1、2023-1-5材料成形原理-焊接1History Review2023-1-5材料成形原理-焊接2 公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散公元前，已出现焊接工艺，铸焊、扩散钎焊（秦始皇陵铜车马等）。钎焊（秦始皇陵铜车马等）。19世纪，现代焊接技术得以发展（世纪，现代焊接技术得以发展（C弧、弧、金属弧、电阻热）。金属弧、电阻热）。20世纪，金属电弧用于金属结构生产，世纪，金属电弧用于金属结构生产，发明厚药皮焊条。发明厚药皮焊条。2023-1-5材料成形原理-焊接5l1921年，第一艘全焊远洋船；年，第一艘全焊远洋船；l30年代，大规模制造焊接结构；年代，大规模制造焊接结构；l60年代，焊接结构空前
2、普及；年代，焊接结构空前普及；l中国：中国：上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；上海金茂大厦；葛洲坝船闸闸门；三峡水电站船闸闸门；三峡工程三峡水电站船闸闸门；三峡工程水轮机转子；九江长江大桥、芜水轮机转子；九江长江大桥、芜湖长江大桥等。湖长江大桥等。2023-1-5材料成形原理-焊接62023-1-5材料成形原理-焊接72023-1-5材料成形原理-焊接82023-1-5材料成形原理-焊接91、焊接（、焊接（welding)的实质的实质 借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实借助加热或加压，或者同时实施加热和加压以实现材料之间的原子结合。现材料之间的原子结合。加热：电弧加热：电弧 电弧焊电弧焊
3、等离子焊等离子焊 化学热化学热 氧乙炔焊氧乙炔焊 电子束电子束 电子束焊电子束焊 光束（包括激光束）光束焊光束（包括激光束）光束焊 激光焊激光焊 加压：冷焊加压：冷焊 加压加压/加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、加热：锻焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊爆炸焊2023-1-5材料成形原理-焊接10从冶金角度从冶金角度 液相焊接：基材和填充材料熔化液相互液相焊接：基材和填充材料熔化液相互溶材料间原子结合。溶材料间原子结合。固相焊接：压力使连接表面紧密接触固相焊接：压力使连接表面紧密接触表面之间充分扩散实现原子结合。表面之间充分扩散实现原子结合。固液相焊接：待接表面不接触，通过固液相焊接：待
4、接表面不接触，通过两者之间的毛细间隙中的液相金属在固液界两者之间的毛细间隙中的液相金属在固液界面扩散，实现原子结合。面扩散，实现原子结合。（钎焊）（钎焊）2023-1-5材料成形原理-焊接11 （1）熔化焊）熔化焊 (fusion welding)（2）固态焊）固态焊 (solid state welding)/压力焊压力焊 （3）钎焊）钎焊 (brazing,soldering)2023-1-5材料成形原理-焊接122023-1-5材料成形原理-焊接13焊接接头焊接接头 焊接热过程焊接热过程 +焊接化学冶金焊接化学冶金 +焊接物理冶金焊接物理冶金2023-1-5材料成形原理-焊接14焊接热过
5、程焊接热过程焊接加热的特点焊接加热的特点：热作用集中性热作用集中性(局部熔化局部熔化)、热作热作用的瞬时性用的瞬时性(热源移动热源移动)温度场、热循环温度场、热循环焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学冶金反应。冶金反应。焊接物理冶金过程焊接物理冶金过程凝固结晶、固态相变凝固结晶、固态相变2023-1-5材料成形原理-焊接152023-1-5材料成形原理-焊接162023-1-5材料成形原理-焊接17 熔化焊的本质熔化焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝，在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝，金属熔化和结晶
6、的冶金过程。金属熔化和结晶的冶金过程。焊接接头（焊接接头（welded joint）的组成：）的组成：母材（母材（base metal）热影响区（热影响区（heat affect zone）熔合线（熔合线（bond line）焊缝（焊缝（weld）熔化焊的冶金特点：熔化焊的冶金特点：1）反应区的温度高于一般的冶炼温度）反应区的温度高于一般的冶炼温度 2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短 3）冶金条件差）冶金条件差2023-1-5材料成形原理-焊接182023-1-5材料成形原理-焊接192023-1-5材料成形原理-焊接202023-1-5材料
7、成形原理-焊接21焊丝母材熔池焊道导电嘴 保护气体溶滴电弧2023-1-5材料成形原理-焊接221、焊接熔池的凝固、焊接熔池的凝固(1)焊接熔池的特征：焊接熔池的特征：1）熔池的体积小）熔池的体积小 熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸(30cm3,100g)2023-1-5材料成形原理-焊接232）熔池的温度高）熔池的温度高 1770100 钢锭钢锭:1550:1550 3）液体金属处于运动状态）液体金属处于运动状态 熔池处于液态时间只有几秒到几十秒熔池处于液态时间只有几秒到几十秒,各种力各种力:电弧力、电磁力、熔滴，表面张力电弧力、电磁力、熔滴，表面张力 强烈的搅拌和对流运动强烈的搅拌和对流运
