焊接冶金学基本原理
焊接冶金学(基本原理)
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）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。
焊接冶金原理知识点总结
焊接冶金原理知识点总结一、焊接的概念和分类1. 焊接的概念焊接是利用热或压力，或两者的联合作用，在接头表面形成一层永久性连接的材料，使毗邻金属连接，在一定程度上具有熔融结合或压力结合作用，从而使接头处的材料成为一个整体的金属连接工艺。
2. 焊接的分类（1）按焊接方式分类：手工焊、气体保护焊、电弧焊、搅拌摩擦焊、激光焊等；（2）按焊接材料分类：金属焊接、非金属焊接、金属与非金属焊接等；（3）按焊接方法分类：熔化焊接和压力焊接；（4）按焊接环境分类：气氛焊、真空焊等。
二、熔化焊接的冶金原理1. 熔化焊接的工艺熔化焊接是利用焊条、焊丝或焊粉，在熔化的金属表面形成永久连接的工艺。
通常分为气焊、电弧焊、氩弧焊和激光焊等。
2. 熔化焊接的冶金原理（1）熔化焊接中金属熔池的形成：熔化焊接时，焊接热能使金属焊件熔化，产生熔池；（2）熔化焊接中金属熔池的流动：在熔池形成后，金属熔池受到表面张力的影响，会形成流动；（3）熔化焊接中金属熔池的凝固：熔化焊接过程中，金属熔池冷却，从而形成焊缝。
三、压力焊接的冶金原理1. 压力焊接的工艺压力焊接是在金属材料表面施加压力，使得其表面产生剪切位移，从而实现永久连接的工艺。
2. 压力焊接的冶金原理（1）压力焊接中金属材料的塑性变形：在压力作用下，金属材料表面发生塑性变形；（2）压力焊接中金属材料的分子力作用：在压力作用下，金属材料表面分子间产生相互吸引，并使得金属材料形成永久连接；（3）压力焊接中金属材料的冷却：压力焊接过程中，金属材料冷却，并形成焊缝。
四、焊接质量控制1. 焊接质量的检测方法（1）焊缝外观检查：检查焊缝表面是否有裂纹、气孔、夹渣等缺陷；（2）X射线检测：用X射线透射技术检查焊接接头内部是否有气孔、夹渣、非金属夹杂等；（3）超声波探伤：利用超声波穿透焊缝进行波阵面扫描，检测焊缝内部是否有夹杂、裂纹等；（4）磁粉探伤：在焊缝表面施加可磁化的粉末，然后利用磁粉检测设备检测焊缝是否有裂纹等。
《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第四章
4.1.2 熔池结晶的一般规律
试验研究证明,θ角的大小(图4-2)取决于新相晶核与现成表面之间的表
面张力。如果新相晶核与液相中原有现成表面固体粒子的晶体结构越相似,
也就是点阵类型与晶格常数相似,则两者之间的表面张力越小,θ角也越小,那
么形成非自发晶核的能量也越小。 在焊接条件下,熔池中存在两种现成表面:一种是合金元素或杂质的悬浮
熔池金属的结晶与一般金属的结晶基本一样,同样也是形核和晶核长大的过程。 由于熔池凝固的特点,使得熔池结晶过程有着自身的规律。
1.熔池中晶核的形成 由金属学理论可知,生成晶核的热力学条件是过冷度而造成的自由能降低,进行 结晶过程的动力学条件是自由能降低的程度。这两个条件在焊接过程中都是具备 的。 根据结晶理论,晶核有两种:自发晶核和非自发晶核。但在液相中无论形成自发 晶核或非自发晶核都需要消耗一定的能量。在液相中形成自发晶核所需的能量EK 为
式中 σ——新相与液相间的表面张力系数; ΔFv——单位体积内液-固两相自由能之差。
研究表明,在焊接熔池结晶中,非自发晶核起了主要作用。在液相金属中有非自 发晶核存在时,可以降低形成临界晶核所需的能量,使结晶易于进行。
在液相中形成非自发晶核所需的能量E'K为
4.1.2 熔池结晶的一般规律
式中 θ——非自发晶核的浸润角(见图4-2)。 由式(4-3)可见,当θ=0°时,EK=0,说明液相中有大量的悬浮质点和某些现成表面。 当θ=180°时,E'K=EK,说明液相中只存在自发晶核,不存在非自发晶核的现成表面。 由此可见,当θ=0°~180°时,E'K/EK=0~1,这就是说在液相中有现成表面存在时,将会 降低形成临界晶核所需的能量。
工业上用的金属大多是合金,即使是纯金属,也不是理论上的那么纯。合 金的结晶温度与成分有关,先结晶与后结晶的固液相成分也不相同,造成固-液 界面一定区域的成分起伏。因此合金凝固时,除了由于实际温度造成的过冷 之外(温度过冷),还存在由于固-液界面处成分起伏而造成的成分过冷。所以 合金结晶时不必需要很大的过冷就可出现树枝状晶,而且随着不同的过冷度, 晶体成长会出现不同的结晶形态。
焊接冶金学(基本原理)习题
