焊接冶金課件

1、焊接冶金與焊接性緒 論1、焊接的本質(zhì)和途徑2、焊接接頭及其形成過程3、焊接方法的種類和特點(diǎn)4、焊接溫度場和焊接熱循環(huán)5、本課程的教學(xué)目的和內(nèi)容1、焊接的本質(zhì)和途徑 焊接是通過加熱或加壓或者兩者并用，并且用或不用填充材料，使被焊材料形成永久連接的一種工藝。焊接的本質(zhì)是使焊件達(dá)到原子間的結(jié)合。焊件可以是金屬材料，也可以是非金屬材料，如塑料、陶瓷等。原子間的作用力與距離的關(guān)系2、焊接接頭及其形成過程焊接接頭 指被焊材料經(jīng)焊接之后發(fā)生組織和性能發(fā)生變化的區(qū)域。由焊縫、融合區(qū)和熱影響區(qū)構(gòu)成。焊縫:一般由熔化的被焊材料和添加材料經(jīng)凝固 后形成的，組織和性能均不同于母材。融合區(qū)：是焊縫與熱影響區(qū)的分界線。熱

2、影響區(qū)：母材組織和性能發(fā)生變化，但未熔化。 焊接接頭的形成過程1、焊接熱過程2、固液狀態(tài)演變過程3、焊接化學(xué)冶金過程4、固態(tài)相變過程3、焊接方法的種類和特點(diǎn)焊接分類：熔焊：氣焊、電弧焊、高能束流焊 、電渣焊壓焊：電阻焊、摩擦焊、爆炸焊、超聲波焊、擴(kuò)散焊釬焊氣 焊 利用氣體燃燒的火焰作為熱源的焊接方法。乙炔 (C2H2)是最常用的可燃?xì)怏w。氧和乙炔燃燒的化學(xué)過程是 ：2C2H2+5O24CO+2H2+3O2+熱量4CO2+2H2O+熱量。氧乙炔火焰生成的氫和二氧化碳對(duì)熔化金屬有一定的保護(hù)作用。氣焊設(shè)備簡單、操作靈活方便，火焰易于控制，不需要電源。所以氣焊主要用于焊接厚度小于3mm以下的低碳鋼薄板

3、，銅、鋁等有色金屬及其合金，以及鑄鐵的焊補(bǔ)等。此外，也適用于沒有電源的野外作業(yè)。氣焊火焰的溫度低，熱量分散，加熱速度緩慢，故生產(chǎn)率低，工件變形嚴(yán)重，焊接的熱影響區(qū)大，焊接接頭質(zhì)量不高。 氣焊火焰 中性焰 氧化焰 碳化焰中性焰：如圖所示，氧氣和乙炔的體積混合比為1.11.2時(shí)燃燒所形成的火焰稱為中性焰，又稱為正常焰。它由焰心、內(nèi)焰和外焰三部分構(gòu)成。中性焰在距離焰心前面14mm處溫度最高，可達(dá)3150。中性焰適用于焊接低碳鋼、中碳鋼、普通低合金鋼、不銹鋼、紫銅、鋁及鋁合金等金屬材料。碳化焰：如圖所示，碳化焰是指氧和乙炔的體積混合比小于1.1時(shí)燃燒形成的火焰。由于氧氣較少，燃燒不完全，過量的乙炔分解

4、為碳和氫，其中碳會(huì)滲到熔池中造成焊縫增碳。碳化焰比中性焰的火焰長，也由焰心、內(nèi)焰和外焰構(gòu)成，其明顯特征是內(nèi)焰呈乳白色。碳化焰最高溫度為27003000。碳化焰適于焊接高碳鋼、鑄鐵和硬質(zhì)合金等材料。氧化焰：如圖所示氧和乙炔的體積混合比大于1.2時(shí)燃燒所形成的火焰稱為氧化焰。氧化焰比中性焰短，分為焰心和外焰兩部分。由于火焰中有過量的氧，故對(duì)熔池金屬有強(qiáng)烈的氧化作用，一般氣焊時(shí)不宜采用。只有在氣焊黃銅、鍍鋅鐵板時(shí)才采用輕微氧化焰，以利用其氧化性，在熔池表面形成一層氧化物薄膜，減少低沸點(diǎn)的鋅的蒸發(fā)。氧化焰的最高溫度為31003300。電 弧 焊 電弧的實(shí)質(zhì)是電極與工件之間的氣體介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈持久的放電現(xiàn)

