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焊接冶金学刘会杰第0章绪论本课程的教学目的和内容教学方法，教学目的，教学内容。焊接的本质和途径焊接的概念及内涵,实现焊接的途径。焊接接头及其形成过程焊接接头的组成，焊接接头的形成过程。焊接方法的种类和特点熔焊方法的种类，熔焊方法的特点。焊接温度场和焊接热循环温度场类型及成因，热循环参数和特点。焊接冶金学焊接冶金学第0章绪论第0章绪论教学目的教学内容1.本课程的教学目的和内容使学生掌握材料在熔焊条件下冶金过程的基本理论和基本知识，培养分析各种具体条件下材料焊接性的基本能力，为正确选择焊接材料、制定合理的焊接工艺和探索提高焊接质量的途径奠定基础。本课程的教学内容分为上下两大部分。上部分为焊接冶金，主要论述材料在熔焊条件下化学冶金和物理冶金的基本理论；下部分为焊接性，主要论述典型材料的焊接性及焊接工艺要点。上部分内容包括：焊接材料的组成和作用，焊接化学冶金，焊接接头的组织和性能，焊接缺陷及其控制；下部分内容包括：焊接性及其试验方法，低合金高强度钢的焊接，不锈钢及耐热钢的焊接，有色金属的焊接。2.焊接的本质和途径第0章绪论第0章绪论(1)焊接的概念及内涵焊接工件焊接含义通过加热或加压或二者并用，使被焊材料达到原子间的结合，从而形成永久性连接的工艺。被焊的材料一般被称为工件，同时也称为母材。一是焊接的途径，即加热或加压或二者并用；二是焊接的本质，即微观上达到原子间的结合；三是焊接的结果，即宏观上形成永久性的连接。第0章绪论第0章绪论图0-1原子间的作用力与距离的关系1-—斥力2—合力3—引力当原子间距离为rA时，原子间结合力最大；当原子间距离大于或小于rA时，原子间结合力都明显降低。2.焊接的本质和途径(2)实现焊接的途径从本质上讲，只要被焊材料的表面距离接近rA，就能实现原子间的结合，达到焊接的目的。实际表面氧化、污染凸凹不平第0章绪论第0章绪论2.焊接的本质和途径实际的材料表面在微观上总是凸凹不平的，表面上还存在氧化膜、灰尘以及油污和水分等吸附层，妨碍材料表面的紧密接触。(2)实现焊接的途径ABAB光洁表面紧密接触第0章绪论第0章绪论为实现焊接，就必须消除妨碍材料表面紧密接触的各种因素，于是可采取加压或加热的方式。加压可以破坏接触表面的氧化膜，增加有效接触面积，有利于紧密接触。加热可使材料软化或熔化，从而降低材料的变形抗力，破坏接触表面的氧化膜，有利于表面的紧密接触，甚至消除原始的界面。无论是加压，还是加热，都是使母材之间在微观上达到原子间的结合，在宏观上形成永久性的连接。2.焊接的本质和途径(2)实现焊接的途径途径加压加热目的3.焊接接头及其形成过程第0章绪论第0章绪论被焊材料经焊接之后而起连接作用的区域。图0-2焊接接头的组成1—焊缝2—熔合区3—热影响区4—未受影响的母材区(1)焊接接头的组成焊接接头焊缝、熔合区和热影响区。组成焊缝由熔化的被焊材料和填加材料经凝固后所形成的区域。如果未采用填加材料，焊缝将完全由经历过熔化和凝固的母材所形成；无论是否采用填加材料，焊缝的组织和性能都不同于母材。第0章绪论第0章绪论(1)焊接接头的组成热影响区3.焊接接头及其形成过程焊接接头中未发生熔化、但受到焊接热影响而使组织和性能发生变化的区域。并不是母材上超过了初始温度的所有区域都是热影响区，而只有超过了一定温度使组织和性能发生变化、但未发生熔化的区域才是热影响区。所谓的热影响，并不仅仅是指温度超过了母材初始温度，而是指温度超过一定值之后给母材带来的微观组织和性能的变化。热的影响影响范围第0章绪论第0章绪论(1)焊接接头的组成熔合区3.焊接接头及其形成过程接头中介于焊缝与热影响区之间的、由部分熔化的母材和部分未熔化的母材所组成的相当窄小的过渡区。从宏观角度来看，熔合区是焊缝与热影响区之间的分界线，因此又称为熔合线。从微观角度来讲，熔合区是由部分熔化的母材和部分未熔化的母材所组成的区域，因此有人将该区称为部分熔化区或半熔化区。