物理焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1物理焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能物理焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)2第1頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)3公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴(kuò)散釬公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴(kuò)散釬焊（秦始皇陵銅車馬等）。焊（秦始皇陵銅車馬等）。 19世紀(jì)，現(xiàn)代焊接技術(shù)得以發(fā)展（世紀(jì)，現(xiàn)代焊接技術(shù)得以發(fā)展（C弧、弧、金屬弧、電阻熱）。金屬弧、電阻熱）。 20世紀(jì)，金屬電弧用于金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，發(fā)世紀(jì)，金屬電弧用于金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，發(fā)明厚藥皮焊條。明厚藥皮焊條。第2頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)4第3頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)5第4頁/共123頁第三章 凝固熱

2、力學(xué)與動(dòng)力學(xué)6第5頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)7第6頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)8第7頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)9第8頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)107.17.1金屬焊接成形概述金屬焊接成形概述常見連接成形方法：常見連接成形方法：A 焊接焊接B 膠接膠接使用膠粘劑來連接材料。使用膠粘劑來連接材料。 優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性廣、工藝簡單，應(yīng)力變形小，優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性廣、工藝簡單，應(yīng)力變形小， 適用于各種材料適用于各種材料 缺點(diǎn)：固化時(shí)間長，膠接劑易老化，耐熱性差。缺點(diǎn)：固化時(shí)間長，膠接劑易老化，耐熱性差。C 機(jī)械連接機(jī)械連接螺紋連接、銷釘連接、鍵連螺紋連接、銷釘

3、連接、鍵連 接和鉚釘連接接和鉚釘連接 優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)件，良好的互換性，選用方便，優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)件，良好的互換性，選用方便， 工作可靠，易于工作可靠，易于 檢修。檢修。 缺點(diǎn)：增加了機(jī)械加工工序，結(jié)構(gòu)重量大，缺點(diǎn)：增加了機(jī)械加工工序，結(jié)構(gòu)重量大， 密封性差，成本較高。密封性差，成本較高。第9頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)11焊接焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法。是一種永久性連接金屬材料的工藝方法。焊接的實(shí)質(zhì)焊接的實(shí)質(zhì)用加熱或加壓等手段，借助于金屬原子的結(jié)用加熱或加壓等手段，借助于金屬原子的結(jié) 合與擴(kuò)散作用，合與擴(kuò)散作用，依靠原子間的結(jié)合力依靠原子間的結(jié)合力使分離使分離 的金屬材料牢固地連

4、接起來。的金屬材料牢固地連接起來。焊接方法焊接方法熔化焊、壓力熔化焊、壓力 焊及釬焊。焊及釬焊。應(yīng)用應(yīng)用在機(jī)械制造業(yè)中以在機(jī)械制造業(yè)中以 熔化焊熔化焊的應(yīng)用最為的應(yīng)用最為 廣泛。廣泛。第10頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)12熔化焊：熔化焊：將工件局部加熱到熔化狀態(tài)，形成將工件局部加熱到熔化狀態(tài)，形成熔池，冷卻結(jié)晶后形成焊縫，被焊工件結(jié)合熔池，冷卻結(jié)晶后形成焊縫，被焊工件結(jié)合成不可分離的整體。常見有氣焊、電弧焊、成不可分離的整體。常見有氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子焊、電子束焊、激光焊等。電渣焊、等離子焊、電子束焊、激光焊等。壓焊：壓焊：無論加熱與否，均需要加壓的焊接方無論加熱與否，均需

5、要加壓的焊接方法。常見的有電阻焊、摩擦焊、冷壓法。常見的有電阻焊、摩擦焊、冷壓 焊、擴(kuò)散焊和爆炸焊等。焊、擴(kuò)散焊和爆炸焊等。釬焊：釬焊：采用熔點(diǎn)低于被焊金屬的釬料熔化以采用熔點(diǎn)低于被焊金屬的釬料熔化以后，填充接頭間隙，并與被焊金屬相互擴(kuò)散后，填充接頭間隙，并與被焊金屬相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接。釬焊過程中被焊工件不熔化，一實(shí)現(xiàn)連接。釬焊過程中被焊工件不熔化，一般沒有塑性變形。般沒有塑性變形。焊接的分類：焊接的分類：加熱釬釬料料加熱加壓第11頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)13從冶金角度從冶金角度: 液相焊接：液相焊接：基材和填充材料熔化液相互溶材料間原基材和填充材料熔化液相互溶材料間原子結(jié)合。子

