第1章焊接热过程
　　焊接（welding）时，焊接热源作用于焊件表面，将热量传递到焊件，使焊件局部受热并发生熔化，被焊金属中必然存在热传导和温度分布不均匀，这就是焊接热过程。焊接热过程贯穿全部焊接过程的始终，与焊接化学冶金过程和焊接时金属的凝固结晶及相变过程并称为焊接三大过程。这三大过程相互联系，对焊接质量和焊接生产效率有决定性的影响。
　　本章主要讨论焊接热源、焊接温度场、焊条熔化及熔池的形成等。这些方面对焊接化学冶金、熔池凝固、焊接热影响区（heat affected zone，HAZ）的组织和性能以及焊接应力与变形、焊接缺欠的产生和防止都有重要的影响。
　　1.1焊接过程的物理本质
　　正确认识焊接过程的物理本质，对于保证焊接质量，提高焊接技术的水平和开发新的焊接方法都具有重要的意义。
　　什么是焊接？它的物理本质是什么？
　　焊接的定义是通过加热或加压，或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法[《焊接术语》（GB/T3375—1994）]。
　　由此可知，焊接不同于铆接或黏接，不仅在宏观上形成了永久性的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系。
　　根据金属学理论，金属是靠金属键结合的。两个金属原子之间的结合力取决于它们之间的引力和斥力共同作用。对于大多数金属来说，当相邻原子间的距离rA≈0.3～0.5nm时，结合力最大；而当相邻原子间距rA不在此数值范围内时，结合力就会明显降低。因此，理论上，只要两个被焊的固体金属表面接近到相距0.3～0.5nm时，接触表面上就可以进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。然而这种理论条件的实现并不容易，事实上即使是经过精细加工的表面也难以避免微观上的凹凸不平，并且一般金属的表面上还常常带有氧化膜、油污和水分等吸附层。这些都会阻碍金属表面的紧密接触。
　　为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，焊接时通常采取以下两种工艺措施。
　　（1）对被焊材料施加压力。其目的是破坏被焊材料接触表面的氧化膜，使结合处发生局部的塑性变形，增加有效的接触面积，实现紧密接触。
　　（2）对被焊材料加热。其目的是使结合处软化或熔化，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原子的振动能，促进扩散和结晶等物理化学过程的进行。
　　每种金属实现焊接所必需的温度和压力之间存在一定的关系。以纯铁为例，如图1.1所示，金属加热的温度越低，实现焊接所需要的压力就越大。当金属的加热温度T　　需要注意，尽管采用不同的温度与压力组合可以实现很多种不同的熔焊途径，但对金属材料，其本质都是使母材和焊缝形成共同晶粒，如图1.2（a）所示。钎焊虽然也称为一种焊接方法，但通常情况下其母材不熔化，只有填充的钎料熔化，在连接处形成母材与钎料之间的黏合而不易形成共同晶粒，如图1.2（b）所示。
　　因此，熔焊与钎焊在微观上存在本质的区别。随着钎料技术的发展，有些钎料也能形成共同晶粒，但这只是钎焊范畴中的特例。
　　1.2焊接热源
　　实现焊接必须由外界提供相应的能量。作为实现焊接的基本条件，焊接能源发展变化也直接反映出焊接工业的发展历程。从19世纪80年代电弧作为热源以来，焊接热源不断更新完善。为了满足国家建设需求，在科学技术发展中总是不断研制出新的材料，设计出新型的工程结构，并且提出了更为严格的技术要求，因此还需要不断地开发探索新的焊接热源和相应的焊接工艺方法。因此，焊接热源处在不断的发展过程中。本节就现阶段焊接热源的基本情况加以介绍。
