第一章：冶金连接：借助物理冶金或化学冶金的方法，通过材料间的熔合、物质迁移和塑形变形等而形成的材料在原子间距水平上的连接。焊接与连接技术按连接机理分为：熔化焊（通过母材和填充材料的熔化、融和实现材料冶金的一类方法）、固相焊（在一定的热、力耦合作用下，材料在固态下借助界面物质迁移或塑形变形实现冶金连接的一类方法）、钎焊（利用低熔点液态金属或合金对母材的润湿和毛细添缝而实现材料冶金连接的一类方法）。焊接化学冶金：熔化焊过程中焊接高温区内物质之间的相互作用。熔化焊的物理冶金：包括焊接过程中从焊接区到母材热影响区内的所有物理变化过程。焊接过程中，低含量成分元素往往受控于焊接的化学冶金过程；在熔化焊中，在焊缝成分确定的条件下，焊接接头的组织结构及完整性和性能表象上取决于焊接方法及焊接工艺，实质上受控于焊接的物理冶金过程。焊接冶金原理的研究内容：焊接冶金原理研究探讨金属材料在熔化焊条件下的冶金普遍原理行为、规律和机理，是制定合理的焊接规范、优化焊接工艺、提高焊接接头性能、研究探索先进的焊接技术的理论基础。第二章熔化焊：焊接过程中采用合适的热源讲需要连接的补位加热至熔化状态并且混合，在随后的冷却过程中熔化部位凝固，使彼此相互分离的工件形成牢固连接的一种焊接方法。焊接是一种非常复杂的热过程，具有集中性，运动性，瞬时性和复合性四个方面。当一系列热源共同作用时，热传播过程中的温度就可以看作为每一热源单独作用时温度总和，被称为叠加原理。焊接温度场主要可以通过解析法，有限差分法和有限单元法三种方法计算。焊接工件内各个点上的温度的集合称为焊接温度场。温度场通常是空间坐标（x,y,z）和时间变量的函数，即T=(x,y,z,t)。不随时间而变的温度场称为稳态温度场，然而，熔化焊热过程重要的特征是在焊件形成时变或准稳定的焊接温度场。对焊接热源的要求是：热源高度集中，快速实现焊接过程，保证得到高质量焊缝和最小的热影响区。焊接热源分为：集中热源：就是把焊接电弧的热能看作集中作用在某一点（点热源）、某条线（线热源）、某个面（面热源）。平面分布热源：热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的加热面积进行的。体积分布热源：焊接热源的热流密度不仅作用在焊件表面上，也作用在焊件厚度方向上。点热源，将热源堪称几种在加热斑点中心的一点。线热源，讲加热看作为十佳在垂直于板面的一条线上。面热源，将加热看作为施加在一个平面上。准稳态：当热源移动时，位于热源中的观察者不会注意在他周围的温度变化，这种状态成为准稳态。焊接温度场的影响因素：热源的性质，焊接线能量，被焊金属的热物理性质，焊件厚度及形状。焊接线能量：焊缝单位长度上输入的热量，即热源功率与焊接速度的比值，被称为焊接线能量，一般情况下，焊接热输入可采用线能量象征。热导率和容积比热容对焊接温度场分布影响最大。焊缝之所以在同样参数下获得不同焊缝熔深与焊缝形貌，其本质原因是焊接传热过程除了受到热传导影响外，还受到熔池内部热对流的影响。在金属熔化焊过程中，焊接热过程不仅仅是单一的热传导过程，还会发生激烈的对流传热过程。虽然在熔池内部存在着热传导过程，单传热机制仍以热对流为主导，而在熔池外部固态区域的传热机制是以热传导为主导。对于TIG电弧焊熔池流体的中的驱动力包括浮力，洛伦兹力，熔池表面张力和等离子力。对于高能束焊接熔池，由于存在匙孔效应，其熔池流动状态更为复杂。等离子流力：等离子体沿着熔池表面高速向外移动，可在熔池表面施加一个向外的剪切应力。焊接热循环是焊件上某一温度与时间的关系，这一关系决定了该点的加热速度，保温时间和冷却速度，对焊接接头的组织与性能都有十分明显的影响。焊接热循环：焊件上某一点温度随时间的变化，称为焊接热循环。焊接热循环特点:加热速度快，高温停留时间短，空间不均匀。焊接热循环的特征参数：加热速度，峰值温度，高温持续时间（高温持续时间可以是相变温度停留时间），冷却速度。