焊接冶金原理-北京科技大學(word)

1、第一章：冶金連接：借助物理冶金或化學冶金的方法，通過材料間的熔合、物質遷移和塑形變形等而形成的材料在原子間距水平上的連接。焊接與連接技術按連接機理分為：熔化焊（通過母材和填充材料的熔化、融和實現(xiàn)材料冶金的一類方法）、固相焊（在一定的熱、力耦合作用下，材料在固態(tài)下借助界面物質遷移或塑形變形實現(xiàn)冶金連接的一類方法）、釬焊（利用低熔點液態(tài)金屬或合金對母材的潤濕和毛細添縫而實現(xiàn)材料冶金連接的一類方法）。焊接化學冶金：熔化焊過程中焊接高溫區(qū)內(nèi)物質之間的相互作用。熔化焊的物理冶金：包括焊接過程中從焊接區(qū)到母材熱影響區(qū)內(nèi)的所有物理變化過程。焊接過程中，低含量成分元素往往受控于焊接的化學冶金過程；在熔化焊中，

2、在焊縫成分確定的條件下，焊接接頭的組織結構及完整性和性能表象上取決于焊接方法及焊接工藝，實質上受控于焊接的物理冶金過程。焊接冶金原理的研究內(nèi)容：焊接冶金原理研究探討金屬材料在熔化焊條件下的冶金普遍原理行為、規(guī)律和機理，是制定合理的焊接規(guī)范、優(yōu)化焊接工藝、提高焊接接頭性能、研究探索先進的焊接技術的理論基礎。第二章熔化焊：焊接過程中采用合適的熱源講需要連接的補位加熱至熔化狀態(tài)并且混合，在隨后的冷卻過程中熔化部位凝固，使彼此相互分離的工件形成牢固連接的一種焊接方法。焊接是一種非常復雜的熱過程，具有集中性，運動性，瞬時性和復合性四個方面。當一系列熱源共同作用時，熱傳播過程中的溫度就可以看作為每一熱源單

3、獨作用時溫度總和，被稱為疊加原理。焊接溫度場主要可以通過解析法，有限差分法和有限單元法三種方法計算。焊接工件內(nèi)各個點上的溫度的集合稱為焊接溫度場。溫度場通常是空間坐標（x,y,z）和時間變量的函數(shù)，即T=(x,y,z,t)。不隨時間而變的溫度場稱為穩(wěn)態(tài)溫度場，然而，熔化焊熱過程重要的特征是在焊件形成時變或準穩(wěn)定的焊接溫度場。對焊接熱源的要求是：熱源高度集中，快速實現(xiàn)焊接過程，保證得到高質量焊縫和最小的熱影響區(qū)。焊接熱源分為：集中熱源：就是把焊接電弧的熱能看作集中作用在某一點（點熱源）、某條線（線熱源）、某個面（面熱源）。平面分布熱源：熱源把熱能傳給焊件是通過焊件上一定的加熱面積進行的。體積分布

4、熱源：焊接熱源的熱流密度不僅作用在焊件表面上，也作用在焊件厚度方向上。點熱源，將熱源堪稱幾種在加熱斑點中心的一點。線熱源，講加熱看作為十佳在垂直于板面的一條線上。面熱源，將加熱看作為施加在一個平面上。準穩(wěn)態(tài)：當熱源移動時，位于熱源中的觀察者不會注意在他周圍的溫度變化，這種狀態(tài)成為準穩(wěn)態(tài)。焊接溫度場的影響因素：熱源的性質，焊接線能量，被焊金屬的熱物理性質，焊件厚度及形狀。焊接線能量：焊縫單位長度上輸入的熱量，即熱源功率與焊接速度的比值，被稱為焊接線能量，一般情況下，焊接熱輸入可采用線能量象征。熱導率和容積比熱容對焊接溫度場分布影響最大。焊縫之所以在同樣參數(shù)下獲得不同焊縫熔深與焊縫形貌，其本質原因

5、是焊接傳熱過程除了受到熱傳導影響外，還受到熔池內(nèi)部熱對流的影響。在金屬熔化焊過程中，焊接熱過程不僅僅是單一的熱傳導過程，還會發(fā)生激烈的對流傳熱過程。雖然在熔池內(nèi)部存在著熱傳導過程，單傳熱機制仍以熱對流為主導，而在熔池外部固態(tài)區(qū)域的傳熱機制是以熱傳導為主導。對于TIG電弧焊熔池流體的中的驅動力包括浮力，洛倫茲力，熔池表面張力和等離子力。對于高能束焊接熔池，由于存在匙孔效應，其熔池流動狀態(tài)更為復雜。等離子流力：等離子體沿著熔池表面高速向外移動，可在熔池表面施加一個向外的剪切應力。焊接熱循環(huán)是焊件上某一溫度與時間的關系，這一關系決定了該點的加熱速度，保溫時間和冷卻速度，對焊接接頭的組織與性能都有十分

6、明顯的影響。焊接熱循環(huán)：焊件上某一點溫度隨時間的變化，稱為焊接熱循環(huán)。焊接熱循環(huán)特點:加熱速度快，高溫停留時間短，空間不均勻。焊接熱循環(huán)的特征參數(shù)：加熱速度，峰值溫度，高溫持續(xù)時間（高溫持續(xù)時間可以是相變溫度停留時間），冷卻速度。焊接熱循環(huán)的影響因素：焊接方法的影響，焊接熱輸入的影響，預熱溫度的影響，接頭尺寸形狀，焊道長度焊接熱輸入：焊接熱輸入的物理意義為單位長度輸入焊縫的熱量預熱是對某些淬硬傾向較強的金屬焊接有效處理手段之一。對于大厚度的焊件，一般采用多層多道的焊接。多道焊時，開始焊接后繼焊道時前一焊道所具有的最低溫度。稱為層間溫度。對于后裔焊道而言，層間溫度相當于余熱溫度，對于前一焊道，后