焊接冶金学（基本原理）习题绪论1.试述焊接、钎焊和粘接在本质上有何区别？2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？3.能实现焊接的能源大致哪几种？它们各自的特点是什么？4.焊接电弧加热区的特点及其热分布？5.焊接接头的形成及其经历的过程，它们对焊接质量有何影响？6.试述提高焊缝金属强韧性的途径？7.什么是焊接，其物理本质是什么？8.焊接冶金研究的内容有哪些第一章焊接化学冶金1.焊接化学冶金与炼钢相比，在原材料方面和反应条件方面主要有哪些不同？2.调控焊缝化学成分有哪两种手段？它们怎样影响焊缝化学成分？3.焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？4为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它的正常溶解度？5.氮对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？6.手弧焊时，氢通过哪些途径向液态铁中溶解？写出溶解反应及规律？7.氢对焊接质量有哪些影响？8既然随着碱度的增加水蒸气在熔渣中的溶解度增大，为什么在低氢型焊条熔敷金属中的含氢量反而比酸性焊条少？9. 综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响。
10.今欲制造超低氢焊条（[H]<1cm3/100g）,问设计药皮配方时应采取什么措施？11. 氧对焊接质量有哪些影响？应采取什么措施减少焊缝含氧量？12.保护焊焊接低合金钢时，应采用什么焊丝？为什么？13.在焊接过程中熔渣起哪些作用？设计焊条、焊剂时应主要调控熔渣的哪些物化性质？为什么？14.测得熔渣的化学成分为：CaO41.94%、28.34%、23.76%、FeO5.78%、7.23%、3.57%、MnO3.74%、4.25%，计算熔渣的碱度和，并判断该渣的酸碱性。
15.已知在碱性渣和酸性渣中各含有15%的FeO，熔池的平均温度为1700℃，问在该温度下平衡时分配到熔池中的FeO量各为多少？为什么在两种情况下分配到熔池中的FeO量不同？为什么焊缝中实际含FeO量远小于平衡时的含量？16.既然熔渣的碱度越高，其中的自由氧越多，为什么碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条焊缝含氧量低？17.为什么焊接高铝钢时，即使焊条药皮中不含，只是由于用水玻璃作粘结剂，焊缝还会严重增硅？18. 综合分析熔渣中的CaF2在焊接化学冶金过程是所起的作用。
《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第七章
附近;第二类是与液态薄膜无关的热裂纹,对应图7-2中的Ⅱ区,位于奥氏体
再结晶温度TR附近。
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
(1)结晶裂纹 产生在焊缝中,是在结晶过程中形成的。结晶裂纹主要 产生在单相奥氏体钢、镍基合金、铝合金,以及含杂质较多的碳钢和低合 金钢中。
(2)高温液化裂纹 产生在近缝区或多层焊的层间,是由于母材含有较 多的低熔点共晶,在焊接热源的高温作用下晶间被重新熔化,在拉应力作用 下沿奥氏体晶界发生的开裂现象。图7-4所示为因科镍合金大刚度拘束试 板根部产生的高温液化裂纹
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
(3)多边化裂纹 产生在焊缝或热影响区,是当温度降到固相线稍下的 高温区形成的。它是由于在较高的温度和一定的应力条件下,晶格缺陷(位 错和空位)迁移和聚集,形成二次边界,即所谓“多边化边界”。
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
图7-2 形成焊接热裂纹的“脆 性温度区间”示意图
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
图7-2所示为温度对延性影响的示意图,可见存在延性最低的温度区间, 这个温度区间即为易于促使产生焊接热裂纹的所谓“脆性温度区间”。由 图7-2可见,有两个延性较低的温度区间,与此相对应,可以见到两类焊接热
焊接冶金学基本原理
目录
7.1 焊接裂纹的危害及分类 7.2 焊接热裂纹 7.3 焊接冷裂纹 7.4 再热裂纹
目录
7.5 层状撕裂 7.6 应力腐蚀裂纹 7.7 焊接裂纹诊断的一般方法
引言
焊接裂纹是在焊接应力及其他致脆因素的共同作用下,材料的原子结合 遭到破坏,形成新界面而产生的缝隙。焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比 大的特征。近年来随着机械、能源、交通、石油化工等工业部门的发展, 各种焊接结构也日趋大型化、高参数化,有的焊接结构还需要在高温、深 冷以及强腐蚀介质等恶劣环境下工作。各种低合金高强度钢,以及低温、 耐热、耐蚀、抗氢等专用钢得到广泛应用。焊接裂纹正是这些焊接结构生 产中经常遇到的一种危害最严重的焊接缺欠,常发生于焊缝和热影响区。 焊接裂纹直接影响焊接部件及焊接结构的质量与安全性,甚至能造成灾难 性事故。因此,控制焊接裂纹就成了焊接技术中急需解决的首要课题。
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绪论1)焊接：焊接是指被焊工件的材质（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间的结合而形成永久性连接的工艺过程。
