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授课教师：金属熔焊原理绪论学习目标：了解焊接过程的物理本质了解焊接与其他连接方法的区别了解焊接方法的分类了解本课程的主要内容和学习本教材要达到能力目标现代焊接技术的发展始于19世纪80年代，随着新焊接能源的不断开发与应用，新的焊接方法不断涌现，新的焊接技术不断的发展，在能源、交通、建筑，特别是机械制造部门中，已成为不可缺少的工艺方法。焊接过程的实质机器制造中，连接的方法有哪些？什么是焊接？焊接是通过加热或加压，或者两者并与，并且用或不用填充材料，使焊件间达到原子间结合的一种加工方法。————GB/T3375-1994《焊接术语》焊接不仅是焊件在宏观上建立的永久连接，也是微观上形成的原子间的结合。（在焊件间建立了金属键）双原子模型为例，原子的结合情况引力：一个原子的外部电子与另一原子核相互作用引起的。斥力：两个原子的核外电子直接和两原子核之间的相互作用引起的。引力与斥力达到平衡时，两个原子相对位置固定。引力与斥力的大小决定是否形成金属键。其取决于原子间的距离。原子间的距离与金属晶格常数相接近时，易形成金属键。rA=(3-5)*10-8cm(3-5A)工件表面达到rA的方法如何使两个工件表面原子间距离达到rA?增加外部能量：加压：可以破坏表面膜，使连接处发生局部塑形变形，增加有效接触面积，当压力达到一定时，可建立金属键。加热：对被焊材料进行局部或整体加热，使连接处达到塑形或熔化状态，破坏氧化膜，增加原子振动能，利于实现焊接。针对某一金属，实现焊接所需的最低能量是一定的，因此，所需的加热温度与压力之间存在互补关系。焊接优点（1）焊接结构重量轻，节省金属材料。例如：与金属铆接相比，可节省金属10%-20%以上。（2）焊接接头具有良好的力学性能，能耐高温、高压，具有良好的密封性、导电性、耐腐蚀性、耐磨性。可焊接锅炉、高压容器、储油罐、船体等重量轻、密封性好、工作时不渗漏的空心构件。（3）可以将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料拼焊，简化大型或形状复杂结构零件的制造工艺。例如：大型压力机机身的制造。（4）可实现不同材料间的连接成形，铜—铝连接，高速钢—碳钢连接，碳钢—合金钢连接,优化设计，节省贵重金属。焊接缺点（1）焊接接头不可拆卸，更换零部件不方便；（2）焊接接头的组织和性能往往要变坏；（3）焊接时容易产生残余应力和焊接变形；（4）焊缝易出现裂纹，夹渣、气孔等缺陷，从而导致焊接件承载能力降低甚至脆断。另外对某些材料的焊接存在一定的困难。材料的连接方法焊接方法的分类焊接方法主要分为三大类：熔焊：指在焊接过程中，将待焊处的母材金属熔化，但不加压力以形成焊缝的焊接方法。如：焊条电弧焊、埋弧焊、气焊、电渣焊、气体保护焊。压焊：在焊接过程中，无论加热与否，必须对焊件施加一定压力以完成焊接的方法。如：电阻焊、摩擦焊、冷压焊、爆炸焊。钎焊：采用比母材熔点低的金属材料做钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现连接焊件的方法。压焊常用焊接方法熔焊钎焊气焊电弧焊电渣焊电子束焊激光焊电阻焊摩擦焊扩散焊高频焊烙铁钎焊火焰钎焊炉中钎焊点焊缝焊对焊焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊氩弧焊CO2气体保护焊本课程的主要内容与要求主要内容：本教材主要介绍金属在熔焊过程中温度、化学成分、组织和性能的变化规律，常见的焊接冶金缺陷产生的原因、影响因素和防止措施，焊接材料的性能和应用。能力目标：1、了解焊接过程的物理本质，能从理论上说明焊接与其他连接方法的根本区别。2、了解焊件上温度变化规律，熟悉焊接条件下金属所经历的化学、物理变化过程、掌握焊接接头在其形成过程中成分，组织与性能变化的基本规律。本课程的主要内容与要求3、掌握焊接冶金过程中常见缺陷的特征、产生条件和影响因素，并能根据生产实际条件分析缺陷产生的原因，提出防止措施。4、掌握常用焊接材料的性能特点及应用范围，了解焊条配方的设计原则及制造过程。焊接结构的特点：（1）重量轻，节约材料。（2）劳动量少，生产率高。（3）强度高，密封性好。（4）加工方便，利于实现机械化自动化。第一单元焊接热过程学习目标：了解焊接热过程的特点及其对焊接接头组织和性能的影响。熟悉常用的焊接热源的种类掌握焊接温度场的分布及影响因素掌握焊接热循环的特点，影响因素及调节方法。焊接的一般过程一般焊接部位须经历加热——熔化——冶金反应——凝固结晶——固态相变——形成接头等过程。归纳如下:1、焊接热过程在焊接热源作用下，金属局部被加热与熔化，同时出现热量的传播和分布的现象，而这种现象贯穿整个焊接过程的始终。（影响焊接质量和生产率）2、焊接冶金过程金属的氧化、还原、脱硫、脱磷、渗合金及与氢的作用等。（提高焊缝质量）焊接的一般过程3、焊接时金属的结晶和相变过程在焊接条件下，热源离开后被熔化的金属便快速连续冷却，并发生结晶和相变过程，最后形成焊缝。（保证焊接质量）焊接热过程的特点焊接热过程的两个基本特点：1）不均匀加热焊接热量集中作用于焊件连接部位，而不是均匀加热整个焊件。2）热作用的瞬时性焊接的热源是以一定速度移动的，因此，焊件上任一点受热的作用都具有瞬时性，随时间而变。