材料加工物理－焊接（welding） 第一部分 焊接电弧物理 1.1概述

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1 材料加工物理－焊接（welding） 第一部分 焊接电弧物理 1.1概述 焊接(Welding):通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使焊接件达到原子结合的加工方法。 1、焊接方法的分类 （1）熔焊 (fusion welding) （2）压焊 (pressure welding) （3）钎焊 (brazing, soldering) 熔焊：包括电弧焊，高能束焊，化学热焊，电渣焊

2 压焊：电阻焊，感应焊，超声波焊，扩散焊，摩擦焊，爆炸焊，冷压焊
钎焊：硬钎焊，软钎焊 2、焊接方法的特点 1）节省焊接材料，结构重量较轻 2）简化复杂零件和大型构件的制造工艺 3）适应性广泛 4）能满足特殊性能的要求 5）焊接结构有良好的水密性、气密性。 6）有较大的焊接残余应力 7）有较大的性能不均匀性

3 焊接桥梁 公路桥 铁路桥

4 3、焊接方法的应用 1）制造金属结构件 2）制造机器零件和工具 3）修复 4）表面改性 5）功能升级、复合制造

5 芜湖长江大桥 大型30万吨原油船 液化汽船 千吨级热壁加氢反应器

6 1.2熔焊原理及过程 1.2.1、熔焊的本质及特点 熔焊的本质:在焊接条件下的小熔池熔炼和冷凝，金属熔化和结晶的冶金过程。 形成焊接接头（welded joint），母材（base metal）、热影响区（heat affect zone）、熔合线（区）（bond line，area）焊缝（weld） 熔焊的冶金特点： 1）反应区的温度高于一般的冶炼温度 2）熔池小冷却速度快，液态金属高温停留时间短 3）冶金条件差

7 1.2.2、熔焊的焊接电弧的组成 一.热源 1.焊接电弧（welding arc） 焊接电弧由阴极区(cathode）、
弧柱区（arc column）和阳极 区（anode）组成。 阴极区与阳极区在弧柱长度方向为10－3～10－4mm。 产热量：阴极区 36% K 阳极区 43% K 弧柱区 21% ~8000K 阴极发射电子：热发射，电场发射，碰撞发射，光发射 阳极区的电离：热电离，碰撞电离，光发电离 弧柱区：复合反应A－e U＝A＋＋e－

8 二、熔池（molten pool）的保护 1）渣保护 2）气体保护 3）气、渣联合保护 三、填充金属 1）焊芯（core wire）
2）焊丝（welding wire） 3）药皮（coating） 四、焊接材料的选用原则 1)工件的力学性能和化学成分焊缝金属的力学性能与化学成分与母材相同或接近 2）工件的工作条件和使用性能 3)焊接结构的特点 4)施工条件

9 第二部分 先进材料的连接 先进材料的钢铁材料 先进材料（新型材料）：新近开发或正在开发的具有优异性能和特殊用途的材料。 主要有：金属材料，陶瓷材料，复合材料，金属间化合物，功能材料 一、先进金属材料（Advance metal material） 低合金高强度钢（High Strength low alloy steel） 管线钢（pipeline steel) 超低碳贝氏体钢ULCB（ Ultra- low carbon bainitic) 超细晶粒钢（Ultra-fine grain steel） 针状铁素体钢，非调质钢（ acicular ferrite steel）

10 二、先进金属材料的焊接接头组织 焊接接头的组成： 母材（base metal）、焊缝金属（weld metal） 、熔合区（bond zone）和热影响区（heat affect zone）组成。 1、焊缝金属 a、先共析铁素体（proeutectoid ferrite，PF）770~680℃ 粒界铁素铁（grain boundary ferrite，GBF） b、侧板条铁素体（ferrite side plate，FSP） 700~550 ℃

11 d、晶内铁素体（intergrain Ferrite，IGF）650~450 ℃
e、细晶铁素体（fine grain ferrite，FGF） 500～650℃ f、贝氏体（bainite，B） 500℃ g、马氏体（martensite，M） 300℃

12 2、熔合区 3、热影响区(heat affect zone，HAZ） 焊接热循环(weld thermal cycle) ：焊接加热过程中，焊缝金属附近某点的温度由低到高，再由高到低的过程。 由加热速度V，最高温度Tm，高温停留时间t，冷却速度四个参数组成。 1)过热区（1100℃以上） 2)正火区（850~1100℃ ） 3)部分相变区（700~850 ℃) 三、焊接热影响区（HAZ）的问题 1、局部脆化区LBZ（local brittle zone）

13 2、未改变的粗晶热影响区UCGHAZ（Unaltered coarse grain HAZ）
3、临界区再加热的粗晶热影响区IRCGHAZ（Intercritically reheated CGHAZ） 4、亚临界区再加热的粗晶热影响区SRCGHAZ (Subcritically reheated CGHAZ） 焊接HAZ的晶粒达80~200μm。 利用氧化物冶金(Oxide Metallurgy) 和控制CR（controlled rolling ） －控冷（controlled cooling）工艺获得焊接HAZ晶粒不长大细晶粒钢，控制焊接热影响区的晶粒长大。 四、先进金属材料的焊接方法

14 1)高效超窄间隙（narrow gap welding）脉冲式熔化极气体保护焊
坡口为2~5mm，母材熔化宽度0.5mm，HAZ的宽度为1mm以下。单道熔敷金属厚度10mm。 2)大功率小热输入量大熔深高能束焊 激光焊（laser beam welding），小于20mm 电子束焊（electron beam welding），小于250mm 等离子弧焊（plasma arc welding），小于20mm 3)低温焊接 扩散焊，摩擦焊，钎焊等。 4)场处理技术焊接

15 第三部分 严酷条件下的焊接技术 开发海洋、利用潮汐，应用核能以及空间探索，提出严酷环境下工作的海洋工程结构、核电站和空间站的组装与维修，就要开发在严酷条件下进行连接技术。 水下焊接（Under water welding） 一、水下焊接方法 1）湿法焊接 2)工作室式干法焊接 3)干箱式焊接 4)干点式焊接 5)常压舱焊接

16 二、水下焊接的冶金 1、化学冶金 2、气孔 三、水下焊接方法 1、焊条电弧焊 2、钨极惰性气体保护焊 3、药芯焊丝电弧焊 4、熔化极气体保护焊 5、等离子弧焊 空间焊接（Welding in space） 一、空间焊接的问题

17 1、微重力 2、空间真空 3、明暗界限的存在 二、空间焊接方法 电弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊、扩散焊、爆炸焊、磁脉冲焊、钎焊等。 作业（3选2) 1、试分析焊接电弧的组成及其构造。 2、试分析先进金属材料焊接存在的问题及其焊接方法。 3、试分析水下焊接和空间焊接的冶金过程和焊接方法。