5、象，是氣體放電的一種特殊形式。 電弧放電過程是將電能轉(zhuǎn)換成熱能，伴有強(qiáng)烈的弧光。（1） 焊條電弧焊1 基本原理 用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊法。 手工電弧焊有以下特點(diǎn)：（1）操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)。適用于各種鋼種、各種厚度、各種位置和各種結(jié)構(gòu)的焊接。特別是對(duì)不規(guī)則的焊縫、短焊縫、仰焊縫、高空和位置狹窄的焊縫，均能操作自如。（2）焊接質(zhì)量好。因電弧溫度高，焊接速度較快，熱影響區(qū)小，焊接接頭的機(jī)械性能較為理想。（3）易于分散應(yīng)力和控制變形。采用手工電弧焊，可以通過工藝調(diào)整，來減少變形和改善應(yīng)力分布。（4）設(shè)備簡單，使用維護(hù)方便。（5）由于手工操作，生產(chǎn)效率低，焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度也比較大。（6）焊接質(zhì)量不

6、穩(wěn)定。手工電弧焊的焊接質(zhì)量，與焊工的技能有關(guān)，這是手工電弧焊的最大缺點(diǎn)。 當(dāng)今生產(chǎn)效率較高的機(jī)械化焊接方法之一，又稱焊劑層下自動(dòng)電弧焊。 電弧在焊劑下燃燒進(jìn)行焊接的方法，它是利用電氣及機(jī)械裝置控制送絲和移動(dòng)電弧的一種焊接方法。（2）埋 弧 自 動(dòng) 焊埋弧自動(dòng)焊的特點(diǎn)和應(yīng)用1）生產(chǎn)率高2）焊縫質(zhì)量好3）成本低4）勞動(dòng)條件好5）適應(yīng)性差6）對(duì)焊前準(zhǔn)備要求嚴(yán)7）焊接設(shè)備較復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)一次投資較大 （3）熔化極氣體保護(hù)焊 利用連續(xù)送進(jìn)的焊絲與焊件之間燃燒的電孤作熱源，由焊炬噴嘴噴出的氣體保護(hù)電弧來進(jìn)行焊接。 常用的保護(hù)氣體有氬氣、氦氣、二氧化碳?xì)饣蜻@些氣體的混合氣。 以氬氣或氦氣為保護(hù)氣時(shí)稱為熔化極惰

7、性氣體保護(hù)電弧焊，在國際上簡稱為，MIG焊； 以惰性氣體與氧化性氣體(O2、CO2)混合氣為保護(hù)氣時(shí)、或以CO2氣體或CO2O2混合氣為保護(hù)氣時(shí)，統(tǒng)稱為熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊，在國際上簡稱為MAG焊?；驹?用連續(xù)送進(jìn)的焊絲與被焊工件之間燃燒的電弧作為熱源來熔化焊絲與母材金屬，通過焊槍噴嘴輸送保護(hù)氣體。 熔化極氣體保護(hù)電弧焊的主要優(yōu)點(diǎn)： 方便地進(jìn)行各種位置的焊接 速度較快 熔敷率較高 可適用于大部分主要金屬，包括碳鋼、合金鋼。 熔化極惰性氣體保護(hù)焊適用于焊接不銹鋼、鋁、鎂、銅、鈦、鋯及鎳合金。 MIG： Metal Inert-Gas arc welding MAG：Metal Activ

8、e-Gas arc welding（4） 鎢極氬弧焊 ( TIG ) Tungsten InertGas arc welding 基本原理也稱非熔化極氬弧焊，利用惰性氣體作保護(hù)氣體，電極用難熔金屬（鎢或鎢合金）棒，焊件作為另一個(gè)電極。通過鎢極與焊件之間產(chǎn)生的電弧加熱和熔化焊件及填充金屬，形成焊接接頭。 工藝特點(diǎn)保護(hù)效果好，焊接質(zhì)量高；焊接應(yīng)力變形??；操作方便，適用于空間各種位置焊接電弧穩(wěn)定焊接成本高設(shè)備復(fù)雜對(duì)表面清理要求高 適用于不銹鋼、耐熱鋼及銅、鈦、鋁、鎂等有色金屬的（3mm）薄板焊接或重要構(gòu)件的打底焊用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產(chǎn)生離解，在高速通過水冷噴嘴時(shí)受到壓縮，增大

9、能量密度和離解度，形成等離子弧。它的穩(wěn)定性、發(fā)熱量和溫度都高于一般電弧，因而具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護(hù)氣體一般用氬。根據(jù)各種工件的材料性質(zhì)，也有使用氦或氬氦、氬氫等混合氣體的。等離子弧焊接屬于高質(zhì)量焊接方法。焊縫的深/寬比大，熱影響區(qū)窄，工件變形小，可焊材料種類多。（5）等離子弧焊等離子弧焊接的特點(diǎn)：（1）微束等離子弧焊可以焊接箔材和薄板。（2）具有小孔效應(yīng)，較好實(shí)現(xiàn)單面焊雙面自由成形。 （3）等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強(qiáng)，1012mm厚度鋼材可不開坡口，能一次焊透，雙面成形，焊接速度快，生產(chǎn)率高，應(yīng)力變形小。（4）設(shè)備比較復(fù)雜，氣體耗量大，只宜

