本书从焊接过程中的金属加热及温度场、熔池金属的化学冶金及焊接接头的物理冶金各阶段的变化本质，阐述焊接过程的本质。本书主要内容包括焊接热源及熔池形成，焊接化学冶金，焊条、焊丝及焊剂，熔池凝固及焊缝固态相变，焊接缺欠，焊接热影响区，焊接裂纹。目的是为了启发学生独立思考、分析问题及解决问题的工作能力，注意加强学生理论联系实际的训练及试验。
本书是高等学校焊接技术与工程专业、材料成形及控制工程专业、材料加工工程专业(焊接方向) 的一门重要的专业理论课教材, 在培养焊接专业本科生、焊接工程技术人员掌握专业理论知识过程中起着非常重要的作用, 同时也是从事与材料开发和焊接技术相关的研究人员和工程技术人员的重要参考书。本书是根据由中国机械工业教育协会材料加工工程学科教学委员会焊接学科组和机械工业出版社共同组织的焊接专业(方向) 教材编写工作会议所通过的教材编写大纲的要求编写的。
“焊接冶金学———基本原理” 是本专业学生首先要学习的专业课程, 为学生建立焊接学科的理论基础、专业名词术语的正确概念, 以便为后续的专业课程学习打下坚实的基础。本课程在20 世纪50 年代我国焊接专业初创时期的名称是“焊接原理”。这就表明, 本课程的主要任务是使学生掌握焊接的基本理论, 例如焊件的加热及热量的传导及分布、焊接过程中的冶金反应, 以及金属在焊接过程中的组织变化等。在高校教学实践的基础上, 1961 年天津大学焊接教研室编写的《焊接冶金基础》由中国工业出版社出版, 并且得到其他高校的选用。20 世纪70 年代本课程名称为“金属材料焊接理论基础”。20 世纪80 年代根据国家标准焊接名词术语的准确用法, 本课程名称改为“金属熔焊原理”。1988 年出版的全国统编教材的课程名称确定为“焊接冶金”。随着科学技术的发展, 我国进行了大规模的经济建设,尤其是改革开放以来, 高等学校的教学改革也在积极开展, 焊接冶金学科的教学及科研成果不断丰富和充实提高了本课程的内容及水平。1995 年机械工业出版社出版了由张文钺教授主编的《焊接冶金学(基本原理)》。近年来, 焊接已经逐渐形成了独立的学科体系, 在焊接传热学、焊接化学冶金学、焊接材料学、焊接金属学等诸多领域都取得了可喜的科技进步, 焊接技术在国家经济建设及国防建设中做出了重要贡献。这些重要成果应当反映到高校焊接专业课教学中来。本书编者本着积极结合新标准、新工艺、新技术、新成果的理念, 力求讲清楚本课程的重点及难点, 使学生建立起正确的专业学术概念, 为后续课程及今后的实际工作打下坚实的基础。
本书的特点是从焊接过程中的金属加热及温度场、熔池金属的化学冶金及焊接接头的物理冶金各阶段的变化规律, 阐述焊接过程的本质。目的是为了启发学生独立思考、分析问题及解决问题的工作能力, 注意加强学生理论联系实际的训练及试验。
本书由天津大学博士生导师杜则裕教授担任主编, 由华中科技大学博士生导师李志远教授、山东大学博士生导师邹增大教授担任主审。本书绪论、第1 章、第3 章、第4 章、第5章由杜则裕编写, 第2 章由天津大学张炳范教授编写, 第6 章、第7 章由山东大学孙俊生教授编写。为本书编写提供帮助的还有隋永莉、刘光云、张德勤、屈朝霞、杨立军、邸新杰等。
本书在编写过程中得到了中冶钢铁研究总院、中国工程建设焊接协会、华中科技大学、Ⅳ 焊接冶金学———基本原理山东大学、北京航空航天大学、中国石油大学(华东)、中国石油管道科学研究院、中国石油管道学院、九江学院等单位的大力协助, 特此表示感谢。本书在编写过程中, 参考了大量的相关科学技术文献, 在此谨向这些文献的作者及所在单位表示衷心的感谢。
本书的出版得到了机械工业出版社的大力支持与帮助, 对于他们的辛勤劳动, 在此表示衷心的感谢。
限于编者的水平, 书中不妥之处敬请读者批评指正。
编 者
前言
绪论 1
思考题 5
第1 章 焊接热源及熔池形成 6
1. 1 焊接热源 6
1. 1. 1 焊接热源的种类及特征 6
1. 1. 2 焊接过程的热效率 7
1. 1. 3 焊件加热区的热能分布 9
1. 2 焊接温度场 10
1. 2. 1 焊接传热的基本方式 11
1. 2. 2 焊接温度场的特征 11
1. 3 焊条熔化及熔池的形成 15
1. 3. 1 焊条的加热及熔化 15
1. 3. 2 熔池的形成 18
思考题 21
第2 章 焊接化学冶金 22
2. 1 焊接化学冶金过程的特点 22
2. 1. 1 焊接过程中对金属的保护 22
2. 1. 2 焊接化学冶金反应区及其反应
条件 24
2. 1. 3 焊接工艺条件与化学冶金反应的
关系 27
2. 1. 4 焊接化学冶金系统及其
不平衡性 29
2. 2 气相对金属的作用 29
2. 2. 1 焊接区内的气体 29
