焊接物理冶金_第一章课件
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1）连接性能好，密封性好，承压能力高 ； 2）省料，重量轻，成本低； 3）加工装配工序简单，生产周期短 ； 4）易于实现机械化和自动化。
焊接的特点——缺点：
1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ；
2）焊接接头的组织和性能发生变化，往往是变坏； 3）要产生焊接残余应力和焊接变形；
4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。
3、 构件焊接性
构件焊接性分析 与“材料焊接性”相比，构件焊接性的含义更广泛，它可以包 含: “材料的焊接适应性”、 “设计的焊接可靠性” 和 “制造的焊接可行性” 。
如图1-1所示。
焊接残余应力和焊接变形是焊接性 的重要组成部分，它影响到冷、热裂纹的 产生，影响使用性能并妨碍制造过程。
图1-1构件焊接性的定义
Forge-welding, Blacksmith welding Diffusion welding Friction welding Friction stir welding High frequency resistance welding Resistance spot, seam welding Upset butt welding Cold pressure welding, Ultrasonic welding Explosive welding
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。
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。
2 焊接的分类——压力焊
压力焊：典型的固相焊接方法，利用压力使待 焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待 焊接部位的温度升高，通过调节温度、压力和 时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间 结合，形成焊接接头的方法。
2 焊接的分类——压力焊
压力焊
焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加 锻 扩 摩 搅 高 电 电 冷 超 爆 接 散 擦 拌 频 阻 阻 压 声 炸 热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定 焊 焊 摩 电 点 对 焊 波 焊 擦 阻 、 焊 焊 的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的 焊 焊 缝 焊 焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊 等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加 热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力， 借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相 互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的 方法有冷压焊、爆炸焊等
1 焊接的定义及特点
焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异：
被焊接的材料不仅在宏观上建立了永久性 的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在 联系。
焊接技术的主体内容：
涵盖熔化焊接、钎焊和固相焊接几部分。
2 焊接的分类——熔化焊
熔化焊——液相焊 钎焊——液固相焊
固 相 焊
压力焊——固相焊
2 焊接的分类——熔化焊
图0-10 摩擦焊接头
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
焊接工艺 及设备
焊接装备
焊接结构
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
复 合 热 源 焊
2 焊接的分类——熔化焊
GMAW or MIG/MAG
GTAW or TIG
非熔化极
高能束焊接
电 渣 焊
2 焊接的分类——钎焊
钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为 钎料），经加热熔化后，利用液态钎料润湿 母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实 现连接的焊接方法。
Electron beam brazing 激 光 钎 焊 Laser brazing
2 焊接的分类——钎焊
钎焊 Saltbath dip brazing 炉 中 钎 焊 Furnace brazing 感 应 钎 焊 Induction brazing 火 焰 钎 焊
Torch brazing( soldering)
盐 浴 钎 焊
电 子 束 钎 焊
电 弧 钎 焊 Arc brazing
材料连接的方法 及其基本特征
连接技术已经出现了多种方法： 捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接 连接过程中涉及到的能量类型： 光、电、声、化学、机械 结合性质： 机械结合、化学结合和材质结合 焊接方法处于绝对主导地位 过程最复杂、发展最迅速 应用最广泛
1 焊接的定义及特点
焊接的定义：
被焊工件(同材质或者不同材质)通过加热或 加压(或两者并用), 采用或不用填充金属, 使被焊 工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺 过程。
金属焊接的条件：
只有两块金属的距离d达到（3~5）×10-10m时， 金属原子之间便形成了金属键，实现焊接。
1 焊接的定义及特点
使d达到(3~5)×10-8cm的条件：
a. 两块金属件要接触；
b. 要有足够高的能量。
实现的方法：
a.加热 b.加压 熔焊 压焊
1 焊接的定义及特点
焊接的特点——优点：
4 焊接技术的应用
焊接技术的应用领域：
材料连接 材料切割 焊接工艺 及设备 零件修复
再制造工程
表面改性
5 焊接专业的研究领域
焊接专业的研究领域：
焊接工艺
焊接冶金 焊接材料
焊接性分析 焊接热过程 电弧物理 焊接研究基础 焊接电源 统焊 焊接工装夹具 集接 焊接过程自动控制 成 系 应力应变分析 焊接结构设计
影响构件焊接性的因素
母材和填充材料的类型（化 学）成分和显微组织 结构形状、尺寸、支撑条件和 负载、焊缝类型、厚度和配置 焊接方法、焊速、焊接操作、 坡口形状、焊接顺序、多层焊、 定位焊、夹紧、预热和焊后热 处理
