材料成形原理第7章.

1、第二篇連接成形理論基礎第七章焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能第八章成形過程中的冶金反應原理第九章成形缺陷的產(chǎn)生機理及防止措施第十章特種連接成形原理與方法第七章第七章 焊縫及其熱影響區(qū)的焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能組織和性能公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴散公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴散釬焊（秦始皇陵銅車馬等）。釬焊（秦始皇陵銅車馬等）。 19世紀，現(xiàn)代焊接技術得以發(fā)展（世紀，現(xiàn)代焊接技術得以發(fā)展（C弧、弧、金屬弧、電阻熱）。金屬弧、電阻熱）。 20世紀，金屬電弧用于金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，世紀，金屬電弧用于金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，發(fā)明厚藥皮焊條。發(fā)明厚藥皮焊條。v1921年，第一艘全焊遠洋船；年，第一艘全焊遠洋船

2、；v30年代，大規(guī)模制造焊接結(jié)構(gòu)；年代，大規(guī)模制造焊接結(jié)構(gòu)；v60年代，焊接結(jié)構(gòu)空前普及；年代，焊接結(jié)構(gòu)空前普及；v中國：中國：上海金茂大廈；葛洲壩船閘閘門；上海金茂大廈；葛洲壩船閘閘門；三峽水電站船閘閘門；三峽工程三峽水電站船閘閘門；三峽工程水輪機轉(zhuǎn)子；九江長江大橋、蕪水輪機轉(zhuǎn)子；九江長江大橋、蕪湖長江大橋等。湖長江大橋等。-1-1 焊接及其冶金特點焊接及其冶金特點1、焊接（、焊接（welding)的實質(zhì)的實質(zhì) 借助加熱或加壓，或者同時實施加熱和加壓以實借助加熱或加壓，或者同時實施加熱和加壓以實現(xiàn)材料之間的原子結(jié)合?，F(xiàn)材料之間的原子結(jié)合。 加熱：電弧加熱：電弧 電弧焊電弧焊 等離子焊等離子焊

3、 化學熱化學熱 氧乙炔焊氧乙炔焊 電子束電子束 電子束焊電子束焊 光束（包括激光束）光束焊光束（包括激光束）光束焊 激光焊激光焊 加壓：冷焊加壓：冷焊 加壓加壓/加熱：鍛焊、電阻焊、摩擦焊、超聲波焊、加熱：鍛焊、電阻焊、摩擦焊、超聲波焊、爆炸焊爆炸焊從冶金角度從冶金角度 液相焊接：基材和填充材料熔化液相液相焊接：基材和填充材料熔化液相互溶材料間原子結(jié)合。互溶材料間原子結(jié)合。 固相焊接：壓力使連接表面緊密接觸固相焊接：壓力使連接表面緊密接觸表面之間充分擴散實現(xiàn)原子結(jié)合。表面之間充分擴散實現(xiàn)原子結(jié)合。 固液相焊接：待接表面不接觸，通過固液相焊接：待接表面不接觸，通過兩者之間的毛細間隙中的液相金屬在

4、固液界兩者之間的毛細間隙中的液相金屬在固液界面擴散，實現(xiàn)原子結(jié)合。面擴散，實現(xiàn)原子結(jié)合。 （釬焊）（釬焊）2、焊接方法的分類、焊接方法的分類 （1）熔焊）熔焊 (fusion welding) （2）固態(tài)焊）固態(tài)焊 (solid state welding)/壓力壓力焊焊 （3）釬焊）釬焊 (brazing, soldering)3、熔焊焊接接頭的形成、熔焊焊接接頭的形成及其冶金過程及其冶金過程焊接接頭焊接接頭 焊接熱過程焊接熱過程 + 焊接化學冶金焊接化學冶金 + 焊接物理冶金焊接物理冶金焊接熱過程焊接熱過程焊接加熱的特點焊接加熱的特點：熱作用集中性熱作用集中性(局部熔化局部熔化)、熱作熱作