6、結(jié)合。 固相焊接：固相焊接：壓力使連接表面緊密接觸表面之間充分?jǐn)U壓力使連接表面緊密接觸表面之間充分?jǐn)U散實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。散實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。 固液相焊接：固液相焊接：待接表面不接觸，通過兩者之間的毛細(xì)待接表面不接觸，通過兩者之間的毛細(xì)間隙中的液相金屬在固液界面擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。間隙中的液相金屬在固液界面擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。 （釬（釬焊）焊）第12頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)14金屬焊接成形概述金屬焊接成形概述第13頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)15金屬焊接成形概述金屬焊接成形概述第14頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)16第15頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)17

7、第16頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)18第17頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)19焊接的優(yōu)點(diǎn)：焊接的優(yōu)點(diǎn)：（1）焊接生金屬材料，）焊接生金屬材料，結(jié)構(gòu)重量輕結(jié)構(gòu)重量輕。（2）能制造重型、復(fù)雜的機(jī)械零部件，簡化鑄造、鍛造及）能制造重型、復(fù)雜的機(jī)械零部件，簡化鑄造、鍛造及 切削加工工藝。切削加工工藝。（3）焊接接頭不僅具有）焊接接頭不僅具有良好的力學(xué)性能良好的力學(xué)性能，還具有，還具有良好的密良好的密 封性封性。（4）能夠制造）能夠制造雙金屬結(jié)構(gòu)雙金屬結(jié)構(gòu)，使材料的性能得到充分利用。，使材料的性能得到充分利用。（5）可實(shí)現(xiàn)不同材料的連接成型，是不可拆卸的）可實(shí)現(xiàn)不同材料的連接成型，

8、是不可拆卸的永久性連永久性連 接接。第18頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)20焊接的焊接的缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1）焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸，給維修帶來不便；）焊接結(jié)構(gòu)不可拆卸，給維修帶來不便； （2）焊接結(jié)構(gòu)中存在焊接應(yīng)力和變形；）焊接結(jié)構(gòu)中存在焊接應(yīng)力和變形；（3）接頭的組織性能往往不均勻，并會產(chǎn)生裂紋、夾渣、）接頭的組織性能往往不均勻，并會產(chǎn)生裂紋、夾渣、 氣孔等焊接缺陷，從而引起應(yīng)力集中，降低連接件的氣孔等焊接缺陷，從而引起應(yīng)力集中，降低連接件的 承載能力。承載能力。第19頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)21焊接接頭焊接接頭 焊接熱過程焊接熱過程 + 焊接化學(xué)冶金焊接化學(xué)冶金 + 焊接

9、物理冶金焊接物理冶金第20頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)22第21頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)23第22頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)24焊接化學(xué)冶金的特殊性焊接化學(xué)冶金的特殊性焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊接區(qū)內(nèi)金屬、氣體與熔渣的相互作用焊縫金屬的合金化及其成分控制焊縫金屬的合金化及其成分控制包括內(nèi)容：包括內(nèi)容：第23頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)25焊接化學(xué)冶金的特點(diǎn)焊接化學(xué)冶金的特點(diǎn)：1.1.焊接化學(xué)冶金的首要任務(wù)就是焊接化學(xué)冶金的首要任務(wù)就是對金屬加強(qiáng)保護(hù)對金屬加強(qiáng)保護(hù)，使其免受空氣，使其免

10、受空氣中中氣體的有害作用氣體的有害作用，從而減少焊縫中有害，從而減少焊縫中有害雜質(zhì)含量雜質(zhì)含量，減少有益，減少有益合合金元素?fù)p失金元素?fù)p失，使焊縫金屬得到合適的，使焊縫金屬得到合適的化學(xué)成分化學(xué)成分，提高，提高焊接質(zhì)量焊接質(zhì)量。2.2.焊接化學(xué)冶金過程是焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域（或階段）連續(xù)分區(qū)域（或階段）連續(xù)進(jìn)行的，各區(qū)的反進(jìn)行的，各區(qū)的反應(yīng)物應(yīng)物性質(zhì)性質(zhì)和和濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間、相接觸面積、對流及攪拌運(yùn)濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間、相接觸面積、對流及攪拌運(yùn)動(dòng)動(dòng)等反應(yīng)條件也有著較大的差異。等反應(yīng)條件也有著較大的差異。反應(yīng)條件反應(yīng)條件的差異就影響著反應(yīng)的差異就影響著反應(yīng)進(jìn)行的進(jìn)行的可能性、方向、速度及

