焊接物理冶金-第一章课件

焊接物理冶金,授课内容第一章绪论第二章焊接热过程第三章焊缝金属第四章焊接热影响区第五章焊接裂纹第六章焊接结构第七章焊接界面,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。,第一章绪论,一、焊接物理冶金Metallurgy:Thescienceseparatingmetalsfromtheirores,andofseparatingmetalsforuse（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。,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。,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,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,金属焊接的条件：只有两块金属的距离d达到（35）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,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。,1焊接的定义及特点,使d达到(35)10-8cm的条件：a.两块金属件要接触；b.要有足够高的能量。,1焊接的定义及特点,焊接的特点优点：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。,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。,1焊接的定义及特点,2焊接的分类熔化焊,熔化焊液相焊钎焊液固相焊压力焊固相焊,固相焊,2焊接的分类熔化焊,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。,2焊接的分类熔化焊,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。,2焊接的分类钎焊,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。,焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，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,2焊接的分类压力焊,2焊接的分类,熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较,2焊接的分类,熔化焊、钎焊、压力焊特点的比较,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。,3焊接技术的历史与发展,焊接工艺及设备,4焊接技术的应用,零件修复,材料切割,材料连接,再制造工程,表面改性,焊接技术的应用领域：,焊接工艺及设备,5焊接专业的研究领域,焊接结构,焊接装备,焊接工艺,焊接性分析,焊接材料,焊接冶金,焊接工装夹具,焊接电源,焊接热过程,焊接系统集成,焊接过程自动控制,应力应变分析,焊接结构设计,焊接专业的研究领域：,电弧物理,焊接研究基础,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0-845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,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（Weldedjoint）1.焊缝区(a)不加焊接材料：焊缝区（Weldzone）-熔合区（Fusionzone）、焊缝金属（Weldmetal）(b)加焊接材料:焊缝区（Weldzone）、焊缝金属（Weldmetal）、熔合比（Fusionratio）(c)不包括母材的影响：熔敷金属（Depositedmetal）2.热影响区（Heat-affectedzone,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（Fusionzone）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,图0-12熔焊接头示意1焊缝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。,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,影响构件焊接性的因素,从狭义上来说，焊接性可理解为所需求的强度性能、焊接接头的强度受到化学分成或温度循环等主要影响因素的支配，而这些因素又受到如焊缝类型，或预热温度等的影响，强度行为可用一些主要的或物理特征值来描述，而这些特征值又可能涉及另一些次要的或工艺的特征值，下图为一张仅限于影响强度性能的不完全的可变因素图，由此，可看出“焊接性”的复杂性。