《焊接冶金学及金属材料焊接》模块一焊接化学冶金过程

《焊接冶金学及金属材料焊接》模块一焊接化学冶金过程目录焊接化学冶金过程概述焊接区气体与金属相互作用焊缝结晶过程及组织特征焊接热影响区组织转变规律目录焊接接头力学性能变化规律现代焊接冶金技术发展趋势01焊接化学冶金过程概述定义焊接化学冶金是指在焊接过程中，通过高温和化学作用使金属材料和填充材料熔化、混合并重新凝固，形成具有特定性能和结构的焊缝金属的过程。特点焊接化学冶金过程涉及高温、快速冷却和复杂的化学反应，导致焊缝金属的化学成分、组织结构和性能发生显著变化。焊接化学冶金定义与特点焊接过程中，金属元素与氧发生反应，生成氧化物。这些氧化物可能对焊缝金属的性能产生不利影响。氧化反应某些元素在焊接过程中可能被还原，从而改变焊缝金属的化学成分和性能。还原反应通过添加合金元素，可以改变焊缝金属的组织结构和性能，提高其力学性能、耐腐蚀性等。合金化反应焊接过程中化学反应类型焊接材料焊接工艺参数保护措施热处理影响因素及控制措施选择合适的焊接材料，控制焊缝金属的化学成分和性能。采用气体保护、药皮保护等措施，防止焊缝金属在焊接过程中受到氧化和污染。优化焊接工艺参数，如焊接电流、电压、速度等，以控制焊缝金属的冷却速度和结晶过程。对焊缝金属进行热处理，如退火、正火等，以改善其组织结构和性能。02焊接区气体与金属相互作用气体来源焊接区气体主要来源于焊接材料、母材表面、空气以及焊接过程中的化学反应。对焊缝质量影响气体在焊缝中的存在形式、含量和分布状态对焊缝质量有重要影响。例如，氧气、氮气等有害气体易导致焊缝金属氧化、氮化，从而降低焊缝金属的力学性能和耐腐蚀性。气体来源及其对焊缝质量影响

气体与金属间化学反应机制氧化反应高温下，氧气与金属发生氧化反应，生成金属氧化物。这种反应会消耗金属中的合金元素，降低焊缝金属的力学性能。氮化反应氮气在高温下与金属发生氮化反应，生成金属氮化物。氮化物硬而脆，会降低焊缝金属的塑性和韧性。氢致裂纹氢气在焊缝金属中的溶解度随温度降低而减小，易在焊缝中形成氢气孔或氢致裂纹，严重影响焊缝质量。选用低氢型焊条、焊剂等，减少焊接材料中氢的来源。同时，控制焊条药皮成分，降低其氧化性。控制焊接材料采用合理的焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、焊接速度等，以减少焊接过程中的气体产生和吸入。控制焊接工艺参数通过预热降低焊缝冷却速度，有利于气体逸出；焊后热处理可消除内应力，改善组织性能，减少氢致裂纹倾向。焊前预热和焊后热处理采用气体保护焊或药芯焊丝等保护效果好的焊接方法，减少空气中有害气体对焊缝质量的影响。加强保护措施防止或减少气体不良影响措施03焊缝结晶过程及组织特征焊缝结晶过程概述液态金属的温度降低到结晶温度时，开始为过冷液体，为结晶做准备。在结晶准备阶段后，液态金属中开始形成细小的结晶核心，并逐渐长大成为晶体。随着温度的继续降低，晶体不断长大，液态金属逐渐转变为固态金属。当液态金属全部转变为固态金属时，结晶过程结束。结晶准备阶段结晶开始阶段结晶进行阶段结晶结束阶段等轴晶01在普通焊接条件下，焊缝金属结晶后得到的是等轴晶组织。等轴晶具有较好的力学性能，各向异性小。柱状晶02在某些特殊条件下，如焊接热输入较大或冷却速度较慢时，焊缝金属结晶后可能得到柱状晶组织。柱状晶具有较大的各向异性，力学性能较差。树枝晶03在快速冷却条件下，焊缝金属结晶后可能得到树枝晶组织。树枝晶具有较大的脆性，力学性能较差。结晶组织形态与性能关系控制焊接热输入通过调整焊接参数，如焊接电流、电压和焊接速度等，可以控制焊接热输入，从而影响焊缝金属的结晶过程和组织形态。控制冷却速度通过调整焊接工艺参数或采用强制冷却措施，可以控制焊缝金属的冷却速度，从而影响其结晶组织形态和性能。