科技焊接冶金學

1焊接冶金學（基本原理）劉海云手機：太原理工大學2緒論第一章 焊接化學冶金第二章 焊接材料第三章

熔池凝固和焊縫固態(tài)相變第四章

焊接熱影響區(qū)的組織第五章 焊接裂紋太原理工大學緒

論焊接：被焊工件的材質(同種或異種），通過加熱或加壓或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質達到原子間的結合而形成永久性連接的工藝過程。一、焊接過程的物理本質原子間的距離為rA時，結合力最大。對于大多數(shù)金屬

rA≈0.3～0.5nm，原子間的距離大于或小于rA時，結合力顯著降低。3為了克服阻礙金屬表面緊密接觸的各種因素，采取以下兩種措施：⑴加壓—破壞接觸面氧化膜，增加有效接觸面，達到緊密接觸。⑵加熱—對金屬，結合處達到塑性或熔化狀態(tài)時，氧化膜迅速破壞，金屬變形阻力降低；并增加原子振動能，促使擴散、再結晶、化學反應和結晶過程的進行。加熱溫度越低，所需壓力越大，實現(xiàn)焊接的條件：Ⅰ區(qū)—T＜T1，壓力須在AB線右上方；Ⅱ區(qū)—T1～T2之間時，壓力應在BC線以上；Ⅲ區(qū)—T＞T1＝TM（TM是金屬熔化溫度），壓力為零，此即熔焊情況。4焊接與釬焊在微觀上是有原則的區(qū)別，如圖：釬焊時釬料熔化，母材不熔化，不易形成共同的晶粒，只是在釬料與母材之間形成有相互原子滲透的機械結合。但有些材料釬焊也能形成共同晶粒，如用鋁基釬料焊鋁和銅基釬料焊銅時。5二、焊接熱源的種類及其特性焊接熱源主要是熱能和機械能。能夠滿足焊接條件的熱源有以下幾種：電弧熱—利用氣體介質中放電過程所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，是焊接熱源中應用最廣泛的一種，如手工電弧焊、埋弧焊、惰性氣體保護焊（TIG、MIG）、活性氣體保護焊（MAG）等化學熱—利用助燃和可燃氣體（氧、乙炔等）或鋁、鎂熱劑進行化學反應時所產(chǎn)生的熱能（如氣焊和熱劑焊）電阻熱—利用電流通過導體產(chǎn)生的電阻熱（如電阻焊和電渣焊）。該類焊接方法，機械化和自動化程度較高，但需強大的電力。6高頻感應熱—對于磁性金屬，利用高頻感應所產(chǎn)生二次電流作為熱源，局部加熱，實質上是另一種電阻加熱。熱度集中，焊接速度高，如高頻焊管等。對于不銹鋼和鋁等無磁性材料，經(jīng)研究裝設導磁附件，仍可高頻焊接。摩擦熱—由機械摩擦產(chǎn)生熱能作為焊接熱源。等離子焰—電弧或高頻放電產(chǎn)生高度電離的離子流，攜帶大量的熱能和動能，作為焊接熱源（等離子焊接、切割和噴涂）。電子束—利用高壓高速運動的電子在真空中猛烈轟擊金屬表面，使動能轉化為熱能作為焊接熱源。故焊接質量很高。因熱能高度集中，焊縫深寬比可達40以上，所以焊接HAZ很窄。激光束—是通過受輻射而使放射增強的光簡稱激光經(jīng)過聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束作為焊接熱源。789三、熔焊加熱特點及焊接接頭的形成焊接電源主要是電弧，其次是電阻、等離子、電子束和激光，電渣應用較少。下面以電弧焊為例，討論熔焊加熱特點。㈠焊件上加熱區(qū)的能量分布熱源通過焊件上一定的作用面積把熱能傳給焊件。對電弧焊，這個作用面積稱為加熱區(qū)，細分為加熱斑點區(qū)和活性斑點區(qū)。⑴活性斑點區(qū)帶電質點集中轟擊的區(qū)，電能轉為熱能，斑點直徑為dA，電流密度J的變化如圖0-4。1⑵加熱斑點區(qū)

在加熱斑點區(qū)焊件受熱是通過電弧的輻射和周圍介質的對流進行的。加熱斑點的直徑為dH，在該區(qū)內(nèi)熱量的分布是不均勻的，中心高，邊緣低，如同立體高斯錐體，如圖0-5。單位時間通過單位面積傳入焊件的熱能，即比熱流的分布可近似用高斯模型來描述。距斑點中心任意點A的比熱流可用下式計算：q（r）=q

e－Kr2m式中q（r）—A點比熱流（J/（m2·s））qm—加熱斑點中心的最大比熱流，（J/（㎝2·s））K—熱流集中系數(shù)（㎝－3）

r—A點距加熱中心的距離（㎝）0上式的K值說明了熱能集中程度，主要決定于焊接方法、工藝參數(shù)和被焊材料的導熱性能等。電弧焊條件下，厚皮焊條手弧焊K＝1.2～1.3㎝-2，埋弧焊K＝6.0㎝-2