10、于室內(nèi)焊接。電子束焊接 電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場的加速下再通過電磁場的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接處工件熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接。 電子束焊接具有不用焊條、不易氧化、工藝重復(fù)性好及熱變形量小的優(yōu)點(diǎn)。電子束焊接特點(diǎn)為: 加熱功率密度大。焊縫熔深熔寬比(即深寬比)大。熔池周圍氣氛純度高。 由于電子束焊是在真空內(nèi)用聚焦高能電子束(10kV)把接頭加熱到熔化溫度的焊接,加熱區(qū)域非常集中,因此只能焊接真空室內(nèi)放得下的小零件。激光束屬于熔融焊接，以激光束為能源，沖擊在焊件接頭上

11、。激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。激光焊可以與電弧焊組成激光電弧復(fù)合焊，實(shí)現(xiàn)大熔深焊接，同時(shí)熱輸入量比電弧焊大為減小。 激 光 束 焊激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）可將輸入熱量降到最低，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。（2）可降低厚板焊接所需時(shí)間可省掉填料金屬。（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。（4）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。（5）可焊材質(zhì)種類范圍大，可焊異質(zhì)材料。（6）不需真空，亦不需做X射線防護(hù)。（7）若以穿孔式焊接，焊道深寬比可達(dá)10:1。激光焊接的主要缺點(diǎn)：（1）焊件

12、位置需非常精確，在激光束的聚焦范圍內(nèi)。（2）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變。（3）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。（4）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。（5）焊道快速凝固，有氣孔及脆化現(xiàn)象。（6）設(shè)備昂貴。 電 渣 焊 利用電流通過熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化，凝固后形成金屬原子間牢固連接。 在開始焊接時(shí)，使焊絲與起焊槽短路起弧，不斷加入少量固體焊劑，利用電弧的熱量使之熔化，形成液態(tài)熔渣，待熔渣達(dá)到一定深度時(shí)，增加焊絲的送進(jìn)速度，并降低電壓，使焊絲插入渣池，電弧熄滅，從而

13、轉(zhuǎn)入電渣焊焊接過程。 它的缺點(diǎn)是輸入的熱量大，接頭在高溫下停留時(shí)間長、焊縫附近容易過熱，焊縫金屬呈粗大結(jié)晶的鑄態(tài)組織，沖擊韌性低，焊件在焊后一般需要進(jìn)行正火和回火熱處理。4、焊接溫度場和焊接熱循環(huán)材料成形技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié) 焊接成形熱過程一 焊接熱過程特點(diǎn)1.焊接熱過程的局部集中性2.焊接熱過程的瞬時(shí)性3.焊接熱源的移動(dòng)性二 焊接過程熱效率熱效率 =Q/QQ:焊接熱源提供的熱量;Q:用于加熱焊件的有效熱量;真正用于焊接的有效功率P為 P= UI P:電弧功率; U:焊接電壓; I:焊接電流；焊接溫度場 所謂焊接溫度場是指在焊接集中熱源的作用下，被焊工件上（包括內(nèi)部）各點(diǎn)在某一瞬時(shí)的溫度分布。一、焊

14、接傳熱形式及熱傳導(dǎo)方程1.焊接傳熱的基本形式 焊接過程主要研究的是焊件溫度變化（相當(dāng)于冷卻為主）因此主要以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)考慮輻射和對(duì)流的作用。2.焊接熱傳導(dǎo)的基本方程 熱總是從物體的高溫部位向低溫部位流動(dòng)，它的流動(dòng)規(guī)律服從傅立葉定律。 根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律，可以導(dǎo)出任一無限大物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程。傅立葉定律： q=dT/dnq電流密度，即沿法線方向單位面積、單 位時(shí)間內(nèi)流過的熱量；熱導(dǎo)率（J/cmsc),表示導(dǎo)熱能力 焊接熱傳導(dǎo)方程 T/t=aT a：熱擴(kuò)散率(cm/s) :拉普拉斯符號(hào)(/x+ /y+ /z) 表示某時(shí)刻，物體上給定點(diǎn)附近溫度分布越不均勻，則該點(diǎn)溫度變化越快。二