2. 2. 2 氮对金属的作用 33
2. 2. 3 氢对金属的作用 37
2. 2. 4 氧对金属的作用 46
2. 3 熔渣及其对金属的作用 51
2. 3. 1 焊接熔渣 51
2. 3. 2 活性熔渣对焊缝金属的氧化 57
2. 3. 3 焊缝金属的脱氧 60
2. 3. 4 焊缝金属中硫和磷的控制 64
2. 4 合金过渡 67
2. 4. 1 合金过渡的目的及方式 67
2. 4. 2 合金过渡过程的理论分析 68
2. 4. 3 合金过渡系数及其影响因素 70
思考题 72
第3 章 焊条、焊丝及焊剂 74
3. 1 焊条 75
3. 1. 1 焊条的分类 75
3. 1. 2 焊条型号和焊条牌号 76
3. 1. 3 焊条的组成 81
3. 1. 4 焊条的工艺性能 85
3. 1. 5 典型焊条的冶金性能分析 91
3. 1. 6 焊条设计的要点 98
3. 1. 7 焊条制造的工艺流程 100
3. 1. 8 焊条的选用要点 102
3. 2 焊丝 103
3. 2. 1 焊丝的分类 104
3. 2. 2 实心焊丝 104
3. 2. 3 药芯焊丝 112
3. 3 焊剂 125
3. 3. 1 焊剂的分类 125
3. 3. 2 焊剂型号和焊剂牌号、焊剂技术
要求 126
3. 3. 3 焊剂的性能及用途 131
思考题 135
第4 章 熔池凝固及焊缝固态相变 136
4. 1 熔池凝固 136
4. 1. 1 熔池凝固的特点 136
4. 1. 2 熔池结晶的一般规律 137
4. 1. 3 熔池结晶的线速度 139
4. 1. 4 熔池结晶的形态 141
4. 1. 5 焊接接头的化学成分不均匀性 143
4. 2 焊缝固态相变 147
4. 2. 1 低碳钢焊缝的固态相变 147
4. 2. 2 低合金钢焊缝的固态相变 148
4. 3 焊缝性能的改善 156
Ⅵ
焊接冶金学———基本原理
4. 3. 1 焊缝金属的强化与韧化 156
4. 3. 2 改善焊缝性能的工艺措施 157
思考题 158
第5 章 焊接缺欠 160
5. 1 焊接缺欠与焊接缺陷 160
5. 1. 1 焊接缺欠与焊接缺陷的定义 160
5. 1. 2 焊接产品的质量标准 161
5. 1. 3 焊接缺欠对焊接接头质量的
影响 162
5. 2 焊接缺欠的分类 164
5. 2. 1 焊接缺欠的分类方法 164
5. 2. 2 熔焊接头的缺欠分类 164
5. 3 焊接缺欠的评级与处理 167
5. 3. 1 焊接缺欠的形成原因 167
5. 3. 2 焊接缺欠的评级 168
5. 3. 3 超标缺欠的返修 168
5. 4 焊缝中的气孔 170
5. 4. 1 气孔的类型及分布特征 170
5. 4. 2 焊缝中气孔形成的机理 172
5. 4. 3 形成气孔的影响因素及防止
措施 175
5. 5 焊缝中的夹杂 178
思考题 179
第6 章 焊接热影响区 180
6. 1 焊接热循环 181
6. 1. 1 焊接热循环的主要参数 181
6. 1. 2 焊接热循环主要参数的测试与
计算 183
6. 1. 3 多层焊热循环 193
6. 2 焊接热循环条件下的金属组织转变
特点 195
6. 2. 1 焊接加热过程中的组织转变 196
6. 2. 2 焊接冷却过程中的组织转变 203
6. 2. 3 焊接条件下的连续冷却转变图
及其应用 205
6. 3 焊接热影响区的组织和性能 209
6. 3. 1 焊接热影响区的组织分布 209
6. 3. 2 焊接热影响区的性能 215
6. 4 焊接热、力模拟技术 230
6. 4. 1 焊接模拟技术的发展过程及其
现状 230
6. 4. 2 焊接热模拟试验机的原理及
应用 232
6. 4. 3 焊接模拟试验方法的局限性 233
思考题 234
第7 章 焊接裂纹 235
7. 1 焊接裂纹的危害及分类 235
7. 1. 1 焊接裂纹的危害 235
7. 1. 2 焊接裂纹的分类 236
7. 2 焊接热裂纹 238
7. 2. 1 焊接热裂纹的一般条件 238
7. 2. 2 结晶裂纹的主要特征 239
7. 2. 3 结晶裂纹的形成机理 240
7. 2. 4 影响结晶裂纹的因素及防止
措施 242
7. 3 焊接冷裂纹 247
7. 3. 1 冷裂纹的危害、特征与分类 247
7. 3. 2 冷裂纹的形成机理 249
7. 3. 3 防止冷裂纹的措施 256
7. 4 再热裂纹 261
7. 4. 1 再热裂纹的主要特征 262
7. 4.
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