　　1.2.1焊接热源的种类及其特性
　　在当今科技发展条件下，实现焊接所采用的能源多种多样，但从基本性质上看，主要有机械能和热能。由于船体焊接基本采用熔焊的方法，熔焊主要使用由一定的热源所产生的热能，所以本书只讨论与熔焊有关的热源问题。
　　焊接工程上对于焊接热源的要求是：热源热量应当高度集中，能够实现快速焊接并能保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。目前能够满足这些条件的热源主要有以下几种。
　　（1）电弧热。利用气体介质的电弧放电现象所产生的热能作为焊接热源，是目前焊接中应用最为广泛的一种热源，如手工电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊[其中包括钨极惰性气体保护焊（tungsten inert-gas arc welding，TIG）、熔化极惰性气体保护电弧焊（metal inert-gasarc welding，MIG）]、活性气体保护电弧焊（metal active gas arc welding，MAG）等。按照保护介质的不同，TIG焊分为氩弧TIG焊、氦弧TIG焊和混合气体TIG焊。
　　（2）化学热。利用可燃气体（氧、液化石油气、乙炔等）或固体（铝、镁）与氧或氧化物发生强烈化学反应时所产生的热能作为焊接热源（如气焊和热剂焊）。
　　（3）电阻热。利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源（如电阻焊和电渣焊）。
　　（4）摩擦热。由存在相对运动的两个物体高速摩擦而产生的热能作为焊接热源（如摩擦焊、搅拌摩擦焊）。
　　（5）等离子焰。利用由电弧放电或高频放电产生高度电离并携带大量热能和动能等离子体气流作为焊接热源（如等离子弧焊和切割）。
　　（6）电子束。利用真空中高压高速运动的电子轰击金属局部表面，运动电子的动能转化为热能作为焊接热源。
　　（7）激光束。利用能量高度集中的高能激光束作为焊接热源（如激光焊及切割）。
　　需要指出的是，焊接热源的种类并不是一成不变的，随着科学技术的进步，原有的焊接热源还在不断完善，如电弧、等离子弧、真空电子束和激光等。同时，还大力开发新的焊接热源，如微波热、太阳能等。不同的焊接热源有各自不同的特点，分别适用于不同的焊接方法和工艺。表1.1给出了一些常用焊接热源的主要特性。
　　1.2.2焊接过程的热效率
　　在电弧焊接过程中，电弧在单位时间内放出的能量称为电弧功率q0。电弧功率可以表示为施加在电弧两端的电压和通过电弧的电流大小的乘积，即q0=UI（1.1）式中：U为电弧电压（V）；I为焊接电流（A）。焊接中电弧热源产生的热量并不是全部被用于工件的焊接，有一部分热量由于热传递、
　　对流和辐射而损失于周围介质中，所以焊件吸收的热量要少于热源提供的热量。因此，有效用于加热焊件的热源功率为
　　（1.2）
　　式中：q为电弧有效热功率（W）；η为焊接热效率。电弧加热工件的热效率η是电弧在单位时间内输入到工件内部的有效热功率q与电弧总功率q0的比值，即
　　（1.3）
　　（1.5）
　　式中：q1为单位时间内使焊缝金属熔化（达到熔点）所需要的热量（包括熔化潜热）（W）；q2为单位时间内使焊缝金属温度超过熔点的热量和向焊缝四周传导的热量的总和（W）。
　　由此可见，进入焊件的有效热功率q也不是全部被用于熔化焊缝金属，工件温度升高消耗了一部分有效热功率。因此，将使焊缝金属熔化的热有效利用率ηm定义为单位时间内被熔化的母材金属在Tm（金属熔点）时的热量与电弧有效热功率的比值为
　　（1.6）
　　在焊接热过程的数值计算时，焊接热效率η是一个重要参数，其准确选取是提高计算精度的前提。焊接热效率受焊接方法、焊接参数、焊接材料和保护方式等的影响。一般情况下焊接热效率η值取常数，不同焊接方法的焊接热效率η值如表1.2所示。
