作用时间无关。高能密度焊接时，HAZ宽度是在熔化热源远离焊缝金属后的冷却过程中加宽的。在这种情况下，HAZ宽度与熔化区宽度成正比。

热强度也控制着焊接熔池的深宽比（焊缝成形系数），深宽比可由低能密度焊接法的0.1到高能束焊接法的10或更高。

图5-7 热源强度与热影响区的宽度