8、动4）熔池界面的导热条件好）熔池界面的导热条件好 母材导热2023-1-5材料成形原理-焊接242023-1-5材料成形原理-焊接25熔池中的金属是强烈运动着的：熔池中的金属是强烈运动着的：1）热源产生的机械力的搅拌作用（如熔滴落下）热源产生的机械力的搅拌作用（如熔滴落下的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离子的轰的冲击力、电弧气流的吹力；电磁力、离子的轰击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；击力以及熔池金属蒸发所产生的反作用力等）；2）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生）温差引起的表面张力的变化，强迫金属发生对流；对流；3）温差引起的液态金属密度变化造成的对流；）温差引起的液态金属密度
9、变化造成的对流；熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔熔池中的化学冶金反应以及生成的气泡和熔 渣的上浮；渣的上浮；2023-1-5材料成形原理-焊接26有利作用：有利作用：l1）使母材和焊条金属的成分充分混合，）使母材和焊条金属的成分充分混合，帮助形成成分和组织均匀的焊缝；帮助形成成分和组织均匀的焊缝；l2）加速了金属和气体及熔渣的反应速度，）加速了金属和气体及熔渣的反应速度，l有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出；有利于有害气体和非金属夹杂物的逸出；l3）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；）避免焊接缺陷的产生，提高焊接质量；l熔合线部位的问题熔合线部位的问题2023-1-5材料成形原理-焊接2
10、71）联生结晶）联生结晶 （交互结晶、外延结（交互结晶、外延结晶）晶）2023-1-5材料成形原理-焊接28 2)焊缝凝固焊缝凝固:择优生长择优生长2023-1-5材料成形原理-焊接29柱状晶指向焊缝中心柱状晶指向焊缝中心2023-1-5材料成形原理-焊接302023-1-5材料成形原理-焊接312023-1-5材料成形原理-焊接32晶粒成长的平均线速度是变化的晶粒成长的平均线速度是变化的:cos=0,=90,Vc=0,说明在熔合区上晶粒开始说明在熔合区上晶粒开始成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，成长的瞬间，成长的方向垂直于熔合区，晶粒成晶粒成长的平均线速度等于零。长的平均线速度等于零。co
11、s=1,=0,Vc=Vw,说明晶粒成长到接触说明晶粒成长到接触X轴轴时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度。时，晶粒成长的平均线速度等于焊接速度。焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有焊接工艺参数对晶粒成长方向和平均线速度均有影响影响 当焊接速度大时，角越大，晶粒主轴的成长当焊接速度大时，角越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度小方向越垂直于焊缝的中心线；相反，当焊接速度小时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。时，则晶粒主轴的成长方向越弯曲。2023-1-5材料成形原理-焊接33l平均成长速度与焊接速度有关平均成长速度与焊接速度有关;l柱状晶的最大成长速度不可能超过焊速柱状
12、晶的最大成长速度不可能超过焊速;l焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的。焊接熔池的实际凝固过程并不是连续的。柱状晶成长速度的变化并不是十分有规律，柱状晶成长速度的变化并不是十分有规律，有不规则的波动现象。有不规则的波动现象。l焊缝凝固速度快焊缝凝固速度快2023-1-5材料成形原理-焊接34柱状晶柱状晶+少量等轴晶少量等轴晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶柱状晶内：平面晶、胞状晶、树枝状晶等轴晶内：树枝晶等轴晶内：树枝晶与熔池凝固过程密切相关。与熔池凝固过程密切相关。浓度梯度、成分过冷浓度梯度、成分过冷2023-1-5材料成形原理-焊接35结晶形态主要决定于合金中的溶质的浓度结晶形态主要决定于
13、合金中的溶质的浓度C0、结晶速度、结晶速度R和液相中温度梯度和液相中温度梯度G的综的综合作用。其关系如图所示。合作用。其关系如图所示。G/R1/2平面晶胞状晶胞状树枝晶树枝晶等轴晶C0 2023-1-5材料成形原理-焊接36焊缝凝固特点焊缝凝固特点焊缝组织焊缝组织2023-1-5材料成形原理-焊接372023-1-5材料成形原理-焊接38（1）低碳钢焊缝金属的室温组织）低碳钢焊缝金属的室温组织 a、先共析铁素体、先共析铁素体 b、针状铁素体、针状铁素体 c、珠光体珠光体（2）低合金钢焊缝金属的显微组织）低合金钢焊缝金属的显微组织 a、先共析铁素体、先共析铁素体 b、针状铁素体、针状铁素体 c、
