焊接冶金课件
,焊接冶金与焊接性,焊接教研室,绪 论,1、焊接的本质和途径 2、焊接接头及其形成过程 3、焊接方法的种类和特点 4、焊接温度场和焊接热循环 5、本课程的教学目的和内容,1、焊接的本质和途径,焊接是通过加热或加压或者两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊材料形成永久连接的一种工艺。焊接的本质是使焊件达到原子间的结合。焊件可以是金属材料，也可以是非金属材料，如塑料、陶瓷等。,原子间的作用力与距离的关系,2、焊接接头及其形成过程,焊接接头 指被焊材料经焊接之后发生组织和性能发生变化的区域。由焊缝、融合区和热影响区构成。,焊缝:一般由熔化的被焊材料和添加材料经凝固 后形成的，组织和性能均不同于母材。 融合区：是焊缝与热影响区的分界线。 热影响区：母材组织和性能发生变化，但未熔化。,焊接接头的形成过程,1、焊接热过程 2、固液状态演变过程 3、焊接化学冶金过程 4、固态相变过程,3、焊接方法的种类和特点,焊接分类： 熔焊：气焊、电弧焊、高能束流焊 、电渣焊 压焊：电阻焊、摩擦焊、爆炸焊、超声波焊、扩散焊 钎焊,气 焊,利用气体燃烧的火焰作为热源的焊接方法。乙炔 (C2H2)是最常用的可燃气体。氧和乙炔燃烧的化学过程是 ：2C2H2+5O24CO+2H2+3O2+热量4CO2+2H2O+热量。,氧乙炔火焰生成的氢和二氧化碳对熔化金属有一定的保护作用。 气焊设备简单、操作灵活方便，火焰易于控制，不需要电源。所以气焊主要用于焊接厚度小于3mm以下的低碳钢薄板，铜、铝等有色金属及其合金，以及铸铁的焊补等。此外，也适用于没有电源的野外作业。 气焊火焰的温度低，热量分散，加热速度缓慢，故生产率低，工件变形严重，焊接的热影响区大，焊接接头质量不高。,气焊火焰,中性焰 氧化焰 碳化焰 中性焰：如图所示，氧气和乙炔的体积混合比为1.11.2时燃烧所形成的火焰称为中性焰，又称为正常焰。它由焰心、内焰和外焰三部分构成。中性焰在距离焰心前面14mm处温度最高，可达3150。中性焰适用于焊接低碳钢、中碳钢、普通低合金钢、不锈钢、紫铜、铝及铝合金等金属材料。,碳化焰：如图所示，碳化焰是指氧和乙炔的体积混合比小于1.1时燃烧形成的火焰。由于氧气较少，燃烧不完全，过量的乙炔分解为碳和氢，其中碳会渗到熔池中造成焊缝增碳。碳化焰比中性焰的火焰长，也由焰心、内焰和外焰构成，其明显特征是内焰呈乳白色。碳化焰最高温度为27003000。碳化焰适于焊接高碳钢、铸铁和硬质合金等材料。,氧化焰：如图所示氧和乙炔的体积混合比大于1.2时燃烧所形成的火焰称为氧化焰。氧化焰比中性焰短，分为焰心和外焰两部分。由于火焰中有过量的氧，故对熔池金属有强烈的氧化作用，一般气焊时不宜采用。只有在气焊黄铜、镀锌铁板时才采用轻微氧化焰，以利用其氧化性，在熔池表面形成一层氧化物薄膜，减少低沸点的锌的蒸发。 氧化焰的最高温度为31003300。,电 弧 焊 电弧的实质是电极与工件之间的气体介质产生强烈持久的放电现象，是气体放电的一种特殊形式。 电弧放电过程是将电能转换成热能，伴有强烈的弧光。,（1） 焊条电弧焊,1 基本原理 用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊法。,手工电弧焊有以下特点： （1）操作方便，适应性强。适用于各种钢种、各种厚度、各种位置和各种结构的焊接。特别是对不规则的焊缝、短焊缝、仰焊缝、高空和位置狭窄的焊缝，均能操作自如。 （2）焊接质量好。因电弧温度高，焊接速度较快，热影响区小，焊接接头的机械性能较为理想。 （3）易于分散应力和控制变形。采用手工电弧焊，可以通过工艺调整，来减少变形和改善应力分布。 （4）设备简单，使用维护方便。 （5）由于手工操作，生产效率低，焊工的劳动强度也比较大。 （6）焊接质量不稳定。手工电弧焊的焊接质量，与焊工的技能有关，这是手工电弧焊的最大缺点。,当今生产效率较高的机械化焊接方法之一， 又称焊剂层下自动电弧焊。 电弧在焊剂下燃烧进行焊接的方法，它是利用电 气及机械装置控制送丝和移动电弧的一种焊接方法。,（2）埋 弧 自 动 焊,埋弧自动焊的特点和应用 1）生产率高 2）焊缝质量好 3）成本低 4）劳动条件好 5）适应性差 6）对焊前准备要求严 7）焊接设备较复杂，设备费一次投资较大,（3）熔化极气体保护焊,利用连续送进的焊丝与焊件之间燃烧的电孤作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接。 常用的保护气体有氩气、氦气、二氧化碳气或这些气体的混合气。 以氩气或氦气为保护气时称为熔化极惰性气体保护电弧焊，在国际上简称为，MIG焊； 以惰性气体与氧化性气体(O2、CO2)混合气为保护气时、或以CO2气体或CO2O2混合气为保护气时，统称为熔化极活性气体保护电弧焊，在国际上简称为MAG焊。,基本原理,用连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，通过焊枪喷嘴输送保护气体。,熔化极气体保护电弧焊的主要优点： 方便地进行各种位置的焊接 速度较快 熔敷率较高 可适用于大部分主要金属，包括碳钢、合金钢。 熔化极惰性气体保护焊适用于焊接不锈钢、铝、镁、铜、钛、锆及镍合金。 MIG： Metal Inert-Gas arc welding MAG：Metal Active-Gas arc welding,（4） 钨极氩弧焊 ( TIG ),Tungsten InertGas arc welding,基本原理也称非熔化极氩弧焊，利用惰性气体作保护气体，电极用难熔金属（钨或钨合金）棒，焊件作为另一个电极。通过钨极与焊件之间产生的电弧加热和熔化焊件及填充金属，形成焊接接头。,工艺特点 保护效果好，焊接质量高； 焊接应力变形小； 操作方便，适用于空间各种位置焊接 电弧稳定,焊接成本高 设备复杂 对表面清理要求高 适用于不锈钢、耐热钢及铜、钛、铝、镁等有色金属的（3mm）薄板焊接或重要构件的打底焊,用等离子弧作为热源的焊接方法。 气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。 它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩。根据各种工件的材料性质，也有使用氦或氩氦、氩氢等混合气体的。 