焊接冶金学 第0章 绪论

0.1.1焊接的本质和途径

途径    通过加热或加压或二者并用

本质    微观上达到原子间的结合

结果    宏观上形成永久性的链接

0.1.2 实现焊接的途径

当原子间距离为 r_A 时原子间的结合力最大，当间距大于或小于 r_A 时，原子结合力显著降低。

从本质上讲，只要使被焊材料的表面距离接近 r_A ，就能实现原子间结合，达到焊接目的。

实际上

• 材料表面凹凸不平
• 存在氧化膜、油污等吸附层

0.1.3 焊接接头

起链接作用的区域叫做焊接接头。

1）焊缝    由融化的被焊材料和填加材料经凝固后所形成的区域，如果未采用填加材料，焊缝将完全由经理过熔化和凝固的母材所形成；无论是否采用填加材料，焊缝的组织和性能都不同于母材。

2）热影响区  焊接接头中未发生熔化但受到焊接热影响而使组织和性能都发生变化的区域。

• 热影响    温度超过一定值以后给母材带来的微观组织和性能的变化
• 影响范围    要超过一定的温度且组织和性能发生改变且未熔化的区域

3）熔合区（熔合线或半熔化区）介于焊缝和热影响区之间的，由部分熔化母材和未熔化母材所组成的相当狭窄的过渡区。

• 薄弱区    熔合区化学成分、微观组织和力学性能极不均匀，是焊接接头容易出现问题的部位。

0.1.4焊接接头及其形成过程

• 焊接热过程    焊接热过程是焊接中所涉及的左右其他过程产生和发展的前提，包括加热过程和冷却过程。
• 固液状态演变过程    主要发生在焊缝部位，该部位的母材经历了由固态到液态、再由液态到固态的演变过程。
• 焊接化学冶金过程    焊接化学冶金过程主要发生在与焊缝相对应的焊接区域中，是金属、熔渣、和气相在较高温度下发生的冶金反应过程，主要涉及氧化、还原、渗氧、除氧、脱硫、脱磷以及合金化等，直接影响到焊缝的成分组织和性能。
• 固态相变过程    对于有同素异构转变的材料而言，焊接过程中会发生固态相变。相变过程既可能发生在热影响区，也可能发生在焊缝。（相变因被焊材料与填加材料成分、热影响区中各点所经受的焊接热作用不同，组织转变也会不同）

形成过程控制    上述四种过程并不孤立，他们相互联系、共同发生和发展。整个接头形成过程中，还会出现偏析、夹杂、气孔、裂纹及脆化等焊接缺陷，因此控制焊接接头形成过程是保证焊接质量的关键。

0.1.5焊接方法的种类和特点

1）熔焊    熔焊是指通过加热母材使母材局部熔化来实现焊接的方法，主要分为以下四种：

• 气焊    气焊是利用可燃气体燃烧所释放的化学热来实现焊接的方法，常用的燃气是乙炔，故气焊又称为氧乙炔焊接。
• 电弧焊    电弧焊是以气体介质放电所产生的电弧作为热源的焊接方法，可细分为焊条电弧焊、埋弧焊、气保焊等。
• 高能束流焊    高能束流焊是以电子束或激光束与被焊材料局部表面相互作用而产生的热能作为热源的焊接方法。
• 电渣焊    电渣焊是以熔渣作为导电介质，利用电流通过熔渣产生的电阻热作为热源的焊接方法。

对母材热输入越低，对工件的损害约小，焊接质量越高，焊接效率和熔深也更高。

0.1.6焊接方法的应用

材料		推荐的焊接方法
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	≤3	√		√	√	√	√		√	√
	3-6	√		√	√	√	√		√	√
	6-19	√		√	√	√			√	√
	≥19	√	√	√	√	√			√
低合金钢	≤3	√		√	√	√	√		√	√
	3-6			√	√	√	√		√	√
	6-19			√	√	√			√	√
	≥19		√	√	√	√			√
不锈钢	≤3	√		√	√	√	√	√	√	√
	3-6			√	√	√	√	√	√	√
	6-19			√	√	√		√	√	√
	≥19		√	√	√	√			√
铝合金	≤3	√				√	√	√	√	√
	3-6					√	√		√	√
	6-19					√	√		√
	≥19					√			√
镍合金	≤3	√		√		√	√	√	√	√
	3-6			√	√	√	√	√	√	√
	6-19			√	√	√		√	√	√
	≥19		√	√		√			√

