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1、材料焊接冶金原理与工艺,第1章 绪 论,1.1 材料焊接与连接 1.2 金属材料的熔化焊方法 1.3 焊接冶金原理的研究内容,1.1 材料的焊接与连接,广义材料连接方法,机械连接：宏观的结构关联性的连接，如铆接、螺纹连接等 特点：暂时的、可拆卸的、结构重、气密性差,化学连接：胶粘剂与被粘物间形成化学键和界面吸附实现连接 特点：连接强度低，服役环境和温度存在局限性,冶金连接：物理冶金或化学冶金的连接 特点：强度高、刚度大，服役环境和温度与母材相当,1.1.1材料焊接与连接的概念,冶金连接即是传统意义上的焊接，是应用最广、最重要的材料永久连接方法 。,原子间作用力与距离的关系,材料冶金连接在学术术
2、语上的称谓变化,材料连接学要借助“热”或“力”的作用： 1、原子间的引力与斥力。 2、两个分离的金属构件连接到一起，从物理本质上看来就是要是这两个构件的连接表面上的原子彼此接近到金属晶格距离0.30.5nm； 3、物体表面存在粗糙度，即使是精密的磨削加工表面粗糙度仍有几到几十微米； 4、表面存在氧化膜和其他污染物的的阻隔；,实际金属表面状态示意图,1.2 金属材料的熔化焊方法,熔化焊是最重要的一类冶金连接方法，也是应用最多的一类焊接方法，约占焊接与连接加工总量的80%，实际工程建造和安装中应用的基本上都是熔化焊。,熔化极氩弧焊 混合气体电弧焊 CO2气体保护电弧焊,熔化极气体 保护电弧焊,非熔
3、化极气体 保护电弧焊,钨极氩弧焊 等离子弧焊,气体保护电弧焊,渣保护电弧焊,焊条电弧焊 埋弧焊,电弧焊 激光焊 电子束焊 气焊 电渣焊 电阻点焊 电阻缝焊,熔化焊,1.2.1渣保护电弧焊,1、焊条电弧焊,焊条电弧焊工艺原理 a）焊接系统要素构成，b）工艺原理,电弧及焊接区受到焊条药皮（药剂）分解产生的气体及熔渣的保护，使其与大气相隔离。焊条芯受到电弧的加热而熔化，形成熔滴过渡到熔池，与母材的熔化金属共同形成焊缝金属。,埋弧焊工艺原理 a）焊接系统要素构成，b）工艺原理,焊接开始前在焊丝线上堆积颗粒状焊剂，以自动方式向焊剂中送进裸焊丝，在焊剂覆盖状态下引燃电弧进行熔化焊接。焊剂受到电弧的加热而熔
4、化、分解，对焊接区域起到保护作用。,2、埋弧焊,1.2.2非熔化及气体保护电弧焊,1、钨极惰性气体保护电弧焊,钨极惰性气体保护焊工艺原理 a）焊接系统要素构成，b）工艺原理,采用钨作为电弧的一级，一般采用惰性气体进行保护，该方法也称TIG（Tungsten Inert Gas）焊。,2、等离子弧焊,以TIG焊方法为基础，利用喷嘴对气体保护的钨极电弧进行拘束，形成更高密度的能量源。,等离子弧焊工艺原理 a）焊接系统要素构成，b）工艺原理,1.2.3 熔化极气体保护电弧焊,1、熔化极气体保护电弧焊的原理、特点及分类,熔化极气体保护电弧焊工艺原理 a）焊接系统要素构成，b）工艺原理,熔化极气体保护电
5、弧焊是以连续送进的焊丝为电弧的一极，被焊母材为电弧的另一极，同时加热、熔化焊斯和母材而形成焊缝的一类焊接方法,1.2.4高能束熔化焊,焊接热源的能量密度定义为热源单位面积传递的功率，即单位时间、单位面积传递的能量。所谓高能束是高能量密度束流的简称，通常是指电子束、激光束和离子束，但有时也把等离子弧包括在内。,1、电子束焊,利用会聚的高能电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使材料熔合的一种焊接方法。,通常束斑直径1mm，在0.10.75mm之间，速度可达0.30.7c。,真空电子束焊接原理示意图,熔化式 束斑电功率密度小于105W/cm2,深穿入式 束斑电功率密度大于105W/cm2,两种焊接模式
6、,电子束焊接深穿过程 电子束与被焊金属表面碰撞失去全部动能； 碰撞使晶格上的原子发生急剧的热振动，大部分动能转化为热能； 在极短的时间内，被焊材料迅速被加热至熔点及极高的过熔点温度，迅速蒸发形成金属蒸汽； 金属蒸气的反作用力使金属熔体向四周排开，露出下层固体金属表面； 电子束继续作用，重复上述过程，实现深穿。,真空电子束焊接深穿机理,1）优点 （1）加热功率大。焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达1000mA以上；加速电压为几十到几百千伏；故电子束功率从几十千瓦到100kW以上，而电子束焦点直径小于1mm。故电子束焦点处的功率密度可达103-105/cm2，比普通电弧功率密度高100-1
7、000倍； （2）焊缝深宽比大。通常电弧焊的深宽比很难超过2，电子束焊的深宽比在50以上。电子束焊比电弧焊可节约大量填充金属和电能，可实现高深宽比焊接，最大深宽比可达60：1，可依次焊透0.1mm-300mm厚度的不朽钢板。,电子束焊接特点及应用,（3）焊接速度快，焊缝热物理性能好。焊接速度快，能量集中、融化和凝固过程快，热影响去小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后的连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。能避免晶粒长大，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，何进元素烧损少，焊缝抗腐蚀性能好。 （4）焊缝纯度高。真空电子束焊的真空度一般为5*10-4Pa，适合焊接钛及钛合金等活性材料。 （5）
