焊接冶金原理-北京科技大学(word)
第三章焊接过程中的冶金反应原理
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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 H2O对金属的氧化反应特点：
温度越高，H2O 的氧化性越强。 在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比 CO2 小。 但应注意，H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相 中 H2 的分压，导致金属增氢。
气相中氧的分压 {pO2} /×101.325kPa P’O2 [FeO]max /×101.325kPa
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。
（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。
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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。
溶 解 度
SO/%
氧在液态铁中的溶解度随 温度升高而增大
温度 T/℃ 铁液中氧的溶解度随温度的变化
22
液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的 （3）合金成分对溶解度的影响 溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即 氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。
氢 溶 解 度 SH/ ml. (10 0g)
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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.。
焊接冶金原理-北京科技大学(word)
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）。
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。
北京科技大学焊接答案doc
习题九班级姓名成绩一、焊接方法分类如何？手工电弧焊属于哪一类？为什么？答：焊接方法分类：熔化焊，压力焊，钎焊。
手工电弧焊属于熔化焊。
因为有填充金属，其熔化后形成熔池，熔池凝固形成焊缝。
二、从减少焊接应力的角度考虑，拼焊如图所示的钢板时，应怎样确定焊接顺序？试在图中标出，并说明理由。
答：先焊接短的焊缝；再焊接长的。
三、焊接应力产生的根本原因是什么？减少和消除焊接应力的措施有哪些？答：金属材料具有热胀冷缩的基本属性。
由于焊件在焊接过程中是局部受热且各部分材料冷却速度不同，因而导致焊件各部分材料产生不同程度的变形，引起了应力。
焊接时局部加热是焊件产生应力与变形的根本原因。
减小焊接应力的工艺措：（1）选择合理的焊接顺序；设计时，焊缝不要密集交叉，截面和长度也应尽可能小。
（2）预热法即在焊前将工件预热到350～400℃，然后再进行焊接。
预热可使焊接金属和周围金属的温差减小，焊后又比较均匀地同时缓慢冷却收缩，因此，可显著减小焊接应力，也可同时减小焊接变形。
（3）焊后退火处理这也是最常用的、最有效的消除焊接应力的一种方法。
整体退火处理一般可消除80%～90%的焊接应力。
四、制造如图所示的卧式贮罐，壁厚为16mm，人孔直径450mm，人孔管高250mm，排污管120×10（mm），原材料是16Mn（化学成分为0.16%C，1.4%Mn。
0.4%Si），钢板尺寸2000×5000×16（mm）生产数量：3台1.画出贮罐外表图，并表示出焊接缝布置。
（接管焊缝不标）2.选择下表所列的焊接方法、接头型式和坡口形状3.简述石油贮罐的组装和焊接顺序答：1）焊接筒身纵想焊缝；2）焊接筒身的环焊缝及两边的封头；3）焊接人孔和排污管。