2)焊接、钎焊和粘焊本质上的区别:焊接：母材与焊接材料均熔化，且二者之间形成共同的晶粒；钎焊：只有钎料熔化，而母材不熔化，在连接处一般不易形成共同晶粒，只有在母材和钎料之间形成有相互原子渗透的机械结合；粘焊：既没有原子的相互渗透而形成共同的晶粒也没有原子间的扩散，只是靠粘接剂与母材的粘接作用。
3)熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电子束、激光束、化学热。
压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、高频感应热。
4)焊接加热区可分为活性斑点区和加热斑点区5）焊接温度场：焊接时焊件上的某瞬时的温度分布称为焊接温度场。
6）稳定温度场：当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之7）准稳定温度场：恒定功率的热源作用在焊件上做匀速直线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可随着热源以同样速度移动。
8）焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程。
第一章1）平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。
平均熔敷速度：单位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔敷速度。
损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属(或焊丝)质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。
熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。
熔滴的比表面积:表面积与质量之比2）熔滴过渡的形式：短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。
3）熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分就是熔池。
4）焊接过程中对金属的保护的必要性：（1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中氧和氮的含量。
（2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的化学成分。
（3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。
5）手工电弧焊时的反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。
《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第二章
熔渣
埋弧焊、电渣焊、不含造气成分的焊条和药芯焊丝焊接
气体
熔渣和气体 真空 自保护
气焊、在惰性气体和其他保护气体(如CO2、混合气体)中焊接
具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接 真空电子束焊接 用含有脱氧、脱氮剂的所谓自保护焊丝焊接
表2-2 熔焊方法的保护方式
2.1.1 焊接过程中对金属的保护
各种保护方式的保护效果是不同的。例如,埋弧焊是利用焊剂及其熔化 以后形成的熔渣隔离空气保护金属的,焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度 和结构。多孔性的浮石状焊剂比玻璃状的焊剂具有更大的表面积,吸附的 空气更多,因此保护效果较差。试验表明,焊剂的粒度越大,其松装密度(单位 体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮量越高,说明保护效果 越差(见表2-3)。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。因为当熔池 中有大量气体析出时,如果松装密度过大,则透气性过小,将阻碍气体外逸,促 使焊缝中形成气孔,使焊缝表面出现压坑等缺欠,所以焊剂应当有适当的透 气性。埋弧焊时焊缝的含氮量一般为0.002%~0.007%(质量分数),比焊条 电弧焊的保护效果好。
180
20~40
伸长率(%)
25~30
5~10 冲击吸收能量/J 117.6 3.92~19.6
表2-1 低碳钢无保护焊时焊缝的性能 2.保护的方式和效果
事实上,大多数熔焊方法都是基于加强保护的思路发展和完善起来的。迄 今为止,已找到许多保护材料(如焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯、保护 气体等)和保护手段(见表2-2)。