5、用的瞬時性用的瞬時性(熱源移動熱源移動)溫度場、熱循環(huán)溫度場、熱循環(huán)焊接化學冶金過程焊接化學冶金過程熔焊時，液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進行一系列的化學熔焊時，液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進行一系列的化學冶金反應。冶金反應。焊接物理冶金過程焊接物理冶金過程凝固結(jié)晶、固態(tài)相變凝固結(jié)晶、固態(tài)相變焊接接頭示意圖 熔化焊的本質(zhì)熔化焊的本質(zhì):在焊接條件下的小熔池熔煉和冷凝，在焊接條件下的小熔池熔煉和冷凝，金屬熔化和結(jié)晶的冶金過程。金屬熔化和結(jié)晶的冶金過程。 焊接接頭（焊接接頭（welded joint）的組成：）的組成： 母材（母材（base metal） 熱影響區(qū)（熱影響區(qū)（heat affect zone）

6、 熔合線（熔合線（bond line） 焊縫（焊縫（weld） 熔化焊的冶金特點：熔化焊的冶金特點： 1）反應區(qū)的溫度高于一般的冶煉溫度）反應區(qū)的溫度高于一般的冶煉溫度 2）熔池小冷卻速度快，液態(tài)金屬高溫停留時間短）熔池小冷卻速度快，液態(tài)金屬高溫停留時間短 3）冶金條件差）冶金條件差焊絲母材熔池焊道導電嘴 保護氣體溶滴電弧 焊縫金屬的組織與性能焊縫金屬的組織與性能1、焊接熔池的凝固、焊接熔池的凝固(1)焊接熔池的特征：焊接熔池的特征：1）熔池的體積?。┤鄢氐捏w積小 熔池的形狀與尺寸熔池的形狀與尺寸(30cm3, 100g)2）熔池的溫度高）熔池的溫度高 (1770100) 鋼錠鋼錠:1550

7、:1550 3）液體金屬處于運動狀態(tài)）液體金屬處于運動狀態(tài) 熔池處于液態(tài)時間只有幾秒到幾十秒熔池處于液態(tài)時間只有幾秒到幾十秒, 各種力各種力:電弧力、電磁力、熔滴，表面張力電弧力、電磁力、熔滴，表面張力 強烈的攪拌和對流運動強烈的攪拌和對流運動4）熔池界面的導熱條件好）熔池界面的導熱條件好 母材導熱熔池中的流體動力學狀態(tài)及其對焊縫質(zhì)量的熔池中的流體動力學狀態(tài)及其對焊縫質(zhì)量的影響影響熔池中的金屬是強烈運動著的：熔池中的金屬是強烈運動著的：1）熱源產(chǎn)生的機械力的攪拌作用（如熔滴落下）熱源產(chǎn)生的機械力的攪拌作用（如熔滴落下的沖擊力、電弧氣流的吹力；電磁力、離子的轟的沖擊力、電弧氣流的吹力；電磁力、離

8、子的轟擊力以及熔池金屬蒸發(fā)所產(chǎn)生的反作用力等）；擊力以及熔池金屬蒸發(fā)所產(chǎn)生的反作用力等）；2）溫差引起的表面張力的變化，強迫金屬發(fā)生）溫差引起的表面張力的變化，強迫金屬發(fā)生對流；對流；3）溫差引起的液態(tài)金屬密度變化造成的對流；）溫差引起的液態(tài)金屬密度變化造成的對流； 熔池中的化學冶金反應以及生成的氣泡和熔熔池中的化學冶金反應以及生成的氣泡和熔 渣的上?。辉纳细?；有利作用：有利作用：v1）使母材和焊條金屬的成分充分混合，）使母材和焊條金屬的成分充分混合，幫助形成成分和組織均勻的焊縫；幫助形成成分和組織均勻的焊縫；v2）加速了金屬和氣體及熔渣的反應速度，）加速了金屬和氣體及熔渣的反應速度，v有利

