焊接物理冶金 第一、二章课件

图1-4 动坐标系
图1-5 各种钢热导率与温度的关系 1-纯铁 2-低碳钢[ω(C)=0.1%] 3-中碳钢[ω(C)=0.45%] 4-低合金钢[ω(Cr)=4.98%] 5-高铬钢(1Cr13) 6-不锈钢（18-8）
图1-6 厚大焊件x轴上热源前后各点的温度分布
图1-7 厚大焊件上移动热源的温度场
二、焊接接头的形成 1. 焊接的本质
焊接的本质在于实现材料之间的冶金结合（ Metallurgy bonding）,也就是原子结合。焊接方法需借助加热、加压实 现原子结合。
（1）熔化焊 通过液相互溶实现原子结合（液相焊） 。 （2）压力焊 通过施加压力（加热或不加热）实现原子结合。 （3）钎焊 通过液相钎料对固相母材的吸附、润湿、铺展、扩散等 实现原子结合。
q 4200W , 0.42W /(cm C ), 0.1cm2 / s
b0 28 10 4 / s, 1cm
图1-9 薄板焊接时的温度场
a) xOy面上平行x轴的温度分布 b) xOy面上的等温线 c) xOy面上平行y轴的温度分布
图1-10 中厚焊件焊接时的温度场
焊缝气孔内部
图0-13 细晶粒低碳钢焊接接头各部位的临界COD值（手弧焊） 1—母材； 2—250℃预热应变的母材； 3—细晶粒的HAZ 4—粗晶粒的HAZ； 5—焊缝（1.58KJ/cm）
第二章 焊源自文库热过程
第一节 焊接热过程特点、热效率、加热斑点
一、焊接热过程特点 （1）焊接热过程的局部集中性（加热、冷却速度极不均匀） （2）焊接热过程的瞬时性（加热、冷却速度极快）； （3）焊接热源的运动性（特殊的热循环）； （4）焊接传热过程的复杂性（液体对流、固体导热、辐 射）。

授课内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 绪论 焊接热过程 焊缝金属 焊接热影响区 焊接裂纹

