材料工程基础十一章.ppt

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1、,第十一章 固态金属连接,机器生产过程：原材料毛坯零件机器 机器制造方法：原材料选取择与改性（热处理）、毛坯成形（铸、锻、焊等）、零件成形（切削加工等）与装配。,机器生产过程,金属固态连接,金属液态凝固成形,金属塑性成形,金 属 成 形,金属切削加工,金属的连接方法： 粘接 铆接 焊接,焊接: 被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。,主要知识点： 1、焊接的过程 2、焊接过程的特点 3、焊接区的组织结构与性能 4、焊接过程中的缺陷 5、焊接的主要方法,第一节,焊接基础,一、焊接过程,焊接过程中，工件

2、和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。,tm-金属的熔化温度（液相线）ts-金属的凝固温度（固相线） A1-钢的A1相变点 t0-初始温度,焊接过程,焊接过程,焊接过程的特殊性,1）加热温度高、温差大：对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达21002300，而熔池后部表面温度只有1600左右，熔池平均温度为1700100； 1）加热速度快： 加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍； 3）高温停留时间短 ：在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为4-20s，埋弧焊时30-l00s) ； 4）冷却速度快（4-100/S），温度梯度大； 5）有热应力作用状态下进行的

3、组织转变。（热应力、相变应力） 6）动态凝固过程：凝固过程是连续进行并随熔池前进。,不易淬火钢焊接热影响区的组织分布,二、焊接区的组织分布及特点,13mm,1.24mm,相图,焊接焊头由以下三个部分组成： 1、焊缝：由母材和填充材料融化后形成的熔池冷却结晶而成。 组织：柱状晶生长 特点：晶粒粗大，成份不均匀，致密度低。 2、熔合区：又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。焊接温度在固、液相线之间。 组织：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织。 特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地。 3、热影响区：是焊缝两侧处于固态的母材金属由于受焊接过程

4、的加热和冷却作用而产生组织和性能变化的区域。,热影响区又分为三个区：,相变重结晶区(正火区)： 紧靠着过热区 加热温度： 8501100 （AC3至1100） 组织： 均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织） 特点： 宽度约1.24mm，力学性能优于母材。,不完全重结晶区： 紧靠着正火区 加热温度： AC1AC3之间 组织： F+P (F粗、细不均) 特点： 部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能差。,过热区： 紧靠熔合区 加热温度： 11001490（1100固相线） 组织： 粗大的过热组织。 特点： 宽度为13mm， 塑性和韧性下降。,三、焊接过程中的缺陷及控制,1、氧化 ：空气在高

5、温电弧作用下分解出氧原子，与金属发生反应 造成合金元素烧损。 2、蒸发：高温达到金属沸点发生蒸发 改变了化学成分，合金元素烧损。 3、吸气：高温下气体溶解度增加，冷却速度太快而无法排除 造成气孔、氢脆性,1、加入（Mn、Si）铁 等脱氧剂 2、焊剂或焊条药皮中 掺入有用合金元素， 弥补合金元素烧损,气体保护、 真空保护,4、焊接应力 变形和开裂 从高温冷却到常温，焊接应力变形不仅大小发生变化，而且性质发生变化；一般，焊缝处残余应力为拉应力；并产生收缩变形；,减少及消除残余应力的措施 1）调节及控制方法 设计合理的焊接接头 合理的焊接顺序和方向ABC 反变形法,2）焊后消除残余应力的方法 高温回

6、火 机械拉伸法 温差拉伸法,第二节,焊接技术,焊接方法分类:,焊接电弧,一、电弧焊,利用电弧作为热源的熔化焊接方法叫电弧焊 。,1）熔化极电弧焊：所用的电极为焊接过程中熔化的焊条或焊丝 利用熔化的焊条或焊丝填充焊缝。 如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊，管状焊丝电弧焊等； 2）不熔化极电弧焊：电极为焊接过程中不熔化的碳棒或钨棒。 一般直接熔融母材达到焊接目的，有的也同时采用外加填充金属的方法 如钨极氩弧焊，等离子弧焊等。,1、焊条电弧焊 通常将用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法称焊条电弧焊。,1、是传导焊接电流 2、本身熔化作为填充金属,1、提高电弧燃烧的稳定性。 2、保护焊接熔池。 3、保

7、证焊缝脱氧、去硫磷杂质。 4、为焊缝补充合金元素。,工艺特点 方便灵活，适应性强； 设备简单，操作方便； 对焊工操作技术要求高； 生产效率低，劳动条件差； *重要的补充作为辅助手段,必不可少!,2、埋弧焊 概念：电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法叫埋弧焊。埋弧焊是以连续送进的焊丝作为电极并兼填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材金属熔化形成焊缝。 特点：埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与焊条电弧焊相比，其最大优点是焊缝质量好、焊接速度高。因而，特别适于焊接大型焊件的直缝和环缝，而且多采用机械化焊接。,3、钨极惰性气体保护焊（TIG） 概念：是利

