材料焊接原理 9787122443182

我国的现代焊接事业始于20世纪50年代中期，由苏联专家培养的第一届副博士（硕士）研究生1955年在哈尔滨工业大学毕业，成为我国焊接事业的开山鼻祖，为我国的焊接事业做出了巨大贡献；1956年，我国第一届本科焊接专业毕业生在哈尔滨工业大学毕业；同年，我国第一所焊接研究所以第一机械工业部和哈尔滨工业大学联办的形式，在哈尔滨工业大学挂牌成立；1957年，我国第一期 《焊接》 杂志在哈尔滨出版。20世纪50年代是我国焊接技术发展的开创期，年轻的焊接科技工作者一开始就对我国焊接科技的发展投入了巨大的努力，紧跟国际焊接科技发展，进行了大胆的新的焊接方法的研究。除了进行焊条电弧焊和埋弧焊的研究利用之外，还进行了氢原子焊、水汽保护焊（这些焊接方法由于焊接质量太差而被淘汰）的研究，1958年，由哈尔滨工业大学师生参与的三门峡水电站水轮机转子的电渣焊焊接成功，标志着我国年轻的焊接科技工作者快步走上社会主义建设前线。在短短的六七年间，检验我国焊接科技成就的第一届全国焊接学术会议于1962年夏季在哈尔滨召开。 
我国焊接科技的发展紧跟工业技术的发展，其工作对象从钢铁开始，以低碳钢为主，主要还是焊条电弧焊和埋弧焊，即渣保护或者气-渣联合保护的焊接方法。当时成熟的气保护焊接，主要是既提供热源，又提供保护的氧-乙炔火焰焊接。 
我们的焊接理论源于1950年由哈尔滨工业大学翻译出版的，苏联40年代高等学校焊接专业教材 《焊接过程理论》 ，其作为我国的主要教学参考书。在此理论基础上，60年代初，我国焊接专业教材 《焊接冶金基础》 第一次出版，由天津大学焊接教研室编写，主要内容是基于钢铁特别是低碳钢焊接理论的焊接冶金理论，1981年、1983年经过两次修订再版。 
我国的焊接技术实践，已经远远超过了单一金属材料的焊接，更是远远超出低碳钢焊接。可以肯定地说，现在我们已经可以焊接几乎所有的材料和材料组合，而这些材料不可能都采用“冶金”的工艺过程来实现。在这些实践中已经大量采用了非“冶金”的方式，由此建立了非冶金的焊接理论。正是出于这个目的，我们在综合研究、归纳我国广大焊接工作者近40年来大量科研成果的基础上，编写了 《材料焊接原理》 一书，本书可作为高等院校焊接专业的理论教材使用，也可以为从事科研、设计和生产的焊接工作者提供参考。 
本书分为两篇。第一篇仍然为焊接冶金，即金属材料的电弧熔化焊接原理。但是，内容有一些更新：将焊接热过程和焊接材料放在书后附录中，以供需要者参考；正文以焊缝、部分熔化区和焊接热影响区分别论述，特别单独列出了“部分熔化区”一章，其他两部分也注入了新的内容；虽然仍然以分析低碳钢的焊条电弧焊为主，但是也介绍了其他金属（如不锈钢、铝合金等）的熔化焊特征；还增加了焊接接头强韧性部分，以介绍焊接接头的使用性能。 
第二篇是材料组合的焊接原理，综合归纳了我国40多年来的研究成果。实际上，这部分焊接的实践中关于焊接接头的完成，不可能全都采用熔化焊，如非金属材料（有机材料、陶瓷、碳材料、复合材料等）的焊接、不同金属材料之间的焊接，以及非金属材料与金属材料的焊接等。这种接头不可能采用熔化焊接的过程来实现，而可以将非金属进行表面金属化，或者采用活性金属，或者采用非熔化的、熔化的中间层材料的焊接。这是一类化学成分不同的材料的焊接。这类材料的焊接与钢铁材料（基本是同类材料）的焊接（加热、熔化、冶金化学反应、冷却、结晶、相变）不同之处是，一般不能直接进行焊接，需要采取变通措施。 
① 要对其表面进行改性。这主要是指非金属，如碳材料（如金刚石、石墨、碳纤维、碳复合材料等）、陶瓷材料（包括玻璃）等。由于它们熔点很高，难以熔化，还由于它们化学活泼性很强，容易发生剧烈的氧化过程（燃烧），如碳材料，不可能进行直接的焊接；另外，它们的熔点很高，不可能如简单材料（同种材料）那样进行焊接，只有对其表面进行金属化，才能够如简单材料（但是，往往不是同种材料）那样，在较低的温度下进行固相（非熔化）焊接。 
② 采用活性金属法进行焊接。所谓活性金属法，就是采用一种含有能够与被焊材料发生化学反应的元素的材料，使焊接材料能够与被焊材料发生化学反应，通过这个化学反应产物，从而能够形成牢固的焊接接头。如Al、Ti等元素，能够与碳生成碳化物来焊接石墨等碳材料；Ti、Zr、Hf等强氧化物能够与陶瓷材料生成置换氧化物来焊接陶瓷材料等。 
③ 采用中间层。采用与被焊材料不同的第三种材料夹在被焊材料中间，使用加热、加压方法，使得这种中间层材料不熔化、部分熔化或者全部熔化，而扩散融入被焊材料的方法形成固溶体或者生成化合物来实现材料的焊接连接。或者采用一种能够与被焊（同种或者异种）材料都具有良好焊接性能的材料作为中间层材料，分别与被焊材料在两端进行通常的焊接。也可以在被焊材料的一端堆焊一层能够与另一端被焊材料具有良好焊接性的材料，进行堆焊焊缝与另一端被焊材料的焊接，从而实现这两种材料的焊接。 
由于这些焊接方法往往存在多元素共存，接头区会形成非常复杂的化合物，包括非金属化合物（如氧化物、碳化物、氮化物和复合化合物等）及十分复杂的金属间化合物（二元、三元及多元）。一方面这些化合物的形成，往往是实现焊接连接的前提；另一方面这些化合物对接头性能有非常重要的影响。由于这些化合物的形成条件（如温度、保温时间）千差万别，对焊接条件要求十分严格，必须严格控制焊接条件才能得到良好效果。 
本书由于启湛主编，参加编写的还有丁成钢、赵丽敏。对本书引用资料的国内外作者表示敬意和感谢！ 
由于作者水平有限，加之科学技术发展迅速，有关新技术、新材料不断涌现，因此难免有不足之处，敬请广大读者指正、谅解。若本书对您有所裨益，本人不胜荣幸。 

