金属熔焊.doc

1、金属熔化焊基础教案什么是焊接？ 在各种金属加工工艺方法中，焊接属于连接加工，它在机器制造中占有重要的地位。而熔化焊则是若干焊接方法中应用最广泛的焊接方法，简称熔焊。一、 焊接的定义与熔焊的分类1. 焊接的定义：是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。 （微观上：使焊件之间达成原子间的结合）2. 焊接的目的：使将两个或两个以上的物体连接为永久结合的整体。3. 焊接的分类：熔焊、压焊、钎焊三大类。1） 熔焊：焊接时，将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法叫做熔焊。2） 压焊：焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。3） 钎焊：采用熔

2、点比母材熔点低的金属材料做钎料，将焊件与钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液体钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接的焊接方法叫做钎焊。4. 熔焊的特点与其他连接方法相比，熔焊具有以下优点：1） 节约材料焊接接头在连接部位没有重叠部分2） 工艺过程也比较简单焊件不需要开孔加工，3） 质量高熔焊的结合部位，不仅可以获得与母材相同的力学性能而且其他使用性能也都能够与母材相匹配。4） 可充分发挥设备和材料的潜力5） 劳动条件好缺点：易产生焊接应力与变形，熔焊过程的高温加热会使某些金属材料的性能降低，甚至影响产品的安全运行。3、焊接技术发展简况熔化焊技术在 19 世界 80

3、年代末开始用于工业生产，发展迅速，焊接技术的发展进步，主要表现在新方法、新技术的应用，设备的机械化、自动化程度不断提高和应用日益扩大等几个方面，目前，焊接已发展为一门独立的学科成为工业生产中不可缺少的加工工艺，并将发挥越来越大的作用。我国焊接技术相对比较落后，但发展前景很大，所以同学们更好的学习焊接技术，为祖国做更大的贡献。第一章 金属学基础课前提问：焊接概念，焊接目的新课讲解：金属学：是研究金属和合金的成分、组织、结构以及他们和性能之间关系的一门学科。力学性能：金属在外力作用下所表现的性能叫力学性能按外力作用性质的不同 可分：（静载荷） 、(冲击载荷)、(交变载荷)。力学性能指标：硬度、强度

4、、塑性、韧性。一、硬度：是表示固体材料表面抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。是衡量金属软硬的力学性能指标。测定硬度的方法很多，在生产中最多的是压入硬度测试法中的（布氏硬度 HBS） 、（洛氏硬度 HRC） 、 （维氏硬度 HV） 。二、 强度与塑性1、 强度：是金属材料在外力作用下抵抗永久变形与断裂的能力。由于作用力的性质不同，其判据可分为：屈服点、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度。拉伸力 F 与试件伸长量L 之间的关系称为力伸长曲线图 （1） oe 阶段弹性变形阶段（Fe 为发生最大弹性变形载荷。外力一旦撤去，则变形完全消失）（2） es 阶段屈服阶段（外力大于 Fe 后

5、，试样发生塑性变形，当外力增加到 Fs 后，曲线为锯齿状，这种拉伸力不增加变形却继续增加的现象称为屈服，Fs 为屈服载荷）（3） sb 阶段强化阶段（外力大于 Fs 后，试样再继续伸长则必须不断增加拉伸力。随着变形增加，变形抗力也逐渐增大，这种现象称为形变强化，Fb 为试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力）（4） bz 阶段缩颈阶段（局部塑性变形阶段） （当外力达到最大Fb 后，试样的某一直径处发生局部收缩，称为“缩颈” 。此时截面缩小，变形继续在此截面发生，所需外力也随之逐渐降低，直至断裂）材料受外力作用，其内部产生了与外力大小相等方向相反的抵抗力，即内力。单位面积上的内力称为应力。2、塑性塑性