11、限度可能性、方向、速度及限度。不同的。不同的焊接方法焊接方法有不同的有不同的反反應(yīng)區(qū)應(yīng)區(qū)。鎢極氣體保護(hù)焊和電子束焊只有。鎢極氣體保護(hù)焊和電子束焊只有熔池反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)；熔化極氣體；熔化極氣體保護(hù)焊有保護(hù)焊有熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)和和熔池反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)兩個(gè)反應(yīng)區(qū)；焊條電弧焊有三兩個(gè)反應(yīng)區(qū)；焊條電弧焊有三個(gè)反應(yīng)區(qū)：個(gè)反應(yīng)區(qū)：藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)。第24頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)26停留時(shí)間短；停留時(shí)間短；基本排除了整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡的可能性；基本排除了整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡的可能性；不同條件下焊接冶金反應(yīng)離平衡的遠(yuǎn)近程度不同；不同

12、條件下焊接冶金反應(yīng)離平衡的遠(yuǎn)近程度不同；利用熱力學(xué)原理定性分析冶金反應(yīng)的進(jìn)行方向和影利用熱力學(xué)原理定性分析冶金反應(yīng)的進(jìn)行方向和影響因素；響因素；3 3、焊接冶金反應(yīng)分析、焊接冶金反應(yīng)分析第25頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)27三、焊接物理冶金過程三、焊接物理冶金過程熔化焊時(shí)，熔化焊時(shí)，焊接焊接材料材料及母材金屬及母材金屬在高溫?zé)嵩醋饔孟掳l(fā)生在高溫?zé)嵩醋饔孟掳l(fā)生了局部熔化，在此過程中發(fā)生了冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開后，了局部熔化，在此過程中發(fā)生了冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開后，熔池開始冷卻結(jié)晶、凝固及固態(tài)相變，最終形成焊縫熔池開始冷卻結(jié)晶、凝固及固態(tài)相變，最終形成焊縫，這個(gè)，這個(gè)過程主要是物理冶金過

13、程過程主要是物理冶金過程?？拷鄢氐慕饘?，由于經(jīng)歷了焊接高溫?zé)嵩吹臒嵫h(huán)作靠近熔池的金屬，由于經(jīng)歷了焊接高溫?zé)嵩吹臒嵫h(huán)作用，其組織和性能也會發(fā)生變化，這一區(qū)域稱之為用，其組織和性能也會發(fā)生變化，這一區(qū)域稱之為焊接熱影焊接熱影響區(qū)響區(qū)（Heat Affected ZoneHeat Affected Zone，簡稱，簡稱HAZHAZ）或近縫區(qū)）或近縫區(qū)，此區(qū)域，此區(qū)域主要發(fā)生物理冶金過程主要發(fā)生物理冶金過程。介于焊縫和熱影響區(qū)之間的。介于焊縫和熱影響區(qū)之間的薄層薄層過過渡區(qū)稱為渡區(qū)稱為熔合區(qū)熔合區(qū)。第26頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)28焊接接頭主要是由焊縫和熱影響區(qū)組成的焊接接頭主要

14、是由焊縫和熱影響區(qū)組成的：由于焊接接頭各組成部分經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)作用是不同的，由于焊接接頭各組成部分經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)作用是不同的，所以會形成不同的微觀組織，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生缺陷，從而影所以會形成不同的微觀組織，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生缺陷，從而影響到整個(gè)接頭的作用。在很多情況下，焊接熱影響區(qū)的質(zhì)量響到整個(gè)接頭的作用。在很多情況下，焊接熱影響區(qū)的質(zhì)量與焊縫質(zhì)量是同等重要的，有些金屬的焊接熱影響區(qū)存在的與焊縫質(zhì)量是同等重要的，有些金屬的焊接熱影響區(qū)存在的問題比焊縫更要復(fù)雜。問題比焊縫更要復(fù)雜。焊接接頭組成示意圖1-焊縫 2-熔合區(qū) 3-熱影響區(qū) 4-母材第27頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)291.焊

15、接時(shí)熱作用的特點(diǎn)焊接時(shí)熱作用的特點(diǎn)（1）集中性）集中性（2）瞬時(shí)性）瞬時(shí)性2. 焊接傳熱基本形式焊接傳熱基本形式（根據(jù)傳熱學(xué)基本理論）（根據(jù)傳熱學(xué)基本理論）（1）熱傳導(dǎo)）熱傳導(dǎo) （2）熱對流）熱對流 （3）熱輻射）熱輻射 焊接過程中：熱源焊接過程中：熱源 焊件焊件 ： 對流、輻射為主對流、輻射為主 母材、焊條本身母材、焊條本身 ： 熱傳導(dǎo)為主熱傳導(dǎo)為主第28頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)30具體求解時(shí)需給出熱導(dǎo)體的初始條件與邊界條件。具體求解時(shí)需給出熱導(dǎo)體的初始條件與邊界條件。初始條件：物體開始導(dǎo)熱時(shí)的瞬時(shí)溫度分布初始條件：物體開始導(dǎo)熱時(shí)的瞬時(shí)溫度分布邊界條件：熱導(dǎo)體表面與周圍介質(zhì)間

