第一篇 绪论 3
第1章 熔化焊接工艺方法 3
1.1 概述 3
1.1.1 熔化焊接工艺方法 3
1.1.2 焊接热源的能量密度 4
1.1.3 焊接方法和材料 6
1.1.4 焊缝接头和焊接位置的种类 7
1.2 氧乙炔焊 8
1.2.1 焊接过程 8
1.2.2 三种类型火焰 9
1.2.3 氧乙炔焊的优缺点 10
1.3 焊条电弧焊 10
1.3.1 焊接过程 10
1.3.2 药皮的作用 11
1.3.3 优缺点 12
1.4 钨极气体保护焊 12
1.4.1 焊接过程 12
1.4.2 极性 13
1.4.3 钨极 14
1.4.4 保护气体 14
1.4.5 优缺点 15
1.5 等离子弧焊 16
1.5.1 焊接过程 16
1.5.2 引弧 17
1.5.3 穿孔 17
1.5.4 优缺点 18
1.6 熔化极气体保护焊 18
1.6.1 焊接过程 18
1.6.2 保护气体 20
1.6.3 熔滴过渡模式 20
1.6.4 优缺点 21
1.7 药芯焊丝电弧焊 21
1.8 埋弧焊 22
1.8.1 焊接过程 22
1.8.2 优缺点 23
1.9 电渣焊 23
1.9.1 焊接过程 23
1.9.2 优缺点 25
1.10 电子束焊接 26
1.10.1 焊接过程 26
1.10.2 优缺点 27
1.11 激光束焊接 28
1.11.1 焊接过程 28
1.11.2 反射率 30
1.11.3 保护气体 30
1.11.4 激光-电弧复合焊接 31
1.11.5 优缺点 31
参考文献 32
拓展阅读文献 33
思考题 33
第2章 焊接过程中的热传导 35
2.1 热源 35
2.1.1 热源效率 35
2.1.2 熔化效率 41
2.1.3 热源的功率密度分布 43
2.2 焊接过程中热传导分析 45
2.2.1 Rosenthal方程 45
2.2.2 Adams方程 49
2.2.3 计算机模拟 49
2.3 焊接参数的影响 50
2.3.1 熔池形状 50
2.3.2 冷却速度和温度梯度 51
2.3.3 功率密度分布 53
2.3.4 工件的散热影响 54
2.4 焊接热模拟 54
2.4.1 设备 54
2.4.2 应用 55
2.4.3 局限性 56
参考文献 56
拓展阅读文献 59
思考题 59
第3章 焊接中的化学反应 61
3.1 概述 61
3.1.1 氮、氧和氢的影响 61
3.1.2 避免空气有害作用的保护措施 62
3.2 气体-金属反应 64
3.2.1 化学反应的热力学 64
3.2.2 氮 66
3.2.3 氧 68
3.2.4 氢 71
3.3 熔渣-金属反应 76
3.3.1 热化学反应 76
3.3.2 焊剂对焊缝金属成分的影响 77
3.3.3 焊剂的类型、碱度指数和焊缝金属性能 79
3.3.4 碱度指数 80
3.3.5 电化学反应 83
参考文献 86
拓展阅读文献 88
思考题 88
第4章 焊接中的流体流动和金属蒸发 91
4.1 电弧中的流体流动 91
4.1.1 流体流动的驱动力 92
4.1.2 钨极端部几何形状的影响 92
4.2 熔池中的流体流动 97
4.2.1 流体流动的驱动力 97
4.2.2 浮力对流 98
4.2.3 洛伦兹力驱动的强制对流 99
4.2.4 Marangoni对流 100
4.2.5 等离子射流驱动的强制对流 105
4.2.6 紊流的影响 106
4.3 金属蒸发 107
4.3.1 合金元素的损失 107
4.3.2 金属熔滴的爆破 108
4.4 活性剂钨极气体保护焊 108
参考文献 109
拓展阅读文献 112
思考题 112
第5章 残余应力、变形与疲劳 115
5.1 残余应力 115
5.1.1 残余应力的形成过程 115
5.1.2 残余应力分析 117
5.2 变形 120
5.2.1 原因 120
5.2.2 预防措施 121
5.3 疲劳 123
5.3.1 机理 123
5.3.2 断口 124
5.3.3 S-N曲线 125
5.3.4 接头几何形状的影响 127
5.3.5 缺口效应的影响 127
5.3.6 腐蚀的影响 128
5.3.7 防止措施 128
5.4 实例 129
5.4.1 钢管道组件的失效 129
5.4.2 球磨机失效 131
参考文献 132
拓展阅读文献 133
思考题 133