6、：是金属在外力作用下，断裂前发生不可逆永久变形能力。金属材料的塑性指标为：伸长率、断面收缩率3、韧性韧性又称为韧度，是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，在断裂前发生明显塑性变形的材料称为韧性材料。固态物质按其原子的聚集状态可分为晶体与非晶体两大类。晶体：原子按一定顺序在空间有规则排列的物质称为晶体。 （大部分金属）非晶体：内部的原子无规则的堆积的物质称为非晶体。 （玻璃、松香、树脂）一、金属的特性1）良好的导电性和导热性2）正的电阻温度系数，3）具有金属光泽和良好的发射能力4）具有好的延展性5）除汞以外，在 25都是固体二、晶格与晶胞能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格。晶格时由许多形状、大

7、小相同的小几何单元重复堆积而成的，我们把其中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元称为晶胞。三、 常用的金属晶体结构类型1、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞时一个立方体，在立方体的 8 个顶角和中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有 Cr、W、Mo、V 等。这类金属一般具有高的强度和较好的塑性2、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方的 8 个顶角以及 6 个面得中心各有一个原子具有这种类型的晶格的金属有 Al、Cu、Ni 等。这列金属都有很好的塑性。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞时一个六方柱体，由六个长方形的侧面和两个正六边形的底面所组成。在六方柱体的 12 个顶角和上下

8、底面的中心各有一个原子，在柱体中心上下底面之间还有三个原子，具有这种类型晶格的金属有 Mg、Zn、Be、Ti等。四、金属的实际晶体结构与晶体缺陷单晶体：晶体内部晶格原子排列位向完全一致的称为单晶体，许多单晶体组成的多晶体。1、空位和间隙原子2、位错3、晶界4、亚晶界综上所述，金属的实际晶体结构与理想晶体结构之间的主要区别是：前者存在了各种缺陷。尽管脱离平衡位置的原子最多占原子总数的千分之几，但对金属的性能产生重大影响，而且还会影响到院子扩散、相变等过程。五、金属的同素异构转变纯铁的同素异构转变可概括如下：Fe（体心）Fe（面心）Fe（体心）一、结晶的概念金属由液体转变为固体的过程成为凝固。因为

9、金属是晶体，在凝固过程中原子由不规则排列的液态逐渐转变为有规则排列的晶体状态，因此通常把金属的凝固过程又称为结晶。纯金属冷却曲线：从冷却图可以看出液体金属的温度随时间延长而下降，当冷却到温度 Tn 即时结晶开始，这时由于结晶时放出的结晶潜热补偿了散失到外界的热量，曲线出现了一个水平阶段，温度 Tn 即为金属的实际结晶温度。结晶完成后，由于金属继续向外散失热量，温度又重新下降。在温度下降极为缓慢的冷却条件下，得到的结晶温度称为理论结晶温度 To。但在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都比较大，金属的结晶都要在低于 To 的某一温度 Tn 开始。实际结晶温度低于理论的进京温度的现象称为过冷现象。二者

10、之差（ToTn）称为过冷度，用符号T 表示。二、金属的结晶过程结晶时，首先在液体中某些部位的原子集团形成排列规则的微小晶核，接着已形成的晶核逐渐长大，同时又有新的晶核形成并长大，最后，晶粒互相接触，液体完全凝固。从分析结晶过程可以看到，金属中每个晶粒时由一个晶核成长而成的。也就是说，金属的结晶过程是由形核与晶核长大两个阶段组成的。三、晶核形成于晶粒长大晶核形成有自发形核与非自发形核两种形式、四、控制晶粒大小的措施1、提高液体金属的过冷度2、变质处理3、此外，采用机械振动或超声振动五、铸锭的结晶结构外层细晶带、柱状晶带、和中心粗大的等轴晶带。一、基本概念合金：是指两种或两种以上金属或金属与非金属