7、一焊道會產(chǎn)生“后熱”的作用。根據(jù)要求不同，多層焊分為長段多層焊和短段多層焊，其熱循環(huán)存在著明顯的不同。第三章 焊接化學冶金焊接化學冶金：熔化焊過程中焊接區(qū)內(nèi)各種物質之間在焊接高溫下的相互作用統(tǒng)稱為焊接化學冶金。熔化焊過程中焊接去內(nèi)各種物質之間在焊接高溫下的相互作用成為焊接化學冶金。焊接化學冶金的主要任務是研究和探討熔化焊條件下焊接去物質（金屬材料，保護材料及空氣）間的冶金熱力學相互作用的方向和限度行為，規(guī)律和機理。焊接保護方式：熔渣保護、氣體保護、渣-氣聯(lián)合保護、真空保護和自保護。熔渣保護：熔渣保護主要利用焊劑或焊條藥皮熔化形成的熔渣覆蓋在焊接去金屬（熔滴和熔池）表面講空氣隔開而實現(xiàn)保護，典型

8、的焊接方法主要有焊條電弧焊，埋弧焊等。氣體保護：氣體保護是利用外加氣體對焊接去金屬進行保護的一類焊接保護方式。渣-氣聯(lián)合保護：渣-氣聯(lián)合保護是利用熔渣和氣體聯(lián)合進行保護的方式。真空保護：真空保護則是將空氣從焊接區(qū)抽離而實現(xiàn)保護的。自保護：自保護焊是通過在焊絲中添加脫氧劑和脫氮劑，焊接過程中脫氧劑和脫氮劑與由空氣進入焊接去金屬的氧和氮反應生成氧化物和氮化物并形成熔渣，從而實現(xiàn)降低焊縫金屬中氧和氮含量的方法。焊接化學冶金體系是指焊接過程中熱源作用區(qū)域內(nèi)金屬，熔渣，氣體等物質的總和。上述五種保護方式大致可以分為“金屬-熔渣”“金屬-氣體”“金屬-熔渣-氣體”三種化學體系。焊接化學冶金系統(tǒng)特點：焊接冶

9、金反應區(qū)(3個)，焊接化學冶金系統(tǒng)的非平衡性（焊接化學冶金系統(tǒng)的另一個特點是非平衡性，這是由其開放性、溫度不均勻性和過程的短暫性所決定的）焊接化學冶金系統(tǒng)是由焊接去母絲、焊絲、熔池、熔滴、熔渣和氣體等構成的高溫固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)系統(tǒng)。藥皮反應區(qū)：藥皮反應去是指焊條端部藥皮開始發(fā)生變化的溫度到藥皮熔點之間的區(qū)域。熔滴反應區(qū)：熔滴反應去是指從焊條端部熔滴形成、長大到過渡至熔池前的整個區(qū)域。特點：反應溫度高，時間短，反應相之間的接觸面積大且混合強烈。熔池反應區(qū)：熔池反應區(qū)是指熔化焊方法共有的反應區(qū)，隨焊接方法的不同，其反應體系即有金屬-熔渣，金屬-氣體，也有金屬-熔渣-氣體體系 特點：反應速度低，區(qū)域

10、反應不一致。反應在一定的攪拌作用下進行。焊接化學冶金的影響因素：1熔合比:焊縫金屬有填充金屬和局部熔化的母材組成，在焊縫金屬中母材所占用的比例 2保護物質的相對量：指焊接材料或焊接過程中保護物質的含量或相對消耗量。3熔滴過渡特性，4焊接電流/電壓焊接區(qū)域氣體的主要來源主要取決于焊接方法，可以分為3個部分：焊接保護性氣體，雜質氣體，其他氣體。焊接區(qū)氣體的組成：焊接區(qū)內(nèi)氣體的組成除主要取決于焊接方法外，還受焊接參數(shù)的影響，對于氣體保護焊：主要是保護氣體（Ar、He、CO2等）而對渣保護類的焊接方法：主要焊條藥皮和焊劑組分的氣態(tài)熱分解產(chǎn)物（CO2、O2、H2、H2O等）另外，無論采取何種焊接方法，焊

11、接區(qū)都或多或少存在空氣侵入和殘留（N2、O2等），可以看出，對于電弧焊而言，焊接區(qū)內(nèi)氣體的組成主要有N2、O2、CO2、H2、H2O及某些情況下Ar、He等，另外還包括金屬，熔渣的高溫蒸氣。焊接區(qū)氣體的分解和電離：氣體分子的熱分解反應是吸熱反應。氣體分解反應的平衡常數(shù)K定義為某溫度下分解產(chǎn)物的物質的量的乘積與反應物物質的量的比；解離度定義為某溫度下已分解氣體的物質的量與反應前氣體物質的量的比。簡單氣體分子：指由兩個原子組成的氣體分子氣體解離度曲線：氣體隨溫度的變化曲線熱電離現(xiàn)象：在高溫下氣體原子轉變成正離子和電子的過程就是氣體的熱電離現(xiàn)象。氮與焊接區(qū)金屬的作用：氮的來源：殘留空氣或侵入的空氣是