大连交通大学  于启湛 

本书介绍了大部分材料的焊接原理，共分为两篇9章。金属材料的电弧熔化焊原理篇包括焊缝、焊接部分熔化区、焊接热影响区、焊接接头的强韧性；材料组合的焊接原理篇包括材料组合的焊接特点、材料组合之间的焊接性和焊接方法，材料表面改性焊接，材料表面活性化焊接，材料加中间层的焊接和过渡液相扩散焊接。书末有8个附录，使得内容在不破坏系统性的基础上，更加完善。本书适合高等院校本科层次的焊接专业师生使用，也可供从事科研、设计和生产的焊接工作者参考。

无

第1篇金属材料的电弧熔化焊接原理 
第1章焊缝002 
1.1填充材料的熔化和熔池的形成002 
1.1.1填充材料的加热和熔化002 
1.1.2熔池的形成004 
1.2材料焊接中的保护008 
1.2.1熔渣和气体的联合保护008 
1.2.2熔渣保护008 
1.2.3气体保护008 
1.2.4真空保护009 
1.3材料电弧焊焊接中化学反应的条件009 
1.3.1焊接中化学反应的分区009 
1.3.2焊接工艺对化学反应的影响010 
1.4焊接区内的气相和熔渣011 
1.4.1焊接区内的气相011 
1.4.2焊接熔渣014 
1.5气体与金属的相互作用019 
1.5.1焊缝中的气体含量及其对焊缝质量的影响019 
1.5.2氮与金属的相互作用020 
1.5.3氢与金属的相互作用022 
1.5.4氧与金属的相互作用032 
1.6低碳钢焊接中的氧化还原反应036 
1.6.1低碳钢焊接中金属的氧化反应036 
1.6.2低碳钢焊接中金属的脱氧反应039 
1.7焊缝金属的脱硫、脱磷041 
1.7.1硫的来源、危害及防止041 
1.7.2磷的来源、危害及防止043 
1.8焊缝金属的合金化043 
1.8.1焊缝金属合金化的目的和方法043 
1.8.2焊缝金属合金化043 
1.8.3合金元素的过渡系数及其影响因素044 
1.9熔池金属的结晶047 
1.9.1焊接熔池结晶的特点047 
1.9.2奥氏体不锈钢焊缝金属结晶057 
1.9.3焊缝金属的晶界060 
1.10焊缝金属的二次转变063 
1.10.1低碳低合金钢焊缝金属的二次转变063 
1.10.2不锈钢焊缝金属的固相转变069 
1.11焊缝金属化学成分的不均匀性071 
1.11.1低碳低合金钢焊缝金属的不均匀性071 
1.11.2不锈钢焊缝金属结晶时的偏析072 
1.12焊缝中的气孔和夹杂072 
1.12.1焊缝金属中的气孔072 
1.12.2焊缝中的夹杂077 
1.13焊接结晶裂纹078 
1.13.1焊接裂纹的种类和特征078 
1.13.2结晶裂纹产生的机理080 
1.13.3焊接热裂纹的断裂类型和断口形貌081 
1.13.4影响结晶裂纹的因素082 
1.13.5防止产生结晶裂纹的措施086 
思考题089 

