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800～300℃的冷却时间t8/3来衡量。应当注意的是熔合线附近加热到1350℃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220A、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。在同样大的电弧功率下，焊接速度不同，热循环过程也不同，焊接速度快，加热时间短，冷却得快；焊接速度慢，则相反。

为了综合考虑焊接规范参数对热循环的影响，就引入“线能量q”这一概念。线能量是输入焊缝单位长度内的焊接热量。

IU

q＝ ──

υ

式中 q——线能量，J/mm；

I——焊接电流，A；

U——电弧电压，V；

υ——焊接速度，mm/s。

例如ф4mm焊条，I＝180A，U＝24V，υ＝2.2mm/s时，线能量q＝2160J/nn。线能量q与IU成正比，与υ成反比。不锈钢焊接一定要采用小电流快速焊，保持在最低值，可以提高接头的耐蚀性。

线能量增大时，热影响区宽度增大，1100℃以上停留时间）增加，800～500℃的冷却时间延长，650℃时的冷却速度减慢。表4列出了线能量和预热温度对焊接热循环参数的影响。表5列出了三种焊接方法线能量q的比较。

从表4可以看出，线能量从2000J/mm增加到3840J/mm时，在1100℃以上停留时间从5s增加到16.5s，而650℃时的冷却速度从14℃/s下降到4.4℃/s。

从表5可以看出，埋弧自动焊q最大，手工电弧焊q最小。生产中根据钢材成分、工件的技术要求，在保证焊缝成形良好的前提下，适当选择焊接方法，调节焊接规范，以合适的线能量焊接，可以获得优质的焊接接头。

线能量过大会使焊接接头过热，晶粒粗大，对接头塑性和韧性不利。对于低温钢和强度等级较高的低合金钢，更应严格控制焊接线能量，才能保证焊接接头性能。经验表明，碳当量Ceq＞0.4%的低合金钢，焊接线能量就应加以控制。

4.预热温度

预热的主要目的是为了降低焊缝和热影响区的冷却速度，减小淬硬倾向，防止冷裂纹。合理预热还可以改善焊接接头的塑性，减少焊后残余应力。从实践中得出的经验，下列焊件或环境下需要对焊件进行预热：

① 焊接强度级别较高的焊件；

② 焊接有淬硬倾向的钢材；

③ 焊接导热性特别好的材料；

④ 刚性大较大、厚度较大的焊件；

⑤ 当焊接区域周围环境温度低于0℃时；

⑥ 设计图纸技术要求中特别注明的焊件。

预热温度应根据材质结构点而定。《钢结构施工及验收规范》中规定：焊件厚度δ＞50mm的碳素结构钢，δ＞36mm的低合金结构钢，施焊前应进行预热，焊后应进行后热，预热温度控制在100～150℃，预热区域为焊道两侧，每侧宽度应大于2δ且不小于100mm，δ为板厚。

环境温度低于0℃时，预热、后热温度应根据工艺试验确定。结合某些工厂的生产实践，关于16Mn钢低温焊接预热温度的规范见表6。

16Mn钢出现裂纹的可能性还与接头形式、结构刚性等因素密切相关，T形接头散热最快，淬硬倾向最大；对接接头散热最缓；十字接头介于两者之间。从刚度比较，十字接头刚性最大，故其裂纹倾向也最大；T形接头、搭接接头裂纹程度较轻，有时裂纹往往出现在头道焊缝和焊根上，因此焊接大刚性、大厚度焊件时，头道焊缝的焊接工艺很关键。同样在低温下焊接，气候越潮湿，则出现裂缝的倾向性就越大。

5.层间温度

多层多道焊对改善焊接性能有着特殊作用，它不仅由于焊接线能量小可以改善焊接接头的性能，而且由于后焊焊道对前一焊道及其热影响区进行再加热，使加热区组织和性能发生相变重结晶，形成细小的等轴晶，使塑性和韧性得到改善。

层间温度是指多层多道焊时，当焊接后道焊缝时，前道焊缝的最低温度。对于要求预热焊接的钢材，层间温度一般应等于或略高于预热温度，若层间温度低于预热温度，应重新进行预热，控制层间温度也是为了降低冷却速度，并可促使扩散氢逸出焊接区，有利于防止产生裂纹。