焊接冶金原理05焊接熔合区1
焊接冶金学基本原理
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.。
熔焊原理第五章
温度区间的塑性大大降低，硫和磷又极易偏析，从而增加了 脆性温度区间范围 ◎碳：增加碳，使S、P在晶界析出，结晶裂纹倾向增大。对 含碳量较高的钢，要严格控制其硫、磷的含量 ◎锰：具有脱硫的作用，能臵换FeS为MnS，提高了焊缝的抗 裂性 ◎硅：少量硅，有利于消除结晶裂纹，含量≥0.4%，易形成 硅酸盐，增加结晶裂纹倾向
焊接冷裂纹
三、冷裂纹的形成机理及影响因素
1、氢的作用
溶解在焊缝中的氢在结晶过程中向热影响区扩散， 当焊缝的冷却速度快，这些氢不能逸出时，就聚集 在离熔合线不远的热影响区中。 当热影响区存在氢便会在这些缺陷处聚集，并由 原子状态转变为分子状态，造成很大的局部应力， 再加上焊接应力和组织应力的共同作用，促使显微 缺陷扩大，从而形成裂纹。 氢的扩撒、聚集、产生应力和裂纹需要一定的时 间，所以裂纹具有延迟的特征。
③调整冷却速度 预热，降低冷却速度，减小结晶裂纹倾向 ④降低接头的刚度和拘束度 在接头设计和调整装焊顺序，减小接头的刚性和 拘束度，使焊缝பைடு நூலகம்自由收缩，减小焊接应力。
焊接热裂纹
（二）液化裂纹 焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下， 在母材近缝区与多层焊的层间金属中，由于 低熔点共晶被加热熔化，在一定收缩应力作 用下沿奥氏体晶界产生的开裂，即为液化裂 纹。 1、形成机理 2、影响因素 3、防止液化裂纹的措施
焊接冷裂纹
五、防止冷裂纹的措施 1、控制母材的化学成分 从设计上应选用抗冷裂性能好的材料进行焊接 一般可用碳当量CE或冷裂纹敏感系数PCM来评价 2、合理选择和使用焊接材料 目的：减少氢和改善焊缝金属的塑性和韧性。 1)焊接淬硬倾向大的钢材，选用碱性焊条 2)防潮、按要求烘干、清理 3)选用低匹配的焊条，选用强度级别略低的焊条 4)选用奥氏体焊条 5)添加提高焊缝金属韧性的合金元素。
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第一章：冶金连接：借助物理冶金或化学冶金的方法，通过材料间的熔合、物质迁移和塑形变形等而形成的材料在原子间距水平上的连接。
焊接与连接技术按连接机理分为：熔化焊（通过母材和填充材料的熔化、融和实现材料冶金的一类方法）、固相焊（在一定的热、力耦合作用下，材料在固态下借助界面物质迁移或塑形变形实现冶金连接的一类方法）、钎焊（利用低熔点液态金属或合金对母材的润湿和毛细添缝而实现材料冶金连接的一类方法）。
焊接化学冶金：熔化焊过程中焊接高温区内物质之间的相互作用。
熔化焊的物理冶金：包括焊接过程中从焊接区到母材热影响区内的所有物理变化过程。
焊接过程中，低含量成分元素往往受控于焊接的化学冶金过程；在熔化焊中，在焊缝成分确定的条件下，焊接接头的组织结构及完整性和性能表象上取决于焊接方法及焊接工艺，实质上受控于焊接的物理冶金过程。
焊接冶金原理的研究内容：焊接冶金原理研究探讨金属材料在熔化焊条件下的冶金普遍原理——行为、规律和机理，是制定合理的焊接规范、优化焊接工艺、提高焊接接头性能、研究探索先进的焊接技术的理论基础。
第二章熔化焊：焊接过程中采用合适的热源讲需要连接的补位加热至熔化状态并且混合，在随后的冷却过程中熔化部位凝固，使彼此相互分离的工件形成牢固连接的一种焊接方法。
焊接是一种非常复杂的热过程，具有集中性，运动性，瞬时性和复合性四个方面。
当一系列热源共同作用时，热传播过程中的温度就可以看作为每一热源单独作用时温度总和，被称为叠加原理。
焊接温度场主要可以通过解析法，有限差分法和有限单元法三种方法计算。
焊接工件内各个点上的温度的集合称为焊接温度场。
温度场通常是空间坐标（x,y,z）和时间变量的函数，即T=(x,y,z,t)。
不随时间而变的温度场称为稳态温度场，然而，熔化焊热过程重要的特征是在焊件形成时变或准稳定的焊接温度场。
对焊接热源的要求是：热源高度集中，快速实现焊接过程，保证得到高质量焊缝和最小的热影响区。
焊接热源分为：集中热源：就是把焊接电弧的热能看作集中作用在某一点（点热源）、某条线（线热源）、某个面（面热源）。
实验3焊接冶金学焊接接头组织金相分析
实验3焊接接头组织金相分析、实验目的三、实验原理焊接过程中，焊接接头各部分经历了不同热循环，因而所得组织各异。
组织的不同, 导致机械性能的变化。
对焊接接头进行金相分析，是对接头机械性能鉴定的不可缺少的 环节。
焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成，焊缝金属的结晶形态与焊接热影响 区的组织变化，不仅与焊接热循环有关，也和所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。
1、焊缝的交互结晶1、 观察与分析焊缝的各种典型结晶形态。
2、 掌握低碳钢焊接接头各区域的组织变化。