,影响构件焊接性的因素,主要影响因素,主要特征值,合金元素含量相、显微组织、晶粒尺寸冷却时间、奥氏体化时间退火时间和温度板厚、焊缝类型等效应力、三轴度焊条药皮、水分,次要特征值,碳当量焊接性指数脆性指数裂纹敏感性指数（脆性）转变温度,目标参数,硬度强度延展性冷列敏感性热烈敏感性层状撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蚀性,次要影响因素,焊条类型焊接方法焊接参数焊缝类型预热温度层数稀释率烧穿，夹杂物,化学成分相变、显微组织焊接温度循环焊后热处理构件形状负载条件氢含量,影响焊接接头强度的主要因素,影响构件焊接性的因素,表0-2低碳钢熔敷金属成分及性能变化（同一焊丝）,焊缝裂纹,火口裂纹,裂纹断裂表面,HAZ裂纹,焊缝气孔,焊缝气孔内部,焊接电弧的产生,焊条电弧示意图,定义：电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程(电极与工件之间气体介质中长时间的放电现象)。作用：实现了将电能转化为机械能、热能和光能。电弧导电机制:与金属中自由电子定向移动导电机制不同的是,电弧中电子、正离子、负离子都参与导电,是复杂的导电过程。,电弧的基本概念,电弧示意图,电弧的基本概念,分区：沿电弧方向电场强度分布不均匀,分为三个区域:阴极区、阳极区和弧柱区。(1)阴极、阳极区尺寸很小，约为10-2-10-6cm(2)电场分布的不均匀性表明电弧电阻的非线性。,电弧的产热,1、弧柱产热(约占总热量的21%)产热机制：带电粒子（电子和正离子）在电场的作用下，将电能转化成为热能：电子的运动速度比正离子运动速度大得多，因而从电源吸取电能转化为热能的作用几乎完全由电子来承担，进而将电能转化为热能。,电弧的产热,1、弧柱产热(约占总热量的21%)特征：(1)单位弧长弧柱的电能EI大小决定了弧柱产热量的大小。(2)电弧处于稳定状态时，弧柱的产热与弧柱的热损失（对流80%,传导和热辐射：20%）处于动态平衡状态。,电弧的产热,2、阴极区的产热(约占总热量的36%)机制：阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊接过程中电极或者工件所受到的热的作用。阴极区有两种粒子：电子和正离子,这两种粒子不断的产生、运动和消失,同时伴随着能量转换与传递。但电子流占整个电流的99%以上,所以电子流对于阴极产热影响很大。Pk=IUk-IUw-IUT,电弧的产热,关于“阴极斑点”当阴极材料熔点、沸点较低、导热性很强时，即使阴极温度达到材料的沸点，此温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子，阴极将进一步自动缩小其导电面积，直至阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷和很大的阴极压降，足以产生较强的电场发射，补充热发射的不足，向弧柱提供足够的电子流。此时阴极将形成面积更小、电流密度更大（达5105107A/cm2）的斑点来导通电流，这种导电斑点称阴极斑点。用高熔点材料（C、W等）作阴极时，只有在电流很小、阴极温度很低的情况下，才可能产生这种阴极斑点。而当用低熔点材料（Al、Cu、Fe等）作阴极时，大小电流时均属会产生阴极斑点。,电弧的产热,阴极表面将由许多分离的斑点组成阴极斑点区。这些斑点在阴极斑点区以很高的速度跳动，自动选择有利于场发射和热发射条件的点。电弧通过这些点提供电子时，阴极消耗的能量最低。阴极表面上热发射性能较强的物质有吸引电弧的作用，阴极斑点有自动跳向温度高、热发射性强物质上的性能。如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。铝合金焊接时去除氧化膜作用，就是由阴极斑点的这种特性决定的。,电弧的产热,3、阳极区的产热(约占总热量的43%)Pa=IUa+IUw+IUT热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量损失。阳极区和阴极区的热量主要用于加热填充材料或者焊件，是焊接过程可以直接利用的能量。,电弧的产热,关于“阳极斑点”当采用低熔点材料（Fe、Cu、Al等）作为阳极，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极斑点电流密度的数量级一般102103A/cm2。低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件，首先是该点有金属的蒸发，其次是电弧通过该点时弧柱消耗能量较低。当金属表面覆盖氧化膜时，与阴极斑点的情况相反，阳极斑点有自动寻找纯金属表面而避开氧化膜的倾向。因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，且金属氧化物的电离电压较高。,76,钨极气体保护焊（TIG）,TIG焊的三种极性,77,熔化极气体保护焊（MIG）,熔滴过渡形式,应用于熔深较浅的薄板焊接,焊缝不规则飞溅多,熔深大过渡稳定,短路过渡,滴状过渡,喷射过渡,78,熔化极气体保护焊（MIG）,熔滴过渡形式（a滴状过渡；b喷射过渡）,79,电弧拘束延长,提出激光脉冲消失期间耦合放电延时效应,匙孔闭合延迟,电弧的温度分布,电弧温度、电流密度和能量密度轴向分布示意图,电弧的温度分布,TIG电弧温度径向分布示意图(SUS304不锈钢),MIG电弧温度分布(SUS304不锈钢),电弧的温度分布,t:20ms,Max.temperature:20860K,Variationwithtime,t:20ms,Max.temperature:19600K,电弧的温度分布,MAG电弧温度分布(SUS304不锈钢),Variationwithtime,三、能量密度采用某热源加热工件时,单位面积上的有效热功率,单位为：W/cm2。,电弧的能量密度,同一工艺在不同的位置上的能量密度也不同;能量密度大的时候,可有效利用热源熔化金属,并减小热影响区,获得窄而深的焊缝,有利于提高焊接生产率。