16、的熱交換情況。邊界條件：熱導(dǎo)體表面與周圍介質(zhì)間的熱交換情況。常見的三種邊界條件：常見的三種邊界條件： 第一類：給定物體表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系第一類：給定物體表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系 第二類：給出通過物體表面的比熱流隨時(shí)間變化的關(guān)系第二類：給出通過物體表面的比熱流隨時(shí)間變化的關(guān)系 第三類：給出物體周圍介質(zhì)溫度以及物體表面與周圍介第三類：給出物體周圍介質(zhì)溫度以及物體表面與周圍介 質(zhì)的換熱系數(shù)質(zhì)的換熱系數(shù)a。)(222222zTyTxTctT)(2222yTxTctT22xTctT第29頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)31第30頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)32焊接溫度場焊接溫度

17、場某瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)的溫度分布某瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)的溫度分布 T= f(x,y,z,t) 等溫線（面）等溫線（面）焊件上瞬時(shí)溫度相同的點(diǎn)連成的線（面）焊件上瞬時(shí)溫度相同的點(diǎn)連成的線（面） 每條線或面之存在溫度差，其大小可以用溫度梯度每條線或面之存在溫度差，其大小可以用溫度梯度來表示：來表示：Grad T第31頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)33（2 2）當(dāng)恒定熱功率的熱源固定作用在焊件上時(shí)，開始階段溫度場是不）當(dāng)恒定熱功率的熱源固定作用在焊件上時(shí)，開始階段溫度場是不穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時(shí)間后便達(dá)到飽和狀態(tài)，形成暫時(shí)穩(wěn)定的溫度場，穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時(shí)間后便達(dá)到飽和狀態(tài)，形成暫時(shí)穩(wěn)定的溫度場，這種情況

18、稱為準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。這種情況稱為準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。 （3 3）功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作勻速直線運(yùn)）功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。溫度場與熱源作同步運(yùn)動(dòng)，可采用移動(dòng)動(dòng)時(shí)，溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。溫度場與熱源作同步運(yùn)動(dòng)，可采用移動(dòng)坐標(biāo)系，使坐標(biāo)原點(diǎn)與熱源中心重合。坐標(biāo)系，使坐標(biāo)原點(diǎn)與熱源中心重合。（1 1）正常焊接條件下，焊接熱源是以一定速度沿焊縫移動(dòng)的。）正常焊接條件下，焊接熱源是以一定速度沿焊縫移動(dòng)的。 第32頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)34第33頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)35數(shù)學(xué)解析的簡化條件：數(shù)學(xué)

19、解析的簡化條件：1 1）焊接過程中材料的熱物理常數(shù)不變，初始溫度均勻）焊接過程中材料的熱物理常數(shù)不變，初始溫度均勻2 2）三維或二維傳熱時(shí)，各方向傳熱互不影響）三維或二維傳熱時(shí)，各方向傳熱互不影響3 3）焊件尺寸和焊接熱源可概括為三種類型：）焊件尺寸和焊接熱源可概括為三種類型：a)a) 半無限大物體半無限大物體 三維傳熱三維傳熱 點(diǎn)熱源點(diǎn)熱源b)b) 無限薄物體無限薄物體 二維傳熱二維傳熱 線熱源線熱源c)c) 無限長細(xì)桿無限長細(xì)桿 一維傳熱一維傳熱 面熱源面熱源4 4）邊界條件：厚板焊件的熱能全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；薄板或細(xì)桿表）邊界條件：厚板焊件的熱能全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；薄板或細(xì)桿表 面與介質(zhì)

20、間的熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)面與介質(zhì)間的熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)5 5）焊接熱源在單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量保持不變）焊接熱源在單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量保持不變6 6）熱源運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的熱作用效果，可視為相繼作用于不同點(diǎn)）熱源運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的熱作用效果，可視為相繼作用于不同點(diǎn) 的無數(shù)集中熱源作用的總和，而多個(gè)瞬時(shí)熱源之間互不影響。的無數(shù)集中熱源作用的總和，而多個(gè)瞬時(shí)熱源之間互不影響。第34頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)361.1.正常速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的特解：正常速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的特解：2.2.熱源高速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的近似解：熱源高速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的近似解： 薄板溫度場表達(dá)式：薄板溫度場表達(dá)式：1.1.正常速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的特解：正常速度