第二篇 熔化区 137
第6章 凝固过程的基本概念 137
6.1 凝固过程中的溶质再分配 137
6.1.1 相图 137
6.1.2 在固相和液相中的完全扩散 139
6.1.3 固相无扩散与液相完全扩散 141
6.1.4 固相中无扩散与液相中有限扩散 143
6.2 凝固方式和成分过冷 146
6.2.1 凝固方式 146
6.2.2 成分过冷 148
6.3 显微偏析和区域偏析 150
6.3.1 显微偏析 150
6.3.2 区域偏析 152
6.4 冷却速率的影响 153
6.5 凝固路径 155
参考文献 157
拓展阅读文献 158
思考题 158
第7章 焊接金属凝固Ⅰ：晶粒结构 159
7.1 熔化边界的外延生长 159
7.1.1 形核理论 159
7.1.2 焊接过程中的外延生长 161
7.2 熔化边界的非外延生长 163
7.3 熔化区的竞争生长 164
7.4 焊接参数对晶粒结构的影响 165
7.5 焊缝金属形核机制 168
7.5.1 枝晶破碎 170
7.5.2 晶粒分离 170
7.5.3 异质形核 171
7.5.4 表面形核 174
7.5.5 焊接参数对异质形核的影响 174
7.6 晶粒组织的控制 176
7.6.1 变质处理 176
7.6.2 外能作用 178
7.6.3 受激表面形核 181
7.6.4 柱状晶的控制 182
7.6.5 重力 183
参考文献 183
拓展阅读文献 185
思考题 185
第8章 焊缝金属凝固Ⅱ：晶粒的显微组织 189
8.1 凝固方式 189
8.1.1 温度梯度和生长速率 190
8.1.2 焊缝金属生长方式的演变 192
8.2 枝晶和胞晶间距 195
8.3 焊接参数的影响 196
8.3.1 凝固方式 196
8.3.2 枝晶和胞晶间距 197
8.4 晶粒内部细化的微观结构 199
8.4.1 电弧摆动 200
8.4.2 电弧脉动 203
参考文献 203
拓展阅读文献 204
思考题 204
第9章 焊缝金属的固态相变 207
9.1 奥氏体不锈钢焊接中的铁素体向奥氏体的转变 207
9.1.1 基本的凝固模式 207
9.1.2 铁素体的形成机制 212
9.1.3 铁素体含量的预测 214
9.1.4 冷却速度的影响 217
9.1.5 重新加热时铁素体的分解 222
9.2 低碳钢和低合金钢焊缝中奥氏体向铁素体的转变 222
9.2.1 微观组织演变 222
9.2.2 影响微观组织的因素 225
9.2.3 焊缝金属的韧性 228
参考文献 229
拓展阅读文献 231
思考题 231
第10章 焊缝金属的化学不均匀性 233
10.1 微观偏析 233
10.1.1 固相扩散的影响 234
10.1.2 枝晶尖端过冷的影响 237
10.2 层状偏析 239
10.2.1 成分和微观组织的变化 239
10.2.2 原因 240
10.3 夹杂物和气孔 240
10.4 熔化边界附近区域的不均匀性 242
10.4.1 成分分布 242
10.4.2 非均匀性的影响 245
10.5 整体焊缝金属的宏观偏析 246
10.5.1 单道焊 246
10.5.2 多道焊缝 247
参考文献 249
拓展阅读文献 251
思考题 251
第11章 焊缝金属结晶裂纹 253
11.1 结晶裂纹的特点、形成原因以及试验评定方法 253
11.1.1 晶间裂纹 253
11.1.2 裂纹敏感性试验 255
11.2 冶金因素 258
11.2.1 凝固温度区间 258
11.2.2 凝固后期液相的含量及分布 261
11.2.3 凝固焊缝金属的延性 266
11.2.4 初生相 268
11.2.5 晶界液相的表面张力 270
11.2.6 焊缝金属结晶形态 272
11.3 力学因素 273
11.3.1 收缩应力 273
11.3.2 拘束度 273
11.4 抑制结晶裂纹 274
11.4.1 焊缝金属成分的控制 274
11.4.2 控制凝固组织 280
11.4.3 采用合适的焊接条件 282
11.5 具体实例：大型排气扇的失效 284
参考文献 285
拓展阅读文献 288
思考题 288
第三篇 部分熔化区 293
第12章 部分熔化区的形成 293
12.1 液化存在的证据 293
12.2 液化机制 296