五、阐述电弧焊的冶金特点：答：答：电弧焊的冶金过程特点①焊接电弧和熔池金属的温度远高于一般的冶金温度，氧化、吸气、蒸发现象严重；②熔池体积小，周围又是温度低的冷金属，熔池处于液态的时间很短，冷却速度极快，冶金反应不完全，易产生气孔、夹渣等缺陷；焊件形成较大的热应力。
焊接冶金原理02焊接热过程课件2
2.2.4焊接温度场的有限单元法 1、温度场有限单元法理论基础（略）
➢ 有限差分法无论是在空间还是时间上均采用插商的方法迭代求取 不同时间与不同位置的节点温度值；而有限单元法是通过整体的 观点利用变分原理求取空间上某一时刻的所有节点温度值，而温 度场随时间的变化采用差分法迭代求解。
➢ 有限差分法不含有网格内部的温度信息，仅求取节点温度；而有 限元法通过插值函数能够比较精确地反应单元内部任意一点的温 度信息；
3、高温停留时间
➢高温持续时间可以是相变温度停留时间； ➢分为加热过程的停留时间t’和冷却过程的停留时间t’’。
4、冷却速度
➢ 冷却速度是决定热影响区组织性能最重要的参数之一； ➢ 常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变
化，如采用800~500℃的冷却时间t8/5，800~300℃的冷却时间t8/3 和从缝值温度Tm冷却至100℃的冷却时间t100等
焊缝边界t8/5与线能量E之间的关系
峰值温度TP与线能量E及T0的关系
3、预热温度的影响
2.4 焊接热循环
焊缝边界附近热循环曲线特性与E及T0的关系
4、接头尺寸形状的影响
2.4 焊接热循环
接头尺寸形状对t8/5的影响
5、焊道长度的影响
2.4 焊接热循环
焊道长度对瞬时冷却速度ωc的影响 （E=19kJ/cm）
1、浮力
熔池内部浮力对流原理示意图
采用计算的方法可以对铝合 金定点熔池的浮力对流进行 大概估计： ➢ 液体金属沿着熔池轴线向
上流动，沿着熔池边界向 下流动； ➢ 最大速度是沿着熔池轴向 的，大约2cm/s； ➢ 由于加热熔化时金属膨胀， 熔池表面比工件表面略高。
2.3焊接对流传热
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？答：Al和O的亲和力比Si和O的亲和力大，Si烧损少，水玻璃中的Si能大量的过渡到金属中。
7.为什么酸性焊条用锰铁作为脱氧剂，而碱性焊条用硅铁、锰铁和钛铁为脱氧剂？答：酸性焊条含SiO2多，与MnO2 （脱氧产物）形成复合氧化物，，降低O含量，使渣中MnO2含量降低，浓度降低，从而使熔敷金属中的氧化物向渣中过渡，达到脱氧的目的。
金属熔焊原理 第3版 第四单元 焊接冶金过程
ωWB=θωbB+(1-θ)ωdB
ωWB——某元素B在焊缝中的质பைடு நூலகம்分数； ωbB——某元素B在母材中的原始质量分 数；
1 在焊缝金属中局部熔
定义及决 定因素
ωdB——熔敷金属中某元素B的质量分数 θ——焊缝金属的熔合比
化的母材所占的比例
称为熔合比。熔合比 的数值取决于焊接方 法、规范、接头形式、 坡口角度、药皮和焊 剂的性质以及焊条 （焊丝）的倾角等因 素
焊接冶金反应区的特点
熔池反应区的特点
（1）平均温度较低，反应不剧烈 （2）比表面积较小 （3）反应时间稍长 （4）温度分布极不均匀，反应可同时向相反的方向进行
熔池反应区的反应速度比熔滴区低，对焊缝金属的化 学成分及成分的均匀程度具有决定性的影响。
3.焊接参数对焊接冶金的影响
焊接参数对熔合比的影响
焊接冶金反应区的特点
焊条电弧焊
Ⅰ——药皮反应区
Ⅱ——熔滴反应区
Ⅲ——熔池反应区
t1——药皮开始反应温度 t3——弧柱间熔滴温度 t5——熔池凝固温度
t2——焊条端熔滴温度 t4——熔池最高温度
焊接冶金反应区的特点
药皮反应区的特点
药皮反应区的温度范围从100℃至药皮的熔点，在这期间 所发生的化学反就有：
金属熔焊原理 第3版
第四单元 焊接冶金
学习目标
1 焊接冶金的特点 2 气相对焊缝金属的作用 3 熔渣及其对焊缝金属的作用 4 焊缝金属中硫、磷的控制 5 焊缝金属的合金化
模块一 焊接冶金的特点
1、理解焊接时焊缝金属的保护
学
习 任
2、掌握焊接冶金反应区的特点
务
3、掌握焊接参数对焊接冶金的影响
1、焊接冶金的特点
