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金属熔焊原理及材料焊接-邱葭菲!第3版教材参考文献[1]

一、金属熔焊原理概述

金属熔焊作为一种重要的金属连接方法，其原理在于利用高温使金属达到熔融状态，从而实现金属间的连接。在熔焊过程中，焊接热源是关键因素，它决定了焊接接头的质量。焊接热源可以是电弧、激光、等离子体等多种形式。电弧熔焊是最常见的熔焊方式之一，通过电极与工件之间的电弧产生高温，使金属熔化并形成熔池，随后冷却凝固，形成焊缝。激光熔焊和等离子体熔焊则因其高能量密度和精确控制的特点，在精密焊接领域得到了广泛应用。

金属熔焊的原理涉及多个物理化学过程。首先，高温使金属原子获得足够的能量，打破金属晶格的键合力，进入熔融状态。接着，熔池中的液态金属与固态金属之间发生相互作用，形成冶金反应，如元素的扩散、合金的形成等。这些反应不仅影响焊接接头的性能，还可能产生焊接缺陷。此外，熔池中的气体和杂质也会对焊接质量产生重要影响。因此，在焊接过程中，控制这些物理化学过程至关重要。

金属熔焊的应用领域非常广泛，从日常生活中的金属制品到工业生产中的大型结构，都离不开熔焊技术。在制造业中，熔焊不仅用于连接金属材料，还用于修复和再制造。随着科学技术的发展，熔焊技术也在不断进步。新型焊接材料、焊接工艺和焊接设备的应用，提高了焊接接头的性能和焊接效率，拓展了熔焊技术的应用范围。例如，钛合金、高温合金等难熔金属的焊接，以及复杂结构的高精度焊接，都得益于熔焊技术的不断创新。

二、金属熔焊过程中的物理化学变化

(1)金属熔焊过程中的物理化学变化是焊接技术的基础，这些变化包括熔化、冷却凝固、冶金反应和焊接缺陷的产生等。在焊接过程中，焊接热源将金属加热至熔点以上，使金属原子获得足够的能量，从而打破金属晶格的键合力，进入熔融状态。这一阶段，金属的物理状态发生变化，从固态转变为液态，为后续的冶金反应创造了条件。同时，熔池中的液态金属与固态金属之间的相互作用，如元素的扩散、合金的形成等，对焊接接头的性能产生重要影响。

(2)在金属熔焊过程中，冶金反应是物理化学变化的核心。这些反应包括元素间的扩散、溶解、析出和反应等。元素扩散是金属熔池中原子在浓度梯度作用下，从高浓度区域向低浓度区域迁移的过程。这种扩散作用不仅影响焊接接头的化学成分，还能改善其组织和性能。溶解是指液态金属中的元素溶解到固态金属中的过程，它有助于形成均匀的合金。析出是指在冷却过程中，溶质元素从过饱和的液态金属中析出形成固态的过程，这对焊接接头的性能和微观结构具有重要影响。反应是指液态金属中的元素与其他物质发生化学反应，如氧化、氮化等，这些反应可能导致焊接缺陷的产生。

(3)金属熔焊过程中的物理化学变化还涉及到焊接缺陷的产生。焊接缺陷是焊接接头中不希望存在的组织、形状或尺寸异常，它会影响焊接接头的性能和使用寿命。常见的焊接缺陷包括气孔、裂纹、夹渣、未熔合等。气孔是由于焊接过程中保护气体不足或熔池冷却过快，导致熔池中的气体无法完全逸出而形成的。裂纹可能是由于焊接热应力和组织变化引起的，如热裂纹、冷裂纹等。夹渣是由于熔池中的非金属夹杂物未完全熔化或去除而形成的。未熔合是指焊接接头的金属未完全熔化而形成的缺陷。控制焊接过程中的物理化学变化，对于减少焊接缺陷、提高焊接接头的质量具有重要意义。

三、金属焊接材料及焊接工艺

(1)金属焊接材料是焊接工艺中不可或缺的组成部分，它直接影响焊接接头的性能和质量。焊接材料主要包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体等。焊条是一种预先制备好的金属棒，其表面涂有焊剂，用于电弧熔焊。焊丝是一种实心或空心的金属线材，用于气体保护焊和激光焊等工艺。焊剂是一种粉末状或颗粒状的物质，用于保护熔池免受空气中的氧气、氮气等有害气体的侵蚀，同时有助于改善焊缝金属的性能。保护气体则用于形成保护气氛，防止熔池和焊接接头氧化、氮化等。

(2)焊接工艺的选择和操作对焊接接头的质量有着至关重要的影响。焊接工艺包括熔化极气体保护焊、非熔化极气体保护焊、电弧焊、激光焊、等离子焊等多种形式。熔化极气体保护焊（GMAW）是最常用的焊接方法之一，它使用熔化的焊丝和惰性气体保护熔池，适用于多种金属的焊接。非熔化极气体保护焊（TIG）使用非熔化的钨电极产生电弧，适用于不锈钢、铝等难熔金属的焊接。电弧焊（SAW）利用电弧加热金属，适用于大型结构件的焊接。激光焊和等离子焊则因其高能量密度和精确控制的特点，在精密焊接领域有着广泛应用。

(3)焊接工艺的优化和改进是提高焊接接头质量的关键。焊接工艺参数的合理选择，如焊接电流、电压、焊接速度、保护气体流量等，对焊接接头的熔深、焊缝形状、接头性能等都有重要影响。焊接过程中的热输入和热循环对焊接接头的组织和性能也有显著影响。此外，焊接过程中的层间温度、预热温度、后热温度等参数的控制，对于减少焊接应力和防