21、運(yùn)動(dòng)時(shí)的特解：2.2.熱源稿速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的近似解：熱源稿速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的近似解：第35頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)37第36頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)38第37頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)39第38頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)40第39頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)41實(shí)測結(jié)果第40頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)42薄板二維傳導(dǎo)薄板二維傳導(dǎo)，板厚方向無，板厚方向無溫差，近似全溫差，近似全熔熔透對接焊透對接焊第41頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)43（1 1）熱源的性質(zhì)）熱源的性質(zhì)（2 2）焊接工藝參數(shù)（有效熱功率）焊接工藝

22、參數(shù)（有效熱功率q q 、焊接速度、焊接速度v v） q q一定一定 v v增大增大 等溫線的范圍變小，熱源集中程度增大等溫線的范圍變小，熱源集中程度增大 v v一定一定 q q增大增大 溫度場的范圍增大溫度場的范圍增大 grad T grad T q/v q/v一定一定 v v 較大時(shí)較大時(shí) grad T grad T （3) 3) 金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率、體積比熱容、體積比熱容c等等） 熱物理性質(zhì)主要是指熱物理性質(zhì)主要是指 熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率 = = /c/c 焊接線能量焊接線能量 E E 相同相同 a grad T a grad T 板厚：其他因素不變，隨板厚的減

23、小，板厚：其他因素不變，隨板厚的減小， 焊件表面的高溫區(qū)域焊件表面的高溫區(qū)域第42頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)44第43頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)45第44頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)461 1、焊接熔池凝固過程與鑄造凝固過程的差別、焊接熔池凝固過程與鑄造凝固過程的差別 焊接熔池體積小，冷卻速度高；焊接熔池體積小，冷卻速度高； 熔池的形狀與尺寸熔池的形狀與尺寸(30cm(30cm3 3, 100g), 100g)，冷卻速度平，冷卻速度平均均 達(dá)達(dá)100/s100/s，約為鑄造的，約為鑄造的10104 4。 焊接熔池的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)焊接熔池的液態(tài)金屬處

24、于過熱狀態(tài) 熔池平均溫度熔池平均溫度 (1770(1770100) 100) 鋼錠鋼錠:1550 :1550 ；熔；熔池池 過熱度大，合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)減過熱度大，合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)減 少，促使柱狀晶發(fā)展。少，促使柱狀晶發(fā)展。7.4 7.4 焊縫金屬的組織與性能焊縫金屬的組織與性能第45頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)47熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶u結(jié)晶前沿隨熱源同步運(yùn)動(dòng)。結(jié)晶前沿隨熱源同步運(yùn)動(dòng)。u液態(tài)金屬受到電弧攪拌力、氣流吹液態(tài)金屬受到電弧攪拌力、氣流吹 力、電磁力、熔滴作用力、表面張力、電磁力、熔滴作用力、表面張 力及金屬密度差的作用。力

25、及金屬密度差的作用。u熔池金屬存在對流運(yùn)動(dòng)，有利于除氣和熔池金屬存在對流運(yùn)動(dòng)，有利于除氣和除渣。除渣。u凝固速度很大，固液界面的推進(jìn)速度比凝固速度很大，固液界面的推進(jìn)速度比鑄件高鑄件高10-100倍。倍?；瘜W(xué)成分不均勻化學(xué)成分不均勻1、焊接熔池凝固過程差別、焊接熔池凝固過程差別第46頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)482v3kF316E)4cos3cos32(3kkEE2v3kF316E第47頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)49在焊接條件下，熔池中存在兩種在焊接條件下，熔池中存在兩種所謂現(xiàn)成表面：一種是合金元素所謂現(xiàn)成表面：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)表面；另一種或雜質(zhì)的懸浮

26、質(zhì)點(diǎn)表面；另一種是熔合區(qū)附近加熱到半熔化狀態(tài)是熔合區(qū)附近加熱到半熔化狀態(tài)基體金屬的晶體表面，非自發(fā)形基體金屬的晶體表面，非自發(fā)形核就依附在這個(gè)表面上，并以柱核就依附在這個(gè)表面上，并以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，形狀晶的形態(tài)向焊縫中心成長，形成所謂交互結(jié)晶（成所謂交互結(jié)晶（聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶）。）。在焊接材料中加入一定的合金元素可作為在焊接材料中加入一定的合金元素可作為熔池非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化晶粒。熔池非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化晶粒。外延結(jié)晶示意圖第48頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)50先長大先長大焊縫金屬柱狀晶的擇優(yōu)生長第49頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)51第50頁/共123