9、于有害氣體和非金屬夾雜物的逸出；有利于有害氣體和非金屬夾雜物的逸出；v3）避免焊接缺陷的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量；）避免焊接缺陷的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量；v熔合線部位的問題熔合線部位的問題(2)熔池凝固的特點熔池凝固的特點1）聯(lián)生結(jié)晶）聯(lián)生結(jié)晶 （交互結(jié)晶、外延結(jié)（交互結(jié)晶、外延結(jié)晶）晶） 2)焊縫凝固焊縫凝固: 擇優(yōu)生長擇優(yōu)生長柱狀晶指向焊縫中心柱狀晶指向焊縫中心3）凝固速度）凝固速度晶粒成長的平均線速度是變化的晶粒成長的平均線速度是變化的: cos=0, =90,vc=0, 說明在熔合區(qū)上晶粒開說明在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區(qū)，始成長的瞬間，成長的方向垂直于熔合區(qū)， 晶粒晶粒

10、成長的平均線速度等于零。成長的平均線速度等于零。 cos=1, =0,vc=vw, 說明晶粒成長到接觸說明晶粒成長到接觸X軸軸時，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度。時，晶粒成長的平均線速度等于焊接速度。 焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向和平均線速度均焊接工藝參數(shù)對晶粒成長方向和平均線速度均有影響。當焊接速度大時，角越大，晶粒主軸的成有影響。當焊接速度大時，角越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于焊縫的中心線；相反，當焊接速度長方向越垂直于焊縫的中心線；相反，當焊接速度小時，則晶粒主軸的成長方向越彎曲。小時，則晶粒主軸的成長方向越彎曲。v平均成長速度與焊接速度有關平均成長速度與焊接速度有關;v柱狀晶的最大成

11、長速度不可能超過焊速柱狀晶的最大成長速度不可能超過焊速;v焊接熔池的實際凝固過程并不是連續(xù)的。焊接熔池的實際凝固過程并不是連續(xù)的。柱狀晶成長速度的變化并不是十分有規(guī)律，柱狀晶成長速度的變化并不是十分有規(guī)律，有不規(guī)則的波動現(xiàn)象。有不規(guī)則的波動現(xiàn)象。v焊縫凝固速度快焊縫凝固速度快(3)凝固金屬的組織形態(tài)凝固金屬的組織形態(tài)柱狀晶柱狀晶+少量等軸晶少量等軸晶柱狀晶內(nèi)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶柱狀晶內(nèi)：平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶等軸晶內(nèi)：樹枝晶等軸晶內(nèi)：樹枝晶與熔池凝固過程密切相關。與熔池凝固過程密切相關。濃度梯度、成分過冷濃度梯度、成分過冷結(jié)晶形態(tài)主要決定于合金中的溶質(zhì)的濃度結(jié)晶形態(tài)主要決定于合金中的溶

12、質(zhì)的濃度C0、結(jié)晶速度、結(jié)晶速度R和液相中溫度梯度和液相中溫度梯度G的綜的綜合作用。其關系如圖所示。合作用。其關系如圖所示。G/R1/2平面晶胞狀晶胞狀樹枝晶樹枝晶等軸晶C0 焊縫凝固特點焊縫凝固特點焊縫組織焊縫組織2、焊縫金屬的組織、焊縫金屬的組織（1）低碳鋼焊縫金屬的室溫組織）低碳鋼焊縫金屬的室溫組織 a、先共析鐵素體、先共析鐵素體 b、針狀鐵素體、針狀鐵素體 c、珠光體珠光體（2）低合金鋼焊縫金屬的顯微組織）低合金鋼焊縫金屬的顯微組織 a、先共析鐵素體、先共析鐵素體 b、針狀鐵素體、針狀鐵素體 c、珠光體珠光體 d、馬氏體、馬氏體 f、貝氏體、貝氏體3、焊縫金屬性能的控制、焊縫金屬性能的