550 800 1000 1200
3800 3000 2500 2000
0.0094 0.0043 0.0022 0.0022
表2-3 中锰高硅低氟焊剂(HJ331)的松装密度与焊缝含氮量的关系
焊接冶金学基本原理
焊接冶金学基本原理1.第一章1、氮对焊接质量的影响?(1).有害杂质(2).促使产生气孔(3).促使焊缝金属时效脆化。
影响焊缝含氮量的因素及控制措施? 1）、机械保护2)、焊接工艺参数（采用短弧焊;增加焊接电流; 直流正接高于交流，高于直流反接（焊缝含N量）; 增加焊丝直径;N%，多层焊>单层焊;N%，小直径焊条>大直径焊条3)合金元素( 增加含碳量可降低焊缝含氮量;Ti、Al、Zr和稀土元素对氮有较大亲和力2.、氢对焊接质量的影响?1）.氢气孔2)、白点3)、氢脆4)、组织变化和显微斑点5)、产生冷裂纹控制氢的措施?1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分3)、冶金处理4)、调整焊接规范5)、焊后脱氢处理3、氧对焊接质量的影响?1）、机械性能下降；化学性能变差2）、产生CO气孔,合金元素烧损3）、工艺性能变差应采取什么措施减小焊缝含氧量?1)纯化焊接材料2)控制焊接工艺参数3)脱氧4.CO2保护焊焊接低合金钢时，应采用什么焊丝，为什么？答：采用高锰高硅焊丝，原因:(1)Mn,Si被烧损;(2)Mn，Si联合脱氧。
5.既然熔渣的碱度越高，其中的自由氧越多，为什么碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条焊缝含氧量低？答：L=(FeO)/[FeO] T↑L↓，焊接温度下L>1同样温度下，FeO在碱性渣中比酸性渣中更容易向金属中分配在熔渣含FeO量相同的情况下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣时多。
然而碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低碱性焊条药皮的氧化势小的缘故6为什么焊接高铝钢时，即使焊条中不含SiO2，只是由于水玻璃作粘结剂焊缝还会严重增硅？1)焊接电弧的弧定性(稳弧性) 2)表面成型3)在各种位置焊接适应性4)脱渣性5)飞溅6)焊条的熔化速度7)药皮发红问题8)焊条发尘量2,低氢型焊条为什么对铁锈、油污、水份很敏感？同样温度下，FeO在碱性渣中比酸性渣中更容易向金属中分配在熔渣含FeO量相同的情况下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣时多碱性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，FeO 活度大，易向金属中扩散，使焊缝增氧➢第三章1.试述氢气孔和CO气孔的形成原因，特征以及防止措施：答: 氢气孔形成原因:高温时氢在熔池和熔滴金属中的溶解度急剧下降，特别是液态转为固态时，氢的溶解度发生突变，可从32ml/100g下降至10ml/100g。
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焊接冶金学基本原理
引言：
焊接冶金学是研究焊接过程中金属材料的物理和化学变化的学科。
它涉及到金属的熔化、凝固、晶体生长和相变等过程。
本文将介绍焊接冶金学的基本原理，包括焊接过程中的热力学、动力学和金相学等方面。
一、热力学原理
焊接过程中的热力学原理是理解焊接过程中金属材料的熔化和凝固行为的基础。
焊接过程中，金属材料受到加热而达到熔点，然后在熔融状态下进行熔化和混合。
热力学原理研究了焊接过程中的相变行为，包括熔化、凝固和晶体生长等过程。
通过控制焊接过程中的温度和冷却速率，可以影响焊缝的组织和性能。
二、动力学原理
焊接过程中的动力学原理研究了焊接过程中金属材料的相变速率和晶体生长行为。
焊接过程中，金属材料经历了熔化、凝固和晶体生长等过程。
动力学原理研究了这些过程中的相变速率和晶体生长速率，以及它们与焊接参数（如焊接速度、焊接电流等）的关系。
通过控制焊接参数，可以调节焊缝的组织和性能。
三、金相学原理
焊接过程中的金相学原理研究了焊接过程中金属材料的组织和相变
行为。
金相学是研究金属材料的组织和结构的学科，通过显微镜观察和分析焊接接头的金相组织，可以了解焊接过程中的相变行为和组织演变规律。
金相学原理对于评估焊接接头的质量和性能具有重要意义。
结论：
焊接冶金学的基本原理包括热力学、动力学和金相学等方面。
热力学原理研究了焊接过程中的相变行为，动力学原理研究了相变速率和晶体生长行为，金相学原理研究了焊接接头的组织和相变行为。
通过深入理解焊接冶金学的基本原理，可以优化焊接过程，提高焊接接头的质量和性能。
参考文献：
[1] Smith W F. Principles of Materials Science and Engineering[M]. McGraw-Hill, 2006.
[2] Kou S. Welding Metallurgy[M]. Wiley, 2003.。