12、焊接區(qū)內(nèi)氮的主要來源氮的溶解：分子溶解，離子溶解，原子溶解溶解度：一定溫度下溶劑所能容納溶質的最大濃度，又可稱為平衡狀態(tài)飽和濃度。氮溶解量的影響因素：金屬的性質，焊接工藝。氮對焊接質量的影響：焊縫氮氣孔，焊縫金屬的脆化，焊縫金屬的時效脆化。焊接金屬含氮量的影響因素及控制措施:1焊接區(qū)的保護（真空保護，熔渣保護，氣體保護和渣-氣聯(lián)合保護），2焊接參數(shù)的影響（電弧電壓）為了減少焊縫中金屬中的氣體含量，應盡量減少采用短弧焊接 3合金元素的影響(添加碳可以有效的降低焊縫金屬中的含氮量，在焊縫中添加氮化物形成元素可以抑制或消除氮在鋼鐵焊縫中的時效脆化現(xiàn)象)。氫與焊接區(qū)金屬的作用：氫的來源：水是焊接化學冶

13、金區(qū)氫的主要來源。氫的溶解：氫的氣相溶解主要是通過氫原子的形式。氫的溶解度：對于同一金屬而言，一定溫度下氫分壓越大，溶解度越大，氫分壓一定的情況下，溫度越高，溶解度越大。氫的形式與分布：根據(jù)氫與金屬相互作用特點可以把金屬分為兩類：氫化物形成金屬和非氫化物形成金屬。對于氫化物形成金屬，含氫量不多時，氫以固溶原子形式存在于金屬晶格的間隙中；當含氫量達到一定量后，氫與金屬元素形成比較穩(wěn)定的氫化金屬，如TiH2對于非氫化物形成金屬，氫主要以固溶原子形式存在于金屬晶格的間隙中，然而，由于氫原子尺寸很小，擴散能力很強，即使室溫條件下，也可以在金屬晶格中自由擴散。溫度越高，晶格缺陷越多，或氫原子處于過飽和狀

14、態(tài)等條件，都將促進氫原子在焊縫金屬中的擴散 焊縫金屬中這種擴散性較強的原子態(tài)氫被稱為擴散氫。當局部的氫原子濃度達到一定值后，兩個氫原子將結合成一個氫分子，由于氫分子尺寸比較大，在金屬晶格中很難繼續(xù)擴散，從而喪失逸出焊縫金屬表面的機會而永久的殘留在焊縫金屬內(nèi)部，這種在晶格缺陷處喪失擴散能力的分子態(tài)氫被稱為殘余氫。焊縫中的氫含量是指擴散氫和殘余氫的總和。氫對焊接質量的影響:1焊縫金屬的氫氣孔 2焊縫金屬的氫脆：含氫鋼在室溫附近中等變形速度下加載塑性明顯下降的現(xiàn)象成為氫脆 3白點：氫含量較高的碳鋼或低合金鋼焊縫拉伸或彎曲斷面上常出現(xiàn)銀白色圓形脆性局部斷點，俗稱“白點” 4氫致裂紋：焊接接頭在較低的溫

15、度（馬氏體轉變溫度）產(chǎn)生的一種裂紋，也稱延遲裂紋。焊縫中氫含量的影響因素與控制措施：1焊接材料 2工件表面狀態(tài) 3冶金因素（焊接區(qū)的氧化性 稀土元素） 4工藝因素（焊接方法與工藝 焊后脫氫處理：焊后對焊件加熱并保溫，可以減少焊接接頭中擴散氫的含量，這種用于降低焊件含氫量的焊后處理成為脫氫處理，脫氫處理主要用于珠光體鋼和馬氏體鋼，對于奧氏體鋼及鋁、鈦等合金，脫氫處理效果不大）氫與焊接區(qū)金屬的作用：氧的來源：一部分來源于空氣，一部分來源于焊接材料氧在金屬中的溶解：溶解氧的金屬（Fe、Ni、Ti等這些金屬的氧化物能溶解于各自相應的金屬中）和不溶解氧的金屬（Mg、Al等形成的氧化物不溶于金屬，漂浮在液

16、體金屬表面或在金屬內(nèi)部形成夾雜物）在鋼鐵材料的焊接化學冶金區(qū)，氧的溶解途徑包括氣相溶解和熔渣溶解。鐵液中氧的溶解度是指與熔渣（FeO）共存時鐵液中氧的飽和量。液體金屬的氧化：1鐵的氧化（產(chǎn)物FeO） 2合金元素的氧化（C Si Mn） 焊縫金屬的氧含量包括原子氧和金屬氧化物。氧對焊接質量的影響：力學性能，物理、化學性能，CO氣孔，焊接工藝功能?？刂坪缚p金屬含氧量的措施：凈化材料、強化保護、冶金脫氧（冶金脫氧不適于鋁，鈦等活性金屬及其合金的焊接）焊接熔渣：焊接材料（焊條藥皮和焊劑）在焊接熱源高溫作用下經(jīng)過一系列物理化學變化得到的復雜結構物質，其基本組成包括各種物質的金屬氧化物，金屬氟化物及金屬氯

17、化物等。焊接熔渣的作用：保護焊接區(qū)金屬、調控焊接化學冶金、改善焊接工藝性能。焊接熔渣的分類：氧化物型熔渣、氧化物-鹽型熔渣、鹽型熔渣。熔渣的性質：1熔渣的堿度：構成熔渣的所有氧化物中堿性氧化物所占的比例 離子結構理論的熔渣堿度：在熔渣離子結構理論模型中，熔渣的堿度被定義為自由氧離子的濃度（或氧離子的濃度） 2熔渣的黏度：熔渣內(nèi)部相對運動時的內(nèi)摩擦力 (在熔點附近隨溫度降低升高的熔渣被稱為短渣，而黏度隨溫度變化緩慢的熔渣被稱為長渣。 3熔渣的表面張力 熔渣的表面張力和黏度有很緊密的聯(lián)系，通常黏度越大張力越大，并且都隨溫度升高而降低，但是也不盡然，本質上兩者不同，黏度與分子的結構形態(tài)有關，而表面張

