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焊接物理冶金授课内容第一章绪论第二章焊接热过程第三章焊缝金属第四章焊接热影响区第五章焊接裂纹第六章焊接结构第七章焊接界面主要参考书：1.张文钺编著.焊接物理冶金，天津大学出版社，1991年。2.张文钺编著.焊接冶金学，机械工业出版社，1996年。3.中国焊接学会编.焊接手册（材料的焊接），机械工业出版社，2001年。4.周振丰主编.焊接冶金学（金属焊接性），机械工业出版社，1993年。5.周振丰主编.焊接冶金及金属焊接性，机械工业出版社1987年。6.陈伯蠡主编.焊接冶金原理，清华大学出版社，1989年。7.H.H.雷卡林著.焊接热过程计算，中国工业出版社，1961年。第一章绪论一、焊接物理冶金Metallurgy:Thescienceseparatingmetalsfromtheirores,andofseparatingmetalsforuse（把金属从矿石中提炼出来和应用的科学）冶金学：冶金学是金属科学及其工艺学的一个广阔的领域，它包括过程冶金学和物理冶金学两个部分。过程冶金学也称为化学冶金学，它研究金属从矿石中的提取以及精炼、合金化起始的生产中的问题；物理冶金学主要关心的是过程冶金学（化学冶金学）的产品及其机械的、物理的与化学的性能。焊接化学冶金：基本任务是研究焊接过程中焊接区各种物质之间在高温下相互作用的过程和规律（如焊接区内金属、气体与熔渣三相间的相互作用，焊缝金属的合金化及其成分控制等）。研究过程的规律。焊接物理冶金：这门科学的基本任务在于对材料受焊后的化学成分、组织、性能的变化和产生缺陷的原因进行深入的分析，找出内在的规律，探明材料受焊过程和受焊之后物理、化学及微观的变化行为，为进一步提高焊接质量、防止各种缺陷提供理论依据。研究过程结果影响的规律。焊接力学冶金：基本任务是研究焊接过程中及焊后焊接接头应力场的变化规律及其对接头组织和性能的影响规律。连接技术的历史与发展连接技术是伴随着材料的应用而产生的。在人类还只能使用天然材料时，就产生了捆绑、镶嵌、缝纫等连接技术。当人类可以制造材料后，现代意义上的连接技术就开始萌生了。除机械方法以外，钎焊或许是最古老的连接金属的技术。焊接技术属于连接技术的范畴1焊接的定义及特点材料连接的方法及其基本特征连接技术已经出现了多种方法：捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接连接过程中涉及到的能量类型：光、电、声、化学、机械结合性质：机械结合、化学结合和材质结合焊接方法处于绝对主导地位过程最复杂、发展最迅速应用最广泛1焊接的定义及特点金属焊接的条件：只有两块金属的距离d达到（3~5）×10-10m时，金属原子之间便形成了金属键，实现焊接。1焊接的定义及特点焊接的定义：被焊工件(同材质或者不同材质)通过加热或加压(或两者并用),采用或不用填充金属,使被焊工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。1焊接的定义及特点实现的方法：a.加热熔焊b.加压压焊使d达到(3~5)×10-8cm的条件：a.两块金属件要接触；b.要有足够高的能量。1焊接的定义及特点焊接的特点——优点：1）连接性能好，密封性好，承压能力高；2）省料，重量轻，成本低；3）加工装配工序简单，生产周期短；4）易于实现机械化和自动化。焊接的特点——缺点：1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便；2）焊接接头的组织和性能发生变化，往往是变坏；3）要产生焊接残余应力和焊接变形；4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异：被焊接的材料不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系。焊接技术的主体内容：涵盖熔化焊接、钎焊和固相焊接几部分。1焊接的定义及特点2焊接的分类——熔化焊熔化焊——液相焊钎焊——液固相焊压力焊——固相焊固相焊2焊接的分类——熔化焊熔化焊：是指焊接过程中，对于紧密贴在一起的被焊工件，将焊接接头加热至熔化状态，在温度场、重力等的作用下，在不加压力条件下，两个工件熔融的液态金属混合，待温度降低后将两被焊工件牢固地凝结在一起，完成焊接的方法。2焊接的分类——熔化焊电弧焊埋弧焊Submergedarcwelding,熔化极螺柱焊Studwelding焊条电弧焊Shieldedmetalarcwelding惰性气体保护电弧焊Argonarcwelding(orMIG)CO2电弧焊CO2arcwelding(orMAG)非熔化极钨极氩弧焊Argontungstenarcwelding等离子弧焊Plasmaarcwelding原子氢焊Atomichydrogenwelding气焊氧氢焊Oxy-hydrogenwelding空气乙炔焊Air-acetylenewelding氧乙炔焊Oxy-acetylenewelding电子束焊Electronbeamwelding激光焊Laserbeamwelding电渣焊Electroslagwelding铝热焊Thermitwelding复合热源焊Hybridwelding熔化焊GMAWorMIG/MAGGTAWorTIG高能束焊接2焊接的分类——钎焊钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料），经加热熔化后，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接的焊接方法。2焊接的分类——钎焊钎焊火焰钎焊Torchbrazing(soldering)盐浴钎焊Saltbathdipbrazing激光钎焊Laserbrazing炉中钎焊Furnacebrazing感应钎焊Inductionbrazing电子束钎焊Electronbeambrazing电弧钎焊Arcbrazing2焊接的分类——压力焊压力焊：典型的固相焊接方法，利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊接部位的温度升高，通过调节温度、压力和时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合，形成焊接接头的方法。焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等2焊接的分类——压力焊压力焊冷压焊Coldpressurewelding,爆炸焊Explosivewelding超声波焊Ultrasonicwelding电阻对焊Upsetbuttwelding电阻点、缝焊Resistancespot,seamwelding锻接Forge-welding,Blacksmithwelding摩擦焊Frictionwelding扩散焊Diffusionwelding搅拌摩擦焊Frictionstirwelding高频电阻焊Highfrequencyresistancewelding2焊接的分类工艺热源压力母材填充材料熔化焊外加无熔化有或无钎焊外加有（压力低使工件紧密接触）不熔化有压力焊外加或内部有不熔化无熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较2焊接的分类熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较1950s：CO2气体保护焊、电渣焊、高频电阻焊、摩擦焊、超声波焊1960s：电子束焊、等离子弧焊接与切割、爆炸焊1970s：激光焊接与切割1980s：离子束、太阳能、微波焊接1990s：搅拌摩擦焊FSW、复合热源焊接3焊接技术的历史与发展现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是：(1)能量密度高，并能产生足够高的温度。高能量密度和高温可使焊接加热区域尽可能小，热量集中，并实现高速高效焊接生产。(2)热源性能稳定，易于调节和控制。热源性能稳定是保证焊接质量的基本条件。(3)高的热效率，降低能源消耗。尽可能提高焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意义。3焊接技术的历史与发展焊接工艺及设备4焊接技术的应用零件修复材料切割材料连接再制造工程表面改性焊接技术的应用领域：焊接工艺及设备5焊接专业的研究领域焊接结构焊接装备焊接工艺焊接性分析焊接材料焊接冶金焊接工装夹具焊接电源焊接热过程焊接系统集成焊接过程自动控制应力应变分析焊接结构设计焊接专业的研究领域：电弧物理焊接研究基础图0-1手工电弧焊图0-2手工电弧焊接头图0-3气体保护焊图0-4气体保护焊接头图0-5埋弧焊图0-6埋弧焊接头图0-7电子束焊接头图0-845钢与W4Cr4V2高速钢扩散焊接头组织图瞬间液相扩散焊（Cu-Mg共晶温度485℃）图0-9电阻焊接头图0-10摩擦焊接头图0-11钎焊接头2.焊接接头的表征焊接区包括焊缝区、熔合区和热影响区—焊接接头（Weldedjoint）1.焊缝区(a)不加焊接材料：焊缝区（Weldzone）-熔合区（Fusionzone）、焊缝金属（Weldmetal）(b)加焊接材料:焊缝区（Weldzone）、焊缝金属（Weldmetal）、熔合比（Fusionratio）(c)不包括母材的影响：熔敷金属（Depositedmetal）2.热影响区（Heat-affectedzone,HAZ）焊缝区周围的母材受热作用引起组织和性能变化的区域。3.熔合区（Fusionzone）在焊缝区与热影响区之间尺寸非常小的过渡区。4.焊缝金属深/宽比图0-12熔焊接头示意1—焊缝2—熔合区3—热影响区图0-2手工电弧焊接头图0-13熔合区图0-14熔合线表0-1焊接热源能量密度与熔透区截面形状图0-4气体保护焊接头图0-7电子束焊接头三、金属的焊接性1.焊接冶金问题的提出（1）焊缝的化学成分、组织及性能与母材有较大的差别；（2）即使焊缝的化学成分与母材相同，但组织和性能不同（3）HAZ经历了特殊的热循环，组织和性能明显变化；（4）熔合区存在明显的成分、组织及性能的不均匀性；（5）焊接接头易出现裂纹、气孔缺陷。2.金属的焊接性的意义定义：金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性包括结合性能（裂纹、气孔、夹渣等）和使用性能（力学性能、耐蚀性能、耐磨性能等）两方面。金属焊接性问题主要来源于焊接冶金特点，从焊接冶金角度可揭示金属焊接性的本质。3、构件焊接性构件焊接性分析与“材料焊接性”相比，构件焊接性的含义更广泛，它可以包含:“材料的焊接适应性”、“设计的焊接可靠性”和“制造的焊接可行性”。如图1-1所示。焊接残余应力和焊接变形是焊接性的重要组成部分，它影响到冷、热裂纹的产生，影响使用性能并妨碍制造过程。图1-1构件焊接性的定义影响构件焊接性的因素结构形状、尺寸、支撑条件和负载、焊缝类型、厚度和配置影响构件焊接性的因素与材料有关的因素与设计有关的因素与制造有关的因素母材和填充材料的类型（化学）成分和显微组织焊接方法、焊速、焊接操作、坡口形状、焊接顺序、多层焊、定位焊、夹紧、预热和焊后热处理从狭义上来说，焊接性可理解为所需求的强度性能、焊接接头的强度受到化学分成或温度循环等主要影响因素的支配，而这些因素又受到如焊缝类型，或预热温度等的影响，强度行为可用一些主要的或物理特征值来描述，而这些特征值又可能涉及另一些次要的或工艺的特征值，下图为一张仅限于影响强度性能的不完全的可变因素图，由此，可看出“焊接性”的复杂性。影响构件焊接性的因素主要影响因素主要特征值合金元素含量相、显微组织、晶粒尺寸冷却时间、奥氏体化时间退火时间和温度板厚、焊缝类型等效应力、三轴度焊条药皮、水分次要特征值碳当量焊接性指数脆性指数裂纹敏感性指数（脆性）转变温度目标参数硬度强度延展性冷列敏感性热烈敏感性层状撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蚀性次要影响因素焊条类型焊接方法焊接参数焊缝类型预热温度层数稀释率烧穿，夹杂物化学成分相变、显微组织焊接温度循环焊后热处理构件形状负载条件氢含量影响焊接接头强度的主要因素影响构件焊接性的因素表0-2低碳钢熔敷金属成分及性能变化（同一焊丝）焊缝裂纹