8、用钨极和焊件之间的电弧使母材金属熔化而形成焊缝，焊接过程中钨极不熔化，只起电极的作用，同时由焊炬的喷嘴送进氩气或氮气作保护，也可根据需要另外添加填充金属。 特点：尤其适用于焊接铝、镁这些活泼金属，焊缝质量高。但与焊条电弧焊相比，其焊接速度较慢。,Tungsten InertGas arc welding,1-氩气、2-导电体、3-钨极、4-带绝缘外套的焊枪、 5-电源、6-通气管道、7-气瓶、8-焊件,钨极氩弧焊设备布置示意图,4、熔化极气体保护焊（MIG）（ MAG） 利用熔化电极的气体保护电弧焊称为熔化极气体保护电弧焊。以连续送进的焊丝与焊件之间燃烧的电弧作热源，由焊枪喷嘴喷出的气体保护电

9、弧来进行焊接。,熔化极惰性气体保护焊 MIG Metal Inert-Gas arc welding 熔化极活性气体保护焊 MAG Metal Active-Gas arc welding,熔化极氩弧焊示意图 1-焊丝盘、 2-辊轮、 3-焊丝、 4-导电嘴、 5-喷嘴、 6-保护气、 7-熔池、 8-焊缝、 9-电弧、 10-母材,5、等离子弧焊(PAW) 利用高压等离子所形成的高能量密度的等离子弧进行焊接的方法称等离子弧焊。等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊，它所利用的电极通常是钨极。 产生等离子弧的等离子气，主要是氩气或在氩气中加以定量的氢或氦气，同时还通过喷嘴用惰性气体保护。焊接时可以外

10、加填充金属，也可以不加填充金属。,a)转移弧 b)非转移弧,c) 联合弧,根据电源的不同接法，等离子弧有非转移弧 、 转移弧 、联合弧三种形式。,等离子弧的特点： 1）等离子弧温度高、能量集中 2）焰流速度高 3）稳定性好 4）调节性好 等离子弧焊设备（包括喷嘴）比较复杂，对焊接参数的控制要求较严。钨极惰性气体保护焊可焊接的绝大多数金属，均可采用等离子弧焊焊接。与之相比，对于1mm以下的极薄金属的焊接，用等离子弧焊较易进行。,电弧焊,二、电阻焊及其应用 电阻焊是压焊的一种,它是在工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。 电阻焊使用的电流较大，为

11、了防止在接触面上产生电弧并且为了锻压焊缝金属，在焊接过程中始终要施加压力。 常用的电阻焊方法有点焊、缝焊和对焊等。,三、钎焊 钎焊是指采用比母材金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材金属熔化温度，利用液态钎料润湿母材金属，填充接头间隙并与母材金属相互扩散实现连接焊件的方法。 分类：硬钎焊：钎料的液相线温度高于450而低于母材金属的熔点； 软钎焊：钎料的液相线温度低于450而低于母材金属的熔点。 特点：钎焊的热源可以是化学反应热，也可以是间接热能。适于焊接受载不大或常温下工作的接头，对于精密、微型以及复杂多钎缝的焊件尤其适用。,四、其他焊接技术及应用 1、电渣焊及其

12、应用 利用电流通过液体溶渣所产生的电阻热使金属合金熔融，并同时通过渣液反应净化合金，进而实现焊接的方法称电渣焊，其与钢的电渣重熔冶炼有相似之处。 电渣焊的优点是可焊的工件厚度大，生产率高，主要用于大断面对接接头及T形接头的焊接。 电渣焊接头由于加热及冷却均较慢，热影响区宽、显微组织粗大、韧度低，焊后一般要进行正火处理细化晶粒。,2、电子束焊及其应用 利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法，称为电子束焊。 常用的电子束焊为高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。前两种方法都是在真空室内进行，焊接准备时间（主要是抽真空时间）较长，工件尺寸受真空室大小限

13、制。 电子束焊主要用于要求高质量的产品焊接，还能解决异种金属，易氧化金属及难熔金属的焊接，但不适于大批量产品。,3、激光焊及其应用 以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法，叫激光焊。 激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束热源进行焊接，通常用连续功率激光焊和脉冲功率激光焊两种方法。 激光焊的优点是不需要在真空中进行。缺点是穿透力不如电子束焊强。激光焊时能进行精确的能量控制，因而可以实现精密微型器件的焊接，它能应用于很多金属，特别是能焊接一些难焊金属及异种金属。,5、摩擦焊及其应用 ： 利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态然后迅速顶锻，完成焊接的一种压

14、焊方法 。,摩擦焊特点: 接头焊接质量好 生产率高，成本低 以实现机械化和自动化生产 能焊接异种钢和异种金属 环境保护好 难焊非圆形横断面和薄壁管件,6、爆炸焊及其应用 ： 利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞，实现连接焊件的一种压焊方法叫爆炸焊。 爆炸焊是一种以化学反应热为能源的固相焊接方法，它是利用炸药爆炸所产生的能量来实现金属的连接。在爆炸波作用下，两件金属在不到1s的时间内即可被加速撞击形成金属的接合。 在各种焊接方法中，爆炸焊可接的异种金属其组合范围广，爆炸焊多用于表面积相当大的平板包覆，是制造复合板的高效方法。,7、超声波焊及其应用 利用超声波的高频振荡能对焊件接头进行局部加