18、力則取決于內(nèi)部質點間的作用力（或結合鍵），鍵能越大，表面張力越大。4熔渣的熔點：一般將熔渣開始熔化的溫度成為熔渣的熔點?；钚匀墼貉趸镄腿墼邢蚝缚p金屬過渡氧的傾向，這類熔渣成為活性熔渣?；钚匀墼鼘饘俚难趸腥N機制:擴散氧化、置換氧化、電化學氧化。擴散氧化主要在熔滴階段和熔池高溫區(qū)進行，置換氧化主要發(fā)生在熔滴反應區(qū)和熔池頭部的高溫區(qū)，陽極反應使液體金屬增氧，陰極反應使焊縫金屬脫氧。焊接區(qū)金屬的脫氧：通過焊接冶金反應減少焊接區(qū)金屬的氧化和從液態(tài)金屬中派出氧的過程，旨在減少焊縫金屬中的氧含量。先期脫氧：固態(tài)焊接材料內(nèi)部發(fā)生的冶金脫氧反應 沉淀脫氧：液體金屬中的脫氧劑與溶解氧結合形成氧化物并脫

19、離液體金屬進入熔渣的過程，發(fā)生在焊接化學冶金和熔池反應區(qū)。脫氧劑應該滿足的條件：化學條件是在焊接溫度下與氧的親和力大于被還原金屬與氧的親和力；物理條件是脫氧產(chǎn)物易于與液體金屬分離，即不溶于液態(tài)金屬，密度小于液態(tài)金屬，熔點低于被焊金屬的熔點。擴散脫氧與擴散氧化互為逆過程，都是基于FeO在熔渣與液體中的平衡分配，凡是抑制擴散氧化的因素，都能促進擴散脫氧。熔渣中的脫硫作用：1硫的危害：焊縫中的硫化物與基體金屬形成低熔點的共晶組織，在熔池凝固過程中增加焊縫熱裂紋的敏感性。2 焊接區(qū)硫的來源：焊接材料的焊劑和焊條藥皮等。3脫硫反應：理應與硫親和力大的合金元素與硫結合生成穩(wěn)定的硫化物，并使硫化物與液體金屬

20、分離而進入熔渣。熔渣中的脫磷作用：1磷的危害：降低鋼的沖擊韌度，一般應將其質量分數(shù)控制在1.2%以下。 2焊接區(qū)磷的來源：焊劑和焊條藥皮中的礦石類是焊縫金屬磷的主要來源。3脫磷反應：先用FeO將磷氧化生成氧化磷，再用強堿性氧化物與氧化磷生成穩(wěn)定的復合化合物（磷酸鹽）。焊縫金屬的合金化：通過焊接材料將所需要的合金元素添加到焊縫金屬中的過程。合金化的目的：補充燒損的合金元素、消除焊接缺陷、改善焊縫的組織與性能、獲得特殊性能的堆焊層。合金化的方式：合金焊絲或合金帶極、藥芯焊絲、焊條藥皮或粘結焊劑、合金粉末、熔渣還原反應。合金過渡系數(shù)：熔敷金屬中某合金元素的質量分數(shù)與所消耗的金屬態(tài)焊接材料（焊芯、焊絲

21、、焊條藥皮和焊劑中的金屬粉劑）中同一合金元素初始平均質量分數(shù)比值。影響合金過渡系數(shù)的因素：合金元素的物理化學性質、焊接方法（焊接方法決定了焊接化學冶金區(qū)反應物組成和反應條件）、其他因素（合金顆粒增大（相對較小的比表面積），過渡系數(shù)增大，直流反極性對液體金屬的氧化較為嚴重，直流反接過渡系數(shù)?。?。焊條：一種專門用于焊條電弧焊的焊接材料，由一定長度的金屬外表涂上特殊涂層制成，其中的金屬絲稱為焊絲，外部的特殊涂層成為焊條藥皮。焊芯的作用：作為電弧的一級，起導電作用；焊接過程中本身熔化作為填充金屬。焊條藥皮：主要是在焊接過程中造渣、造氣、穩(wěn)弧和合金化。按熔渣的堿度分類：酸性焊條（藥皮含較多酸性氧化物），

22、堿性焊條（含較多堿性氧化物）按藥皮質量系數(shù)（藥皮與焊芯的質量比值）分為：厚藥皮焊條，薄藥皮焊條。焊絲：用作焊接填充材料的金屬絲，是埋弧焊、氣體保護電弧焊、電渣焊等焊接方法中廣泛應用的焊接材料 實心焊絲：由熱軋線材經(jīng)拉拔加工而成，為防止生銹，一般焊絲表面需要鍍銅處理。藥芯焊絲：芯部裝有藥粉的焊絲焊劑：由各種氧化物和氟化物組成，功能與作用與藥皮相似，也是在焊接過程中造氣，造渣對焊接去金屬起保護和冶金處理作用。第四章 自發(fā)形核是指新晶核在液相中直接形成，即晶核由液相中的一些原子團直接形成，此時，新相在液相中是均勻星河的，因此又稱作均勻形核；非自發(fā)形核有時又稱作異質形核，是指新相優(yōu)先依附在液相中的雜質