、实验装置及实验材料1、 粗细金相砂纸，从180目一 1200目2、 平板玻璃3、 低碳钢焊接接头试片4、 金相显微镜5、 抛光机6、 电吹风机7、 4%硝酸酒精溶液，无水乙醇、脱脂棉 等8、 典型金相照片（或幻灯照片）一套 一块 一个 若干 图1焊缝金属的交互结晶示意图 （一）焊缝凝固时的结晶形态e/vT图2 C 。
、 R 和G 对结晶形态的影响熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的焊接。
联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征，图1 为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。
由图可见，焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒，即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。
这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。
当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长，有的晶体由于取向不利于成长，晶粒的成长会被遏止。
这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶。
2 、焊缝的结晶形态根据浓度过冷的结晶理论，合金的结晶形态与溶质的浓度C O、结晶速度（或晶粒长大速度）R和温度梯度G有关。
图2为C O、R和G对结晶形态的影响。
由图2可见，当结晶速度R和温度梯度G不变时，随着金属中溶质浓度的提高，浓度过冷增加，从而使金属的结晶形态由平面晶变为胞状晶，胞状树枝晶，树枝状晶及等轴晶。
当合金成分一定时，结晶速度越快，浓度过冷越大，结晶形态由平面晶发展到胞状晶、树枝状晶，最后为等轴晶。
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。
金属熔焊原理 第四章 熔合区和焊接热影响区
920
980 1000 1120
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45 60 70
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180
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熔焊原理
２）加热速度对Ａ均质化影响 A均质化过程属于扩散过程，而焊接加 热速度快、相变以上停留时间短，都不利 于扩散,因而匀质化程度差。 ３）近缝区的晶粒长大 在焊接条件下,近缝区由于强烈过热使 晶粒发生严重长大,影响焊接接头塑性、韧 性, 产生热裂纹,冷裂纹。
工电弧焊约为4～20s，埋弧焊时30～l00s)
④ 自然冷却 （个别情况下进行焊后保温缓冷）
⑤ 局部加热
熔焊原理
2.焊接加热时热影响区的组织转变特点
１）加热速度对相变点的影响
焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温 度比起等温转变时大有提高。当钢中含有较多 的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb 等)时，这一影响更为明显。
熔焊原理
焊接接头的熔合区
图4-2 熔合区晶粒熔化情况
熔焊原理
• 焊接熔合区的主要特征是存在着严重的化 学不均匀性和物理不均匀性，这是成为焊 接接头中的薄弱地带的主要原因。
图4-3 固液界面溶质浓度的分布 图4-4 上行数据的条件：E=11.76kJ/cm 下行数据的条件：E=23.94kJ/cm
对45钢来说，TA提高使钢中的C全部溶入奥氏体， 组织很均匀且明显粗化，从而使A分解时的成核 率降低，孕育期加长，所以曲线右移。 而在40Cr钢中，由于含有碳化物形成元素Cr， 在快速加热高温停留时间短时，碳化铬来不及 分解仍保留在A中。这样使奥氏体中溶解的碳化 铬减少，而使其稳定性下降，同时保留下来的 碳化铬质点还可成为新相得晶核，提高了A的分 解时的成核率，其结果是缩短了孕育期，CCT 图曲线左移。
第三章焊接过程中的冶金反应原理PPT课件
合金元素含量wMe /% 氮在二元系铁合金中的溶解度（1600℃）
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三、氧化性气体对金属的氧化
主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的氧化。
1、金属氧化还原方向的判据 2、氧化性气体对金属的氧化
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1、金属氧化还原方向的判据