焊接冶金学基本原理【打印版】
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。
焊接冶金原理名词解释
名词解释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.熔敷金属：焊接得到的没有母材成分的金属。
3.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。
（当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之稳定温度场）4.熔合区：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。
5.焊接热循环：焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低到高，达到最高值后，又由高到低随时间的变化。
6.HAZ：热源作用下焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
7.熔滴过渡：当熔滴长大到一定尺寸时，在各种力的作用下脱离焊条，以熔滴的形式过渡到熔池中去的过程。
8.合金过渡系数η：焊接材料的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与其原始含量的百分比。
9.短路过渡：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触形成短路，电弧熄灭。
同时在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。
10.熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。
11.➹侧板条铁素体：它是从奥氏体晶界先共析铁素体的侧面以板条状向晶内生长，从形态上看如镐牙状。
12.粒状贝氏体：M-A组元以粒状分布在块状铁素体上。
（以条状分布称为“条状贝氏体”）13.孪晶马氏体：（？）焊缝含碳量高时出现的片状M。
初始形成的马氏体较粗大，贯穿整个奥氏体晶粒，由于片状M亚结构存在许多细小的孪晶带，故又称孪晶M。
14.过热粗晶区：温度范围在固相线以下到1100℃左右，金属处于过热状态，A晶粒发生严重长大现象，冷却后得到粗大组织。
15.相变重结晶区：焊接时母材金属被加热到A c3以上的部位将发生重结晶，然后在空气中冷却得到均匀细小的的P和F，相当于热处理时的正火组织。
16.不完全结晶区：焊接时处于Ac1—Ac3之间范围内的热影响区。
(完整word版)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。
焊接冶金学——基本原理
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焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数
① 加热速度 ② 加热的最高温度 ③ 在相变温度以上的停留时间 ④ 冷却速度或冷却时间
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•焊接热循环的参数
焊接冶金学——基本原理
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
化问题。
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焊接冶金学——基本原理
1.1 焊接过程分析
Ø 焊接过程
– 热源加热→熔化→冶金反应→
•加热过程
结晶→固态相变→接头（冷却而形成）
Ø 焊接热过程的特点
1. 局部性——加热和冷却过程极不均匀 2. 瞬时性——1800K/s 3. 热源是运动的 4. 焊接传热过程的复合性
•冷却过程
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
➢ 热源在焊件上的分布
➢ 热流密度的分布
