第五章 固体材料的连接80121.ppt

5. 固态材料连接过程 5.1 焊接成形过程焊接：通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合而连接成一体的加工方法。金属的焊接在现代工业中具有重要的意义。 金属焊接的本质要把两个分离的金属构件连接在一起，从物理本质上来看，就是要使这两个构件连接表面的原子彼此接近到金属晶格距离（即0.3 -0.5nm ）。 金属焊接的障碍一般情况下，当我们把两个金属构件放在一起时， 由于其表面粗糙度（即使经精密磨削加工的金属表面粗糙度仍达几到几十微米）和表面存在的氧化膜及其它污染物，实际阻碍着不同构件表面金属原子之间接近到晶格距离并形成结合力。焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程克服上述困难。 实现焊接的途径加 压 破坏接触表面的氧化膜；发生局部塑性变形；增加有效接触面加 热 达到塑性或熔化状态，破坏氧化膜，降低金属变形阻力；增加原子振动、促进扩散、再结晶；促进化学反应和熔化结晶过程等。 熔化焊接 使被连接的构件表面局部加热熔化成液体，在被焊材料基体上结晶成一体的方法。 固相焊接 利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服表面不平度，除去氧化膜及其它污染物，使两个连接表面的原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下实现连接。 钎焊连接 利用某些熔点低于被连接构件材料的钎料金属在连接界面上的熔化流散浸润，然后结晶形成结合。 5.1.1 焊接成形过程特性和理论基础 （1）焊接方法分类及其特点 5.1.1 焊接成形过程特性和理论基础 （2）电弧焊的冶金过程及其特点 1）电弧焊冶金过程冶金过程 电弧焊时，焊接区各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程。2）冶金过程特点 ① 焊接区域温度高远高于一般冶炼温度（弧柱温度5000～30000K，电极温度2200～4200℃，熔滴温度2100～2700℃，熔池平均温度1770±100℃）导致金属蒸发、氧化和吸气现象严重。 电弧温度分布弧柱区温度高，极区温度较低 2）冶金过程特点 ② 时间短、冷却速度快熔滴相互作用时间0.01～1.0s，熔池相互作用时间几秒至几十秒之间，比普通冶金短许多。熔池小，周围是导热良好的金属，冷却速度快。 焊接区液相主要冶金反应 ① 氧化还原反应 高温电弧中的氧化性气体、熔渣中金属氧化物与熔融金属间氧化还原反应。各种金属元素烧损，形成熔渣，甚至导致焊缝夹渣。 ② 吸气 熔融金属在高温时溶解大量气体，熔池冷却速度快，气体来不及排出存在于焊缝中。形成气孔或化合物存在于焊缝中。 ③ 蒸发 由于焊接区温度高，有时接近或达到材料的沸点，各种元素会强烈蒸发。元素蒸发导致焊缝化学成分改变，降低接头性能。另外，金属蒸发对电弧稳定燃烧有重要意义。 3）电弧焊冶金过程采取的技术措施 ① 采取保护措施，限制有害气体进入焊接区。焊条药皮、焊剂和保护气体作用之一实现良好保护。 ② 渗入有用合金元素。补充冶金过程烧损或增加焊缝金属的某些元素，提高焊缝金属性能。 ③ 进行脱氧、脱硫和脱磷。 （3）焊接接头的金属组织和性能 1）焊接工件上温度的变化与分布焊接接头的金属都经历有常温加热到高温，然后再逐渐冷却到常温的过程——焊接热循环。 2）焊接接头的组织和性能焊接接头 接头由焊缝、熔合区和热影响区组成 ① 焊缝的组织和性能焊缝 熔池金属结晶形成的焊件结合部分。焊缝结晶形态 焊缝金属结晶由熔池边缘开始，呈柱状晶中心长大。由于冷却速度快，焊缝成分存在偏析。 ② 焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区 电弧作用下，焊缝附近处于固态的母材发生组织或性能变化的区域。由于各点所经历的热循环不同，组织变化也不同。对于不易淬火的低碳钢，根据组织特征可将热影响区分为：熔合区、过热区、正火区、部分相变区 过热区紧靠熔合区，加热温度在TS～ 1100℃，温度高，加热时全部转变成奥氏体，且组织急剧长大；冷却得到过热粗晶组织。过热区的塑性、韧性较低。焊接刚度大的结构或易淬火纲，易在此区产生裂纹。 正火区该区紧邻过热区，加热温度在1100℃～Ac3之间，金属发生重结晶，形成细化的奥氏体组织；冷却速度相当于空冷，得到细小均匀的正火组织。该区力学性能高于未经处理的母材。 部分相变区紧靠正火区，加热处于Ac1～ Ac3之间，加热时只有珠光体和部分铁素体转变为奥氏体，其余仍为原来的组织形态。冷却组织后得到晶粒大小不均匀，对力学性能有不利影响。 熔合区焊缝与母材交接的过渡区，加热温度在Tl～Ts之间，处于半熔化状态。熔化的金属将凝固成铸态组织，而未熔化部分转变为过热组织。该区塑性和韧性较差，成为裂纹和局部脆性破坏的源点。该区较窄(0.1～1mm)，但对接头性能有很大影响。由此可见，熔合区和过热区是焊接接头中力学性能