在由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采 用金属氧化物的分解压 Po2作为金属是否被氧化的判据。
（2）氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料 等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或 氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和 材料表面的油污等也是氢的重要来源。 限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质 和油污。
35
✓ 限制气体的来源
（3） 氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较 高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧 含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体， 采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。
5.92 62.72 31.36
31.36 ×10-2
P’O2 [FeO]max /×101.325kPa
3.81 ×10-9
1.08 ×10-7
1.35 ×10-6
5.3 ×10-5
－
－
－
纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压 { Po2 }
随温度升高，气相中氧分压增大，氧化性增加。
温度高于铁的熔点以后， {Po2}远大于P'o2 高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂29。
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✓ H2O对金属的氧化
H2O 气与 Fe 的反应式为： H2O气＋[ Fe ] ＝ [ FeO ] ＋ H2
焊接冶金原理05焊接熔合区2
5.1 熔合区的特征 5.2 非对流混合区4 部分熔化区
5.4.1 部分熔化区的特征 在某些材料过程的焊接过程中，在接近熔合线附近的母材可能发生部 分熔化，形成部分熔化区（或半熔化区）。
填充4145焊丝的熔化极气体保护焊接6061 铝合金形成的部分熔化区组织形貌
2219铝合金部分熔化区晶界液相凝固模式
5.4.3部分熔化区对接头性能的影响
1、液化裂纹
部分熔化区中的液化裂纹 a) 电弧AA4043铝合金，b) 激光焊接IN738LC镍基高温合金
2、强度与韧性损伤
部分熔化区的液化成份在凝固 过程中会发生严重的偏析，导 致弱化的部分熔化区组织是由 软的贫溶质相与脆而硬的共晶 相相互毗邻而组成的混合组织。 在拉伸载荷的作用下，贫溶质 相由于固溶强化水平的降低， 在很小的变形抗力下发生屈服， 而共晶相则发生了严重的脆性 断裂
晶界偏析示意图，a)组织示意图，b)在 图a)中沿线段AB的溶质浓度分布
熔化极气体保护焊焊接2219、2024、6061及7075铝合金时，焊缝中 能够观察到合金元素的严重晶界偏析
2219铝合金焊缝部分熔化区的晶界偏析， (a)显微照片，(b)浓度分布
4、晶界凝固模式
一般情况下，沿着共晶晶界生长的带状α相主要是平面凝固模式生长， 而非树枝凝固或者包晶凝固模式。但是在某些条件下，包状晶凝固 也时有发生。这些胞状α带具有两个共同特点：一是通常位于接近熔 池的底部；二是他们明显比临近的平面状α带更厚。
垂直于轧制方向上2219铝合金熔化极气体保护焊抗拉测 试结果
实例：对于碳钢、低合金钢附近的温度梯度约为300~80℃/mm，固/液 相线的温度差约为40℃。部分熔化区的宽度为：
A 40 0.133 ~ 0.50(mm) 300 ~ 80
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➢ 在适当的氧化环境中，当焊缝金属比基体金属惰性能大时，非 对流混合区是焊接接头中腐蚀速度最快的区域；
➢ 为了使超级不锈钢在腐蚀环境中应用，一般会在其中加入6%的 Mo以提高其抗点蚀的能力。但是，由于偏析的影响将导致在非 对流混合区极端贫钼，非对流混合区的耐腐蚀性急剧下降；
5.1.2熔合区的特性
1、化学成分不均匀性
➢ 在异种材料或同种材料填充材料不同于母材时，强烈的扩散形成既 不同于母材也不同于焊缝成分过渡区；
➢ 同种金属焊接甚至自熔焊，基于固液界面理论也会出现化学成分的不 均匀。
ws w0 1 (k 1) exp(kRd / D)
式中 ws —固-液界面处溶质在固相中的质量分数； w0 —溶质在合金材料中的初始质量分数； d—固-液界面到开始结晶位置的距离； R—液相的结晶速度（即凝固速度） k —溶质在固-液相中的分配系数； D —溶质的扩散系数