（传热过程不稳定）焊接热过程对焊接质量的影响1、焊接热过程决定了焊接熔池的温度和存在时间2、在焊接热过程中，由于热传导的作用，近缝区的母材金属将发生组织和性能的变化。3、焊接是不均匀加热和冷却的过程，在接头处会发生不同程度热弹塑性变化，焊后将产生不均匀的应力状态和各种变形，应力与冶金因素共同作用会引起裂纹。4、焊接热过程对焊接生产率发生影响。常用的焊接热源生产中常用的焊接热源有以下几种：(1)电弧热利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产生的热能作为焊接热源。(2)化学热主要是利用助燃和可燃气体或铝、镁热剂燃烧时产生的热量作为焊接热源，如气焊、热剂焊等。(3)电阻热利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源，如电阻焊、电渣焊等。(4)摩擦热利用机械摩擦产生的热能作为焊接热源，如摩擦焊。常用的焊接热源(5)电子束利用高压高速的电子束轰击金属局部表面所产生的热能作为焊接热源，即电子束焊。(6)等离子弧将自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量的电弧热作为焊接热源，即等离子弧焊。(7)激光束利用高能量的激光束轰击焊件产生的热能进行焊接，即激光束焊。(8)高频感应热对于有磁性的金属，利用高频感应产生的二次电流做热源，在局部集中加热进行焊接。焊接热源的主要特征热源在单位时间向工件输送的能量，用W表示。功率密度：热源和工件之间有效接触的每单位面积上传送的功率，W/m2或W/cm2先进的焊接技术对热源要求能够进行高速焊，并能获得致密的焊缝和最小的加热范围。从三个方面对比：1、最小加热面积2、最大功率密度3、在正常焊接参数条件下，能达到的温度。焊接过程的热效率有效热功率：指焊件所吸收的热量1、电弧焊时的热效率通常，电弧焊焊接时，电弧输出总功率为P0,则：电弧输出功率P0＝UIU—电弧电压；I—焊接电流；P0—电弧功率，即电弧在电位时间内所析出的能量。焊接过程的热效率电弧的有效热功率PP＝η′P0P—有效热功率；η′—焊接加热过程的热效率，或称功率有效系数。η′值一般根据实验测定，不同焊接方法的η′不同，η′值既与焊接方法有关，也与焊接参数、被焊材料等因素有关。电渣焊时的热效率，热损失主要是水冷滑块，板厚越大，热效率越高。电子束与激光焊的热效率，能力极为集中，可以在最小的加热面积上提供最大的功率。焊接过程中的热能传递方式1、热传导由于温度不同，在物体内部引起自由电子移动和原子、离子发生振动的结果。2、对流由运动的质点来传递热能的，利用不同温度区域质点的密度不同来传热的。3、辐射物体受热之后，内部原子发生振动而出现一种电磁波。此电磁波从物体的表面向外发生，到达另一物体的表面时又转变为热能。焊接温度场一、焊接温度场的定义及特点1、焊接温度场的定义焊接温度场是指焊件过程中某一瞬时焊件上各点的温度分布。1）、温度场考察的对象是空间一定范围内的温度分布状态2）、由于焊件上各点的温度是随时间变化的，因此温度场是某个瞬时的温度场。焊接温度场2、焊件温度场的特点1）可以图形表示2）等温线或等温面之间互不相交，有温度梯度3、焊件温度场的分类温度场可以分为三维的、二维的和一维的。图1-1焊接温度场示例a)焊件上的坐标轴b)XOY面的等温线和最高温度点曲线（虚线）c)沿X轴的温度分布曲线d)沿Y轴的温度分布曲线图1-3金属的导热能力对焊接温度场的影响焊接温度场二、影响焊接温度场的因素1、热源的性质热源性质不同，焊接时温度场的分布也不同。2、焊接参数焊接时为保证焊接质量而选定的各项参数的总称。（电流、电压、焊接速度、热输入）影响最大的是有效热功率和焊接速度。想一想，薄板和厚板哪个传热快？焊接温度场3、被焊金属的热物理性能（1）热导率λ金属内部的导热能力。w/(cm·℃）（2）比热容C单位质量的物质升高1度所需要的热量。J/(g·℃)（3）焓（H）单位质量的物质加热到温度t时所吸收的热能。J/g（4）表面传热系数（a）散热体表面与周围介质每相差1度时，通过单位面积在单位时间内所散失的热量。4、被焊金属的几何尺寸焊接热循环焊接热循环在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由低而高达到最大值后又由高到低变化的过程。低合金钢焊条电弧焊时焊缝附近各点的焊接热循环焊接热循环的主要参数1、加热速度（Vh）焊接钢材时，加热速度越快，钢中奥氏体的均质化和碳化物溶解就越不充分，影响热影响区冷却后的组织和性能。2、峰值温度（tm)最高加热温度，决定焊后母材热影响区的组织性能。3、高温停留时间（τh）指在相变温度以上停留的时间。4、冷却速度（vC）和冷却时间（τ8/5）影响焊接热影响区的组织和性能影响焊接热循环的主要因素1、热输入热输入增大时，会使最高加热温度升高，相变温度以上停留时间延长，而冷却速度显著降低。2、预热温度提高预热温度，可以使热影响区的宽度增大。3、焊接方法热输入相同时，焊接方法对焊接热循环也有一定的影响。4、焊接接头尺寸形状尺寸形状不同，导热情况不同。5、焊道长度焊接热循环的调节方法调节焊接热循环的方法有：1、根据被焊金属的成分和性能选择适用的焊接方法。2、合理选用焊接参数。3、采用预热或缓冷等措施降低冷去速度。4、调整多层焊的层数或焊道长度，控制层间温度。