　　1.2.3焊件加热区能量分布
　　热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。对于电弧焊来讲，这个作用面积称为加热区，加热区又可分为加热斑点区和活性斑点区，如图1.3所示。
　　（1）活性斑点区。活性斑点区是带电质点（电子和离子）集中轰击的部位，并把电能转为热能，该斑点的直径为dA，电流密度J的变化如图1.3虚线所示。
　　（2）加热斑点区。在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进行的。加热斑点的直径为dH，在该区内热量的分布是不均匀的，中心高，边缘低，相关研究表明，单位时间内通过单位面积传入焊件的热能，即比热流的分布可以近似用高斯模型来描述。如图1.4所示，距斑点中心任意点A的比热流可用下式计算：qr()=qme.Kr2（1.7）式中：q(r)为A点的比热流[J/(cm2 s)]；qm为加热斑点中心的最大比热流[J/(cm2 s)]；K为热流集中系数（cm-2）；r为A点距加热斑点中心的距离（cm）。
　　根据qm和K值即可求出任意点的比热流q(r)。立体高斯锥体下面的全部热能为
　　（1.9）
　　式中：q为电弧的有效功率（W），q=ηUI。
　　K值表明热流集中的程度，主要取决于焊接方法、焊接参数和被焊金属材料的热物理性能性能等。不同焊接方法的能量集中系数K如表1.3所示。
　　根据实验证明，不同的焊接方法和不同的焊接工艺参数对热能的分布有着不同的影响。一些新的焊接工艺方法影响热能分布的因素更加复杂。例如等离子弧焊除了电流、电压的影响外，孔道长度、喷嘴直径、氩弧流量和喷嘴与工件之间的距离等都会对热能分布产生影响。
　　1.3焊接温度场
　　在焊接热源作用下，焊件上各点的温度连续不断变化。某一时刻焊件上各点温度的分布状态称为焊接温度场。
　　1.3.1焊接传热的基本形式
　　焊接时，由于焊件是局部受热，焊件中存在很大的温度差，所以不管是焊件内部还是焊件与周围介质之间都会发生热能的流动。根据传热学基本理论，热的传递方式有传导、对流和辐射三种基本形式。相关研究认为，在熔焊的条件下，由热源传热给焊件的热量，主要是以辐射和对流为主，而母材和焊条（焊丝）获得热能之后，热的传播则是以热传导为主。
　　焊接传热过程所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题，因此，研究焊接温度场，是以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。
　　1.3.2焊接温度场一般特征
　　焊接温度场与磁场和电场有类似的概念，可以用数学的关系表示为T=f(x，y，z，t)（1.10）式中：T为焊件上某点某瞬时的温度；x，y，z为焊件某点的空间坐标；t表示时间。
　　焊接温度场的分布情况可以用等温线或等温面表示。与地图上的等高线或等高面相似，所谓等温线或等温面，就是把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起，成为一条线或一个面。各个等温线或等温面彼此之间不能相交，而存在一定的温度差，这个温度差的大小可以用温度梯度进行表征。
　　1.温度梯度
　　图1.5为焊接温度场中的等温线和温度梯度示意图。从图中可以看出，与X轴相交的各个等温线彼此温度不同，距离热源越近，温度越高，T1>T2>T3。若相邻的温度为T1和T2，则温度差为（T1-T2），在法线方向的T1和T2等温线距离为ΔS，则该方向上的平均温度变化率为(T1-T2)/ΔS。当ΔS很小时，则
　　（1.11）