,电弧最小电压原理是什么？在给定电流和周围条件的一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径（或温度），应使电弧电场强度具有最小的数值。就是说电弧具有保持最小能量消耗的特性。这已为理论推导及许多实际现象所证明。最小电压原理也决定着电弧其它区域（阴极区、阳极区）的E、温度及导电端面的自行调节作用，以达到在一定条件下向外界散失热量最小。利用最小电压原理可以解释电弧过程中的许多现象。例如当电弧被周围介质强迫冷却时，因周围环境从电弧取走更多热量，要求电弧产生更多热量来补偿。按最小电压原理，电弧要自动缩小断面，减少散热，使之与外界散热相平衡。但断面又不能收缩得过小，否则电流密度大而使E增加太多，电弧自动调整可使E增加到最小数值,2、熔池金属的对流驱动力,对流驱动力有4种：,87,熔池金属的对流驱动力,等离子气流作用下产生的熔池金属的对流电弧等离子气流以电弧压力的形式作用于熔池，使熔池的中心区出现凹陷，同时又从熔池的中心区向周边区流动，把熔池表面从中心区从周边区拉伸，对熔池表面金属形成从熔池中心向熔池周边区流动。表面张力流由于熔池表面上的表面张力差产生的对流流动的方向依赖于液面上的表面张力梯度和分布，是从表面张力低的部分流向表面张力高的部分熔化金属的表面张力依赖于温度值温度差使得熔池表面的各部位出现了表面张力差,88,熔池金属的对流驱动力,电磁对流熔池内部流动着的电流产生的电磁力引起的对流从电弧进入熔池的电流在电弧正下方有着较高的电流密度，从熔池到母材内部，电流密度是逐渐降低的。电流与其自身产生的磁场之间相互作用而产生了电磁力，该电磁力指向电流发散方向，由此产生了电磁对流向着电流的发散方向即从电弧正下方熔池中心区向熔池底部流动,89,熔池金属的对流驱动力,浮力流熔池内部熔化金属密度差引起的对流熔池内部的温度是从电弧正下方的高温区向固液界面处的熔点温度变化着的，形成了熔池内部的空间温度场。液态金属是温度越高密度越低，密度高的部分受到浮力的作用向着重力的反方向运动。以等离子气流引起的对流、表面张力流及电磁对流最为重要,90,液态金属的表面张力,表面张力与熔滴过渡、熔池形成及其内部的流动都有紧密的联系纯金属的表面张力及密度随温度的升高而减小测定可以采用悬浮液滴法少量的氢加入到氩气与氦气的混合气体中，把要测的金属放置在此气氛下，通过电磁场使金属悬浮在气氛空间，通过激光使其熔化。表面张力值通过测量液滴的自身固有振荡频率得到,91,液态金属的表面张力,对于质量为m的液滴，其表面张力与自身固有频率之间有下式关系：,92,液态金属的表面张力,纯铁,93,液态金属的表面张力,纯镍,94,微量元素对表面张力的影响,有表面活性元素存在时，表面张力的温度系数却会变为正值OS等,95,微量元素对熔池现象的影响,96,微量元素对熔池现象的影响,母材中微量元素的差异对电弧焊中母材的熔化现象构成影响当氧、硫等第族的元素及卤族元素存在时可以增加熔深在奥氏体不锈钢中加入硫、硒(Se)、碲(Te)、氧、铈(Ce)元素，其中硫、硒、碲、氧含量的增加，能够减少熔宽熔深比，即熔深增加，而铈有相反的效果。认为铈与硫、氧都有化合反应，减少了硫、氧对熔深增加的作用效果。表现在TIG焊接中，在熔化极电弧焊中未发现上述现象。,97,焊接熔池表面张力流的研究,TIG焊接中，在熔池表面加入氧化铝颗粒，观察氧化铝颗粒的运动，认识到微量元素对熔化特性的影响与熔池内部的对流现象有着密切的关系,焊接熔池表面张力流的研究,当熔池表面流从熔池中心区向周边区流动时，得到的熔深较浅,是熔池表面流从熔池周边向中心区流动，这种情况下得到的熔深较深,电弧输入的热量通过液流被传送到熔池的周边区，其结果是使周边熔化范围增加而熔深变浅,电弧热被直接输送到熔池底部，从而使熔宽较小而熔深增加,99,焊接熔池表面张力流的研究,电极正下方熔池表面温度较高处的表面张力低于表面温度较低的熔池周边区的表面张力，从而产生了从熔池中心区向周边区的流动，即形成外向表面张力流,对于表面活性元素较多的材料，如图(b)所示，表面张力随温度的上升而增大，从而产生从熔池周边区向中心区的流动，即形成内向表面张力流，而电极正下方熔池中心区的熔化金属具有较高的温度，被液流直接传向熔池底部时，也带去较多的热量，从而使熔深增加，也可以表述为熔化效率提高。,100,焊接熔池表面张力流的研究,3、熔池的形成,3.1熔池的形状与尺寸3.2熔池的质量和存在时间3.3熔池的温度3.4熔池中流体的运动状态,熔池的定义在电弧作用下，母材上由熔化的填充金属与局部熔化的母材组成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池。如不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。熔池的形成熔池的形成需要一定时间，这段时间叫过渡时期。经过过渡时期以后，就进入准稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。,3.1熔池的形状与尺寸,熔池的形状与尺寸在电弧焊的条件下，准稳定时期熔池的形状类似于不标准的半椭球体。熔池的宽度和深度沿X轴连续变化。在一般情况下,随着电流的增加，而最大深度Hmax增大,随着电弧电压的增加,Bmax增大。,3.1熔池的形状与尺寸,熔池的形状与尺寸熔池的长度L可由下式估算：LP2UI式中:P2为比例系数。试验证明，P2取决于焊接方法和焊接电流。,3.1熔池的形状与尺寸,熔池的形状和大小主要由电弧的热作用及其对熔池的作用力决定;在电弧压力作用下熔池表面出现凹坑;熔滴过渡机械冲