27、頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)52（3 3）焊接工藝對一次組織結(jié)構(gòu)的影響）焊接工藝對一次組織結(jié)構(gòu)的影響低速焊接條件下：低速焊接條件下： 焊縫的柱狀晶朝向焊接方向彎曲并指向焊縫中心，焊縫的柱狀晶朝向焊接方向彎曲并指向焊縫中心，稱稱 為為“偏向晶偏向晶”。高速焊接條件下：高速焊接條件下： 柱狀晶成長方向可柱狀晶成長方向可垂直于焊縫邊界，一垂直于焊縫邊界，一直長到焊縫中心，稱直長到焊縫中心，稱“定向晶定向晶”。低熔點(diǎn)雜。低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析于焊縫中心，質(zhì)偏析于焊縫中心，易出現(xiàn)縱向裂紋。易出現(xiàn)縱向裂紋。第51頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)53原因：高速移動(dòng)，熔池原因：高速移動(dòng)，熔池變成細(xì)長條，最快散

28、熱變成細(xì)長條，最快散熱方向垂直于焊縫軸線。方向垂直于焊縫軸線。第52頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)54第53頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)55在在dtdt內(nèi)，當(dāng)結(jié)晶等溫面由內(nèi)，當(dāng)結(jié)晶等溫面由A AB B時(shí)，變化時(shí)，變化dxdx，則，則 dx/dt=Vdx/dt=V（焊接速度），（焊接速度）， 此時(shí)該晶粒生長由此時(shí)該晶粒生長由A AC C， 變化變化 dsds，則，則 ds/dt=Vc,ds/dt=Vc,當(dāng)當(dāng)dtdt0 0時(shí)，時(shí)，BCBC垂直于垂直于ACAC，則則 即平均成長速度即平均成長速度V Vc c有有 coscos取決于焊接規(guī)范和材料的熱物理性質(zhì)及形狀取決于焊接規(guī)范和

29、材料的熱物理性質(zhì)及形狀 cosdtdxdtdscosVVc 第54頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)5621222211)(coszyzykkkkqvA2122211)()(cosyyMkkTqA第55頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)57等軸晶（樹枝晶）樹枝晶晶胞平面晶柱狀晶形態(tài)第56頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)58第57頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)59第58頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)60胞狀結(jié)晶胞狀結(jié)晶 G G與與T T少量相交少量相交第59頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)61胞狀樹枝結(jié)晶：胞狀樹枝結(jié)晶： G G與與T T相交較大，

30、晶粒主軸快速伸向相交較大，晶粒主軸快速伸向液內(nèi)，橫向排溶質(zhì)，故橫向也出現(xiàn)分枝液內(nèi)，橫向排溶質(zhì)，故橫向也出現(xiàn)分枝第60頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)62樹枝狀結(jié)晶樹枝狀結(jié)晶 : :當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大，樹枝晶顯著當(dāng)成分過冷進(jìn)一步增大，樹枝晶顯著第61頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)63等軸結(jié)晶等軸結(jié)晶 : :液相成分過冷區(qū)很寬，不僅在前沿生成樹液相成分過冷區(qū)很寬，不僅在前沿生成樹枝晶，內(nèi)部也形成樹枝晶枝晶，內(nèi)部也形成樹枝晶等軸晶等軸晶第62頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)64第63頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)65第64頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)

31、66（5 5）焊縫各部位晶粒形態(tài)的變化）焊縫各部位晶粒形態(tài)的變化第65頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)67第66頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)68第67頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)69第68頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)70第69頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)71第70頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)72第71頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)73第72頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)74第73頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)75第74頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)76七、改善焊縫組織的途徑七、改善焊縫組

32、織的途徑第75頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)77 圖10-1 焊接接頭示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-熱影響區(qū)；4-母材7.5 7.5 焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱影響區(qū)的組織與性能第76頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)78一、一、 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)第77頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)79晶粒大小晶粒大小相變組織相變組織第78頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)80第79頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)8120mRcE234.0TTycE242. 0TT0m點(diǎn)熱源（厚板）點(diǎn)熱源（厚板） 線熱源（薄板）線熱源（薄板） 由兩式可以看出，當(dāng)焊接線能量由兩