11、元素，通过熔炼，烧结或其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 （黄铜是由铜和锌组成的合金）二、合金的结构特点与相得概念合金的相是指在合金中具有相图化学成分和结晶结构的均匀部分。各相之间有明显的分界线叫做相界。1、固溶体一种由集体金属在固态下溶有其他元素原子而组成的相叫做固溶体。其中基体金属称为溶剂。溶入的元素称为溶质。（1）置换式固溶体（2）间隙固溶体（3）有限式固溶体（4）合金的固溶强化2、金属间的化合物三、合金的结晶特点1、纯金属的结晶是在恒温下进行的，而合金的结晶过程是在一定温度范围内进行，即结晶开始和终了的温度不同。2、合金从开始到结束，液体金属与已凝固的固态金属的成分不同，而且两者的

12、成分都随着温度而改变最后通过原子扩散而达到均匀化。3、纯金属结晶后是单相组织，而合金特别是多元合金较多的是双相或多相组织。一、有关相图的基础知识1、相图合金的相图，就是表示合金系统中，合金的状态与温度成分之间关系的图解，时分析合金状态极其变化规律的有效工具。2、二元相图的表示方法相图时在无限缓慢的加热和冷却条件，即平衡条件下绘制的，因而又叫平衡图或状态图3、均晶相图二组员液态完全互溶，并在固态形成无限固溶体的合金的相图，称为均晶相图。CuNi 合金相图可作为均晶相图的代表。图图中 A 点(1083)为纯铜的熔点,B 点(1452)为纯镍的熔点.Aa 1B 为合金开始结晶的温度曲线叫做液相线。A

13、b 1B 为合金终了的温度曲线叫做固相线。液相线以上为液相区（L） 。固相线以下为固相区（） ，固液线之间为液相与固相共存区（+L）称为双相区。相图形状和偏析的关系是：1）若相图中固相线与液相线之间的水平距离越大，即结晶的成分间隔越大，先结晶出来的枝干与后结晶枝间的成分差别也越大，偏析越严重。2)若相图中液相线与固相线之间垂直距离越大，即结晶温度区间越宽，偏析越严重。5、共晶相图二组员在液态完全互溶，在固态有限互溶，并具有共晶转变的合金所组成的相图，称为共晶相图。（1）共晶转变：合金在结晶时，从液相同时析出两个固相的转变，叫做共晶转变，又叫共晶反应。（2）相图分析PbSn 相图为例，图中 ta

14、E、tbE 为液相线，taMENtb 为固相线，MF和 MG 分别为 Sn 溶于 Sn 和 Pb 溶于 Sn 的溶解度线，也称为固溶线。图 （3）典型 PbSn 合金的结晶过程1）合金 I(FM)之间的合金2）合金（共晶合金）3）合金（亚共晶合金）4）合金（过共晶合金）二、铁碳合金的组元和基本相1、铁素体（F）碳溶于 Fe 中所形成的间隙固溶体，称为铁素体。由于 Fe 得溶碳量很小，所以铁素体的性能几乎和纯铁相同，即强度、硬度低，而塑性和韧性高。在显微镜下观察，铁素体呈明亮的多变形晶粒。2、奥氏体（A）碳溶于 Fe 中所形成的间隙固溶体，称为奥氏体。高温下奥氏体的显微组织，其晶粒呈多边形，与铁

15、素体的显微组织相近似，但晶粒边界较铁素体平直。3、渗碳体（Fe 3C）由于碳在 Fe 或 Fe 中的溶解度有限，所以当碳的含量超过碳在铁中的溶解度时，多余的碳就会和铁形成化合物 Fe3C，称为渗碳体。它是一种具有复杂晶体结构的化合物，硬度很到，脆性很大，几乎没有塑性。渗碳体在钢中与其他相共存时，可以呈片状、粒状、网状等不同的形态，渗碳体时钢中主要的强化相。三、铁碳合金相图分析1、FeFe 3C 相图中的主要特性点。特性点 温度 碳的含 量 含义A 1538 0 纯铁的熔点C 1148 4.3 共晶点，有共晶转变（钢与生铁的分界线）D 1227 6.69 Fe3C 的熔点E 1148 2.11

