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1、焊接冶金与焊接性主编：刘会杰20921-1a第1章 焊接材料的组成及作用第2章 焊接化学冶金第3章 焊接接头的组织和性能第4章 焊接缺陷及其控制第5章 焊接性及其试验方法第6章 低合金高强度钢的焊接第7章 不锈钢及耐热钢的焊接第8章 有色金属的焊接20921-1a第1章 焊接材料的组成及作用1.1 焊条1.2 焊丝1.3 焊剂20921-1a1. 焊接的本质和途径(1) 焊接的概念及内涵 按照国际焊接学会的定义，焊接是指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。 (2) 实现焊接的途径 从焊接的本质来看，被焊材料必须达到原子间的结合，这是由原子间的相互作用
2、力与其距离的关系决定的。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20921-1a2. 焊接接头及其形成过程(1) 焊接接头的组成 从本质上讲，焊接接头是指被焊材料经焊接之后发生组织和性能变化的区域。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) 焊缝。20921-1a2. 焊接接头及其形成过程2) 热影响区。3) 熔合区。(2) 焊接接头的形成过程 根据以上描述已知，焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成，其组织和性能在焊接前后发生了变化。图0-3 焊接接头形成过程描述图 T温度 t时间 初始温度 相变温度 固相线温度 液相线温度 峰值温度20
3、921-1a2. 焊接接头及其形成过程1)焊接热过程。2)固-液状态演变过程。3)焊接化学冶金过程。4)固态相变过程。20921-1a3. 焊接方法的种类和特点(1) 熔焊方法的种类 从焊接热源的本质上来看，熔焊方法可分为气焊、电弧焊、高能束流焊及电渣焊等类别，并可进一步细分为多种焊接方法。 1) 气焊。2) 电弧焊。3) 高能束流焊。4) 电渣焊。20921-1a3. 焊接方法的种类和特点表0-1 各种焊接方法的热源特性焊接方法最小加热面积 /c最大能量密度 /（W/c）正常焊接时的温 度 /K气焊氧乙炔焊1213400电渣焊112300电弧焊焊条电弧焊116000埋弧焊1216400钨极氩
4、弧焊11518000熔化极气体保护 焊111等离子弧焊11511800024000高能束流焊电子束焊111激光束焊11120921-1a3. 焊接方法的种类和特点图0-4 不同焊接方法对工 件的热输入及其影响20921-1a3. 焊接方法的种类和特点(2) 熔焊方法的特点 不同的焊接方法由于具有不同的热源特性，因而具有不同的焊接特点。 1) 气焊。2) 焊条电弧焊。3) 埋弧焊。4) 熔化极气体保护焊。5) 钨极气体保护焊。6) 等离子弧焊。7) 电子束焊。8) 激光束焊。20921-1a3. 焊接方法的种类和特点9) 电渣焊。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环(1) 焊接温度场1)
5、 焊接温度场的概念及表征。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环表0-2 与典型材料种类和厚度相对应的推荐焊接方法材料焊接方法种类厚度 /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 束焊碳钢33661919低合 金钢3366191920921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环表0-2 与典型材料种类和厚度相对应的推荐焊接方法不锈 钢33661919铝合 金3366191920921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环表0-2 与典型材料种类和厚度相对应的推荐焊接方法镍合 金3366191920921-1a4. 焊接温度场和焊
6、接热循环图0-5 两种恒定功率热源的准稳定温度场 a)固定热源 b)移动热源2) 焊接温度场的类型20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 按温度变化情况划分的温度场。按温度变化情况，可将焊接温度场分为稳定温度场、非稳定温度场和准稳定温度场。工件上各点温度不随时间而变化的温度场为稳定温度场；工件上各点温度随时间而变化的温度场为非稳定温度场；工件上各点温度虽然开始一段时间内发生变化，但经过一段时间之后，各点温度不再变化，等温线或等温面形状和尺寸不变，从而形成暂时稳定的温度场，这样的温度场为准稳定温度场。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 按焊接传热类型划分的温度场。按焊接传热类型，
7、可将焊接温度场分为三维温度场、二维温度场和一维温度场 ，如图0-6所示。具体属于哪种类型，主要取决于工件的尺寸和热源的性质。图0-6 按传热类型划分的焊接温度场 a)三维 b)二维 c)一维20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环图0-7 焊接参数对温度场特征的影响 a)焊速v的影响 b)功率q的影响 c)q与v等比例变化的影响 =0.42W/(cm)， c=4.83J/(c )， a=0.08c /s， =10mm20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环3) 焊接温度场的影响因素。 热源的特性。当采用不同的焊接方法时，如气焊、电弧焊和高能束流焊等，由于它们的热源特性不同，因而所形成的
8、焊接温度场也具有不同的特征。能量高度集中的电子束焊和激光束焊，可形成范围很小的温度场；而气焊的热源作用面积很大，因此温度场的范围很大；能量密度居中的电弧焊，其温度场范围介于高能束流焊与气焊之间。 焊接参数。即使采用同样的焊接热源，但由于焊接参数不同，焊接温度场的特征也有所不同。图0-7给出了焊接参数对10mm厚低碳钢试件焊接温度场的影响。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 母材的热物理性质。母材的热物理性质包括比热容c、体积比热容c、表面传热系数、热导率和热扩散率a等，其中对温度场有显著影响的是热导率和热扩散率a。图0-8 母材热物理性质对温度场特征的影响 (q=4.19kJ/s，