第2章焊接部分熔化区091 
2.1焊接部分熔化区的现象与形成091 
2.1.1焊接部分熔化区现象091 
2.1.2焊接部分熔化区的形成091 
2.2焊接部分熔化区的液化091 
2.2.1液化机理091 
2.2.2液化金属的结晶096 
2.3部分熔化区的液化裂纹099 
2.3.1部分熔化区的液化裂纹的形态099 
2.3.2产生部分熔化区的液化裂纹的机理099 
2.3.3部分熔化区的液化裂纹的影响因素100 
2.3.4产生液化裂纹的判据101 
2.3.5对部分熔化区的液化裂纹的评价101 
2.3.6防止液化裂纹的措施102 
2.3.7液化裂纹的断口形貌103 
2.4冷裂纹103 
2.5异种材料焊接的部分熔化区104 
2.5.1异种材料焊接的部分熔化区的特点104 
2.5.2部分熔化区边界的组织形态105 
2.5.3部分熔化区中的马氏体带106 
2.5.4熔合区的热应力107 
2.6异种钢焊接部分熔化区碳的扩散和剥离裂纹107 
2.6.1异种钢焊接部分熔化区的碳扩散107 
2.6.2剥离裂纹110 
思考题114 

第3章焊接热影响区115 
3.1焊接热循环115 
3.1.1焊接热循环的主要参数115 
3.1.2焊接热循环的测定116 
3.1.3多层焊接热循环117 
3.2焊接热、力模拟技术118 
3.2.1焊接热、力模拟技术原理118 
3.2.2焊接热、力模拟技术的应用119 
3.3焊接热循环条件下铁碳合金发生的组织转变119 
3.3.1焊接热循环条件下的组织转变特点119 
3.3.2焊接加热的组织转变119 
3.3.3焊接加热过程的再结晶121 
3.3.4快速加热冷却中的相变121 
3.3.5焊接热影响区的晶粒长大与细化121 
3.3.6焊接冷却过程组织转变126 
3.4低碳低合金钢焊接热影响区的组织性能130 
3.4.1焊接热影响区的组织分布130 
3.4.2焊接热影响区的力学性能132 
3.5高强钢的焊接延迟裂纹135 
3.5.1焊接延迟裂纹的一般特征135 
3.5.2高强钢焊接延迟裂纹的形态135 
3.5.3高强钢产生焊接延迟裂纹的机理135 
3.5.4高强钢防治延迟裂纹的措施139 
3.5.5延迟裂纹的断口形貌140 
3.6再热裂纹141 
3.6.1发生再热裂纹的焊接接头141 
3.6.2再热裂纹产生的条件141 
3.6.3产生再热裂纹的机理143 
3.6.4再热裂纹的影响因素145 
3.6.5防止再热裂纹的措施146 
3.7钢结构焊接接头的层状撕裂146 
3.7.1层状撕裂的特征146 
3.7.2层状撕裂的形成机理147 
3.7.3影响因素和防止措施147 
思考题148 

第4章钢焊接接头的强韧性149 
4.1金属材料的断裂特征及其试验方法149 
4.1.1金属材料断裂的类型149 
4.1.2金属材料断口形貌150 
4.1.3金属材料脆性断裂的特点152 
4.1.4影响金属材料脆性的因素153 
4.2低碳低合金钢焊缝金属的组织和韧性153 
4.2.1金属的韧性和韧化153 
4.2.2焊缝金属的连续冷却组织转变图（WM-CCT图）156 
4.2.3氧对焊缝金属组织和韧性的影响157 
4.2.4焊接热循环对焊缝金属组织和韧性的影响157 
4.2.5合金元素对焊缝金属组织和韧性的影响160 
4.2.6低碳低合金非调质钢焊缝金属的组织和韧性163 
4.3焊接热影响区的组织和韧性168 
4.3.1焊接热影响区组织和韧性的影响因素168 
4.3.2高强钢的M-A组织及韧性169 
思考题172 