　　又如式（1.11）所示，在法线方向上的温度变化率就是温度梯度。
　　温度梯度是一个向量，具有方向性，沿温度增加方向为正，反之为负。图1.6为温度梯度示意图。从图中可以看出，在不同方向有着不同的温度变化率，在温度梯度方向，也就是法线方向上的温度变化率最大。假设A点温度梯度的数值为K，过A点任意方向上的直线nn与法线SS的夹角为α，则nn方向上的温度变化率K′为
　　（1.12）
　　2.温度场的分类
　……

目录
第1章　焊接热过程　1
1.1　焊接过程的物理本质　1
1.2　焊接热源　2
1.2.1　焊接热源的种类及其特性　2
1.2.2　焊接过程的热效率　3
1.2.3　焊件加热区能量分布　4
1.3　焊接温度场　5
1.3.1　焊接传热的基本形式　5
1.3.2　焊接温度场一般特征　6
1.3.3　焊接温度场影响因素　7
第2章　焊接化学冶金　11
2.1　焊接化学冶金的特点　11
2.1.1　焊条熔化及焊接熔池形成　11
2.1.2　焊接过程金属的保护　16
2.1.3　焊接化学冶金过程的区域性与连续性　18
2.1.4　焊接工艺条件对化学冶金反应的影响　20
2.1.5　焊接化学冶金系统的不平衡性　21
2.2　气相-金属反应　21
2.2.1　焊接区内的气体　21
2.2.2　氮对金属的作用　25
2.2.3　氢对金属的作用　27
2.2.4　氧对金属的作用　31
2.3　熔渣及其对金属的作用　34
2.3.1　焊接熔渣　34
2.3.2　熔渣对金属的氧化　39
2.3.3　焊缝金属的脱氧　41
2.3.4　焊缝金属的脱硫、脱磷　43
2.4　合金过渡　45
2.4.1　合金过渡的目的及方式　45
2.4.2　合金过渡系数及其影响因素　46
第3章　焊接材料　48
3.1　焊条　48
3.1.1　焊芯　48
3.1.2　药皮　49
3.1.3　焊条性能　51
3.1.4　焊条的型号与牌号　54
3.2　焊丝与焊剂　61
3.2.1　焊丝　62
3.2.2　焊剂　67
3.3　焊接使用的保护气体及辅助材料　73
3.3.1　焊接保护气体　73
3.3.2　钨极　76
第4章　熔池凝固和焊缝固态相变　77
4.1　熔池凝固　77
4.1.1　熔池凝固的特点　77
4.1.2　熔池结晶的一般规律　78
4.1.3　熔池结晶的线速度　79
4.1.4　熔池结晶的形态　81
4.1.5　焊缝金属的化学成分不均匀性　83
4.2　焊缝固态相变　87
4.2.1　低碳钢焊缝的固态相变　87
4.2.2　低合金钢焊缝的固态相变　88
4.3　焊缝性能的改善　94
4.3.1　焊缝金属的强化与韧化　94
4.3.2　改善焊缝性能的工艺措施　96
第5章　焊接热影响区　98
5.1　焊接热循环　98
5.1.1　焊接热循环主要参数　98
5.1.2　焊接热循环主要参数的计算　99
5.1.3　多层焊接热循环　103
5.2　焊接热循环条件下的组织转变　105
5.2.1　焊接加热过程中的组织转变　105
5.2.2　焊接冷却过程中的组织转变　110
5.2.3　影响过冷奥氏体转变的因素　112
5.3　热影响区的组织及性能　115
5.3.1　焊接热影响区的组织分布　115
5.3.2　焊接热影响区的热模拟实验　118
5.3.3　焊接CCT图及其应用　119
5.3.4　焊接热影响区的性能　122
第6章　焊接缺欠与缺陷　127
6.1　焊接缺欠与缺陷概述　127
6.1.1　焊接缺欠与缺陷的关系　127
6.1.2　焊接缺欠对接头质量的影响　128
6.2　焊接缺欠分类及特征　131
6.2.1　焊接缺欠的分类　131
6.2.2　外部缺欠和内部缺欠　133
6.2.3　焊接裂纹　133
6.2.4　孔穴和固体夹杂　138
6.2.5　未熔合和未焊透　141