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•q:电弧的有效功率 •qm:加热斑点中心的最大比热流
•dH:回执斑点直径
•加热斑点的比热流分布---立体高斯锥体
焊接冶金学——基本原理
1.2 焊接热源 welding heat source
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热
•焊接熔池形状示意图
➢ 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池
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焊接冶金学——基本原理
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
焊接冶金原理
焊接冶金原理
焊接是一种常见的金属加工方法，它通过加热金属至熔点并使其相互融合，从
而实现金属件的连接。
而焊接的成功与否，很大程度上取决于焊接冶金原理的理解和应用。
焊接冶金原理是指在焊接过程中，金属材料的熔化、凝固和结构变化等现象的
规律性原理。
首先，焊接时金属材料会受到高温的影响，金属在高温下会发生熔化，形成液态金属。
这种液态金属在接触面上相互融合，形成焊接接头。
其次，金属在冷却过程中会发生凝固，形成焊缝。
在这个过程中，金属的晶体结构会发生变化，从而影响焊接接头的性能。
在焊接冶金原理的指导下，焊接过程中需要控制好焊接温度、焊接速度和焊接
压力等参数，以确保焊接接头的质量。
同时，还需要选择合适的焊接材料和焊接方法，以满足不同金属材料的焊接需求。
除了焊接过程中的控制，对焊接接头的检测和分析也是焊接冶金原理的重要内容。
通过金相分析、力学性能测试和断口分析等方法，可以了解焊接接头的组织结构、力学性能和断裂原因，从而为焊接质量的改进提供依据。
总之，焊接冶金原理是焊接技术的基础和核心，它对于提高焊接质量、确保焊
接接头性能和推动焊接技术的发展具有重要意义。
只有深入理解和应用焊接冶金原理，才能够更好地进行焊接工作，满足不同行业的需求。
第三章 焊接过程的冶金反应原理2
熔渣与气相之间的界面张力－熔渣表面张力
熔渣与液态金属间的界面张力
影响熔滴过渡、焊缝成形、冶金反应
30
温度 （T升高，表面张力减小）
表面张力的 影响因素
原子间键能（金属键的键能大， 表面张力大）
31
碱性氧化物（如MgO、CaO等）一般为离子键化合物，
表面张力较大。碱度高的渣表面张力大。 酸性氧化物（如SiO2、TiO2等）一般为共价键化合物， 表面张力较小 CaF2的稀释作用能使CaO熔化，显著降低熔渣表面张力 碱性渣表面张力较大：易造成熔滴粗化，飞溅增多。
当B1＞1为碱性渣，B1＜1为酸性渣，B1=1为中性渣。
19
（2）熔渣碱度的离子理论 碱度：液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）。
渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：
B2
a M
i 1 i
n
i
Mi 是渣中第 I 种氧化物的摩尔分数，ai 是该氧化物的碱度系数。 当B2＞0时为碱性渣，B2＜0为酸性渣，B2= 0为中性渣。
氧化反应时的有效浓度，氧化反应是否进行与其在熔渣
中的实际活度 αFeO 有关 。
36
多元渣系中FeO的等活度 曲线 （1600℃）
FeO在碱性渣中的活度系数比在酸性渣中大Leabharlann 37 2、扩散氧化
熔渣中的FeO既溶于渣又溶于液态钢，在一定温度下，
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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）。
平面分布热源：热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行的。
体积分布热源：焊接热源的热流密度不仅作用在焊件表面上，也作用在焊件厚度方向上。
点热源，将热源堪称几种在加热斑点中心的一点。
线热源，讲加热看作为十佳在垂直于板面的一条线上。
面热源，将加热看作为施加在一个平面上。