16、碳在 Fe（A）中的最大溶解度G 912 0 纯铁同素异构转变点P 727 0.0218 碳在 Fe(F)中最大溶解度S 727 0.77 共析转变点2、几条重要的曲线（1）ES 线：是碳在奥氏体中的饱和溶解度曲线（2）PQ 线：是碳在铁素体中的饱和溶解度曲线（3）GS 线：是同素异构转变线（4）ACD 线为液相线3、二条重要的水平线（1）ECF 线：是共晶转变线，C 点位共晶点。（2）PSK 线：时转变共析线，S 点位共析点。注：共析转变是从一种固相中同时析出另外两种固相的过程，转变产物较珠光体符号：P4、 FeFe3C 相图主要相区。四、典型铁碳合金结晶过程分析。铁碳合金包括：钢和白口铁。

17、钢包括：亚共析钢（0.0218% c0.77%）,共析钢 （ c0.77%）过共析钢（0.77% c2.11%）白口铁：亚共晶铁(2.11% c4.3%)共晶铁（ c4.3%）过共晶铁（4.3% c6.69%）小结：本次课主要讲述 FeFe3C 相图各特性点曲线含义和铁碳合金结晶过程分析。金属受力时结构和性能的变化弹性变形：金属受力时都要产生变形，当外力不太大时，所产生的变形在载荷卸除后变形可以全部恢复，这种变形称为弹性变形。塑性变形：当外力不太大时，金属内部的应力超过弹性极限时，不可恢复，这种变形叫做塑性变形。塑性变形时材料抵抗外力的能量储备，是产品的安全运行的重要保证。一、金属的塑性变形金

18、属材料经冷塑性变形后，强度、硬度上升，塑性下降，变形程度越大，性能变化的浮幅度也越大。金属材料在冷变形过程中产生的强度、硬度逐渐升高，塑性和韧性逐渐降低的现象，称为加工硬化或冷作硬化。二、冷变形金属在加热时组织于性能的变化1、回复：硬度、强度略有下降，塑性、韧性有所回升残余应力下降，这种变化过程叫做回复。例如：用冷拉钢丝卷制的弹簧卷成后进行 250300的低温处理，可以消除内应力但保持定型。2、再结晶回复后的金属继续加热升温时，由于原子的活动能力增大，在晶格畸变严重处形成与变形晶格不同、内部均匀的小晶粒，这些小晶粒不断向外扩展长大，使因变形而破碎的晶粒变成完整的新晶粒。随着组织的变化金属的强度

19、、硬度下降，塑性韧性升高。通常将能够进行再结晶的最低温度，称为金属的再结晶温度。如纯铁的再结晶温度为 450纯铜的再结晶温度在 230左右。T 再 （0.350.45）T 熔再结晶退火，将冷变形金属加热到再结晶温度以上，以消除加工硬化，提高塑性的过程称为再结晶温度。3、晶粒长大三、金属的热加工和冷加工热加工：在高于再结晶温度进行加工属于热加工， （锻造、热轧）冷加工：在再结晶温度以下进行加工则属于冷加工（冷轧、冷拔工艺）小结：金属受力时结构组织的变化（塑性、弹性）在加热时内部组织与性能的变化（回复、再结晶）第二章 焊接热处理基础一、热处理在机器零件制造中的作用钢经过冶炼轧制后出厂性能是不太高的

20、，这对一般不重要的机器零件和构件虽能满足要求，但远不能满足日益更新和更高的要求，此外，材料在加工中也会发生许多问题给加工过程和保证产品质量带来困难。解决这些问题最简单有效的方法，就是根据使用要求和加工工艺过程选用最适当的热处理工艺方法。由于热处理的方法不同，其性能差别之大令人惊奇。又如工具钢在未经淬火后回火之前，硬度很低，根据不能用作工具使用，但经淬火和回火之后，硬度可达 60HRC 以上，具有很高的耐磨性、能制作多种刃具、模具和量具使用，大型重要的焊接件，焊后若不进行消除应力退火，就会产生裂纹而使焊件报废造成重大的经济损失，因此，热处理是强化钢材，使其发挥潜在能力的重要工艺措施。例如：汽车、