15、热和表面清理，然后施加压力实现焊接的一种压焊方法，叫超声波焊。超声波焊是一种以机械能为能源的固相焊接方法，进行超声波焊时，焊件在较低的静压力下，由声极发出的高频振动能使接合面产生强烈摩擦并加热到焊接温度而形成接合。 超声波焊可以用于大多数金属材料之间的焊接，能实现金属、异种金属及金属与非金属间的焊接，可适用于金属丝、箔或2-3mm以下的薄板金属接头的重复生产。,1. 焊接方法分类 (1)熔化焊:被焊母体发生局部熔化后的焊接，在熔化过程中可以进一步补充外加金属或合金，也可以不外加金属或合金。 常用：电弧焊: 母体作正极 ，焊丝或钨极作负极 (2)压力焊：压焊时是母体可以发生局部熔化，也可以不发生

16、熔化，而必须施加外力的焊接。 常用：电阻焊 (3)钎焊：母体不发生熔融，是靠熔点低于母材的金属或合金钎料的熔化实现母体间的焊接。 特点：连接异种金属，金属与非金属,小结,作业： 1、简述焊接过程？ 2、焊接区的组织分布与性能？ 3、焊缝凝固组织的分布？ 4、三种主要焊接方法的特点及适用性？ 5、介绍一两种特种焊接方法，应用特点？,特点： 1）电弧和金属溶液温度高于一般冶金温度，因此金属蒸发、氧化、吸气严重。 2）温度梯度大、冷区速度快、使得各种反应难以达到平衡，因此化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出。,焊接化学冶金过程,焊接时形成的金属熔液，可以看成是一个微型的冶金炉。熔焊时液态金属、溶渣及

17、气相之间进行一系列的化学与冶金反应，如金属的氧化、还原、脱硫、脱磷、渗合金等。,联生结晶,由于熔池的温度梯度大，冷却速度快，因此非自发形核就依附在未熔母材晶粒表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长。,凝固结晶过程,熔池的最大散热方向是液相等温线的法线方向,晶体生长方向与最大散热方向正好相反, 因此在生长过程中不断改变方向,形成弯曲状柱状晶。,柱状晶生长方向与速度的变化,焊接速度大时，焊接熔池长度增加, 柱状晶趋向垂直于焊缝中心线生长 ; 焊接速度越慢, 柱状晶越弯曲。,焊接速度快 焊接速度慢,定向凝固的组织,冷却速度106k/s以上,冷却速度104k/s以下,控制过冷度,控制指标:

18、 (1)温度梯度: (2)凝固速度:,控制 冷却速度,1）在熔池两侧翼边界，由于结晶速度R非常小，温度梯度G较大，G/R则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。 2）随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时, 结晶速度R逐渐增大，而温度梯度减小, G/R 逐步减小，成分过冷逐渐增大，平面生长将转为胞状生长； 3）随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。,固态相变过程 1）随着温度的降低，具有同素异构转变的金属，在不同冷却条件下，还将发生不同的固态相变。 2）在焊接进行过程中，焊缝周围未熔化的母材在加热

19、和冷却过程中，发生了金相组织的变化。,焊接过程的快速加热、快速冷却，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。,加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响,焊接条件下的组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同 。 随冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。,共析成分成为一个成分范围,加热过程,冷却过程,焊接梁的弯曲变形 T型梁的角变形,图11-40 采用反变形法减小焊接变形,b),a),铁碳合金相图,Fe的同素异构相转变： 1394 912 Fe（体心立方） Fe（面心立方） Fe（体心立方）,平衡相图: HJB 包晶线 L ECD 共晶线 LFe

20、3C（渗碳体） PSK 共析线 Fe3C,构成铁碳相图的基本相：,1）铁素体（） ：碳溶于体心立方- Fe中所形成的间隙固溶体（C%0.0218) 2）奥氏体（） ：碳溶于面心立方- Fe中所形成的间隙固溶体（0.0218 C%2.11) 3）高温铁素体（） ：碳溶于体心立方- Fe中所形成的间隙固溶体 4) 渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的间隙化合物，正交晶系 5）珠光体（+Fe3C） ：铁素体和渗碳体形成的片状机械混合物,A,F,P,C,tm-金属的熔化温度（液相线）ts-金属的凝固温度（固相线） A1-钢的A1变态点 t0-初始温度,1、焊接过程,本章主要内容：,2、焊接区的晶体凝固组织,不易淬火钢焊接热影响区的组织分布,3、焊接区的组织分布及特点,13mm,1.24mm,4、焊接过程中的缺陷及控制,1、氧化 ：空气在高温电弧作用下分解出氧原子，与金属发生反应。 造成合金元素烧损。 2、蒸发：高温达到金属沸点发生蒸发。 改变了化学成分，合金元素烧损。 3、吸气：高温下气体溶解度增加，冷却速度太快而无法排除 造成气孔、氢脆性 4、焊接应力 变形和开裂,