准稳态：当热源移动时，位于热源中的观察者不会注意在他周围的温度变化，这种状态成为准稳态。
焊接温度场的影响因素：热源的性质，焊接线能量，被焊金属的热物理性质，焊件厚度及形状。
焊接线能量：焊缝单位长度上输入的热量，即热源功率与焊接速度的比值，被称为焊接线能量，一般情况下，焊接热输入可采用线能量象征。
热导率和容积比热容对焊接温度场分布影响最大。
焊缝之所以在同样参数下获得不同焊缝熔深与焊缝形貌，其本质原因是焊接传热过程除了受到热传导影响外，还受到熔池内部热对流的影响。
在金属熔化焊过程中，焊接热过程不仅仅是单一的热传导过程，还会发生激烈的对流传热过程。
虽然在熔池内部存在着热传导过程，单传热机制仍以热对流为主导，而在熔池外部固态区域的传热机制是以热传导为主导。
对于TIG电弧焊熔池流体的中的驱动力包括浮力，洛伦兹力，熔池表面张力和等离子力。
对于高能束焊接熔池，由于存在匙孔效应，其熔池流动状态更为复杂。
等离子流力：等离子体沿着熔池表面高速向外移动，可在熔池表面施加一个向外的剪切应力。
焊接热循环是焊件上某一温度与时间的关系，这一关系决定了该点的加热速度，保温时间和冷却速度，对焊接接头的组织与性能都有十分明显的影响。
焊接热循环：焊件上某一点温度随时间的变化，称为焊接热循环。
焊接热循环特点:加热速度快，高温停留时间短，空间不均匀。
焊接热循环的特征参数：加热速度，峰值温度，高温持续时间（高温持续时间可以是相变温度停留时间），冷却速度。
焊接热循环的影响因素：焊接方法的影响，焊接热输入的影响，预热温度的影响，接头尺寸形状，焊道长度焊接热输入：焊接热输入的物理意义为单位长度输入焊缝的热量预热是对某些淬硬倾向较强的金属焊接有效处理手段之一。
对于大厚度的焊件，一般采用多层多道的焊接。
多道焊时，开始焊接后继焊道时前一焊道所具有的最低温度。
称为层间温度。
对于后裔焊道而言，层间温度相当于余热温度，对于前一焊道，后一焊道会产生“后热”的作用。
根据要求不同，多层焊分为长段多层焊和短段多层焊，其热循环存在着明显的不同。
第三章焊接化学冶金焊接化学冶金：熔化焊过程中焊接区内各种物质之间在焊接高温下的相互作用统称为焊接化学冶金。
熔化焊过程中焊接去内各种物质之间在焊接高温下的相互作用成为焊接化学冶金。
焊接化学冶金的主要任务是研究和探讨熔化焊条件下焊接去物质（金属材料，保护材料及空气）间的冶金热力学——相互作用的方向和限度——行为，规律和机理。
焊接保护方式：熔渣保护、气体保护、渣-气联合保护、真空保护和自保护。
熔渣保护：熔渣保护主要利用焊剂或焊条药皮熔化形成的熔渣覆盖在焊接去金属（熔滴和熔池）表面讲空气隔开而实现保护，典型的焊接方法主要有焊条电弧焊，埋弧焊等。
气体保护：气体保护是利用外加气体对焊接去金属进行保护的一类焊接保护方式。
渣-气联合保护：渣-气联合保护是利用熔渣和气体联合进行保护的方式。
真空保护：真空保护则是将空气从焊接区抽离而实现保护的。
自保护：自保护焊是通过在焊丝中添加脱氧剂和脱氮剂，焊接过程中脱氧剂和脱氮剂与由空气进入焊接去金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化物并形成熔渣，从而实现降低焊缝金属中氧和氮含量的方法。
焊接化学冶金体系是指焊接过程中热源作用区域内金属，熔渣，气体等物质的总和。
上述五种保护方式大致可以分为“金属-熔渣”“金属-气体”“金属-熔渣-气体”三种化学体系。
焊接化学冶金系统特点：焊接冶金反应区(3个)，焊接化学冶金系统的非平衡性（焊接化学冶金系统的另一个特点是非平衡性，这是由其开放性、温度不均匀性和过程的短暂性所决定的）焊接化学冶金系统是由焊接去母丝、焊丝、熔池、熔滴、熔渣和气体等构成的高温固态，液态和气态系统。
药皮反应区：药皮反应去是指焊条端部药皮开始发生变化的温度到药皮熔点之间的区域。
熔滴反应区：熔滴反应去是指从焊条端部熔滴形成、长大到过渡至熔池前的整个区域。
特点：反应温度高，时间短，反应相之间的接触面积大且混合强烈。
熔池反应区：熔池反应区是指熔化焊方法共有的反应区，随焊接方法的不同，其反应体系即有金属-熔渣，金属-气体，也有金属-熔渣-气体体系特点：反应速度低，区域反应不一致。
反应在一定的搅拌作用下进行。