2 焊接的分类
熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较
工ຫໍສະໝຸດ Baidu 熔化焊 钎焊 热源 外加 外加 压力 无 母材 熔化 填充材料 有或无 有 无
有（压力低使工 不熔化 件紧密接触） 有 不熔化
外加或内 压力焊 部
2 焊接的分类
熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较
3 焊接技术的历史与发展
1950s： CO2气体保护焊、电渣焊、高频电阻焊、摩擦焊 、超声波焊 1960s： 电子束焊、等离子弧焊接与切割、爆炸焊 1970s： 激光焊接与切割 1980s： 离子束、太阳能、微波焊接 1990s： 搅拌摩擦焊FSW、复合热源焊接
3 焊接技术的历史与发展
现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是： (1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。高 能量密度和高温可使焊接加热区域尽可能小，热 量集中，并实现高速高效焊接生产。 (2) 热源性能稳定，易于调节和控制。热源性 能稳定是保证焊接质量的基本条件。 (3) 高的热效率，降低能源消耗。尽可能提高 焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意 义。
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。
熔化焊：是指焊接过程中，对于紧密贴在一
起的被焊工件，将焊接接头加热至熔化状态，
在温度场、重力等的作用下，在不加压力条
件下，两个工件熔融的液态金属混合，待温
度降低后将两被焊工件牢固地凝结在一起，
完成焊接的方法。
Hybrid welding Laser beam welding 激 光 焊 Electron beam welding Electroslag welding Thermit welding 熔化焊 Air-acetylene welding 气焊 Oxy-acetylene welding Oxy-hydrogen welding 等 离 子 弧 焊 Plasma arc welding Atomic hydrogen welding Argon tungsten arc welding 电弧焊 Stud welding Shielded metal arc welding 熔化极 Submerged arc welding, Argon arc welding (or MIG) CO2 CO2 arc welding( or MAG) 电 弧 焊 惰 性 气 体 保 护 电 弧 焊 埋 弧 焊 焊 条 电 弧 焊 螺 柱 焊 钨 极 氩 弧 焊 原 子 氢 焊 氧 氢 焊 氧 乙 炔 焊 空 气 乙 炔 焊 铝 热 焊 电 子 束 焊
1 焊接的定义及特点
连接技术的历史与发展
连接技术是伴随着材料的应用而产生的。在人 类还只能使用天然材料时，就产生了捆绑、镶 嵌、缝纫等连接技术。 当人类可以制造材料后，现代意义上的连接技 术就开始萌生了。 除机械方法以外，钎焊或许是最古老的连接金 属的技术。 焊接技术属于连接技术的范畴
1 焊接的定义及特点
焊接物理冶金
授课内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 绪论 焊接热过程 焊缝金属 焊接热影响区 焊接裂纹 焊接结构 焊接界面
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. 张文钺 编著. 焊接冶金学，机械工业出版社， 1996年。 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。
焊接的特点——缺点：
1）焊接结构是不可拆卸的，更换修理不便 ；
2）焊接接头的组织和性能发生变化，往往是变坏； 3）要产生焊接残余应力和焊接变形；
4）会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。
3、 构件焊接性
构件焊接性分析 与“材料焊接性”相比，构件焊接性的含义更广泛，它可以包 含: “材料的焊接适应性”、 “设计的焊接可靠性” 和 “制造的焊接可行性” 。
如图1-1所示。
焊接残余应力和焊接变形是焊接性 的重要组成部分，它影响到冷、热裂纹的 产生，影响使用性能并妨碍制造过程。
图1-1构件焊接性的定义
Forge-welding, Blacksmith welding Diffusion welding Friction welding Friction stir welding High frequency resistance welding Resistance spot, seam welding Upset butt welding Cold pressure welding, Ultrasonic welding Explosive welding
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。
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。
2 焊接的分类——压力焊
压力焊：典型的固相焊接方法，利用压力使待 焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待 焊接部位的温度升高，通过调节温度、压力和 时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间 结合，形成焊接接头的方法。
2 焊接的分类——压力焊
压力焊
焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加 锻 扩 摩 搅 高 电 电 冷 超 爆 接 散 擦 拌 频 阻 阻 压 声 炸 热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定 焊 焊 摩 电 点 对 焊 波 焊 擦 阻 、 焊 焊 的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的 焊 焊 缝 焊 焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊、气压焊 等就是这种类型的压力焊方法。二是不进行加 热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力， 借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相 互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的 方法有冷压焊、爆炸焊等
1 焊接的定义及特点
焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异：
被焊接的材料不仅在宏观上建立了永久性 的联系，而且在微观上建立了组织之间的内在 联系。
焊接技术的主体内容：
涵盖熔化焊接、钎焊和固相焊接几部分。
2 焊接的分类——熔化焊
熔化焊——液相焊 钎焊——液固相焊
固 相 焊
压力焊——固相焊
2 焊接的分类——熔化焊
图0-10 摩擦焊接头
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
焊接工艺 及设备
焊接装备
焊接结构
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
复 合 热 源 焊
2 焊接的分类——熔化焊
GMAW or MIG/MAG
GTAW or TIG
非熔化极
高能束焊接
电 渣 焊
2 焊接的分类——钎焊
钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为 钎料），经加热熔化后，利用液态钎料润湿 母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实 现连接的焊接方法。
Electron beam brazing 激 光 钎 焊 Laser brazing
2 焊接的分类——钎焊
钎焊 Saltbath dip brazing 炉 中 钎 焊 Furnace brazing 感 应 钎 焊 Induction brazing 火 焰 钎 焊
Torch brazing( soldering)
盐 浴 钎 焊
电 子 束 钎 焊
电 弧 钎 焊 Arc brazing
材料连接的方法 及其基本特征
连接技术已经出现了多种方法： 捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接 连接过程中涉及到的能量类型： 光、电、声、化学、机械 结合性质： 机械结合、化学结合和材质结合 焊接方法处于绝对主导地位 过程最复杂、发展最迅速 应用最广泛
1 焊接的定义及特点
焊接的定义：
被焊工件(同材质或者不同材质)通过加热或 加压(或两者并用), 采用或不用填充金属, 使被焊 工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺 过程。
金属焊接的条件：
只有两块金属的距离d达到（3~5）×10-10m时， 金属原子之间便形成了金属键，实现焊接。
1 焊接的定义及特点
使d达到(3~5)×10-8cm的条件：
a. 两块金属件要接触；
b. 要有足够高的能量。
实现的方法：
a.加热 b.加压 熔焊 压焊
1 焊接的定义及特点
焊接的特点——优点：
4 焊接技术的应用
焊接技术的应用领域：
材料连接 材料切割 焊接工艺 及设备 零件修复
再制造工程
表面改性
5 焊接专业的研究领域
焊接专业的研究领域：
焊接工艺
焊接冶金 焊接材料
焊接性分析 焊接热过程 电弧物理 焊接研究基础 焊接电源 统焊 焊接工装夹具 集接 焊接过程自动控制 成 系 应力应变分析 焊接结构设计
影响构件焊接性的因素
母材和填充材料的类型（化 学）成分和显微组织 结构形状、尺寸、支撑条件和 负载、焊缝类型、厚度和配置 焊接方法、焊速、焊接操作、 坡口形状、焊接顺序、多层焊、 定位焊、夹紧、预热和焊后热 处理
2 焊接的分类
熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较
工ຫໍສະໝຸດ Baidu 熔化焊 钎焊 热源 外加 外加 压力 无 母材 熔化 填充材料 有或无 有 无
有（压力低使工 不熔化 件紧密接触） 有 不熔化
外加或内 压力焊 部
2 焊接的分类
熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较
3 焊接技术的历史与发展
1950s： CO2气体保护焊、电渣焊、高频电阻焊、摩擦焊 、超声波焊 1960s： 电子束焊、等离子弧焊接与切割、爆炸焊 1970s： 激光焊接与切割 1980s： 离子束、太阳能、微波焊接 1990s： 搅拌摩擦焊FSW、复合热源焊接
3 焊接技术的历史与发展
现代焊接生产对于焊接热源的要求主要是： (1) 能量密度高，并能产生足够高的温度。高 能量密度和高温可使焊接加热区域尽可能小，热 量集中，并实现高速高效焊接生产。 (2) 热源性能稳定，易于调节和控制。热源性 能稳定是保证焊接质量的基本条件。 (3) 高的热效率，降低能源消耗。尽可能提高 焊接热效率，节约能源消耗有着重要技术经济意 义。
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。
熔化焊：是指焊接过程中，对于紧密贴在一
起的被焊工件，将焊接接头加热至熔化状态，
在温度场、重力等的作用下，在不加压力条
件下，两个工件熔融的液态金属混合，待温
度降低后将两被焊工件牢固地凝结在一起，
完成焊接的方法。
Hybrid welding Laser beam welding 激 光 焊 Electron beam welding Electroslag welding Thermit welding 熔化焊 Air-acetylene welding 气焊 Oxy-acetylene welding Oxy-hydrogen welding 等 离 子 弧 焊 Plasma arc welding Atomic hydrogen welding Argon tungsten arc welding 电弧焊 Stud welding Shielded metal arc welding 熔化极 Submerged arc welding, Argon arc welding (or MIG) CO2 CO2 arc welding( or MAG) 电 弧 焊 惰 性 气 体 保 护 电 弧 焊 埋 弧 焊 焊 条 电 弧 焊 螺 柱 焊 钨 极 氩 弧 焊 原 子 氢 焊 氧 氢 焊 氧 乙 炔 焊 空 气 乙 炔 焊 铝 热 焊 电 子 束 焊
1 焊接的定义及特点
连接技术的历史与发展
连接技术是伴随着材料的应用而产生的。在人 类还只能使用天然材料时，就产生了捆绑、镶 嵌、缝纫等连接技术。 当人类可以制造材料后，现代意义上的连接技 术就开始萌生了。 除机械方法以外，钎焊或许是最古老的连接金 属的技术。 焊接技术属于连接技术的范畴
1 焊接的定义及特点
焊接物理冶金
授课内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 绪论 焊接热过程 焊缝金属 焊接热影响区 焊接裂纹 焊接结构 焊接界面
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. 张文钺 编著. 焊接冶金学，机械工业出版社， 1996年。 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。