1、第二篇連接成形理論基礎(chǔ)第七章焊縫及其熱影響區(qū)的組織和性能第八章成形過(guò)程中的冶金反應(yīng)原理第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)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(kuò)散公元前，已出現(xiàn)焊接工藝，鑄焊、擴(kuò)散釬焊（秦始皇陵銅車(chē)馬等）。釬焊（秦始皇陵銅車(chē)馬等）。 19世紀(jì)，現(xiàn)代焊接技術(shù)得以發(fā)展（世紀(jì)，現(xiàn)代焊接技術(shù)得以發(fā)展（C弧、弧、金屬弧、電阻熱）。金屬弧、電阻熱）。 20世紀(jì)，金屬電弧用于金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，世紀(jì)，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(yuǎn)洋船；年，第一艘全焊遠(yuǎn)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(guó)：中國(guó)：上海金茂大廈；葛洲壩船閘閘門(mén)；上海金茂大廈；葛洲壩船閘閘門(mén)；三峽水電站船閘閘門(mén)；三峽工程三峽水電站船閘閘門(mén)；三峽工程水輪機(jī)轉(zhuǎn)子；九江長(zhǎng)江大橋、蕪水輪機(jī)轉(zhuǎn)子；九江長(zhǎng)江大橋、蕪湖長(zhǎng)江大橋等。湖長(zhǎng)江大橋等。-1-1 焊接及其冶金特點(diǎn)焊接及其冶金特點(diǎn)1、焊接（、焊接（welding)的實(shí)質(zhì)的實(shí)質(zhì) 借助加熱或加壓，或者同時(shí)實(shí)施加熱和加壓以實(shí)借助加熱或加壓，或者同時(shí)實(shí)施加熱和加壓以實(shí)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(xué)熱化學(xué)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?jǐn)U散實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。表面之間充分?jǐn)U散實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。 固液相焊接：待接表面不接觸，通過(guò)固液相焊接：待接表面不接觸，通過(guò)兩者之間的毛細(xì)間隙中的液相金屬在

4、固液界兩者之間的毛細(xì)間隙中的液相金屬在固液界面擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。面擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)原子結(jié)合。 （釬焊）（釬焊）2、焊接方法的分類(lèi)、焊接方法的分類(lèi) （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(guò)程及其冶金過(guò)程焊接接頭焊接接頭 焊接熱過(guò)程焊接熱過(guò)程 + 焊接化學(xué)冶金焊接化學(xué)冶金 + 焊接物理冶金焊接物理冶金焊接熱過(guò)程焊接熱過(guò)程焊接加熱的特點(diǎn)焊接加熱的特點(diǎn)：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(shí)性用的瞬時(shí)性(熱源移動(dòng)熱源移動(dòng))溫度場(chǎng)、熱循環(huán)溫度場(chǎng)、熱循環(huán)焊接化學(xué)冶金過(guò)程焊接化學(xué)冶金過(guò)程熔焊時(shí)，液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進(jìn)行一系列的化學(xué)熔焊時(shí)，液態(tài)金屬、熔渣及氣相之間進(jìn)行一系列的化學(xué)冶金反應(yīng)。冶金反應(yīng)。焊接物理冶金過(guò)程焊接物理冶金過(guò)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(guò)程。金屬熔化和結(jié)晶的冶金過(guò)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(xiàn)（熔合線(xiàn)（bond line） 焊縫（焊縫（weld） 熔化焊的冶金特點(diǎn)：熔化焊的冶金特點(diǎn)： 1）反應(yīng)區(qū)的溫度高于一般的冶煉溫度）反應(yīng)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(shí)間短）熔池小冷卻速度快，液態(tài)金屬高溫停留時(shí)間短 3）冶金條件差）冶金條件差焊絲母材熔池焊道導(dǎo)電嘴 保護(hù)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）熔池的體積小）熔池的體積小 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(yùn)動(dòng)狀態(tài)）液體金屬處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 熔池處于液態(tài)時(shí)間只有幾秒到幾十秒熔池處于液態(tài)時(shí)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(qiáng)烈的攪拌和對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的攪拌和對(duì)流運(yùn)動(dòng)4）熔池界面的導(dǎo)熱條件好）熔池界面的導(dǎo)熱條件好 母材導(dǎo)熱熔池中的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)及其對(duì)焊縫質(zhì)量的熔池中的流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)及其對(duì)焊縫質(zhì)量的影響影響熔池中的金屬是強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)著的：熔池中的金屬是強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)著的：1）熱源產(chǎn)生的機(jī)械力的攪拌作用（如熔滴落下）熱源產(chǎn)生的機(jī)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(qiáng)迫金屬發(fā)生）溫差引起的表面張力的變化，強(qiáng)迫金屬發(fā)生對(duì)流；對(duì)流；3）溫差引起的液態(tài)金屬密度變化造成的對(duì)流；）溫差引起的液態(tài)金屬密度變化造成的對(duì)流； 熔池中的化學(xué)冶金反應(yīng)以及生成的氣泡和熔熔池中的化學(xué)冶金反應(yīng)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(yīng)速度，）加速了金屬和氣體及熔渣的反應(yīng)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(xiàn)部位的問(wèn)題熔合線(xiàn)部位的問(wèn)題(2)熔池凝固的特點(diǎn)熔池凝固的特點(diǎn)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(zhǎng)擇優(yōu)生長(zhǎng)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(zhǎng)的平均線(xiàn)速度是變化的晶粒成長(zhǎng)的平均線(xiàn)速度是變化的: cos=0, =90,vc=0, 說(shuō)明在熔合區(qū)上晶粒開(kāi)說(shuō)明在熔合區(qū)上晶粒開(kāi)始成長(zhǎng)的瞬間，成長(zhǎng)的方向垂直于熔合區(qū)，始成長(zhǎng)的瞬間，成長(zhǎng)的方向垂直于熔合區(qū)， 晶粒晶粒