15、、焊接溫度場的數(shù)學(xué)表述法及數(shù)學(xué)解析的假定條件 焊接溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 T = f( x, y, z, t ） 式中，T 工件上某一瞬時(shí)某點(diǎn)的溫度 x,y,z 工件上某點(diǎn)的空間坐標(biāo) t 時(shí)間數(shù)學(xué)解析的基本假定： 物理系數(shù)=常數(shù) 初始溫度均勻?yàn)榱?不考慮相變、散熱和結(jié)晶潛熱 焊件幾何尺寸是無限的 熱源作用于焊件形式為點(diǎn)、線和面狀。 根據(jù)焊件的厚度和尺寸形狀，傳熱的方式可以簡化為：1 厚大焊件點(diǎn)狀熱源三維溫度場2 薄板焊件線狀熱源二維溫度場3 細(xì)棒對(duì)接面狀熱源一維溫度場三、瞬時(shí)熱源的傳導(dǎo)過程 假定焊件的初始溫度t=0，利用瞬時(shí)熱源法比較容易求得熱傳導(dǎo)基本方程的特解。其特解為： T(r,t)=r 給

16、定點(diǎn)到熱源點(diǎn)的坐標(biāo)n 與熱源有關(guān)的常數(shù)Q焊件瞬時(shí)獲得的熱能點(diǎn) n=3線 n=2面 n=1四、影響焊接溫度場的因素1 熱源的性質(zhì)（熱源能量的集中性）2 焊接規(guī)范（焊速與能量，即焊接熱輸入） 3 被焊金屬的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率，體積熱容，熱擴(kuò)散率，比焓，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等）4.焊件的板厚及形狀薄板焊接的溫度場分布表面堆焊和丁字接頭形式溫度場分布第三節(jié) 焊接熱循環(huán) 焊接時(shí)焊件在加熱和冷卻過程中溫度隨時(shí)間的變化。即焊件上某點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間由低到高達(dá)到最大值后又由高到低的變化。稱為焊接熱循環(huán)。 一、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)1 加熱速度 H2 峰值溫度 Tmax3 高溫停留時(shí)間 tH4 冷卻速度（或冷卻時(shí)間t8/5

17、;t8/3;t100）二、多層焊接熱循環(huán)1.長段多層焊接熱循環(huán) 長段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層再焊第二層時(shí)，第一層焊縫基本上冷卻到100-200以下2.短段多層焊接熱循環(huán)三、影響焊接熱循環(huán)的因素1.焊件尺寸形狀的影響2.接頭形式的影響3.焊道長度的影響4.預(yù)熱溫度的影響5.焊接線能量的影響6.焊接時(shí)冷卻條件的影響第四節(jié) 凝固成形熱過程一、凝固成形熱過程特點(diǎn)及效率1.凝固成形熱過程特點(diǎn) 凝固成形的基本熱過程包括加熱熔化和冷卻凝固兩個(gè)部分。以沖天爐為例，其熱交換區(qū)可分為預(yù)熱區(qū)、熔化區(qū)、過熱區(qū)和爐缸區(qū)4個(gè)部分。（1）預(yù)熱區(qū)的熱交換特點(diǎn)1）爐氣給熱以對(duì)流方式為主。2）傳遞熱量大3）溫度變化大

18、（2）熔化區(qū)的熱交換特點(diǎn)1）爐氣給熱以對(duì)流傳熱為主。2）呈凹形分布。3）高度波動(dòng)大。（3）過熱區(qū)熱交換的特點(diǎn)1）鐵水的受熱以與焦炭接觸傳導(dǎo)導(dǎo)熱為主。2）傳熱強(qiáng)度大。3）爐氣最高溫度與區(qū)域高度起決定作用。（4）爐缸區(qū)的熱交換特點(diǎn) 與過熱區(qū)相仿2.凝固成形加熱過程熱效率 凝固成形加熱過程的熱效率與冶煉方式、熱源種類及冶煉材料的性能等因素有關(guān)。二、凝固成形熱溫度場 根據(jù)鑄件溫度場隨時(shí)間的變化，能夠預(yù)測鑄件凝固過程中其斷面上各時(shí)刻的凝固區(qū)域大小及變化，凝固前沿向中心推進(jìn)的速度、縮孔和縮松的位置，凝固時(shí)間等重要問題。 四種情況下，鑄件和鑄型的溫度分布特點(diǎn)1.鑄件在絕熱鑄型中凝固溫度分布特點(diǎn)2.以金屬-鑄型界面熱阻為主的金屬型中凝固溫度分布特點(diǎn)3.厚壁金屬型中凝固溫度的分布特點(diǎn)4.水冷金屬型中凝固溫度分布特點(diǎn)第五節(jié) 塑性成形熱過程特點(diǎn)及溫度場一、塑性成形熱過程的基本特點(diǎn) 固體金屬材料的加熱過程，主要是熱源通過對(duì)流和輻射的形式對(duì)金屬加熱，在金屬內(nèi)部主要通過熱傳導(dǎo)的形式傳遞熱量，使金屬材料的溫度逐步均勻化。1.金屬材料的熱擴(kuò)散率是溫度的函數(shù) 材料的熱擴(kuò)散性好，即表明