，氣焊K＝0.17～0.39㎝-2立體高斯錐體下面的全部熱能為：根據(jù)qm和K值可求出任意點的比熱流q（r）。工

件

熱

輸

入，或用于加熱工件的熱功率在一定條件下η是常數(shù)，受多種因素影響，如焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)，以及運條擺動等表0-2為常見的η值。11⑶影響熱能分布的因素12㈡焊接接頭的形成熔焊時焊接接頭的形成，一般

都要經(jīng)歷加熱、熔

化、冶金反應、凝

固結晶、固態(tài)相變，直至形成焊接接頭。如圖。1314⑴焊接熱過程被焊金屬在熱源作用下局部受熱和熔化，焊接熱過程貫穿整個焊接過程。它與冶金反應、凝固結晶和固態(tài)相變、焊接溫度場和應力變形等均有密切的關系，是影響焊接質量和生產(chǎn)率的重要因素之一。⑵焊接化學冶金過程金屬、熔渣與氣相之間進行的系列化學冶金反應，如金屬氧化、還原、脫硫、脫磷、摻合金等。直接影響焊縫成分、組織和性能?；瘜W冶金研究重點是通過焊接材料來提高焊縫強韌性，主要有兩個途徑：①向焊縫中加入微量合金元素（如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）進行變質處理，提高焊縫的韌性。②降低焊縫中的碳，并最大限度排除硫、磷、氧、氮、氫等雜質，提高焊縫韌性。⑶焊接時的金屬凝固結晶和相變過程a

焊接熔池（焊縫）的凝固和相變隨著熱源離開，經(jīng)過化學冶金反應的熔池金屬就開始凝固結晶，金屬原子由近程有序轉變?yōu)檫h程有序排列，即有液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)。對于有同素異構轉變的金屬，隨溫度下降，將發(fā)生固態(tài)相變。如鋼鐵：δ—γ—α轉變。因焊接條件下是快速連續(xù)冷卻，并受局部拘束應力的作用，因此，可能產(chǎn)生偏析、夾雜、氣孔、熱裂紋、冷裂紋、脆化等缺陷。故而控制和調(diào)整焊縫金屬的凝固和相變過程成為保證焊接質量的關鍵。15b熔合區(qū)和近縫區(qū)兩側的母材相變過程焊接時經(jīng)受加熱和冷卻過程，必然發(fā)生組織轉變。c焊接接頭區(qū)域劃分焊縫---熔合區(qū)---熱影響區(qū)（HAZ）由圖可見，焊接接頭是由兩部分組成，即焊縫和熱影響區(qū)，其間是過渡區(qū)，稱為熔合區(qū)。焊接時除了必須保證焊縫金屬的性能外，還必須保證焊接熱影響區(qū)的性能。16四、焊接溫度場㈠焊接傳熱的基本形式傳熱理論：熱傳導為傳導、對流和輻射在熔焊的條件下，由熱源傳熱給焊件的熱量，主要是以輻射和為主對流，而母材和焊條（焊絲）獲得熱能之后，熱的傳播則是以熱傳導為主。㈡焊接溫度場的一般特征溫度場——焊接時焊件上各點的溫度每一瞬時都在變化，而且是有規(guī)律地變化。焊件上（包括內(nèi)部）某瞬時的溫度分布稱為“溫度場”17可以用數(shù)學關系表示如下：

T＝f（x、y、z、t）式中T—焊件上某瞬時的溫度；

x、y、z—焊件某點的空間坐標；t—時間。等溫線或等溫面——焊接溫度場分布情況可以用等溫線或等溫面表示。就是把焊件上瞬時溫度相同的各點連接在一起，成為一條線或一個面。各等溫線或等溫面彼此之間不能相交，存在一定的溫度差，其用溫度梯度來表示。18溫度梯度—與X軸相交的各個溫度線彼此不同，如法線方向兩相鄰溫度T1和T2的溫度差為（T1－T2），溫度梯度為（