4、力学不均匀性 在焊接熔合区，其力学不均匀性主要表现在硬度分布不均匀并具有较 高的残余应力。这种力学不均匀性导致了熔合区的力学性能可能要弱 于母材或者焊缝，是焊接接头的薄弱环节之一。 熔合区与焊缝及热 影响区的热膨胀系 数、屈服强度和弹 性模量不同导致较 大的残余应力。
奥氏体/铁素体接头熔合区硬度分布
填充Ni基合金焊丝焊接碳钢与奥氏体 不锈钢焊缝中碳钢侧熔合区的马氏体
5.1.1熔合区的结构
➢ 非对流混合区是接近熔合线处熔化但未充分与填充材料混合的母材金属； ➢ 部分熔化区是接近熔合线处母材金属晶粒边界（或晶粒内部）发生不同
程度熔化的区域，在焊接过程中属固/液混合区； ➢ 熔合线为焊接接头横截面上焊缝和母材金属的分界线，即熔化焊时，未
5.2 非对流混合区
5.2.1 非对流混合区的形貌特征 在异种金属熔化焊接过程中，常常在熔池的边界出现与母材成分大体相 同而与熔池金属成分不同的熔化过渡区，被称为“非对流混合区”。
填充310不锈钢焊接304L不锈钢的非 对流混合区域
非对流混合区的边界并不是光滑的曲线，实际上存在着非对流混合区的 金属向焊缝内部楔入的现象，呈半岛状
边界层的厚度：
X
1
5.20Re 2
0 Re 5105
X X
Re
其中 为流体的密度，kg/m3;
为流体动态粘度，Pa.s;
为运动粘度，m2/s；
X 为到固/液界面的距离，m；
是到固/液界面一定距离后的均匀流速，m/s。
5.2.3非对流混合区的控制措施
3、晶体缺陷不均匀性
近缝区或半熔化区在不平衡加热时，还会出现空位和位错的聚集或重 新分布，即所谓晶体缺陷不均匀性。 ➢ 空位的形成及分布对金属断裂强度有重大影响，由于空位的高度可
动性，常常可能成为焊接接头形成延迟裂纹的根源。 ➢ 焊接时的高温加热可促使熔合区形成空位，因为原子的热振动加强，
有利于激发原子离开静态平衡位置，而削弱原子的键合力。一般情 况下，空位的平衡浓度与温度成比例。接头冷却过程中，空位的平 衡浓度显然要下降，在不平衡冷却时，空位必处于过饱和状态，超 过平衡浓度的空位则要向高温部位发生运动，而熔合区本身就易于 形成较多空位。 ➢ 在焊接过程中，熔合区的塑性形变也促使形成空位。在温度不太高 时，塑性形变量越大，越易于形成空位；而且空位往往趋向于应力 集中部位扩散运动。因此，熔合区的高温特性与较大的变形量导致 其附近将是空位密度最大的部位。这种空位的聚合可能是熔合区延 迟断裂的原因之一。
➢ 304不锈钢与310不锈钢采用312型填充材料焊接时，在非对流混 合区还有较强的应力与母材的匹配对非对流混合区的影响[14] a）316焊丝与316LN不锈钢母材，b）316焊丝与800合金母材 c）镍182焊丝与316LN不锈钢母材
2、外加震动场
外加超声场对未混区的影响[16] a）未加超声场，b）添加超声场
非对流混合区半岛状形貌a)与成分 分布b)
5.2.2非对流混合区的形成机理
非对流混合区形成示意图
实际上，利用流体力学中流动边界层的理论可以很好的解释非对流 混合区的行为。流动边界层，是指贴近固壁附近的一部分流动区域， 在这部分区域中，沿着固壁面切向速度由固壁处的0速度发展到接近 来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。
熔化的母材金属晶粒上的边缘连线。
典型的焊接接头结构示意图
➢ 焊缝区和熔合区有时会发生部分交叠，即焊缝区由对流混合区和 非对流混合区组成。
➢ 在焊接过程中，如果填充焊接材料与母材成分不同，溶质原子在 化学位梯度的作用下，对流混合区与非对流混合区还会出现扩散 混合的现象。
➢ 对于一个具体的焊接接头的熔合区，其三个组成结构有时并不是 同时存在的。特别是部分熔化区，主要取决于固相线与液相线的 宽度。熔合区具体由哪几种结构组成主要依赖于母材的化学成分、 填充材料的成分、焊接工艺条件以及焊缝方法等等。
第5章 焊接熔合区
5.1 熔合区的特征 5.2 非对流混合区 5.3 熔合线 5.4部分熔化区
5.1 熔合区的特征
熔合区是焊缝与热影响区之间的过渡区域。熔合区既是成分、 组织与性能等极不均匀的区域，有可能是应力集中的区域。
熔合区常见问题： 液化裂纹、氢致裂纹、偏析和强度韧性损伤等
填充奥氏体不锈钢焊丝的碳钢焊接熔 合区处的层状偏析现象
熔合区中硫的分布
2、组织不均匀性
成分不均匀性在一定程度上决定了组织不均匀性，焊接工艺与焊接方法 也会对熔合区的组织不均匀性产生一定的影响。 ➢ 非对流混合区过渡成分有可能导致其在凝固后形成的组织可能既不
同于母材组织也不同于焊缝组织，甚至可能出现一些不希望得到的 有害组织。如在异种钢焊接过程中可能会形成一个马氏体层，有时 还会形成铁素体带和富奥氏体带等等。 ➢ 在部分熔化区，有时会发生严重的晶界液化。液化的晶界在凝固过 程中可能会发生严重的偏析，甚至会在晶界形成近共晶组织，导致 晶界发生严重的脆化。例如，在2219铝合金焊接过程中的部分熔化 区的晶界经常会出现共晶组织，在铸铁焊接过程中在部分熔化区经 常会观察到白口铁组织。