采用合适的焊接材料选用合适的焊丝、焊条等焊接材料，可以调整焊缝金属的化学成分和合金元素含量，进而改变其结晶组织形态和性能。采用特殊焊接方法如采用激光焊、电子束焊等特殊焊接方法，可以获得特殊的焊缝金属结晶组织形态和性能。控制结晶组织方法04焊接热影响区组织转变规律焊接热影响区（HAZ）是指焊缝两侧因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。根据组织特征可将热影响区分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区等。热影响区定义及分类热影响区分类热影响区定义在焊接热循环作用下，热影响区组织将发生一系列变化，如奥氏体形成、珠光体转变、马氏体转变等。组织转变规律焊接热输入、母材成分和组织、焊接工艺参数（如预热温度、层间温度等）以及冷却速度等都会影响热影响区的组织转变。影响因素组织转变规律及其影响因素提高热影响区性能途径选用合适的焊接材料和工艺参数通过优化焊接材料和工艺参数，可以减少热影响区的脆化和软化现象。采取预热和后热措施预热可以降低冷却速度，减少淬硬倾向；后热可以促进氢的逸出，防止冷裂纹的产生。控制层间温度和焊接热输入通过控制层间温度和焊接热输入，可以调整热影响区的组织和性能。采用先进的焊接方法如激光焊、电子束焊等，这些方法具有能量密度高、热输入小、热影响区窄等优点，有利于提高热影响区的性能。05焊接接头力学性能变化规律弯曲试验将焊接接头按照一定角度弯曲，观察其表面是否有裂纹或开裂现象，评价接头的塑性变形能力。冲击试验利用冲击试验机对焊接接头进行冲击，测量其冲击功、冲击韧性等指标，评价接头在冲击载荷下的抵抗能力。拉伸试验通过拉伸试验机对焊接接头进行拉伸，测量其抗拉强度、屈服强度、延伸率等指标，评价接头的力学性能。接头力学性能指标评价方法123钢与钢焊接接头的力学性能与母材相近，但受到焊接热影响区的影响，其强度和韧性可能有所下降。钢与钢焊接接头由于钢与有色金属的物理和化学性质差异较大，其焊接接头的力学性能通常较差，容易出现裂纹和脆性断裂。钢与有色金属焊接接头异种金属焊接接头的力学性能取决于两种金属的相容性和焊接工艺，其强度和韧性可能低于任一种母材。异种金属焊接接头不同材料接头力学性能差异分析选择合适的焊接材料和工艺参数针对不同的母材和焊接要求，选择合适的焊接材料和工艺参数，以获得良好的接头力学性能。通过控制焊接热输入和冷却速度，可以优化焊接接头的组织和性能，提高其强度和韧性。预热可以降低焊接接头的冷却速度，减少淬硬倾向；后热处理可以促进接头中氢的逸出，防止冷裂纹的产生。通过改进接头设计和制造工艺，可以进一步提高焊接接头的力学性能和使用寿命。控制焊接热输入和冷却速度采用预热和后热处理加强接头设计和制造工艺研究优化接头力学性能策略06现代焊接冶金技术发展趋势搅拌摩擦焊通过搅拌头的高速旋转和移动，使被焊材料产生塑性流动并相互混合，从而实现连接。该方法具有高效、节能、环保等优点，在航空航天、轨道交通等领域具有广阔应用前景。激光焊接利用高能激光束对材料进行加热并实现连接。激光焊接具有高精度、高效率、低热输入等优点，适用于微电子、医疗器械等精密制造领域。电子束焊接利用高速运动的电子束轰击工件表面，使被轰击的材料加热熔化并连接起来。电子束焊接具有深宽比大、变形小、真空环境下焊接质量高等优点，在航空航天、核工业等领域具有重要应用。新型焊接方法应用前景采用先进的传感器和控制系统，实现焊接过程的自动化和智能化。焊接机器人能够提高生产效率、降低劳动强度，并减少人为因素对焊接质量的影响。焊接机器人利用计算机仿真技术对焊接过程进行模拟，预测焊缝形状、残余应力和变形等，为优化焊接工艺提供理论支持。焊接过程模拟与优化通过实时监测焊接过程中的电流、电压、速度等参数，及时发现并处理潜在问题，确保焊接质量的稳定性和一致性。焊接质量在线监测与控制智能化技术在焊接中应用采用特殊药皮