第2篇材料组合的焊接原理 
第5章材料组合焊接概论174 
5.1材料组合焊接的特点174 
5.1.1元素之间的相互作用174 
5.1.2焊接接头界面反应的复杂性175 
5.2材料组合之间的焊接性176 
5.2.1材料组合焊接之间的润湿性176 
5.2.2材料组合之间热物理性能的差异178 
5.2.3陶瓷材料与金属的结合界面179 
5.3材料组合的焊接方法179 
5.3.1材料组合焊接适用的焊接方法179 
5.3.2材料组合焊接的一些典型案例179 
思考题185 

第6章材料表面改性焊接186 
6.1材料表面金属化186 
6.1.1热喷涂表面金属化186 
6.1.2材料表面进行电刷镀金属化187 
6.1.3其它表面涂镀金属化法189 
6.2烧结粉末金属化法192 
6.2.1Mo-Mn法陶瓷烧结粉末金属化法192 
6.2.2其它烧结粉末金属化技术195 
6.2.3烧结金属化层的缺陷197 
思考题197 

第7章表面活性化焊接198 
7.1活性金属法焊接的机理198 
7.2焊接中的活性金属200 
7.2.1焊接适用的活性金属的种类200 
7.2.2活性金属中间层材料的形态201 
7.2.3活性金属化的应用202 
7.3活性金属焊接法焊接接合界面的显微结构203 
7.3.1被焊材料与金属焊接接合界面的显微结构203 
7.3.2反应生成物的成长动力学203 
7.4活性金属焊接加工工艺204 
思考题205 

第8章加中间层的焊接206 
8.1材料焊接中中间层的意义206 
8.1.1焊接材料之间的适应性206 
8.1.2材料焊接中的中间层206 
8.2材料焊接中中间层的应用207 
8.2.1用活性金属作中间层207 
8.2.2用氧化物组成复合盐作为中间层208 
8.2.3用复合中间层的扩散焊208 
8.3采用中间层方法进行固相扩散焊接质量的影响因素209 
8.3.1焊接温度的影响209 
8.3.2焊接时间的影响210 
8.3.3压力的影响211 
8.3.4其它因素的影响212 
8.4用超塑性陶瓷作中间层焊接陶瓷213 
8.4.1超塑性陶瓷作中间层焊接陶瓷的特性213 
8.4.2用超塑性陶瓷作中间层焊接陶瓷的焊接机理213 
思考题214 

第9章过渡液相扩散焊接215 
9.1过渡液相扩散焊接概述215 
9.1.1过渡液相扩散焊接的分类215 
9.1.2过渡液相扩散焊接215 
9.1.3局部过渡液相焊接216 
9.2中间层材料217 
9.2.1中间层材料的选择217 
9.2.2中间层材料的设计218 
9.2.3中间层添加的形式219 
9.2.4多层复合中间层的应用219 
9.2.5中间层对接头性能的影响220 
思考题223 

附录224 
附录1焊接传热学224 
附录2焊接材料229 
附录3材料组合的焊接方法264 
附录4采用金属粉末烧结法进行陶瓷表面金属化的配方和工艺274 
附录5金属化法焊接的母材、金属化方法、焊接材料、焊接工艺参数和接头强度283 
附录6活性金属法焊接的母材、活性材料、焊接工艺参数和接头强度286 
附录7采用中间层焊接的母材、中间层材料、焊接工艺参数和接头强度295 
附录8过渡液相焊接的母材、中间层材料、焊接工艺参数和接头强度306 

参考文献310 

本书介绍了大部分材料的焊接原理，共分为两篇9章。金属材料的电弧熔化焊原理篇包括焊缝、焊接部分熔化区、焊接热影响区、焊接接头的强韧性；材料组合的焊接原理篇包括材料组合的焊接特点、材料组合之间的焊接性和焊接方法，材料表面改性焊接，材料表面活性化焊接，材料加中间层的焊接和过渡液相扩散焊接。书末有8个附录，使得内容在不破坏系统性的基础上，更加完善。本书适合高等院校本科层次的焊接专业师生使用，也可供从事科研、设计和生产的焊接工作者参考。

无