12.2.1 机制1：AxBy与基体反应 296
12.2.2 机制2：共晶的熔化 298
12.2.3 机制3：残余AxBy与基体反应 298
12.2.4 机制4：残余共晶组织的熔化 302
12.2.5 机制5：基体的熔化 302
12.2.6 机制6：偏析诱导液化 303
12.3 液化金属的定向凝固 304
12.4 晶界偏析 305
12.5 晶界凝固模式 306
12.6 铸铁中的部分熔化区 307
参考文献 309
思考题 310
第13章 部分熔化区的相关问题 311
13.1 液化裂纹 312
13.1.1 裂纹敏感性试验 313
13.1.2 液化裂纹机理 315
13.2 强度与韧性的下降 319
13.3 氢致裂纹 320
13.4 防止措施 320
13.4.1 焊接材料 320
13.4.2 焊接热源 322
13.4.3 拘束度 323
13.4.4 母材 323
参考文献 327
思考题 328
第四篇 热影响区 333
第14章 加工硬化材料 333
14.1 背景 333
14.1.1 再结晶 334
14.1.2 晶粒长大 336
14.2 焊接中的再结晶和晶粒长大 337
14.2.1 显微组织 337
14.2.2 热循环 338
14.3 焊接工艺参数和方法的影响 340
参考文献 341
拓展阅读文献 342
思考题 342
第15章 沉淀强化材料Ⅰ：铝合金 343
15.1 背景 345
15.2 Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si合金 349
15.2.1 人工时效状态下的焊接 349
15.2.2 自然时效状态下的焊接 352
15.2.3 焊接工艺方法和参数的影响 355
15.3 Al-Zn-Mg合金 356
15.4 铝合金搅拌摩擦焊 359
参考文献 360
拓展阅读文献 361
思考题 361
第16章 沉淀强化材料Ⅱ：Ni基合金 365
16.1 背景 366
16.2 沉淀回复和强度损失 370
16.2.1 微观组织 370
16.2.2 硬度分布 372
16.3 焊后热处理裂纹 374
16.3.1 焊后热处理的原因 374
16.3.2 裂纹的扩展 374
16.3.3 化学成分的影响 376
16.3.4 裂纹形成机理研究结果 376
16.3.5 预防措施 376
参考文献 379
拓展阅读文献 381
思考题 381
第17章 相变强化材料：碳素钢和合金钢 383
17.1 相图和CCT图 384
17.2 碳素钢 386
17.2.1 低碳钢 386
17.2.2 中高碳钢 391
17.3 低合金钢 394
17.3.1 高强低合金钢 394
17.3.2 调质低合金钢 395
17.3.3 可热处理低合金钢 397
17.4 氢致裂纹 399
17.4.1 原因 399
17.4.2 形貌 401
17.4.3 敏感性测试 402
17.4.4 预防措施 403
17.5 再热裂纹 405
17.5.1 形貌 405
17.5.2 成因 406
17.5.3 敏感性测试 407
17.5.4 预防措施 407
17.6 层状撕裂 409
17.6.1 成因 409
17.6.2 敏感性测试 410
17.6.3 预防措施 411
17.7 实例研究 412
17.7.1 套接管接头失效 412
17.7.2 柴油机连杆的失效 413
17.7.3 水轮机高压管道失效 413
参考文献 414
拓展阅读文献 416
思考题 417
第18章 耐腐蚀材料：不锈钢 419
18.1 不锈钢的分类 420
18.1.1 铁素体不锈钢 421
18.1.2 马氏体不锈钢 422
18.1.3 奥氏体不锈钢 422
18.2 奥氏体不锈钢 423
18.2.1 敏化区腐蚀（晶间腐蚀） 423
18.2.2 刀状腐蚀 429
18.2.3 应力腐蚀开裂 433
18.3 铁素体不锈钢 435
18.3.1 相图 435
18.3.2 敏化 435
18.3.3 马氏体形成和晶粒长大 436
18.4 马氏体不锈钢 437
18.4.1 相图 437
18.4.2 焊道下裂纹 438
18.4.3 防治措施 438
18.5 实例研究：不锈钢钢管的破坏 440
参考文献 441
拓展阅读文献 442
思考题 442
索引 443