23、表面或外來表面形核。異質形核通常是指液體凝固結晶時以異質質點為核心形核的一種現(xiàn)象。成分過冷：需作圖由于過冷條件不同，可以將凝固結晶形態(tài)分為平面結晶，胞狀結晶，胞狀樹枝結晶，樹枝結晶和等軸結晶五種。平面結晶：當固液界面前沿溫度梯度G為正且比較大時，固態(tài)界面前沿實際溫度曲線T不與液相線TL相交，因此不出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象，此時，凝固所釋放的熱量全部靠界面后方的固體運輸，使結晶界面緩慢的向前推移，結晶呈平面狀態(tài)，成為平面結晶。胞狀結晶：當固液前沿實際溫度曲線與液相線TL距離較短時，即具有較小成分過冷時，便出現(xiàn)胞狀結晶胞狀樹枝結晶： 距離較大樹枝狀結晶：當界面前沿成分過冷進一步增大，即固液界面前沿實際溫度

24、曲線T與TL相交的距離很大時，在一個晶體內(nèi)除產(chǎn)生一個很長的主干外，還向四周伸出二次橫枝，因而產(chǎn)生明顯的樹枝狀結晶。等軸結晶：當液相中的溫度梯度G很小時，能在液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，此時不僅在結晶前沿形成樹枝狀結晶，同時也能在液相的內(nèi)部生核，產(chǎn)生新的晶核。這些晶核的四周不受阻礙，可以自由成長，形成等軸晶。當焊縫金屬成分和晶體結構與基體金屬相近甚至基本相同時，熔池凝固過程中最常見的一種形核機制是在熔合區(qū)附近被加熱到半熔化狀態(tài)的基體金屬晶粒表面直接形核，這種現(xiàn)象實際上是熔化的焊縫金屬直接在現(xiàn)有晶粒上長大，成為 聯(lián)生結晶 或 外延生長。熔池邊界不同位置凝固結晶速率、生長方向和結晶形態(tài)的變化，實際上

25、反映了焊縫中從焊縫邊界向焊縫中心生長的柱狀晶在不同位置的結晶生長速率、方向和顯微形態(tài)的變化（圖）焊縫凝固組織一般由柱狀晶和等軸晶組成:在焊縫中心區(qū)域，由于過冷度大，溫度梯度小，時常形成等軸晶；從焊縫邊界到中心等軸晶區(qū)之間是柱狀晶。在焊縫邊界，柱狀晶生長方向與焊縫垂直(=90°)，而在焊縫中心線，如果等軸晶不錯在，柱狀晶生長方向與焊接方向一致(=0°)生長方向即主軸方向。焊縫參數(shù)對焊縫凝固組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面:對焊縫柱狀晶結晶主軸方向的影響和對顯微結晶形態(tài)及其結構尺度（枝晶臂和胞間距等）的影響。焊接熱輸入不變時，隨著焊接速度的增大，焊接柱狀晶結晶主軸方向與焊接方向的夾角

26、增大，在較高的焊接速度條件下，焊縫柱狀晶主軸將變得比較直，而且近乎垂直焊縫。焊縫顯微凝固結晶形態(tài)及其結構尺寸主要由固/液界面前沿溫度梯度G和凝固生長速率R控制：G/R決定微觀結晶形態(tài)，而G·R影響微觀組織的尺寸。一般而言，在組織形態(tài)上，柱狀晶對焊縫性能不利，而等軸晶組織有利于獲得良好的強韌性；在結構尺度上，焊縫的顯微組織越細小，焊縫綜合性能越好。調控的實現(xiàn)途徑通?？梢詮囊苯鸷凸に噧煞矫婵紤]，冶金措施主要通過添加合金元素或形核劑進行變質處理，工藝措施主要有焊接參數(shù)的優(yōu)化、脈沖電流焊、熔池震動和電磁攪拌等。變質處理：一種促進待凝固液體中形成異質形核質點，增加非自發(fā)形核而細化凝固組織的冶金

27、處理技術。焊縫金屬的不均勻性包括化學成分的不均勻性、氣孔和夾雜等。凝固結束后故鄉(xiāng)中的成分是不均勻的，即存在成分偏聚，也就是通常所說的凝固偏析。焊縫中的化學不均勻性主要表現(xiàn)為顯微偏析，區(qū)域偏析和層狀偏析三種。顯微偏析：指晶粒尺度層面的成分偏析現(xiàn)象，最典型的顯微偏析是境界相對于晶粒內(nèi)部的成分偏析，因此也稱晶間偏析。區(qū)域偏析：焊縫中的化學成分不均勻，主要是指焊縫中心區(qū)域成分明顯區(qū)別于焊縫其他區(qū)域的現(xiàn)象。層狀偏析：焊縫中成分或雜質呈現(xiàn)層狀分布的一種現(xiàn)象。改善焊縫成分不均勻性的方向是促進焊縫形成等軸晶，并細化焊縫晶粒。氣孔按照機理分為：析出型氣孔，反應型氣孔，金屬蒸氣孔。析出型氣孔：高溫下熔池金屬中氣體

28、的溶解度隨溫度降低急劇下降，析出的氣體來不及逸出而形成的，最常見的是氫氣孔和氮氣孔。反應型氣孔：焊接過程中的冶金反應產(chǎn)生的不溶于熔池金屬的反應性氣體而形成的一類氣孔。金屬蒸氣孔：焊接熔池的金屬蒸氣有時也有可能在焊縫中形成氣孔。氣孔的控制措施：消除氣孔來源，正確選擇焊接材料，堿性焊條可以有效的減小氫氣氣孔的傾向。優(yōu)化焊接工藝。焊縫中的夾雜是指焊縫中的雜質，一般是指金屬中正常組成之外的固態(tài)物質，常見的有氧化物，氮化物和硫化物。氧化物夾雜主要在熔池的冶金反應過程中形成，只有少數(shù)因焊接操作不當，在液態(tài)熔池金屬內(nèi)混入熔渣而形成。氮化物夾雜通常使焊縫的硬度增大，而塑性和韌性降低。硫化物夾雜主要有MnS和F