21、拖拉机行业中，有 70%80%工件要经过热处理。而工具和量具制造业中几乎是 100%的工件要进行热处理。二、热处理的实质及分类热处理含义：将钢在固态下加热到给定温度，并在此温度保持一定时间，然后以预定的冷却方式和速度冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。热处理的目的不是改变零件的形状和尺寸，而是通过改变内部组织而改变其性能。热处理方法分为以下几种：热处理：普通热处理、表面热处理、普通热处理：退火、正火、淬火+回火表面热处理：表面淬火：感应加热与火焰加热表面热处理。表面化学热处理：渗碳、渗氮。热处理方法很多，但任何一种热处理方法都是由 加热、保温和冷却三个阶段所组成。加热

22、是钢进行热处理的第一道工序，也是保证热处理质量的先决条件。由 FeFe3C 状态图可知，共析钢、亚共析钢和过共析钢分别加热到 A1、A 3、A cm以上均能得到单相奥氏体。但实际上、钢进行热处理时，加热和冷却并不是极其缓慢的，大多有不同程度的滞后现象产生，就是说，实际转变温度往往偏离相图所示转变温度。随着加热和冷却速度增加，滞后现象越严重。为区别实际加热和冷却时的临界点，把加热时的临界点标以符号 AC1、AC 3、AC cm冷却时临界点标以符号 Ar1、Ar 3、Ar cm等。奥氏体化：通常将钢加热时获得奥氏体组织转变过程称为“奥氏体化”一、奥氏体的形成与张大以共析钢为例，当温度加热到 AC1

23、线时，珠光体向奥氏体转变，这一过程同样是由生核及晶核长大两个基本过程来实现。1）奥氏体生核2）奥氏体长大3）剩余渗碳体溶解4）奥氏体均匀化5）奥氏体晶粒的长大已经形成的奥氏体晶粒，若温度继续升高或保温时间的延长，就会迅速长大，特别是加热温度比保温时间影响更大。所以影响奥氏体化得主要因素是加热温度和加热速度。“孕育期”：当加热到 A1 点以上某一温度时珠光体并不立即转变，而要经过一段时间才开始转变的，这段是将称为“孕育期”二、奥氏体晶粒的大小及控制1、起始晶粒度与实际晶粒度起始晶粒度含义：刚开始转变成的奥氏体晶粒总是很细小，此时，奥氏体晶粒的大小，称为“起始晶粒度”实际晶粒度：在具某一具体的热处

24、理条件下获得的奥氏体晶粒大小，称为奥氏体的“实际晶粒度”2、奥氏体晶粒大小的控制1)规定合理的热处理加热温度范围2）在保证奥氏体均匀化得前提下尽量缩短保温时间3）在保证得到细小均匀的奥氏体前提下采用快速加热AC1、AC 3、AC cm和 Ar1、Ar 3、Ar cm的含义，和控制晶粒大小措施。钢经加热，保温的道奥氏体，创造了实现热处理的目的的先决条件，但是最终的性能主要取决于奥氏体冷却转变后的组织。1、连续冷却转变把加热到奥氏体状态的钢从高温到低温不停留的连续冷却到室温，奥氏体在一个温度范围内完成转变。如退火工艺的随炉缓冷、正火工艺的空冷。淬火工艺的水冷及油冷。2、等温冷却转变将已奥氏体化得钢

25、迅速冷却到 Ar1以下某一温度，并保温使过冷奥氏体在此温度下停留并完成转变，而后再冷却到室温。一、过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体：在孕育期中暂时存在但处于不稳定状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”将钢奥氏体化后迅速冷却到低于 Ar1的某一温度，并等温保持使过冷奥氏体在此温度完成其转变过程，称为“过冷奥氏体的等温转变。 ”奥氏体等温转变图。 （C 曲线图）图2、奥氏体等温转变产物的组织与性能。奥氏体的等温转变温度不同，转变产物也不同，在 Ms 水平线以上，可发生如下两种类型的转变。（1）珠光体转变从 A1 至 C 曲线鼻尖区间的高温转变，其转变产物是珠光体，故又称珠光体转变。 在 A1650温度范围内