 

• 熔化极气体保护焊适用于各种材料和各种厚度
• 钨极气体保护焊适合于薄板的焊接
• 电渣焊只适用于厚板的焊接

 0.1.7焊接温度场和焊接热循环

焊接温度场    焊接过程中某瞬时工件上各点的分布，并用等温线或等温面的分布来表示。

等温线或面    某瞬时工件上温度相同的各点连接在一起的线或面，各等温线不能相交。

温度场描述

T = f(x,y,z,t)             

• T          工件上某点的瞬时温度
• xyz      工件上该点的空间坐标
• t           时间

1）准稳定温度场     采用坐标原点与热源中心重合的移动坐标系，工件上各点温度只取决于空间坐标系，与热源移动无关

2） 恒定功率的热源作用在工件的固定位置或等速移动时，经过一段时间后工件上就会形成等温线或等温面形状尺寸不变的准稳定温度场

3）焊接热循环    焊接过程中，工件上某点的温度随着时间由低到高、升至最大值后又由高到低的变化过程。

4）热循环曲线    描述工件上某点温度随时间变化关系的曲线。

不同焊接热源或焊接方法的热循环曲线不同

不同位置经历的热循环也不同

热循环参数   

• 加热速度    v_H    加热速度描述的温度上升快慢程度的参量。随加热时间而变化，一般情况下表示为一定温度范围的平均值。对于有相变的材料，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。
• 峰值温度     T_m     峰值温度也是最高温度，是热循环曲线上最高点对应的温度，在工件上，不同部位具有不同的峰值温度。 焊缝部位的峰值温度高于液相线温度，热影响区低于固相线温度，热影响区中，峰值温度越高，晶粒长大倾向越严重。
• 高温停留时间    t_H     一般指在某一较高温度以上的停留时间，在研究相变材料的焊接循环问题中，一般将相变温度定义为参考温度，高温停留时间也就变成了相变温度以上的停留时间。热循环曲线上，高温停留时间由加热过程停留时间和冷却过程停留时间组成，对于热影响区，高温停留时间长有利于均质化，但会造成晶粒长大倾向。
• 冷却速度    v_c  （生产中没有那么方便）或  冷却时间    t_c    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。不同冷却阶段有不同的冷却速度，常用一定温度范围内的平均冷速或者冷却至某一温度时的瞬时冷速。冷却时间是指由某一特定温度冷却到另一特定温度所经历的时间。如从800℃冷却到500℃的时间称为  t_8/5 ，从800℃冷却到300℃所经历的时间称为   t_8/3，而从峰值温度冷却到100摄氏度所经历的时间称为 t₁₀₀ 。冷却速度或时间对热影响区的组织和性能有显著的影响。控制热影响区的组织和性能就是控制热影响区的冷速和时间。

板厚	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		冷却速度		备注
				加热	冷却	900℃	540℃
1	钨极氩弧焊	840	1700	0.4	1.2	240	60	对接不开坡口
2	钨极氩弧焊	1680	1200	0.6	1.8	120	30	对接不开坡口
3	埋弧焊	3780	700	2.0	5.5	54	12	对接不开坡口 有焊剂垫
5	埋弧焊	7140	400	2.5	7	40	9	对接不开坡口 有焊剂垫
10	埋弧焊	19320	200	4.0	13	22	5	v型坡口对接 有焊剂垫
15	埋弧焊	42000	100	9.0	22	9	2	v型坡口对接 有焊剂垫
25	埋弧焊	105000	60	25.0	75	5	1	v型坡口对接 有焊剂垫

 

 焊接热循环的特点

• 加热速度快     焊接采用能量密度很高的热源，加热集中。其加热速度远高于热处理。
• 峰值温度高     热影响区峰值温度接近母材的熔点。对于低合金钢，一般达到1350℃，而热处理一般不超过A_C3以上200℃。
• 高温停留时间短     钢材焊接时，温度高于A_C3　以上的停留时间很短，一般为数十秒，而热处理时间可以根据需要任意控制。
• 冷却速度快     焊接冷却过程一般都是在自然条件下进行的，冷却速度很快，而热处理时可根据需要来控制冷却速度。
• 加热局部性和移动性     焊接只对工件局部集中加热，热源和加热部位是移动的，热处理一般工件在炉中整体加热。