13、控制（1）焊縫合金化與變質(zhì)處理）焊縫合金化與變質(zhì)處理（2）工藝措施（振動結(jié)晶、焊后熱處理）工藝措施（振動結(jié)晶、焊后熱處理） 焊縫組織的強焊縫組織的強韌性韌性 熔合區(qū)的特性熔合區(qū)的特性 同種鋼的熔合區(qū)同種鋼的熔合區(qū)焊接熱影響區(qū)的組織與性能焊接熱影響區(qū)的組織與性能1、焊接熱循環(huán)、焊接熱循環(huán)(weld thermal cycle) 焊接熱循環(huán)：焊接熱循環(huán)：焊接加熱過程中，焊縫金屬附近某焊接加熱過程中，焊縫金屬附近某點的溫度由低到高，再由高到低的過程。點的溫度由低到高，再由高到低的過程。 由加熱速度由加熱速度vh，最高溫度，最高溫度m，相變以上高溫停留，相變以上高溫停留時間時間th，冷卻速度，冷卻速度

14、vC或冷卻時間或冷卻時間tc四個參數(shù)組成。四個參數(shù)組成。2、焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點、焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點 焊接熱循環(huán)的特點焊接熱循環(huán)的特點 （1）加熱溫度高）加熱溫度高 （2）加熱速度快）加熱速度快 （3）高溫停留時間短（）高溫停留時間短（4）局部加熱）局部加熱 焊接加熱過程中奧氏體化的特點焊接加熱過程中奧氏體化的特點焊接熱循環(huán)1、焊接熱循環(huán)的意義、焊接熱循環(huán)的意義 焊件上某一點焊件上某一點P的溫度隨時間的變化過程叫作焊接的溫度隨時間的變化過程叫作焊接熱循環(huán)熱循環(huán)。預熱溫度T0的影響2、焊接熱循環(huán)的主要特征參數(shù)、焊接熱循環(huán)的主要特征參數(shù)q 加熱速度加熱速度 H q 峰值溫度峰值溫度T

15、pq 高溫（相變溫度）停留時間高溫（相變溫度）停留時間tHq 某一溫度某一溫度Tc瞬時冷卻速度瞬時冷卻速度 C（800-500）q 某一溫度區(qū)間的冷卻時間某一溫度區(qū)間的冷卻時間tA 焊接熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)在焊接熱源作用下，焊縫兩側(cè)發(fā)生組織成分性能變化的在焊接熱源作用下，焊縫兩側(cè)發(fā)生組織成分性能變化的區(qū)域叫區(qū)域叫“熱影響區(qū)熱影響區(qū)”，又叫，又叫“近縫區(qū)近縫區(qū)”。焊接熱影響焊接熱影響(Heat-Affected Zone,簡簡稱稱HAZ) 材料因受焊接材料因受焊接熱影響（但未熔化）熱影響（但未熔化）而發(fā)生金相組織和而發(fā)生金相組織和力學性能變化的區(qū)力學性能變化的區(qū)域。域。在焊接加熱及冷卻條件下熱影

16、響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點 (1)由于金屬的相變需要一段孕育擴散時間，在快速由于金屬的相變需要一段孕育擴散時間，在快速加熱和冷卻條件下，這一孕育過程來不及完成，因加熱和冷卻條件下，這一孕育過程來不及完成，因而相變點將發(fā)生較大變化，出現(xiàn)較大的而相變點將發(fā)生較大變化，出現(xiàn)較大的“過熱度過熱度”及及“過冷度過冷度”(Ac1、Ac3升高，升高，Ar1、Ar2降低降低)，另，另外，外， 轉(zhuǎn)變組織的均質(zhì)化程度也進行得很不充分；轉(zhuǎn)變組織的均質(zhì)化程度也進行得很不充分； (2)由于近縫區(qū)溫度很高，所以高溫下晶粒長大由于近縫區(qū)溫度很高，所以高溫下晶粒長大 比比較嚴重；較嚴重； (3)由于冷卻速度快，熱影響區(qū)的淬火傾向?qū)⒃龃?。由于冷卻速度快，熱影響區(qū)的淬火傾向?qū)⒃龃蟆?、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化、焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化 低碳鋼和不易淬火鋼低碳鋼和不易淬火鋼（1）熔合區(qū)）熔合區(qū) （2）過熱區(qū)（）過熱區(qū)（1100以上）以上） （3）相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）（）相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)）（8501100 ） （4）不完全重結(jié)晶區(qū)）不完全