焊接冷却时间的计算方法

焊接冷却时间是决定焊接热循环特征的主要参数之一，如800～500℃的冷却时间t_8/5、800～300℃的冷却时间t_8/3以及从峰温冷至100℃的冷却时间t₁₀₀等。

2.1.2.1 常用理论及经验计算公式

对低碳调质钢来说，最有意义的是从Ar₃到奥氏体最不稳定温度（T_min）或马氏体开始转变温度（Ms），即t_8/5或t_8/3的计算，低碳调质钢焊缝及热影响区的塑韧性和裂纹问题，均与t_8/5有密切联系。

焊接热影响区t_8/5的理论计算公式如下。

1）对于“厚板”：

2）对于“薄板”：

式中 q/v——焊接热输入；

v——焊接速度（cm/min）；

T₀——焊件的初始温度（℃）；

δ——板厚（mm）；

ρ——密度（g/cm³）；

c——比热容[J/（g·℃）]；

λ——热导率（J/cm·s·℃）。

计算焊接热循环特征参数时，首先要确定应选用“厚板”公式还是“薄板”公式，为此引入了“临界板厚（δ_cr）”的概念。

上述两公式完全等效，在计算t_8/5时，“参照温度”T_c可取600℃。由800℃冷却到500℃的平均冷却速度与600℃时的瞬时冷却速度是相当的，因此相对板厚δ/δ_cr>0.9时，采用“厚板”公式计算的结果与实际情况基本一致；当δ/δ_cr<0.6时，采用“薄板”公式计算的结果与实际情况也一致。

但在δ/δ_cr=0.6～0.9时，用“厚板”公式所得到的冷却速度值偏高，用“薄板”公式得到冷却速度又偏低，因此可以δ/δ_cr=0.75为判据，即以δ=0.75δ_cr为界，若δ≥0.75δ_cr，应采用“厚板”公式；若δ<0.75δ_cr，可采用“薄板”公式。这样在焊接区冷却速度计算时，最大误差不会超过15%。

除了前述理论计算公式外，还有通过实验归纳的经验公式可以利用，如日本稻垣道夫等提出的t_8/5或t_8/3计算式：

式中 t——t_8/5或t_8/3的冷却时间（s）；

q/v——焊接热输入，q=IU；

I——焊接电流（A）；

U——电弧电压（V）；

v——焊接速度（cm/min）；

K——焊接热输入系数（由实验确定）；

n——焊接热输入指数（由实验确定）；

T——冷却区间温度的特征值（℃）；

T₀——焊件的初始温度（℃）；

δ——板厚（mm）；

δ₀——板厚补偿项；(www.xing528.com)

β——接头系数；

α——板厚修正系数。

不同焊接方法计算冷却时间的系数值见表2.1-4。图2.1-4所示为t_8/5与焊接热输入（q/v）和板厚（δ）的关系图。

图2.1-4 焊接热输入和板厚与t_8/5的关系图

表2.1-4 不同焊接方法计算冷却时间的系数值

2.1.2.2 传热理论计算公式

三维传热（厚大焊件）：

二维传热（薄板焊件）：

式中 q_v——焊接热输入，q_v=q/v（J/cm）；

λ——热导率[W/（cm·℃）]；

c_ρ——体积热容[J/（cm³·℃）]；

δ——板厚（cm）；

T₀——初始温度（℃）；

F₃、F₂——分别为三维和二维传热时的焊接接头系数。

η——相对热效率，埋弧焊1.0；CO₂气体保护焊0.85；钨极氩弧焊0.65；熔化极氩弧焊0.70；焊条电弧焊：钛型0.9，碱性0.8。

实际结构中板厚是属于三维还是二维传热，一般应采用临界厚度公式进行确定：

实际板厚δ>δ_cr时，采用三维传热计算公式；实际板厚δ≤δ_cr时，采用二维传热计算公式。

2.1.2.3 求t_8/5的线图法

图2.1-5所示为CO₂气体保护焊t_8/5和t_8/3冷却时间线算图，图2.1-6所示为埋弧焊t_8/5和t_8/3冷却时间线算图，图2.1-7所示为埋弧焊时三维传热的t_8/5线算图，图2.1-8所示为埋弧焊在二维传热条件下的t_8/5线算图。如果采用其他焊接方法时，应考虑相对热效率η；不同焊接接头时，还应考虑接头系数F₃。

图2.1-5 CO₂气体保护焊t_8/5和t_8/3冷却时间线算图

a）t_8/5线算图 b）t_8/3线算图

图2.1-6 埋弧焊t_8/5和t_8/3冷却时间线算图

a）t_8/5线算图 b）t_8/3线算图

图2.1-7 埋弧焊时三维传热的t_8/5线算图