熔合区的化学成分、微观组织和力学性能极不均匀，是焊接接头容易出现问题的部位。熔合线半熔化区薄弱区第0章绪论第0章绪论(2)焊接接头的形成过程3.焊接接头及其形成过程图0-3焊接接头形成过程描述图T—温度t—时间T0—初始温度Tr—相变温度TS—固相线温度TL—液相线温度Tm—峰值温度焊接接头的形成过程就是焊缝、熔合区和热影响区的形成过程。由于各区所经历的焊接热作用不同，其形成所经历的过程也不相同。形成过程¾焊接热过程¾固-液状态演变过程¾焊接化学冶金过程¾固态相变过程过程差异过程经历第0章绪论第0章绪论3.焊接接头及其形成过程(2)焊接接头的形成过程焊接热过程固液状态演变过程焊接化学冶金过程焊接热过程是焊接中所涉及的所有其它过程产生和发展的前提，包括加热过程和冷却过程。固-液状态演变过程主要发生在焊缝部位，该部位的母材经历了由固态到液态、再由液态到固态的状态演变过程。焊接化学冶金过程主要发生在与焊缝相对应的焊接区中，是金属、熔渣和气相在较高温度下发生的冶金反应过程。主要涉及氧化、还原、渗氢、除氢、脱硫、脱磷以及合金化等，它们直接影响焊缝的成分、组织和性能。第0章绪论第0章绪论(2)焊接接头的形成过程固态相变过程3.焊接接头及其形成过程对于有同素异构转变的材料而言，焊接过程中会发生固态相变。相变过程既可发生在热影响区，也可出现在焊缝。焊缝成分是由被焊材料和填加材料共同组成，因而焊缝相变过程与热影响区有所不同。热影响区中各点所经受的焊接热作用不同，因而组织转变也不同。上述四种过程并不是孤立的，而是相互联系、甚至共同发生和发展的。在整个接头形成过程中，还会产生偏析、夹杂、气孔、裂纹及脆化等焊接缺陷。因此，控制焊接接头的形成过程是保证焊接质量的关键。相变的差异性形成过程控制第0章绪论第0章绪论(1)熔焊方法的种类4.熔焊方法的种类和特点熔焊是指通过加热使母材局部熔化来实现焊接的方法气焊是利用可燃气体燃烧所释放出的化学热来实现焊接的方法。常用的燃气是乙炔，故称氧乙炔焊接。气焊电弧焊电弧焊是以气体介质放电所产生的电弧作为热源的焊接方法。可细分为焊条电弧焊、埋弧焊、气保焊等。高能束流焊高能束流焊是以电子束或激光束与被焊材料局部表面相互作用而产生的热能作为热源的焊接方法。电渣焊电渣焊是以熔渣作为导电介质，利用电流通过熔渣产生的电阻热作为热源的焊接方法。熔焊第0章绪论第0章绪论4.熔焊方法的种类和特点各种熔焊方法所使用的热源，其共有的特性就是具有很高的能量密度，能实现快速焊接。不同的熔焊方法，具有明显不同的能量密度，其中气焊较低，电弧焊较高，高能束流焊最高。表0-1各种焊接方法的热源特性焊接方法最小加热面积/cm2最大能量密度/（W/cm2）正常焊接时的温度/K气焊氧乙炔焊10-22×1033400电渣焊10-21042300焊条电弧焊10-31046000埋弧焊10-32×1046400钨极氩弧焊10-31.5×1048000熔化极气体保护焊10-4104~105—电弧焊等离子弧焊10-51.5×10518000~24000电子束焊10-7107~109—高能束流焊激光束焊10-8107~109—(2)熔焊方法的特点第0章绪论第0章绪论图0-4不同熔焊方法对工件的热输入从气焊到电弧焊，再到高能束流焊，能量密度提高，对母材的热输入明显降低，因而焊接质量提高，同时焊接效率和熔深也提高。4.熔焊方法的种类和特点(2)熔焊方法的特点第0章绪论第0章绪论(3)熔焊方法的应用材料焊接方法4.熔焊方法的种类和特点种类厚度/mm气焊电渣焊焊条电弧焊埋弧焊熔化极气体保护焊钨极气体保护焊等离子弧焊电子束焊激光束焊≤3???????3~6???????6~19??????碳钢≥19??????≤3???????3~6??????6~19?????低合金钢≥19?????≤3????????3~6???????6~19??????不锈钢≥19?????≤3??????3~6????6~19???铝合金≥19??≤3???????3~6???????6~19??????镍合金≥19????