主要参考书：
1. 张文钺 编著. 焊接物理冶金，天津大学出版社，1991 年。 2. K. Easlerling. Introduction to the physical metallurgy of welding, London press, 1981. 3. 中国焊接学会编. 焊接手册（材料的焊接），机械工业 出版社，2001年。 4. 周振丰 主编. 焊接冶金学（金属焊接性），机械工业出 版社，1993年。 5. 周振丰主编. 焊接冶金及金属焊接性，机械工业出版社 1987年。 6. 陈伯蠡主编. 焊接冶金原理，清华大学出版社，1989年。 7. H.H. 雷卡林著. 焊接热过程计算， 中国工业出版社， 1961年。
图0-1 手工电弧焊
图0-2 手工电弧焊接头
图0-3 气体保护焊
图0-4 气体保护焊接头
图0-5 埋弧焊
图0-6 埋弧焊接头
图0-7 电子束焊接头
图0-8 45钢与W4Cr4V2高速钢扩散焊接头组 织
图 瞬间液相扩散焊（Cu-Mg共晶温度485℃）
图0-9 电阻焊接头
图0-10 摩擦焊接头
表1-1 不同焊接方法的η值
图1-1 电弧焊时的热量分布 a) 厚皮焊条（I=150~250A，U=35V）分布 b) 埋弧焊（I=1000A，U=36V，v=36m/h）
图1-2 加热斑点上热流密度的分布
图1-3 直流TIG焊接时的热能集中系数与焊接电流的关系
第二节 焊接温度场
一、典型的焊接温度场 （1）厚大件（三维）焊接温度场 （2）薄板（二维）焊接焊接温度场 （3）线棒（一维）焊接焊接温度场 （4）中厚板焊接温度场 （5）大功率高速移动热源温度场
二、焊接热效率
电弧功率 ：
q0 = U I
电弧有效热功率： q = ηq0 焊接热效率： η= q/ q0 =（ q1＋q2 ）/ q0 熔化焊缝的热效率： ηm = q1 / （ q1＋q2 ） 三、加热斑点 热源把热量传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行 的，对于电弧焊而言该面积称为加热斑点。 热流密度在热斑点上的分布可用高斯曲面来描述。
b0 28 10 4 / s, 1cm
图1-11 厚大焊件上高速热源的传热模型
图1-12 高速热源作用在薄板上的传热模型
二、焊接温度场的影响因素
（1）热源的种类和焊接工艺参数 （2）被焊金属热物理性质
三、焊接热循环主要参数
（1）加热速度 （2）加热的最高温度 （3）高温停留时间 （4）冷却速度
a) 坐标示意图 b) xOy面上沿x轴的温度分布 c) xOy面上的等温线 d) yOz面上沿y轴的温度分布 e) yOz面上的等温线
q 4200W , v 0.1cm / s, 0.42W /(cm C ), 0.1cm2 / s
图1-8 薄板焊接时x轴上各点的温度分布
表0-2 低碳钢熔敷金属成分及性能变化（同一焊丝）
图0-13 细晶粒低碳钢焊接接头各部位的临界COD值（手弧焊） 1—母材； 2—250℃预热应变的母材； 3—细晶粒的HAZ 4—粗晶粒的HAZ； 5—焊缝（1.58KJ/cm）
焊缝裂纹
火口裂纹
裂纹断裂表面
HAZ裂纹
HAZ裂纹
焊缝气孔
图0-11 钎焊接头
2. 焊接接头的表征
焊接区包括焊缝区、熔合区和热影响区 — 焊接接头 （Welded joint） 1. 焊缝区 (a) 不加焊接材料：焊缝区（Weld zone）- 熔合区（Fusion zone） 、焊缝金属（Weld metal） (b) 加焊接材料: 焊缝区（Weld zone）、焊缝金属 （Weld metal）、熔合比（ Fusion ratio） (c) 不包括母材的影响：熔敷金属（Deposited metal） 2. 热影响区（Heat-affected zone, HAZ） 焊缝区周围的母材受热作用引起组织和性能变化的区域。 3. 熔合区（Fusion zone） 在焊缝区与热影响区之间尺寸非常小的过渡区。 4. 焊缝金属深/宽比
a) 中厚件上表面不同y值时x方向上的温度分布曲线 b) xOz平面上的等温线 c) 中厚焊件的上表面温度场 d) 中厚焊件的下表面温度场 e) yOz平面，x=0时的温度分布 f) yOz平面，x=0时的热流分布 I区相当厚大焊件，III区相当于薄板，II区为无定型传热区
q 4200W , 0.42W /(cm C ), 0.1cm2 / s
焊接化学冶金：基本任务是研究焊接过程中焊接区各种物质 之间在高温下相互作用的过程和规律（如焊接区内金属、气 体与熔渣三相间的相互作用，焊缝金属的合金化及其成分控 制等）。研究过程的规律。 焊接物理冶金：这门科学的基本任务在于对材料受焊后的化 学成分、组织、性能的变化和产生缺陷的原因进行深入的分 析，找出内在的规律，探明材料受焊过程和受焊之后物理、 化学及微观的变化行为，为进一步提高焊接质量、防止各种 缺陷提供理论依据。研究过程结果影响的规律。 焊接力学冶金：基本任务是研究焊接过程中及焊后焊接接头 应力场的变化规律及其对接头组织和性能的影响规律。
图1-13 焊接参数对温度场分布的影响（10mm厚的低碳钢板） a) q=常数, v的影响;b) v=常数, q及v等比例变化时对温度场的影响
图1-14 在相同的热功率q、热源移动速度v和相同板厚δ条 件下，不同材料板上移动线热源周围的温度场
图1-16 焊接热循环的参数
图1-15 距焊缝不同各点的焊接热循环
1—焊缝
图0-12 熔焊接头示意 2—熔合区 3—热影响区
图0-2 手工电弧焊接头
图0-13 熔合区
图0-14 熔合线
表0-1 焊接热源能量密度与熔透区截面形状
图0-4 气体保护焊接头
图0-7 电子束焊接头
三、金属的焊接性
1. 焊接冶金问题的提出 （1）焊缝的化学成分、组织及性能与母材有较大的差别； （2）即使焊缝的化学成分与母材相同，但组织和性能不同 （3）HAZ经历了特殊的热循环，组织和性能明显变化； （4）熔合区存在明显的成分、组织及性能的不均匀性； （5）焊接接头易出现裂纹、气孔缺陷。 2. 金属的焊接性的意义 定义：金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整 的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性包括 结合性能（裂纹、气孔、夹渣等）和使用性能（力学性能、 耐蚀性能、耐磨性能等） 两方面。 金属焊接性问题主要来源于焊接冶金特点，从焊接冶金 角度可揭示金属焊接性的本质。
焊接物理冶金




课程编码： QR435005 课程名称：焊接物理冶金 英文名称： The physical metallurgy of welding 开课学期： 2 学时/学分：40/2 课程类型：必修课 开课专业：材料加工工程 教学方式：授课与自学 考核方式：考试、考查
第一章 绪论
一、焊接物理冶金
Metallurgy: The science separating metals from their ores, and of separating metals for use（把金属从矿石中提炼出来 和应用的科学） 冶金学：冶金学是金属科学及其工艺学的一个广阔的领域， 它包括过程冶金学和物理冶金学两个部分。过程冶金学也称 为化学冶金学，它研究金属从矿石中的提取以及精炼、合金 化起始的生产中的问题；物理冶金学主要关心的是过程冶金 学（化学冶金学）的产品及其机械的、物理的与化学的性能。
图？ 双椭圆分布热源示意图
图？ 半椭球体分布热源示意图
图？ 双椭球体分布热源示意图
图？ 手工电弧焊原理
第三章 焊缝金属