26、等温转变，因过冷度小，形成的珠光体比较粗，层片间距 0.3m 左右，它在放大 400 倍以上的光学显微镜下，即能分辨清片层形态。 在 650600范围内，过冷度稍大，形核较多，转变速度较快，转变得到较薄的铁素体和渗碳体，其层片间距 0.10.3m，只有在高倍 1000倍以上金相显微镜下，才能辨出层片，这种组织称为珠光体或索氏体，用符号 S 表示。 在 600550范围内，过冷度更大，转变速度更快，获得铁素体和渗碳体片层更薄，其层片间距小于 0.1m。只有借助电子显微镜 2000 倍以下才能分辨，这种组织称为极细珠光体，也称为托氏体用符号 T 表示。上述珠光体、索氏体、托氏体三种组织，只有形态上

27、的薄厚之分，并无本质区别，故统称珠光体型。（2）贝氏体转变在 C 曲线鼻尖以下部分，大约在 550Ms 温度范围内转变后得到的组织为含碳化物所组成的混合组织，故称“贝氏体型转变”（3）马氏体转变奥氏体化后的钢，被直接迅速冷却到 Ms 温度以下，将发生马氏体转变。也叫做低温转变。马氏体时碳在 Fe 中的过饱和固溶体，用符号 M 表示，它是一种单相得亚稳定组织。奥氏体的连续冷却，过冷奥氏体和等温转变图。并能清楚知道奥氏体等温转变产物的组织与性能。生产中把热处理分为预备热处理和最终热处理两类一、钢的退火含义：将钢加热到一定温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺方法，叫退火。退火

28、的目的1）降低硬度，改善切削加工性能2）消除残余应力，以稳定工件尺寸并防止变形及开裂。3）细化晶粒，改善组织，提高力学性能1、完全退火（亚共析钢）完全退火工艺是将钢件加热到 AC3以上 2060，保温一定时间，随炉缓慢冷却至 600以下，再出炉在空气中冷却到室温。2、球化退火球化退火主要用于亚共析或过共析成分的碳钢和合金钢，其目的是将片层状的渗碳体改变为球状渗碳体，以降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火工序做好组织准备。一般球化退火是把钢加热到 AC1以上 2040保温一定时间，然后缓慢冷却600以下再出炉空冷。球化退火工艺的特点是低温短时间加热和缓慢冷却。3、去应力退火去应力退火的工艺是将

29、工件缓慢加热到 600650，保温一定时间，然后随炉缓冷至 200再出炉空冷。去应力退火的加热温度低于 A1，故钢未发生相变，当然不会改变原来的组织，也就无细化晶粒和改善组织的作用。二、钢的正火正火时将钢加热到工艺规定的某一温度，使钢的组织完全转变为奥氏体，经保温一段时间后，在空气中或在强制流动的空气中冷却到室温的工艺方法。1、正火的目的正火可以改善钢的切割加工性能，消除碳的质量分数大于 0.77%的碳钢或合金工具钢中存在的网状渗碳体，对强度的要求不高的零件，可以作为最终的热处理。凡碳的质量分数低于 0.45%的碳钢，都用正火替代退火。工具钢正火的组织，主要是获得索氏体和断续的链状渗碳体组织。结构钢正火后的组织，主要是获得索氏体或托氏体组织。热处理中退火与正火，他们都是加热到一定温度以上保温一定时间， ，不同的是冷却速度不同，最后得到的组织也不同，和他们的目的的应用。钢的淬火与回火是紧密衔接的两个工艺工程，淬火时为回火时调整和改善钢的性能做好组织准备，而回火则决定啦工件的使用性能和寿命。一、淬火淬火是将钢加热到 AC1 或 AC3 以上某一温度，保温一定时间使之奥氏体化，然后以大于获得马氏体的临界冷却速度快速冷却，从而发生奥氏体马氏体转变而获得马氏体的热处理工艺