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

11、長(zhǎng)速度不可能超過(guò)焊速柱狀晶的最大成長(zhǎng)速度不可能超過(guò)焊速;v焊接熔池的實(shí)際凝固過(guò)程并不是連續(xù)的。焊接熔池的實(shí)際凝固過(guò)程并不是連續(xù)的。柱狀晶成長(zhǎng)速度的變化并不是十分有規(guī)律，柱狀晶成長(zhǎng)速度的變化并不是十分有規(guī)律，有不規(guī)則的波動(dòng)現(xiàn)象。有不規(guī)則的波動(dòng)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(shù)枝狀晶柱狀晶內(nèi)：平面晶、胞狀晶、樹(shù)枝狀晶等軸晶內(nèi)：樹(shù)枝晶等軸晶內(nèi)：樹(shù)枝晶與熔池凝固過(guò)程密切相關(guān)。與熔池凝固過(guò)程密切相關(guān)。濃度梯度、成分過(guò)冷濃度梯度、成分過(guò)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(guān)系如圖所示。合作用。其關(guān)系如圖所示。G/R1/2平面晶胞狀晶胞狀樹(shù)枝晶樹(shù)枝晶等軸晶C0 焊縫凝固特點(diǎn)焊縫凝固特點(diǎn)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(dòng)結(jié)晶、焊后熱處理）工藝措施（振動(dòng)結(jié)晶、焊后熱處理） 焊縫組織的強(qiáng)焊縫組織的強(qiáng)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(guò)程中，焊縫金屬附近某焊接加熱過(guò)程中，焊縫金屬附近某點(diǎn)的溫度由低到高，再由高到低的過(guò)程。點(diǎn)的溫度由低到高，再由高到低的過(guò)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(shí)間時(shí)間th，冷卻速度，冷卻速度

14、vC或冷卻時(shí)間或冷卻時(shí)間tc四個(gè)參數(shù)組成。四個(gè)參數(shù)組成。2、焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)、焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn) 焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)焊接熱循環(huán)的特點(diǎn) （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(shí)間短（）高溫停留時(shí)間短（4）局部加熱）局部加熱 焊接加熱過(guò)程中奧氏體化的特點(diǎn)焊接加熱過(guò)程中奧氏體化的特點(diǎn)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(diǎn)焊件上某一點(diǎn)P的溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程叫作焊接的溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程叫作焊接熱循環(huán)熱循環(huán)。預(yù)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(shí)間高溫（相變溫度）停留時(shí)間tHq 某一溫度某一溫度Tc瞬時(shí)冷卻速度瞬時(shí)冷卻速度 C（800-500）q 某一溫度區(qū)間的冷卻時(shí)間某一溫度區(qū)間的冷卻時(shí)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(jiǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)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(xué)性能變化的區(qū)力學(xué)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(diǎn) (1)由于金屬的相變需要一段孕育擴(kuò)散時(shí)間，在快速由于金屬的相變需要一段孕育擴(kuò)散時(shí)間，在快速加熱和冷卻條件下，這一孕育過(guò)程來(lái)不及完成，因加熱和冷卻條件下，這一孕育過(guò)程來(lái)不及完成，因而相變點(diǎn)將發(fā)生較大變化，出現(xiàn)較大的而相變點(diǎn)將發(fā)生較大變化，出現(xiàn)較大的“過(guò)熱度過(guò)熱度”及及“過(guò)冷度過(guò)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(jìn)行得很不充分；轉(zhuǎn)變組織的均質(zhì)化程度也進(jìn)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(zhǎng)大由于近縫區(qū)溫度很高，所以高溫下晶粒長(zhǎng)大 比比較嚴(yán)重；較嚴(yán)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(guò)熱區(qū)（）過(guò)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