等离子弧焊接属于高质量焊接方法。焊缝的深/宽比大，热影响区窄，工件变形小，可焊材料种类多。,（5）等离子弧焊,等离子弧焊接的特点： （1）微束等离子弧焊可以焊接箔材和薄板。 （2）具有小孔效应，较好实现单面焊双面自由成形。 （3）等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，1012mm厚度钢材可不开坡口，能一次焊透，双面成形，焊接速度快，生产率高，应力变形小。 （4）设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。,电子束焊接,电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。 电子束焊接具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点。,电子束焊接特点为: 加热功率密度大。 焊缝熔深熔宽比(即深宽比)大。 熔池周围气氛纯度高。 由于电子束焊是在真空内用聚焦高能电子束(10kV)把接头加热到熔化温度的焊接,加热区域非常集中,因此只能焊接真空室内放得下的小零件。,激光束属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。 激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。 激光焊可以与电弧焊组成激光电弧复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比电弧焊大为减小。,激 光 束 焊,激光焊接的主要优点： （1）可将输入热量降到最低，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。 （2）可降低厚板焊接所需时间可省掉填料金属。 （3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。 （4）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。 （5）可焊材质种类范围大，可焊异质材料。 （6）不需真空，亦不需做X射线防护。 （7）若以穿孔式焊接，焊道深宽比可达10:1。,激光焊接的主要缺点： （1）焊件位置需非常精确，在激光束的聚焦范围内。 （2）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。 （3）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。 （4）能量转换效率太低，通常低于10%。 （5）焊道快速凝固，有气孔及脆化现象。 （6）设备昂贵。,电 渣 焊,利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。 在开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，并降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。 它的缺点是输入的热量大，接头在高温下停留时间长、焊缝附近容易过热，焊缝金属呈粗大结晶的铸态组织，冲击韧性低，焊件在焊后一般需要进行正火和回火热处理。,4、焊接温度场和焊接热循环,材料成形技术基础,第一节 焊接成形热过程,一 焊接热过程特点 1.焊接热过程的局部集中性 2.焊接热过程的瞬时性 3.焊接热源的移动性,二 焊接过程热效率 热效率 =Q/Q Q:焊接热源提供的热量; Q:用于加热焊件的有效热量;,真正用于焊接的有效功率P为 P= UI P:电弧功率; U:焊接电压; I:焊接电流；,焊接温度场 所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下，被焊工件上（包括内部）各点在某一瞬时的温度分布。,一、焊接传热形式及热传导方程,1.焊接传热的基本形式,焊接过程主要研究的是焊件温度变化（相当于冷却为主）因此主要以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。,2.焊接热传导的基本方程 热总是从物体的高温部位向低温部位流动，它的流动规律服从傅立叶定律。 根据傅立叶定律及能量守恒定律，可以导出任一无限大物体内部的热传导基本方程。,傅立叶定律： q=dT/dn q电流密度，即沿法线方向单位面积、单 位时间内流过的热量； 热导率（J/cmsºc),表示导热能力,焊接热传导方程 T/t=a²T a：热扩散率(cm²/s) :拉普拉斯符号(/x+ /y+ /z) 表示某时刻，物体上给定点附近温度分布越不均匀，则该点温度变化越快。 二、焊接温度场的数学表述法及数学解析的假定条件 焊接温度场的数学表达式为 T = f( x, y, z, t ）,式中，T 工件上某一瞬时某点的温度 x,y,z 工件上某点的空间坐标 t 时间 数学解析的基本假定： 物理系数=常数 初始温度均匀为零 不考虑相变、散热和结晶潜热 焊件几何尺寸是无限的 热源作用于焊件形式为点、线和面状。,根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式可以简化为： 1 厚大焊件点状热源三维温度场 2 薄板焊件线状热源二维温度场 3 细棒对接面状热源一维温度场,三、瞬时热源的传导过程,假定焊件的初始温度t=0，利用瞬时热源法比较容易求得热传导基本方程的特解。其特解为： T(r,t)= r 给定点到热源点的坐标 n 与热源有关的常数 Q焊件瞬时获得的热能,点 n=3 线 n=2 面 n=1,四、影响焊接温度场的因素,1 热源的性质（热源能量的集中性） 2 焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入）,3 被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）,4.焊件的板厚及形状,薄板焊接的温度场分布,表面堆焊和丁字接头形式温度场分布,第三节 焊接热循环,焊接时焊件在加热和冷却过程中温度随时间的变化。即焊件上某点的温度是随时间由低到高达到最大值后又由高到低的变化。称为焊接热循环。,一、焊接热循环的主要参数,1