T1－T2/△S），當距離很小時：方向不同就有不同的溫度梯度，如圖，假如nn線與ss線方向成α時，19穩(wěn)定溫度場——焊接溫度場各點的溫度不隨時間而變動時，稱為穩(wěn)定溫度場；隨時間而變動的是非穩(wěn)定溫度場；準穩(wěn)定溫度場——恒定熱功率的熱源固定作用在焊件上時（相當于補焊缺陷的情況），開始一段時間內(nèi)，溫度是非穩(wěn)定的，經(jīng)過一段時間后達到飽和狀態(tài)，形成暫時穩(wěn)定的溫度場，這種情況稱為準穩(wěn)定溫度場。移動熱源溫度場——焊接移動熱源，經(jīng)過一段時間后，焊件上會形成準穩(wěn)定溫度場，和熱源一起移動的準穩(wěn)定溫度場。采用移動坐標，坐標原點和熱源中心重合，可建立焊接溫度場數(shù)學模型。20對于厚大焊件在表面上堆焊，可以把溫度場看成是三維的，把熱源看作是一個點（點熱源），熱的傳播是沿三個方向，如圖。三維溫度場焊接傳熱分類——根據(jù)焊件的尺寸和熱源的性質，焊接傳熱可以是三維（空間傳熱）、二維21（平面?zhèn)鳠幔┖鸵痪S（線性傳熱）。一次焊透的薄板，溫度場可以看成是二維的，可以認為在板厚方向沒有溫差，把熱源看成是沿板厚的一條線（線熱源），熱的傳播為兩個方向（X、Y），屬于平面?zhèn)鳠?，如圖。二維溫度場22細棒的電阻焊（摩擦焊）對接、焊條或焊絲的加熱，溫度場均屬一維。如果溫度在細棒截面上的分布是均勻的，如同一個均溫的小平面進行熱的傳播（面熱源），此時的傳熱方向只有一個（X），見圖。一維溫度場23㈢影響溫度場的因素⑴熱源的性質熱源的性質不同，焊接溫度場的分布也不同。

電弧焊條件下，25㎜以上的鋼板就可以認為是點狀熱源。100㎜以上的厚鋼板電渣焊時卻是線狀熱源。電子束和激光焊接時，熱能及其集中，溫度場范圍很小。氣焊時，熱源作用面積大，溫度場范圍也大。⑵焊接線能量以電弧焊為例，采用的焊接線能量不同（即熱源能量q和焊接速度v之比E=q/v），溫度場的分布也不同，如下圖2425當q=常數(shù)時，隨焊接速度v的增加，等溫

線的范圍變小。即溫度場的寬度和長度都變小，但寬度的較小更大些，所以溫度場的形狀變得

更細長，如圖a。當v=常數(shù)時，隨熱源功率q的增加，溫度場的范圍也隨之增大，如圖b。如q/v保持定值，保持等比例改變時，會使等溫線有所拉長，使溫度場的范圍也隨之拉長，如圖c。26⑶被焊金屬的熱物理性質（材質影響）①熱導率(λ)

金屬導熱的能力，物理意義是在單位時間內(nèi)，沿法線方向單位距離相差1℃時經(jīng)過單位面積所傳遞的熱能，即27②比熱容（c）1g物質每升高1℃所需的熱謂之比熱容，當溫度上升dT時，則c=dQ/dT式中dQ—1g物質溫升dT時吸收的熱能（J/g）各種材料的比熱容是不同的，一般常采用平均值，鋼鐵材料在20-1500℃時，平均比熱容為0.67-0.76J/(g·℃）③容積比熱容(cρ)單位體積物質每升高1℃所需的熱量稱為容積比熱容，cρ值大的金屬，溫度上升緩慢。一般鋼鐵值在4.83-6.9J/（㎝3·℃）④熱擴散率(a)表示溫度傳播的速度。低碳鋼在焊接條件下熱擴散率的平均值為0.07～0.10㎝2/s⑤熱焓(H)單位物質所具有的全部熱能，與溫度有關。低碳鋼從0℃加熱到1500℃時的熱焓為1331.4J/g。28⑥表面散熱系數(shù)(a)物理意義是散熱體表面與周圍介質每相差1℃時，在單位時間內(nèi)單位面積所散失的熱量。由于表面散熱，在單位時間、單位面積上散熱而損失的熱能q，可由下式計算：qs=α（T-T0）式中T—物體表面的溫度（℃）；T0—物體周圍介質溫度（℃）；α—表面散熱系數(shù)（J/(㎝2·s·

℃))，α=αc+αEαc—對流表面散熱系數(shù)（J/（

㎝2·s·

℃))；

αE—輻射表面散熱系數(shù)（J/(㎝2·s·

℃))顯然，熱物理常數(shù)不同，溫度場就不同。熱物理常數(shù)都是隨溫度變化的，一般采用平均值2930金屬熱物理性質對溫度場分布的影響板厚10mm,E=21kJ/cm31⑷焊件的板厚及形狀焊件的板厚、