29、eS，其中以FeS對焊縫性能的危害最大，其主要原因是FeS沿晶界析出，與Fe或FeO形成低熔共晶，降低焊縫性能，促進熱裂紋的形成。夾雜防護措施：材料：控制母材和焊接材料中硫和磷的含量，合理選擇焊條，焊劑等焊接材料，保證過程中能夠充分脫氧，脫硫；工藝：加強焊接保護，防止空氣侵入熔池，并優(yōu)化焊接參數(shù)，以利于熔渣的浮出。焊縫的固態(tài)轉變行為和組織由焊縫金屬的化學成分和焊接條件（冷卻條件）決定。類型：鐵素體轉變，珠光體轉變，貝氏體轉變和馬氏體轉變鐵素體轉變：先共析鐵素體(晶界鐵素體)是焊縫冷卻到一定溫度（770-680）下，最先析出的一類鐵素體。側板條鐵素體的形成溫度比晶界鐵素體低（700-550），針

30、狀鐵素體的形成溫度比側板條鐵素體更低些。（500）當鋼中有細化晶粒的元素（Ti,B）存在且轉變溫度較低時，在奧氏體內(nèi)可形成細小的鐵素體，成為細晶鐵素體。珠光體轉變：在緩慢冷卻條件下珠光體轉變大體發(fā)生在Ar1550°之間，其轉變產(chǎn)物是鐵素體和滲碳體的兩相混合物。根據(jù)組織中滲碳體的形態(tài)，可分為片狀珠光體（片層珠光體，索氏體，托氏體）和粒狀珠光體兩種。在鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織，成為粒狀珠光體。貝氏體轉變：奧氏體化的鋼冷卻到（約500°）Ms溫度范圍進行等溫將發(fā)生貝氏體轉變。（上貝氏體，下貝氏體，粒狀貝氏體和條狀貝氏體）。馬氏體轉變：馬氏體轉變是典型的非擴散型相變，此

31、時鐵原子都不能擴散，相變過程完全依靠切變進行點陣重構，沒有成分變化，按組織形態(tài)分類，馬氏體主要有板條馬氏體和片狀馬氏體兩種。低碳鋼焊縫含碳量較低，其固態(tài)轉變組織通常都是鐵素體加少量珠光體，隨冷卻速度提高，焊縫珠光體增加，低合金鋼焊縫的固態(tài)轉變組織比較豐富，隨焊接材料化學成分和焊接條件的不同，上述固態(tài)轉變類型及其組織在低合金鋼焊縫中均有出現(xiàn)的可能，一般情況下是幾種組織的混合組織。影響低合金鋼焊縫固態(tài)轉變的因素主要包括合金元素，氧含量、焊接工藝等；焊縫固態(tài)轉變組織的調控措施有冶金調控、焊接參數(shù)調控、焊后熱處理和多層焊接等。第五章熔合區(qū)是焊縫與熱影響區(qū)之間的過渡區(qū)域。熔合區(qū)既是成分、組織、性能等極不

32、均勻區(qū)域，又可能是應力集中區(qū)。在很多材料的熔合區(qū)常常會出現(xiàn)液化裂紋，氫致裂紋和偏析等缺陷。熔合區(qū)在組織結構上大體上可分為非對流混合區(qū)、熔合線和部分熔化區(qū)。非對流混合區(qū)是接近熔合線TL處熔化但未充分與填充材料混合的母材金屬，基本上未經(jīng)過對流混合而可能經(jīng)擴散混合的熔池邊界區(qū)，凝固后形成的以母材成分為主的化學成分不均勻區(qū)域。部分熔化區(qū)是接近熔化線處母材金屬晶粒邊界（或金屬內(nèi)部）發(fā)生不同程度熔化的區(qū)域，在焊接過程中屬于固/液混合區(qū)。熔合線為焊接接頭橫截面上焊縫金屬和母材金屬的分界線，即熔化焊時，未熔化的母材金屬晶粒上的邊緣連線。焊縫區(qū)和熔合區(qū)有時會發(fā)生部分重疊，即焊縫區(qū)由對流混合區(qū)和非對流混合區(qū)組成。

33、熔合區(qū)的特性：化學成分的不均勻性，組織的不均勻性、晶體缺陷的不均勻性、力學的不均勻性（主要表現(xiàn)為硬度分布不均勻并具有較高的殘余應力）在異種金屬熔化焊過程中，常常在熔池的邊界出現(xiàn)與母材成分大題相同而與熔池金屬成分不同的熔化過渡區(qū)，被稱為“非對流混合區(qū)”。影響非對流混合區(qū)的主要因素：填充材料與母材匹配，外加振動場，焊接方法和焊接參數(shù)的影響。熔合線：在焊接過程中，熔化的熔池金屬（冷卻后凝固）與固態(tài)母材金屬的分界線被稱為熔合線。熔合線有熔池底部幾排原子排列不規(guī)則的原子層構成，但本質上不同于熔合區(qū)或半熔合區(qū)。實際上，熔合線在微觀上并不是一條光滑的曲線，而是成不規(guī)則的類似鋸齒形，甚至有“曲折”的現(xiàn)象。在某