33、式可以看出，當(dāng)焊接線能量E（ 單位長度上的焊接單位長度上的焊接熱輸入量，熱輸入量，E = IU/v ) 一定，焊件上某點(diǎn)離開熱源軸心距離一定，焊件上某點(diǎn)離開熱源軸心距離越遠(yuǎn)，最高溫度越遠(yuǎn)，最高溫度m越低；而對焊件上某一定點(diǎn)，隨著線能越低；而對焊件上某一定點(diǎn)，隨著線能量量E 的提高，其的提高，其m增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值增高，焊接熱影響區(qū)的寬度增大。峰值溫度的高低還受預(yù)熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。溫度的高低還受預(yù)熱溫度與焊件熱物理性質(zhì)的影響。第80頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)82)TT(2Et0HH20H2)TT(c2)E(tH點(diǎn)熱源（厚板）點(diǎn)熱源（厚板） 線熱源（薄板）

34、線熱源（薄板） 由公式可以看出，在其它條件不變的情況下，提高線由公式可以看出，在其它條件不變的情況下，提高線能量能量 E，高溫停留時(shí)間，高溫停留時(shí)間 tH 延長，也就是說發(fā)生粗晶脆化延長，也就是說發(fā)生粗晶脆化的可能性增大。提高初始溫度的可能性增大。提高初始溫度 T0（預(yù)熱溫度），也會在（預(yù)熱溫度），也會在一定程度上延長高溫停留時(shí)間一定程度上延長高溫停留時(shí)間 tH。第81頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)83E)TT(220CC230)E()TT(c2CC 0058T8001T50012Et2020258T8001T5001c4)E(t冷卻速度冷卻速度c隨著線能量隨著線能量E和初始溫度和初

35、始溫度T0的提高而降低，冷的提高而降低，冷卻時(shí)間隨著線能量卻時(shí)間隨著線能量E和初始溫度和初始溫度T0的提高而延長。母材的熱的提高而延長。母材的熱物理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及物理性質(zhì)、焊件的形狀、尺寸、接頭型式、焊道的長度及層數(shù)都會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)，層數(shù)都會影響焊接熱循環(huán)參數(shù)， 第82頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)84第83頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)85第84頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)86第85頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)87 圖圖10-4 焊接快速加熱對焊接快速加熱對Ac1、Ac3和晶粒長大的影響（和晶粒長大的影響（CC

36、T圖圖）d晶粒的平均直徑；晶粒的平均直徑；A奧氏體；奧氏體；P珠光體；珠光體；F鐵素體；鐵素體；K碳化物碳化物45鋼鋼40C40Cr rH ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)H ：11600/s；2300/s； 442/s； 57.2/s第86頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)88鋼種鋼種相變點(diǎn)相變點(diǎn)平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)加熱速度加熱速度H H/ /（S S-1-1）AC1與與AC3的溫差的溫差/684050 250300 14001700 4050 250300 1400170045鋼鋼AC17307707757908404560110AC37708208358

37、60950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260表表10-1 加熱速度對相變點(diǎn)加熱速度對相變點(diǎn)Ac1和和Ac3及其溫差的影響及其溫差的影響第87頁/共123頁第三章 凝

38、固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)89共析成分成為一個(gè)成分范圍共析成分成為一個(gè)成分范圍 第88頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)90預(yù)熱溫度和制定焊接工藝的依據(jù)。預(yù)熱溫度和制定焊接工藝的依據(jù)。有關(guān)典型鋼種的有關(guān)典型鋼種的CCT圖及組織的圖及組織的變化可參閱有關(guān)焊接手冊。變化可參閱有關(guān)焊接手冊。第89頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)91三、焊接熱影響區(qū)的組織與性能三、焊接熱影響區(qū)的組織與性能 第90頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)92不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布熔合區(qū)熔合區(qū)： 又稱半熔化區(qū)，是焊縫與又稱半熔化區(qū)，是焊縫與母材的交界區(qū)。母材的交界區(qū)。加熱溫度

39、加熱溫度：14901530（固、液相線之間）（固、液相線之間）組織組織：（未熔化但因過熱而：（未熔化但因過熱而長大的）粗晶組織和（部分長大的）粗晶組織和（部分新凝固的）鑄態(tài)組織。新凝固的）鑄態(tài)組織。特點(diǎn)特點(diǎn)：該區(qū)很窄，組織不均：該區(qū)很窄，組織不均勻，強(qiáng)度下降，塑性很差，勻，強(qiáng)度下降，塑性很差，是裂紋及局部脆斷的發(fā)源地是裂紋及局部脆斷的發(fā)源地。過熱區(qū)過熱區(qū)：緊靠熔合區(qū)緊靠熔合區(qū)加熱溫度加熱溫度： 11001490（1100固相線）固相線）組織組織： 粗大的過熱組織。粗大的過熱組織。特點(diǎn)特點(diǎn)： 寬度為寬度為13mm，塑性和，塑性和韌性下降。韌性下降。相變重結(jié)晶區(qū)相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū)正火區(qū))： 緊靠