6.2.6　形状缺陷和其他缺陷　142
6.3　焊接缺陷评级和对产品质量的影响　145
6.3.1　焊接缺陷的评级　145
6.3.2　焊接缺陷的危害　147
6.3.3　焊接缺陷的产生原因及防止措施　148
6.3.4　焊接缺陷控制与返修　154
第7章　焊接工艺与方法　157
7.1　焊接电弧　157
7.1.1　电弧的形成和组成区域　157
7.1.2　电弧气氛对电弧的影响　159
7.1.3　焊接电弧的静特性　159
7.1.4　焊接电弧力　160
7.2　弧焊电源　163
7.2.1　弧焊电源的分类　163
7.2.2　各种弧焊电源的特点和应用　163
7.2.3　对弧焊电源的基本要求　164
7.3　焊条电弧焊　170
7.3.1　概述　170
7.3.2　焊条电弧焊电弧的特性　171
7.3.3　焊条电弧焊基础　173
7.3.4　焊接工艺参数　175
7.3.5　焊条电弧焊常见的缺陷及防止措施　179
7.4　钨极氩弧焊　181
7.4.1　概述　181
7.4.2　电极材料的选择　182
7.4.3　电流种类和极性的选择　184
7.4.4　氩弧TIG工艺　184
7.4.5　脉冲氩弧TIG　186
7.5　熔化极氩弧焊　187
7.5.1　概述　187
7.5.2　熔化极氩弧焊的熔滴过渡　188
7.5.3　混合气体的选择及应用　190
7.5.4　熔化极氩弧焊工艺参数　191
7.5.5　熔化极脉冲氩弧焊　192
7.6　埋弧焊　193
7.6.1　概述　193
7.6.2　埋弧焊的冶金特点　195
7.6.3　埋弧自动焊工艺　196
7.6.4　焊接工艺参数及焊接技术　198
7.6.5　埋弧焊常见缺陷及其防止措施　201
7.7　CO2气体保护焊　203
7.7.1　概述　203
7.7.2　CO2气体保护焊的冶金特点　204
7.7.3　CO2气体保护焊的熔滴过渡形式及规范参数的选择　207
7.7.4　减少CO2气体保护焊飞溅的措施　211
7.8　其他焊接方法　212
7.8.1　激光焊　212
7.8.2　摩擦焊　231
第8章　舰船材料的焊接　239
8.1　焊接性概述　239
8.1.1　焊接性概念　239
8.1.2　影响焊接性的因素　239
8.1.3　评定焊接性的原则　242
8.1.4　焊接性的试验　243
8.2　舰船材料的焊接性　246
8.2.1　低合金结构钢的焊接性　246
8.2.2　调质钢的焊接性　253
8.2.3　不锈钢的焊接性　257
8.2.4　耐热钢的焊接性　264
8.2.5　有色金属的焊接性　266
8.2.6　复合材料的焊接性　276
第9章　焊接检验　291
9.1　船体结构无损检测　291
9.1.1　无损检测范围及数量　292
9.1.2　检测位置　293
9.2　检测前准备和外观检查　293
9.2.1　检查前清洁　293
9.2.2　外观检查　294
9.2.3　结果评定　294
9.3　射线检测　294
9.3.1　检测器材　295
9.3.2　检测准备　295
9.3.3　射线检测工艺　296
9.3.4　结果评定　297
9.3.5　检测报告　297
9.4　超声波检测　298
9.4.1　检测设备　298
9.4.2　检测准备　298
9.4.3　检测工艺　299
9.4.4　结果评定　299
9.4.5　检测报告　300
9.5　磁粉检测　300
9.5.1　检测设备　300
9.5.2　检测准备　301
9.5.3　磁粉检测工艺　301
9.5.4　结果评定　302
9.5.5　检测报告　302
9.6　渗透检测　302
9.6.1　检测器材　303
9.6.2　检测准备　303
9.6.3　渗透检测工艺　303
9.6.4　结果评定　303
9.6.5　检测报告　304