34、些材料的焊接過程中，接近熔合線附近的母材可能發(fā)生部分熔化，形成部分熔化區(qū)(或半熔化區(qū))，熔化焊是一個不均勻的局部加熱過程，這種加熱特點的一個重要表現(xiàn)就是溫度在空間上的不均勻的連續(xù)分布。部分熔化區(qū)域液化機理及組織轉變：共晶組織直接熔化機制 AxBy與基體的共晶反應機制（在合金中孤立的AxBy也可以與基體發(fā)生共晶反應出現(xiàn)液化）（在升溫速度很快的條件下，即使在遠低于該成分的平衡固相線溫度TS1時，也可能出現(xiàn)局部液化現(xiàn)象，這種液化現(xiàn)象通常又稱為組分液化。） 基體直接熔化機制 晶界偏析液化 P187部分熔化區(qū)微觀組織特征：液化金屬凝固的方向性，晶界偏析，晶界凝固模式。部分熔化區(qū)是焊接接頭比較脆弱的區(qū)域，

35、經(jīng)常會出現(xiàn)液化裂紋和強度與韌性損失等問題。通常情況下，異種焊接接頭出現(xiàn)碳的遷移可劃分為兩種類型：一種是在含鋁，硅的低合金鋼接頭中，在焊接過程中極短的時間內(nèi)發(fā)生劇烈的遷移；另一種是碳鋼，鉻鋼，鉻鉬鋼等系鋼和鉻鎳系鋼接頭中，在焊接過程中一般不發(fā)生劇烈的碳遷移，必須進行焊后熱處理（500°-700°）并保持較長時間，或在上述溫度下長期使用，才能發(fā)生劇烈的碳遷移現(xiàn)象。稱前者為焊態(tài)碳遷移，后者為熱處理碳遷移。碳遷移的影響因素：固/液相碳的分配特性，化學成分，晶體結構的影響，焊后回火的影響。第六章：1、焊接熱影響區(qū)：接近焊縫區(qū)的固態(tài)母材發(fā)生明顯的組織或性能變化的區(qū)域。熱影響區(qū)可能發(fā)生軟

36、化、硬化、脆化和耐蝕性下降等問題。2、焊接熱循環(huán)特征：加熱速度快、峰值溫度高、高溫停留時間段、冷卻速度快。3、焊接熱影響區(qū)組織轉變特點：組織轉變的非平衡性、組織轉變的不均勻性、成分分布的不均勻性、組織轉變的復雜性。4、形變強化（加工硬化）：隨變形程度的增加，材料的強度、硬度升高，塑形、韌性下降的現(xiàn)象。5、單純的形變強化材料熱影響區(qū)的組織轉變一般僅存在再結晶與晶粒長大兩個過程。6、形變強化材料熱影響區(qū)分為部分再結晶區(qū)（對應于熱循環(huán)峰值溫度在開始再結晶溫度與完全再結晶溫度之間）、完全再結晶區(qū)（對應于熱循環(huán)溫度在完全再結晶溫度與晶粒劇烈長大溫度之間）、過熱區(qū)（對應于熱循環(huán)峰值溫度在晶粒劇烈長大溫度與

37、材料固相線溫度之間）。7、沉淀強化（析出強化、時效強化）：金屬在過飽和固溶體中溶質原子偏聚區(qū)和由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導致強化的的現(xiàn)象。8、單純的沉淀強化金屬熱影響區(qū)大體劃分為過時效區(qū)和淬火區(qū)。9、相變強化：合金化的金屬材料，通過熱處理等手段發(fā)生固態(tài)相變，獲得需要的組織結構，使金屬材料得到強化。10、相變強化材料熱影響區(qū)按晶粒度劃分為粗晶區(qū)、細晶區(qū)和部分細晶區(qū)。按熱處理狀態(tài)，不易淬火鋼分為過熱區(qū)、相變重結晶區(qū)、部分重結晶區(qū)；易淬火鋼分為淬火區(qū)、部分淬火區(qū)、回火區(qū)。11、焊接熱影響區(qū)的性能損傷主要包括軟化、硬化、脆化、耐蝕性和疲勞性能等。12、熱影響區(qū)硬度：再結晶軟化、過時效軟化、鋼的高

38、溫回火軟化；鋼的硬化是鋼焊接熱影響區(qū)的一個比較普遍的現(xiàn)象。13、熱影響區(qū)韌性：韌性是材料在塑形應變和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強度和塑形的綜合表現(xiàn)。14、脆化：粗晶脆化（焊接熱影響區(qū)因晶粒粗大而發(fā)生韌性降低的現(xiàn)象）、組織脆化（焊接熱影響區(qū)因形成脆硬組織而引起韌性降低的現(xiàn)象；包括片狀馬氏體脆化、M-A組元脆化、遺傳脆化）、時效脆化（包括熱應變時效脆化、相析出時效脆化）。15、奧氏體不銹鋼熱影響區(qū)敏化腐蝕：焊接熱影響區(qū)中加熱峰值溫度處于敏化加熱區(qū)間的部位所發(fā)生的晶間腐蝕。措施：焊后熱處理、降低碳含量、添加強碳化物形成元素、采用高速焊接減小敏化區(qū)停留時間。16、鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)敏化腐蝕：對

39、敏化處理的鐵素體不銹鋼在650-815攝氏度溫度范圍進行10-60min退火處理可以避免晶間腐蝕。17、熔合區(qū)刀口腐蝕：避免措施：焊后熱處理、使用低碳不銹鋼、調整焊接工藝、添加稀土金屬元素。18、焊接熱/力物理模擬技術的實質是采用實驗的方法研究焊接熱影響區(qū)的某一特征組織區(qū)域方法，以方便評估該區(qū)域的力學性能。19、焊接熱模擬技術應用：研究焊接熱影響區(qū)不同區(qū)段的組織及力學性能、研究各類焊接裂紋的形成條件及產(chǎn)生機理、繪制模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉變圖。第七章：1、焊接熱裂紋：形成于焊接冷卻過程的高溫階段。宏觀上，焊接熱裂紋的位置主要在焊縫區(qū)，少量在熱影響區(qū)。2、焊接熱裂紋分為：結晶裂紋（凝固裂紋，焊