8、焊接工艺参数调节范围广，适应性强。电子束焊接的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好，而且电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。 （6）可焊材料多。不仅能焊金属和异种金属材料的接头，也可以焊接非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等,电子束焊接接头与电弧焊对比,2)缺点：,电子束焊接成套设备价格昂贵；,束缝对中精度要求高；,焊前接头设计、清理及装夹要求高；,电子束易受磁场干扰；,工件大小受真空室尺寸限制；,焊接质量受真空条件限制；,焊接时产生X射线，需严加防护 ；,电子束焊接的应用：,适用于焊接难熔金属、活泼金属和高纯度金属。,适用于通常熔化焊方法
9、无法焊接的异种金属材料的焊接。,可焊接经淬火的或加工硬化的金属。,由于焊缝的热影响区小，可焊接紧靠热敏感性材料的零件。,可对已经精加工到最后尺寸的零件进行焊接。,可对可达性差的接头进行焊接。,2、激光焊接技术,材料在激光作用下的不同状态 a) 固态加热 b) 表层熔化 c) 表层熔化，形成增强吸收等离子体云 d) 形成小孔及阻隔激光的等离子体云,温度升高-熔化-汽化-形成小孔、等离子体,低于104W/cm2,104106W/cm2,106107W/cm2,高于107W/cm2,激光与材料相互作用,激光与材料相互作用时，遵循能量守恒定律，有：,对于不透明材料，透射率能量为0，有：,激光与材料相互
10、作用时能量平衡,反射率R,入射率A,菲涅尔吸收,激光对材料的反射、透射与吸收,当激光波长大于2微米时，吸收率与电阻率有关,不同材料与激光器计算结果对比,1等离子体：屏蔽激光能量，影响焊接质量； 2熔池：影响焊缝几何形状； 3匙孔：决定焊接熔深，影响焊接过程稳定性。,热导焊接 深熔焊接,热导焊缝 深熔焊缝,激光焊接两种焊接模式,材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融金属抛出，形成匙孔。 为形成匙孔，汽化压强应平衡表面张力、静水压力和液相材料抛出的流动阻力。 孔底汽化压强为：,式中， 为孔底处液气界面的表面张力， 为孔底处的曲率半径， 为液体材料密度， 为重力加速度， 为孔深， 为液体流动阻力产生的压力
11、。,激光焊接过程中的匙孔效应,若假设匙孔为圆锥面，锥角。沿圆锥轴线入射的光束经锥面反射直向尖顶并退回，总共反射 次。每反射一次，吸收约13（CO2激光对铁）。设 ，则在18次反射过程中总吸收率达92。,匙孔内激光多次反射与吸收,激光焊接的优点 （1）能量密度高、焊接变形小、热影响区小、是精密焊接方法； （2）焊接能量可精确控制，对不同材料、结构具有较高的适应性； （3）光束很容易传输到任何位置，自动化很容易实现； （4）同电子束焊接相比，不需要真空环境、不存在X-射线污染； （5）深熔焊接的焊缝深宽比可达121；,（1）焊件位置需非常精确； （2）焊接厚度低于电子束焊接； （3）高反射性及高导
12、热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变； （4）焊接过程中产生等离子体，对激光能量有屏蔽效应； （5）能量转换效率太低，通常低于30%； （6）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑； （7）设备昂贵。,激光焊接的缺点,1.3焊接冶金原理的研究内容,1.3.1熔化焊接头的形成与结构,熔化焊焊缝（接头）的形成和结构 a）焊缝的形成，b）接头结构,无填充材料焊接（自熔焊）：钨极氩弧焊、激光焊、电子束焊 有填充材料焊接（非自熔焊）：所有电弧焊、高能束焊,焊缝： 熔池凝固形成的区域 熔合区： 介于固相与液相之间附近 热影响区： 固态组织性能变化区域,1.3.2熔化焊中的冶金学问题,1、熔化焊中
13、的化学冶金,渣保护电弧焊的主要化学冶金问题,熔化焊过程中焊接高温区内物质之间的相互作用统称为焊接化学冶金。,熔渣与焊接区金属（熔池和熔滴等）的相互作用（化学反应与物质交换等）： 焊条电弧焊、埋弧焊等。 气体与焊接区金属（熔池和熔滴等）的相互作用（化学反应、溶解和迁移等）： 焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊、活性气体保护焊等。,2、熔化焊中的物理冶金,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所有的物理变化过程，几乎涵盖了所有的焊接方法。,熔化焊的主要物理冶金问题,3、研究焊接冶金问题的意义,焊接化学冶金和物理冶金对接头性能的影响,调控接头成分 调控接头组织 抑制焊接缺陷,接头性
14、能,焊接的目标： 获得良好性能的接头，满足服役要求,1.3.3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（包括化学冶金和物理冶金）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（焊接工艺和焊接材料）的理论基础。,焊接化学冶金： 气体与焊接区金属的作用规律与原理（氮、氢、氧） 熔渣与焊接区金属的作用规律与原理（氧化/脱氧，氢、硫和磷的控制等）,焊接物理冶金： 熔池的凝固形核与结晶、凝固行为、偏析、气孔和夹杂等 焊缝金属的固态相变固态相变、组织控制及其力学性能等 熔合区形成机理、结构、特征与性能等 焊接热影响区形成、结构、特征与性能等 焊接裂纹分类、结晶裂纹、延迟裂纹等,