焊接化学冶金的影响因素：1熔合比:焊缝金属有填充金属和局部熔化的母材组成，在焊缝金属中母材所占用的比例2保护物质的相对量：指焊接材料或焊接过程中保护物质的含量或相对消耗量。
3熔滴过渡特性，4焊接电流/电压焊接区域气体的主要来源主要取决于焊接方法，可以分为3个部分：焊接保护性气体，杂质气体，其他气体。
焊接区气体的组成：焊接区内气体的组成除主要取决于焊接方法外，还受焊接参数的影响，对于气体保护焊：主要是保护气体（Ar、He、CO2等）而对渣保护类的焊接方法：主要焊条药皮和焊剂组分的气态热分解产物（CO2、O2、H2、H2O等）另外，无论采取何种焊接方法，焊接区都或多或少存在空气侵入和残留（N2、O2等），可以看出，对于电弧焊而言，焊接区内气体的组成主要有N2、O2、CO2、H2、H2O及某些情况下Ar、He等，另外还包括金属，熔渣的高温蒸气。
焊接区气体的分解和电离：气体分子的热分解反应是吸热反应。
气体分解反应的平衡常数K定义为某温度下分解产物的物质的量的乘积与反应物物质的量的比；解离度定义为某温度下已分解气体的物质的量与反应前气体物质的量的比。
简单气体分子：指由两个原子组成的气体分子气体解离度曲线：气体随温度的变化曲线热电离现象：在高温下气体原子转变成正离子和电子的过程就是气体的热电离现象。
氮与焊接区金属的作用：氮的来源：残留空气或侵入的空气是焊接区内氮的主要来源氮的溶解：分子溶解，离子溶解，原子溶解溶解度：一定温度下溶剂所能容纳溶质的最大浓度，又可称为平衡状态饱和浓度。
氮溶解量的影响因素：金属的性质，焊接工艺。
氮对焊接质量的影响：焊缝氮气孔，焊缝金属的脆化，焊缝金属的时效脆化。
焊接金属含氮量的影响因素及控制措施:1焊接区的保护（真空保护，熔渣保护，气体保护和渣-气联合保护），2焊接参数的影响（电弧电压）为了减少焊缝中金属中的气体含量，应尽量减少采用短弧焊接3合金元素的影响(添加碳可以有效的降低焊缝金属中的含氮量，在焊缝中添加氮化物形成元素可以抑制或消除氮在钢铁焊缝中的时效脆化现象)。
氢与焊接区金属的作用：氢的来源：水是焊接化学冶金区氢的主要来源。
氢的溶解：氢的气相溶解主要是通过氢原子的形式。
氢的溶解度：对于同一金属而言，一定温度下氢分压越大，溶解度越大，氢分压一定的情况下，温度越高，溶解度越大。
氢的形式与分布：根据氢与金属相互作用特点可以把金属分为两类：氢化物形成金属和非氢化物形成金属。
对于氢化物形成金属，含氢量不多时，氢以固溶原子形式存在于金属晶格的间隙中；当含氢量达到一定量后，氢与金属元素形成比较稳定的氢化金属，如TiH2对于非氢化物形成金属，氢主要以固溶原子形式存在于金属晶格的间隙中，然而，由于氢原子尺寸很小，扩散能力很强，即使室温条件下，也可以在金属晶格中自由扩散。
温度越高，晶格缺陷越多，或氢原子处于过饱和状态等条件，都将促进氢原子在焊缝金属中的扩散焊缝金属中这种扩散性较强的原子态氢被称为扩散氢。
当局部的氢原子浓度达到一定值后，两个氢原子将结合成一个氢分子，由于氢分子尺寸比较大，在金属晶格中很难继续扩散，从而丧失逸出焊缝金属表面的机会而永久的残留在焊缝金属内部，这种在晶格缺陷处丧失扩散能力的分子态氢被称为残余氢。
焊缝中的氢含量是指扩散氢和残余氢的总和。
氢对焊接质量的影响:1焊缝金属的氢气孔2焊缝金属的氢脆：含氢钢在室温附近中等变形速度下加载塑性明显下降的现象成为氢脆3白点：氢含量较高的碳钢或低合金钢焊缝拉伸或弯曲断面上常出现银白色圆形脆性局部断点，俗称“白点”4氢致裂纹：焊接接头在较低的温度（马氏体转变温度）产生的一种裂纹，也称延迟裂纹。
焊缝中氢含量的影响因素与控制措施：1焊接材料2工件表面状态3冶金因素（焊接区的氧化性稀土元素）4工艺因素（焊接方法与工艺焊后脱氢处理：焊后对焊件加热并保温，可以减少焊接接头中扩散氢的含量，这种用于降低焊件含氢量的焊后处理成为脱氢处理，脱氢处理主要用于珠光体钢和马氏体钢，对于奥氏体钢及铝、钛等合金，脱氢处理效果不大）氢与焊接区金属的作用：氧的来源：一部分来源于空气，一部分来源于焊接材料氧在金属中的溶解：溶解氧的金属（Fe、Ni、Ti等这些金属的氧化物能溶解于各自相应的金属中）和不溶解氧的金属（Mg、Al等形成的氧化物不溶于金属，漂浮在液体金属表面或在金属内部形成夹杂物）在钢铁材料的焊接化学冶金区，氧的溶解途径包括气相溶解和熔渣溶解。