9、v=2mm/s， =10mm， =0)20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环表0-3 不同材料的热物理常数名称符号单位焊接条件下选取的平均值低碳钢不锈钢铝铜热导率W/(cm)03780 50401680 336265378比热容cJ/(g)0650 760420 5010045体积比热 容cJ/(c)4835 463364 2263399热扩散率ac/s0070 100050 07100095表面传热 系数J/(cms)(06337 8)120921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 工件的形态。工件的几何形状和尺寸、接头的类型以及所处的环境都影响焊接传热过程，因而也就影响温度场的特征。
10、正如在焊接温度场的类型中所介绍的那样，对于厚大工件、薄板和细棒状工件焊接时，将分别形成三维、 二维和一维温度场(参见图0-6)。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20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环(2) 焊接热循环1) 焊接热循环的概念。图0-10 不同位置的点所经历的焊接热循环20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环2) 焊接热循环的主要参数。图0-11 焊接热循环参数20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 加热速度vH。加热速度是描述工件温度上升快慢程度的参量。在焊接过程中，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
11、况下表示为一定温度范围内的平均值。对于有相变的材料来讲，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。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 峰值温度Tm。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。在焊接工件上，不同部位具有不同的峰值温度。一般来讲，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。峰值温度越高，晶粒长大倾向越严重。单就热影响区而言，与 焊缝距离不同的点也具有不同的峰值温度(参见图0-10)，因而在热影响区形成不均匀的组织和性能。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 高温停留时间tH。高温停留时间一
12、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，将相变温度定为参考温度，这样高温停留时间就变成了相变温度以上的停留时间。在热循环曲线上，高温停 留时间tH由加热过程的停留时间tH1和冷却过程的停留时间tH2组成，即tH=tH1+tH2(参见图0-11)。对热影响区来讲，高温停留时间长有利于均质化，但会造成晶粒长大倾向。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 冷却速度vc或冷却时间t8/5、t8/3、t100。冷却速度是描述工件温度降低快慢程度的参量。在焊接过程中，冷却速度就是热循环曲线下降段的斜率。由于不同的冷却阶段具有不同的冷却速度，因而常常采用一定温度范围内
13、的平均冷 却速度或者冷却至某一温度时的瞬时冷却速度(参见图0-11)。例如，对于低合金钢的焊接来讲，常选用熔合区附近冷 却到540左右时的瞬时冷却速度。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环表0-4 单层电弧焊低合金钢时热影响区的热循环参数板厚 /mm焊接方 法热输入 /(J/cm)900时 的 加热速 度 /(/s)900以上的 停留时间/s冷却速度 /(/s)备注加热冷却9005401钨极氩 弧焊8401700041224060不开坡 口对接2钨极氩 弧焊16801200061812030不开坡 口对接3埋弧焊378070020555412不开坡 口对接 ，有焊 剂垫20921-1a
14、4. 焊接温度场和焊接热循环表0-4 单层电弧焊低合金钢时热影响区的热循环参数5埋弧焊7140400257409不开坡 口对接 ，有焊 剂垫10埋弧焊193202004013225V形坡 口对接 ，有焊 剂垫15埋弧焊42000100902292V形坡 口对接 ，有焊 剂垫20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环表0-4 单层电弧焊低合金钢时热影响区的热循环参数25埋弧焊105000602507551V形坡 口对接 ，有焊 剂垫20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环3) 焊接热循环的特点。 加热速度快。焊接采用的是能量密度很高的热源，加热集中。其加热速度往往高于热处理几十倍，甚至几百
15、倍。 峰值温度高。在焊接情况下，熔合区附近的热影响区的峰值温度接近母材的熔点。对于低碳钢和低合金钢来讲 ，一般都在1350左右，而热处理时的加热温度一般不超过相变点Ac3以上200。20921-1a4. 焊接温度场和焊接热循环 高温停留时间短。钢材焊接时，温度高于相变点Ac3以上的停留时间很短，如焊条电弧焊为420s，埋弧焊为30100s，而热处理时可以根据需要任意控制保温时间。 冷却速度快。焊接时的冷却过程一般都是在自然条件下连续进行的，冷却速度快，只有个别情况才进行焊后保温，而热处理时可根据需要来控制冷却速度或在冷却过程的不同阶段进行保温。 加热的局部性和移动性。焊接时只对工件进行局部集中加热，并且热源和被加热的部位是移动的，而热处理时工件是在炉中整体加热的。20921-1a5. 本课程的教学目的和内容(1) 教学目的 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。 (2) 教学内容 本课程的教学内容分为上下两篇。20921-1a1.1.1 焊条的组成及作用1. 焊芯2. 药皮20921-1