40、著過熱區(qū)緊靠著過熱區(qū)加熱溫度加熱溫度： 8501100 （AC3至至1100）組織組織： 均勻細(xì)小的鐵素體和珠光均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織（近似于正火組織）體組織（近似于正火組織）特點(diǎn)特點(diǎn)： 寬度約寬度約1.24.0mm，力，力學(xué)性能優(yōu)于母材。學(xué)性能優(yōu)于母材。不完全重結(jié)晶區(qū)不完全重結(jié)晶區(qū)：加熱溫度加熱溫度： AC1AC3之間之間組織組織： F+P (F粗、細(xì)不均粗、細(xì)不均)特特點(diǎn)點(diǎn)： 部分組織發(fā)生相變部分組織發(fā)生相變，晶粒不均勻，力學(xué)，晶粒不均勻，力學(xué)性能差。性能差。第91頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)931-熔合區(qū)；熔合區(qū)；2-過熱區(qū)；過熱區(qū)；3-相變重結(jié)晶區(qū)；相變重結(jié)晶區(qū)；4-

41、不完全重結(jié)晶區(qū)；不完全重結(jié)晶區(qū)；5-母材；母材；6-完全淬火區(qū)完全淬火區(qū)；7-不完全淬火區(qū)不完全淬火區(qū)；8-回火軟化區(qū)回火軟化區(qū)不易不易淬火鋼淬火鋼易淬易淬火鋼火鋼第92頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)94位則得到細(xì)小的馬氏體位則得到細(xì)小的馬氏體。當(dāng)焊件。當(dāng)焊件母材的淬硬性不是太高時(shí)，還會母材的淬硬性不是太高時(shí)，還會出現(xiàn)貝氏體、索氏體等正火組織出現(xiàn)貝氏體、索氏體等正火組織與馬氏體共存的混合組織。與馬氏體共存的混合組織。第93頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)95最后形成馬氏體加鐵素體的混合最后形成馬氏體加鐵素體的混合組織。如含碳量和合金元素含量組織。如含碳量和合金元素含量不高或冷

42、卻速度較小時(shí)，奧氏體不高或冷卻速度較小時(shí)，奧氏體也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠光體。也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠光體。第94頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)96第95頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)97n焊接熱影響區(qū)的軟化焊接熱影響區(qū)的軟化n焊接熱影響區(qū)的性能控制焊接熱影響區(qū)的性能控制第96頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)98母材的淬硬傾向母材的淬硬傾向（內(nèi)因）（內(nèi)因）HAZ的冷卻速度的冷卻速度（外因）（外因）化學(xué)成分化學(xué)成分焊接規(guī)范焊接規(guī)范焊接熱影響區(qū)的焊接熱影響區(qū)的最高硬度最高硬度Hmax： Hmax（HV10）= 140 + 1089 Pcm- 8.2 t 8 / 5第97頁/

43、共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)99第98頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)1005Mo156Mn)(VCrNiCuCIIWCEBVMoNiCrCuMnSiC51015602030Pcm第99頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)101焊接熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū) Hmax 與與 t8/5 的關(guān)系的關(guān)系板厚板厚20mm，成分：，成分：C=0.12%，Mn=1.4%，Si=0.48%，Cu=0.15%第100頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)102 不同材料的焊接熱影響區(qū)及不同材料的焊接熱影響區(qū)及熱影響區(qū)熱影響區(qū)的不同部位都會的不同部位都會發(fā)生程度不同的材料脆化。發(fā)生程度不同的材料

44、脆化。第101頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)103溫度可達(dá)溫度可達(dá)1140之高，而不含碳之高，而不含碳化物元素的化物元素的23Mn和和45號鋼，超號鋼，超過過1000晶粒就顯著長大。晶粒就顯著長大。第102頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)1040.2則組織脆化主要是則組織脆化主要是高碳馬氏體高碳馬氏體。第103頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)105第104頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)106 析出脆化的機(jī)理目前認(rèn)為是由于析出物出現(xiàn)以后，析出脆化的機(jī)理目前認(rèn)為是由于析出物出現(xiàn)以后，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使塑性變形難以進(jìn)行。若析出物以，使塑性變形難以進(jìn)行。若析出物以彌散的細(xì)顆粒彌散的細(xì)顆粒分布于晶內(nèi)或晶界，將有利于改善韌性。但以分布于晶內(nèi)或晶界，將有利于改善韌性。但以塊狀塊狀或沿晶界以或沿晶界以薄膜狀薄膜狀分布的析出物會造成材料脆化。分布的析出物會造成材料脆化。第105頁/共123頁第三章 凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)