表0-2与材料对应的推荐焊接方法熔化极气体保护焊和电子束焊适用于各种材料和各种厚度。钨极气体保护焊最适合于薄板的焊接。电渣焊只适用于厚板的焊接。第0章绪论第0章绪论),,,(tzyxfT5.焊接温度场和焊接热循环=（0-1）(1)焊接温度场焊接温度场焊接过程中某瞬时工件上各点的温度分布，并用等温线或等温面的分布来表征。焊接温度场可用空间坐标和时间的函数来描述，即式中T——工件上某点某瞬时的温度；x、y、z——工件上某点的空间坐标；t——时间。某瞬时工件上温度相同的各点连接在一起所形成的线或面。各等温线或面彼此存在温差，不能相交。等温线或面第0章绪论第0章绪论(1)焊接温度场按温度变化情况划分温度场5.焊接温度场和焊接热循环稳定温度场：工件上各点温度不随时间而变化的温度场。非稳定温度场：工件上各点温度随时间而变化的温度场。准稳定温度场：工件上各点温度虽然开始一段时间内发生变化，但经过一定时间后，温度不再变化，从而形成暂时稳定的温度场。准稳定温度场形成后，热源周围的温度分布不变。当采用坐标原点与热源中心重合的移动坐标系时，工件上各点温度只取决于它们的空间坐标，而与热源的移动距离无关。第0章绪论第0章绪论(1)焊接温度场5.焊接温度场和焊接热循环恒定功率的热源作用在工件的固定位置时，经过一段时间后，工件上就会形成等温线或等温面形状和尺寸不变的准稳定温度场。恒定功率的热源沿工件等速移动时，经过一段时间之后，工件上也会形成与热源等速移动的、具有等温线或等温面形状和尺寸不变的准稳定温度场。a)固定热源b)移动热源图0-5两种热源的准稳定温度场准稳定温度场第0章绪论第0章绪论三维温度场：厚大工件堆焊，热源为点热源，热沿X、Y、Z三个方向传播，属于三维空间传热，形成三维温度场。一维温度场：细棒状工件焊接，热源为沿细棒截面均温的面热源，热的传播只沿X一个方向，属于一维线性传热，形成一维温度场。(1)焊接温度场按焊接传热类型划分温度场5.焊接温度场和焊接热循环二维温度场：薄板穿透焊接，热源为沿板厚均温的线热源，热的传播沿X、Y两个方向，属于二维平面传热，形成二维温度场。a)三维b)二维c)一维图0-6三种焊接温度场第0章绪论第0章绪论图0-9不同焊接方法形成的焊接热循环1—焊条电弧焊2—埋弧焊3—电渣焊5.焊接温度场和焊接热循环(2)焊接热循环焊接热循环的概念热循环曲线在焊接过程中，工件上某点的温度随时间由低到高、升至最大值后又由高到低的变化过程。描述工件上某点温度随时间变化关系的曲线。不同焊接热源或焊接方法的热循环曲线形状是不同的。第0章绪论第0章绪论焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，造成接头不同部位出现不同的组织和性能，同时也会产生复杂的应力与变形。图0-10不同位置所经历的焊接热循环5.焊接温度场和焊接热循环(2)焊接热循环焊缝两侧与之距离不同的点，所经历的焊接热循环是不同的。第0章绪论第0章绪论¾加热速度（vH）¾峰值温度（Tm）¾高温停留时间（tH）¾冷却速度（vc）¾冷却时间（tc）图0-11焊接热循环参数5.焊接温度场和焊接热循环(2)焊接热循环热循环参数第0章绪论第0章绪论(2)焊接热循环5.焊接温度场和焊接热循环¾加热速度是描述温度上升快慢程度的参量。它随加热时间而变化，并可从上升段的热循环曲线上求出，一般情况下表示为一定温度范围内的平均值。¾对于有相变的材料，加热速度会影响相变温度和相变后的均质化程度，从而影响到热影响区的组织和性能。¾峰值温度也称最高温度，是热循环曲线上最高点对应的温度。在工件上，不同部位具有不同的峰值温度。¾焊缝部位的峰值温度高于液相线温度，而热影响区部位的峰值温度低于固相线温度。在热影响区中，峰值温度越高，晶粒长大倾向越严重。加热速度峰值温度第0章绪论第0章绪论高温停留时间(2)焊接热循环5.焊接温度场和焊接热循环高温停留时间一般是指在某一较高参考温度以上的停留时间。在研究相变材料的焊接热循环问题中，一般将相变温度定为参考温度