焊接热循环的影响因素：焊接方法的影响，焊接热输入的影响，预热温度的影响，接头尺寸形状，焊道长度焊接热输入：焊接热输入的物理意义为单位长度输入焊缝的热量预热是对某些淬硬倾向较强的金属焊接有效处理手段之一。对于大厚度的焊件，一般采用多层多道的焊接。多道焊时，开始焊接后继焊道时前一焊道所具有的最低温度。称为层间温度。对于后裔焊道而言，层间温度相当于余热温度，对于前一焊道，后一焊道会产生“后热”的作用。根据要求不同，多层焊分为长段多层焊和短段多层焊，其热循环存在着明显的不同。第三章 焊接化学冶金焊接化学冶金：熔化焊过程中焊接区内各种物质之间在焊接高温下的相互作用统称为焊接化学冶金。熔化焊过程中焊接去内各种物质之间在焊接高温下的相互作用成为焊接化学冶金。焊接化学冶金的主要任务是研究和探讨熔化焊条件下焊接去物质（金属材料，保护材料及空气）间的冶金热力学相互作用的方向和限度行为，规律和机理。焊接保护方式：熔渣保护、气体保护、渣-气联合保护、真空保护和自保护。熔渣保护：熔渣保护主要利用焊剂或焊条药皮熔化形成的熔渣覆盖在焊接去金属（熔滴和熔池）表面讲空气隔开而实现保护，典型的焊接方法主要有焊条电弧焊，埋弧焊等。气体保护：气体保护是利用外加气体对焊接去金属进行保护的一类焊接保护方式。渣-气联合保护：渣-气联合保护是利用熔渣和气体联合进行保护的方式。真空保护：真空保护则是将空气从焊接区抽离而实现保护的。自保护：自保护焊是通过在焊丝中添加脱氧剂和脱氮剂，焊接过程中脱氧剂和脱氮剂与由空气进入焊接去金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化物并形成熔渣，从而实现降低焊缝金属中氧和氮含量的方法。焊接化学冶金体系是指焊接过程中热源作用区域内金属，熔渣，气体等物质的总和。上述五种保护方式大致可以分为“金属-熔渣”“金属-气体”“金属-熔渣-气体”三种化学体系。焊接化学冶金系统特点：焊接冶金反应区(3个)，焊接化学冶金系统的非平衡性（焊接化学冶金系统的另一个特点是非平衡性，这是由其开放性、温度不均匀性和过程的短暂性所决定的）焊接化学冶金系统是由焊接去母丝、焊丝、熔池、熔滴、熔渣和气体等构成的高温固态，液态和气态系统。药皮反应区：药皮反应去是指焊条端部药皮开始发生变化的温度到药皮熔点之间的区域。熔滴反应区：熔滴反应去是指从焊条端部熔滴形成、长大到过渡至熔池前的整个区域。特点：反应温度高，时间短，反应相之间的接触面积大且混合强烈。熔池反应区：熔池反应区是指熔化焊方法共有的反应区，随焊接方法的不同，其反应体系即有金属-熔渣，金属-气体，也有金属-熔渣-气体体系 特点：反应速度低，区域反应不一致。反应在一定的搅拌作用下进行。焊接化学冶金的影响因素：1熔合比:焊缝金属有填充金属和局部熔化的母材组成，在焊缝金属中母材所占用的比例 2保护物质的相对量：指焊接材料或焊接过程中保护物质的含量或相对消耗量。3熔滴过渡特性，4焊接电流/电压焊接区域气体的主要来源主要取决于焊接方法，可以分为3个部分：焊接保护性气体，杂质气体，其他气体。焊接区气体的组成：焊接区内气体的组成除主要取决于焊接方法外，还受焊接参数的影响，对于气体保护焊：主要是保护气体（Ar、He、CO2等）而对渣保护类的焊接方法：主要焊条药皮和焊剂组分的气态热分解产物（CO2、O2、H2、H2O等）另外，无论采取何种焊接方法，焊接区都或多或少存在空气侵入和残留（N2、O2等），可以看出，对于电弧焊而言，焊接区内气体的组成主要有N2、O2、CO2、H2、H2O及某些情况下Ar、He等，另外还包括金属，熔渣的高温蒸气。焊接区气体的分解和电离：气体分子的热分解反应是吸热反应。气体分解反应的平衡常数K定义为某温度下分解产物的物质的量的乘积与反应物物质的量的比；解离度定义为某温度下已分解气体的物质的量与反应前气体物质的量的比。