40、縫凝固結晶最后階段，在固相線附近，由于殘余液體金屬不能及時填充因金屬凝固收縮所形成的間隙，在拉應力作用下發(fā)生的一種沿晶開裂）、高溫液化裂紋（近縫區(qū)或多層焊的層間部位在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下，由于被焊金屬晶界含有較多的低熔共晶而被重新熔化，在拉應力作用下發(fā)生的沿晶開裂）、多邊化裂紋（焊接時焊縫或近縫區(qū)在固相線稍下的高溫區(qū)，在應力作用下沿二次“多邊化邊界”所形成的裂紋）。3、裂紋產(chǎn)生的基本條件是材料的拉伸變形量超過他的塑形變形能力，結晶裂紋也是金屬的低塑形和拉伸應力共同作用下的結果。4、焊接結晶裂紋影響因素：1、冶金因素：（1）結晶溫度區(qū)間：結晶裂紋傾向隨結晶過程中脆性溫度區(qū)間增大而增大，而結

41、晶脆性溫度區(qū)間隨合金相圖結晶溫度區(qū)間的增大而增加（2）凝固結晶組織：一般來說，凝固結晶的晶粒越粗大、方向性越強，越容易在晶界形成大面積的液態(tài)薄膜，形成結晶裂紋的傾向越大（3）化學成分；2、工藝因素：（1）冷卻速度：接頭冷卻速度越大，焊接變形和應力越大，越易于促進產(chǎn)生熱裂紋（2）拘束度的影響5、焊接結晶裂紋的控制措施：1、冶金措施：（1）控制焊縫金屬雜質含量：為了預防結晶裂紋，焊接過程中必須嚴格控制焊縫金屬硫、磷等雜質元素的含量（2）改善焊縫的凝固組織：主要指細化晶粒，減少或消除柱狀晶（3）增加低熔共晶液相的量；2、工藝措施：（1）控制熔合比（2）合理設計焊接結構和接頭形式（3）優(yōu)化焊接工藝。6

42、、焊接冷裂紋可分為：延遲裂紋（冷裂紋中最常見，形成溫度在馬氏體轉變溫度以下；不在焊后立即出現(xiàn)，有一段孕育期，具有明顯的延遲特征）、淬硬脆化裂紋（淬火裂紋，一些淬硬傾向很大的鋼在拘束應力作用下形成的裂紋）、低塑形脆化裂紋（塑形較低的材料冷至低溫時，由于收縮力而引起的應變超過了材質本身所具有的塑形儲備或材質變脆而產(chǎn)生的裂紋）。7、焊接延遲裂紋形成機理：“氫”“組織”“應力”是延遲裂紋的三大要素。（1）氫的作用：應力誘導擴散，相變誘導擴散（2）組織硬化作用：焊縫或熱影響區(qū)的淬硬程度越高或淬硬馬氏體數(shù)量越多，越易形成冷裂紋。CE=（c）+(（Mn）)/6+(（Cu+Ni）)/15+(（Cr+Mo+V）

43、)/5（3）應力的作用：拘束度越大，碳當量越高，用容易形成冷裂紋。隨碳當量增加，形成裂紋的臨界拘束度降低；反之拘束度增大，形成裂紋的臨界碳當量降低。8、拘束度：使接頭根部間隙發(fā)生單位長度的彈性位移時，單位長度焊縫所承受的力。R=F/（ls）9、臨界關系和判據(jù)：（1）臨界氫的擴散量：隨著擴散氫的增加，焊接接頭延遲裂紋敏感性增加（2）臨界應力：鋼的碳當量越高、接頭淬硬傾向越大、含氫量越高，形成延遲裂紋的臨界應力越低；預熱或后熱越充分，臨界應力越高；（3）臨界越熱溫度：鋼的碳當量和接頭的含氫量越高、拘束度越大，避免延遲裂紋的臨界預熱溫度越高。（4）臨界冷卻時間10、焊接冷裂紋控制措施：1、冶金措施：

44、（1）選用低氫或超低氫焊條（2）選用低強焊條（3）選用奧氏體焊條；2、焊接工藝措施：（1）選用低氫的焊接方式（2）焊前預熱（3）焊后熱處理（4）控制焊接熱輸入（5）采用多層焊11、再熱裂紋：含有某些沉淀強化合金元素的鋼材的厚板焊接結構在進行消除應力熱處理或在一定溫度下服役的過程中，在焊接熱影響區(qū)粗晶部位形成的裂紋。機理：近縫區(qū)粗晶區(qū)應力集中部位的晶界變形量超過其塑形變形能力而導致的。影響因素及預防措施：（1）成分因素：主要指合金元素的種類及含量，對近縫區(qū)粗晶區(qū)的晶粒長大行為及塑形有決定性影響，是影響再熱裂紋敏感性的內(nèi)因。（2）工藝因素：包括焊接熱輸入、預熱及后熱等，對近縫區(qū)的組織和性能及焊接殘余應力都有不同程度影響（3）應力因素：包括焊接的殘余應力、應力集中等，與焊接結構，如拘束度和焊接缺陷等有關，還與焊接材料有關。12、層狀撕裂：在海洋工程、核反應堆和潛艇建造等大型高強鋼焊接結構中，有時出現(xiàn)一種平行于軋制方向的階梯裂紋。影響因素：非金屬夾雜物、拘束應力、氫的影響?？刂拼胧簭牟牧稀⒔Y構和焊接工藝三個方面考慮。13、應力腐蝕裂紋：金屬材料在