焊接冶金学(基本原理)

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1、绪论一、焊接过程的物理本质1.焊接：被焊工件的材质(同种或异种 )，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。物理本质：1）宏观：焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不可拆卸性（永久性）2）微观：焊接是在焊件之间实现原子间结合。2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？从理论来讲，就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还

2、常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。 为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：1)对被焊接的材质施加压力 目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。2)对被焊材料加热(局部或整体) 对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。二、焊接热源的种类及其特征1） 电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。2） 化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源

3、。3） 电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。4） 高频感应热：对于有磁性的金属 材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。如高频焊管等。5） 摩擦热：由机械摩擦而产生的热能作为热源。6） 等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和动能，利用这种能量进行焊接。7） 电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为热源。8） 激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。三、熔焊加热特点及焊接接头的形成（一）焊件上加热区的能量分布热源把热能传给焊件是

4、通过焊件上一定的作用面积进行的。对于电弧焊来讲，这个作用面积称为加热区，加热区又可分为加热斑点区和活性斑点区；1)活性斑点区 活性斑点区是带电质点 (电子和离于)集中轰击的部位，并把电能转为热能；2)加热斑点区 在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进行的。在该区内热量的分布是不均匀的，中心高，边缘低，如同立体高斯锥体.（二）焊接接头的形成：熔焊时焊接接头的形成，一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。（l）焊接热过程 ： 熔焊时被焊金属在热源作用下发生局部受热和熔化，使整个焊接过程自始至终都是在焊接热过程中发生和发展的。它与冶金反应、凝固结晶和固

5、态相变、焊接温度场和应力变形等均有密切的关系。（2）焊接化学冶金过程： 熔焊时，金属、熔渣与气相之间进行一系列的化学冶金反应，如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、掺合金等。这些冶金反应可直接影响到焊缝的成分、组织和性能。 （提高焊缝的强韧性：1 通过焊接材料向焊缝中加入微量合金元素（如 Ti、 Mo、Nb、V 、Zr 、B 和稀土等）进行变质处理，从而提高焊缝的韧性；2 适当降低焊缝中的碳，并最大限度排除焊缝中的硫、磷、氧、氮、氢等杂质进行净化焊缝，也可提高焊缝的韧性）（3）焊接时的金属凝固结晶和相变过程： 随着热源离开，经过化学冶金反应的熔池金属就开始凝固结晶，金属原子由近程有序排列转变为远程有序

6、排列，即由液态转变为固态。对于具有同素异构转变的金属，随温度下降，将发生固态相变。因焊接条件下是快速连续冷却，并受局部拘束应力的作用，因此，可能产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷。故而控制和调整焊缝金属的凝固和相变过程，就成为保证焊接质量的关键。由此看来，焊接接头是由两部分所组成，即焊缝和热影响区，其间有过渡区，称为熔合区。焊接时除必须保证焊缝金属的性能之外，还必须保证焊接热影响区的性能。四、焊接温度场：（一）焊接传热的基本形式：在熔焊的条件下，由热源传热给焊件的热量，主要是以辐射和对流为主，而母材和焊条（焊丝）获得热能之后，热的传播则是以热传导为主。焊接传热过程所研究的内容主要

7、是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化何题，因研究焊接温度场，是以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。（二）焊接温度场的一般特征：焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化，而且是有规律地变化。焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布称为“温度场。焊接温度场的分布情况可以用等温线或等温面表示。所谓等温线或等温面，就是把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起，成为一条线或一个面。各个等温线或等温面彼此之间不能相交，而存在一定的温度差，这个温度差的大小可以用温度梯度来表示。焊接温度场各点的温度不随时间而变动时，称为稳定温度场；随时间而变动时，称为非稳定温度场。在绝大多数情况下，焊件上各点的温度是随时间变动的，

8、因此焊接温度场应属非稳定温度场。恒定热功率的热源固定作用在焊件上时（相当于补焊缺陷的情况） ，开始一段时间内，温度是非稳定的但经过一段时间之后便达到了饱和状态，形成了暂时稳定的温度场（即各点的温度不随时间而变） ，把这种情况称为准稳定温度场。对于正常焊接条件下的移动热源，经过一定时间之后，焊件上同样会形成准稳定温度场，这时焊件上各点温度虽然随时间而变化，但各点以固定的温度跟随热源一起移动，也就是说，这个温度场与热源以同样的速度跟踪。如果采用移动坐标系，坐标原点与热源中心重合，则焊件上各点的温度只取决于这个系统的空间坐标，而与热源的移动距离和速度无关。（三）影响温度场的因素： （l ）热源的性质

9、: 一般电弧焊的条件下， 25mm 以上的钢板就可以认为是点状热源，而 100mm 以上的厚钢板电渣焊时却是线状热源。电子束和激光焊接时，热能极其集中，所以温度场的范围很小；而气焊时，热源作用的面积较大，因此温度场的范围也大。（2）焊接线能量 （3）被焊金属的热物理性质（ l 热导率：表示金属导热的能力，它的物理意义是在单位时间内，沿法线方向单位距离相差 l 时经过单位面积所传递的热能。2 比热容： 1 克物质每升高 1所需的热谓之比热容。3 容积比热容:单位体积物质每升高 1 所需的热量称为容积比热容，用 c 表示。 4 ）热扩散率：热扩散率是表示温度传播的速度。 5 热焓（ H ）单位物质