简单气体分子：指由两个原子组成的气体分子气体解离度曲线：气体随温度的变化曲线热电离现象：在高温下气体原子转变成正离子和电子的过程就是气体的热电离现象。氮与焊接区金属的作用：氮的来源：残留空气或侵入的空气是焊接区内氮的主要来源氮的溶解：分子溶解，离子溶解，原子溶解溶解度：一定温度下溶剂所能容纳溶质的最大浓度，又可称为平衡状态饱和浓度。氮溶解量的影响因素：金属的性质，焊接工艺。氮对焊接质量的影响：焊缝氮气孔，焊缝金属的脆化，焊缝金属的时效脆化。焊接金属含氮量的影响因素及控制措施:1焊接区的保护（真空保护，熔渣保护，气体保护和渣-气联合保护），2焊接参数的影响（电弧电压）为了减少焊缝中金属中的气体含量，应尽量减少采用短弧焊接 3合金元素的影响(添加碳可以有效的降低焊缝金属中的含氮量，在焊缝中添加氮化物形成元素可以抑制或消除氮在钢铁焊缝中的时效脆化现象)。氢与焊接区金属的作用：氢的来源：水是焊接化学冶金区氢的主要来源。氢的溶解：氢的气相溶解主要是通过氢原子的形式。氢的溶解度：对于同一金属而言，一定温度下氢分压越大，溶解度越大，氢分压一定的情况下，温度越高，溶解度越大。氢的形式与分布：根据氢与金属相互作用特点可以把金属分为两类：氢化物形成金属和非氢化物形成金属。对于氢化物形成金属，含氢量不多时，氢以固溶原子形式存在于金属晶格的间隙中；当含氢量达到一定量后，氢与金属元素形成比较稳定的氢化金属，如TiH2对于非氢化物形成金属，氢主要以固溶原子形式存在于金属晶格的间隙中，然而，由于氢原子尺寸很小，扩散能力很强，即使室温条件下，也可以在金属晶格中自由扩散。温度越高，晶格缺陷越多，或氢原子处于过饱和状态等条件，都将促进氢原子在焊缝金属中的扩散 焊缝金属中这种扩散性较强的原子态氢被称为扩散氢。当局部的氢原子浓度达到一定值后，两个氢原子将结合成一个氢分子，由于氢分子尺寸比较大，在金属晶格中很难继续扩散，从而丧失逸出焊缝金属表面的机会而永久的残留在焊缝金属内部，这种在晶格缺陷处丧失扩散能力的分子态氢被称为残余氢。焊缝中的氢含量是指扩散氢和残余氢的总和。氢对焊接质量的影响:1焊缝金属的氢气孔 2焊缝金属的氢脆：含氢钢在室温附近中等变形速度下加载塑性明显下降的现象成为氢脆 3白点：氢含量较高的碳钢或低合金钢焊缝拉伸或弯曲断面上常出现银白色圆形脆性局部断点，俗称“白点” 4氢致裂纹：焊接接头在较低的温度（马氏体转变温度）产生的一种裂纹，也称延迟裂纹。焊缝中氢含量的影响因素与控制措施：1焊接材料 2工件表面状态 3冶金因素（焊接区的氧化性 稀土元素） 4工艺因素（焊接方法与工艺 焊后脱氢处理：焊后对焊件加热并保温，可以减少焊接接头中扩散氢的含量，这种用于降低焊件含氢量的焊后处理成为脱氢处理，脱氢处理主要用于珠光体钢和马氏体钢，对于奥氏体钢及铝、钛等合金，脱氢处理效果不大）氢与焊接区金属的作用：氧的来源：一部分来源于空气，一部分来源于焊接材料氧在金属中的溶解：溶解氧的金属（Fe、Ni、Ti等这些金属的氧化物能溶解于各自相应的金属中）和不溶解氧的金属（Mg、Al等形成的氧化物不溶于金属，漂浮在液体金属表面或在金属内部形成夹杂物）在钢铁材料的焊接化学冶金区，氧的溶解途径包括气相溶解和熔渣溶解。铁液中氧的溶解度是指与熔渣（FeO）共存时铁液中氧的饱和量。液体金属的氧化：1铁的氧化（产物FeO） 2合金元素的氧化（C Si Mn） 焊缝金属的氧含量包括原子氧和金属氧化物。氧对焊接质量的影响：力学性能，物理、化学性能，CO气孔，焊接工艺功能。控制焊缝金属含氧量的措施：净化材料、强化保护、冶金脱氧（冶金脱氧不适于铝，钛等活性金属及其合金的焊接）焊接熔渣：焊接材料（焊条药皮和焊剂）在焊接热源高温作用下经过一系列物理化学变化得到的复杂结构物质，其基本组成包括各种物质的金属氧化物，金属氟化物及金属氯化物等。焊接熔渣的作用：保护焊接区金属、调控焊接化学冶