14、珠光体珠光体 d、马氏体、马氏体 f、贝氏体、贝氏体2023-1-5材料成形原理-焊接39（1）焊缝合金化与变质处理）焊缝合金化与变质处理（2）工艺措施（振动结晶、焊后热处理）工艺措施（振动结晶、焊后热处理）2023-1-5材料成形原理-焊接40 焊缝组织的强焊缝组织的强韧性韧性 熔合区的特性熔合区的特性 同种钢的熔合区同种钢的熔合区2023-1-5材料成形原理-焊接411、焊接热循环、焊接热循环(weld thermal cycle)焊接热循环：焊接热循环：焊接加热过程中，焊缝金属附近某焊接加热过程中，焊缝金属附近某点的温度由低到高，再由高到低的过程。点的温度由低到高，再由高到低的过程。由加
15、热速度由加热速度Vh，最高温度，最高温度m，相变以上高温停留，相变以上高温停留时间时间th，冷却速度，冷却速度VC或冷却时间或冷却时间tc四个参数组成。四个参数组成。2、焊接热影响区的组织转变特点、焊接热影响区的组织转变特点 焊接热循环的特点焊接热循环的特点 （1）加热温度高）加热温度高 （2）加热速度快）加热速度快 （3）高温停留时间短（）高温停留时间短（4）局部加热）局部加热 焊接加热过程中奥氏体化的特点焊接加热过程中奥氏体化的特点2023-1-5材料成形原理-焊接421、焊接热循环的意义、焊接热循环的意义 焊件上某一点焊件上某一点P的温度随时间的变化过程叫作焊接的温度随时间的变化过程叫作
16、焊接热循环热循环。2023-1-5材料成形原理-焊接432023-1-5材料成形原理-焊接44预热温度T0的影响2023-1-5材料成形原理-焊接452023-1-5材料成形原理-焊接462、焊接热循环的主要特征参数、焊接热循环的主要特征参数q 加热速度加热速度 H q 峰值温度峰值温度Tpq 高温（相变温度）停留时间高温（相变温度）停留时间tHq 某一温度某一温度Tc瞬时冷却速度瞬时冷却速度 C（800-500）q 某一温度区间的冷却时间某一温度区间的冷却时间tA2023-1-5材料成形原理-焊接47在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织成份性能变化的在焊接热源作用下，焊缝两侧发生组织成份性能变
17、化的区域叫区域叫“热影响区热影响区”.又叫又叫“近缝区近缝区”。2023-1-5材料成形原理-焊接48焊接热影响焊接热影响(Heat-Affected Zone,简简称称HAZ)材料因受焊接材料因受焊接热影响（但未熔化）热影响（但未熔化）而发生金相组织和而发生金相组织和力学性能变化的区力学性能变化的区域。域。2023-1-5材料成形原理-焊接49(1)由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速由于金属的相变需要一段孕育扩散时间，在快速加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因加热和冷却条件下，这一孕育过程来不及完成，因而相变点将发生较大变化，出现较大的而相变点将发生较大变化，出现较大的“过热
18、度过热度”及及“过冷度过冷度”(Ac1、Ac3升高，升高，Ar1、Ar2降低降低)，另外，另外，转变组织的均质化程度也进行得很不充分；转变组织的均质化程度也进行得很不充分；(2)由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大由于近缝区温度很高，所以高温下晶粒长大 比较比较严重；严重；(3)由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大。由于冷却速度快，热影响区的淬火倾向将增大。2023-1-5材料成形原理-焊接503、焊接热影响区的组织与性能变化、焊接热影响区的组织与性能变化 低碳钢和不易淬火钢低碳钢和不易淬火钢（1）熔合区）熔合区（2）过热区（）过热区（1100以上）以上）（3）相变重结晶区（正火区）（）
19、相变重结晶区（正火区）（8501100）（4）不完全重结晶区）不完全重结晶区(部分相变区部分相变区)（700850)易淬火钢易淬火钢（1）完全淬火区）完全淬火区（2）不完全淬火区）不完全淬火区）HAZ的性能变化的性能变化 HAZ的硬化的硬化 HAZ的软化的软化2023-1-5材料成形原理-焊接511.熔合区熔合区2.过热区过热区3.正火区正火区4.不完全重结晶区不完全重结晶区5.母材母材6.淬火区淬火区7.部分淬火区部分淬火区8.软化区软化区2023-1-5材料成形原理-焊接522023-1-5材料成形原理-焊接53母材2262023-1-5材料成形原理-焊接54过热区2262023-1-5材料成形原理-焊接55正火区2262023-1-5材料成形原理-焊接56不完全重结晶区（不完全正火区）2262023-1-5材料成形原理-焊接572023-1-5材料成形原理-焊接582023-1-5材料成形原理-焊接592023-1-5材料成形原理-焊接602023-1-5材料成形原理-焊接61