10、所具有的全部热能，它与温度有关。 6 表面散热系数：表面散热系数的物理意义是散热体表面与周围介质每相差 1 时，在单位时间内单位面积所散失的热量。根据实验，在焊接过程中所散失的热能，在静止的空气中主要是通过辐射，而对流的作用很小。因此，当焊接不锈钢和耐热钢时，所选用的焊接线能量（ qv 的比值）应比焊接低碳钢时要小。相反，焊接铜和铝时，由于导热性能良好，因此应选用比焊接低碳钢更大的线能量。 ）4）焊件的板厚及形状: （l 厚板焊接结构 2 薄板焊接结构）第一章焊接化学冶金：在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。它主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应与

11、焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。研究的目的在于运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料。第一节焊接化学冶金过程的特点一、焊条熔化及熔池形成：（一）焊条的加热及熔化 ： 1.焊条的加热： 电弧焊时用于加热和熔化焊条（或焊丝）的热能有：电阻热、电弧热和化学反应热。在使用大电流密度焊接时，由于电阻热过大，焊芯和药皮的温升过高，将引起许多不良的后果。如飞溅增加，药皮开裂或脱落，药皮丧失冶金作用，焊缝成形变坏，甚至产生气孔等缺陷用不锈钢焊条焊接时，这种现象更为突出因此，手工电弧焊时，应严格限制焊芯和药皮的加热温度。2.焊条金属的平均熔化速度

12、 ： 在单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为焊条金属的平均熔化速度。试验表明，在正常的焊接工艺参数范围内，焊条金属的平均熔化速度与焊接电流成正比。在焊接过程中并非所有熔化的焊条金属都进入了熔池形成焊缝，而是有一部分损失。通常把单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量叫平均熔敷速度。在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为损失系数。熔敷系数是真正反映焊接生产率的指标。3.焊条金属熔滴及其过渡特性： 在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴。（l）熔滴过渡的形式 ： 用药皮焊条焊接时，主要有三种过渡形式：短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。

13、短路过渡的过程是：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭同时在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃如此重复这一过程，形成稳定的短路过渡过程。颗粒状过渡过程是；当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，然后在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路，接着进行下一个过渡周期。附壁过渡是指熔滴沿着焊条端部的药皮套简壁向熔池过渡的形式。 溶滴的过渡形式、尺寸和过渡频率取决于药皮的成分与厚度、焊芯直径、焊接电流和极性等因素。一般讲，碱性焊条在较大的焊接电流范围内主要是短路过渡和大颗粒状过渡。用酸性焊条焊接时为细颗粒状过渡和附壁过渡。（

14、2）熔滴的比表面积和相互作用时间： 焊接时金属与熔渣和气体的相互作用属于高温多相反应，因此熔滴的比表面积和它与周围介质相互作用的时间，对熔滴阶段的冶金反应有很大的影响。熔滴越细其比表面积越大。因此，凡是能使熔滴变细的因素，如增大焊接电流或在药皮中加入表面活性物质等，都能使熔滴的比表面积增大，从而有利于加强冶金反应。（3）熔滴的温度： 熔滴的温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时不可缺少的重要参数。试验表明，熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，随焊丝直径的增加而降低。最后应指出，药皮熔化后形成的熔渣也向熔池过渡，有两种过渡形式：一是以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池；二是直接

15、从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。当药皮厚度大时才会出现第二种过渡形式。（二）熔池的形成： 熔焊时，在热源的作用下焊条熔化的同时被焊金属也发生局部熔化。母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池。如焊接时不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。1.熔池的形状和尺寸： 熔池的形成需要一定的时间，这段时间叫作过渡时期。经过过渡时期以后就进入准稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决子母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。熔池的宽度和深度是沿 X 轴连续变化的在一般情况下，随着电流的增加熔池的最大宽度 B 减小，而最大深度 H 增大；随着电

16、弧电压的增加，B 增大，H 减小。熔池的上表面积取决于焊接方法和焊接工艺参数，比熔滴的比表面积小。2.熔池的质量和存在时间： 溶池在液态存在的最大时间取决于溶池的长度 L 和焊速 v。熔池中各种物化反应的时间是短暂的，然而比熔滴阶段长。3.熔池的温度： 在熔池内的温度分布是不均匀的，在熔池的前部，输入的热量大于散失的热量，所以随热源的移动，母材不断熔化。处于电弧下面的熔池表而（熔池中部）温度最高。熔池后部的温度逐渐下降，因为此处输入的热量小于散失的热量，所以不断发生金属的凝固。熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。4.熔池中流体的运动状态： 熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的运动，正是这种运动使得熔池中的热量和质量的传输过程得以进行。熔化的母材由熔池前部沿结晶前沿的弯曲表面向熔池的后部运动。而在熔池的表面上，液态金属由熔池的后部向中心运动。研究表明，焊接工艺参数、焊接材料的成分、电极直径及其倾斜角度、馈电位置等都对熔池中的运动状态有很大的影响。熔池的作用：熔池中液态金属的强烈适