焊接工艺-第三章

1、第三章 母材的熔化和焊缝成形,3.1 焊缝形成过程及焊缝形状尺寸,3.1.1 焊缝形成过程 电弧焊时，焊缝的形成一般要经历加热、熔化、化学冶金、凝固和固态相变等一系列冶金过程。其中，熔化和凝固是两个必不可少的过程。,图3-2熔池结晶过程示意图,联生结晶,3.1.2 焊接热影响区的组织和性能,HAZ各点经历的热循环不同组织形态不同性能不同,（一）熔合区 半熔化区域，兼有焊缝组织特征和过热组织特征。混合区域，组织不均匀，且易形成缺陷，性能影响大，薄弱区。,（二）过热区 温度范围从固相线以下到1100oC，过热状态 奥氏体严重长大粗大组织，可伴生魏氏组织。 应力大时，可形成裂纹 冷速大时，可形成裂纹

2、,（三）相变重结晶区（正火区） A31000oC，正火区，正火处理，正火组织， 强韧性比较好。,（四）不完全重结晶区 AC1AC3范围，加热奥氏体+残留铁素体， 冷却奥氏体转变为细小组织，粗大的铁素体保留。 最终为粗大的铁素体和细小的重结晶组织。晶粒 大小不均，力学性能也不均匀。,第四章 焊接热影响区组织与性能,淬硬倾向大的钢种，低碳高强度钢(18MnMoNb)、 中碳钢(45)、中碳高强度钢(30CrMnSi)等，冷却时可形 成马氏体组织。,1、完全淬火区 AC3以上温度区间，冷却时产生马氏体转变。 熔合区附近，粗大晶粒组织。 *易于形成淬火裂纹。,粗大马氏体、细小马氏体、贝氏体（BL、BU

3、）， 冷却速度决定。混合组织。,第四章 焊接热影响区组织与性能,2、不完全淬火区 温度在AC1AC3之间。,快速加热，铁素体不溶，珠光体、贝氏体、索氏 体等溶入奥氏体。冷却时，奥氏体马氏体，形成铁 素体+马氏体双相组织。,3、回火区 焊前，母材处理状态。,母材：淬火+回火（调质），Tc高于Tt，回火； Tc低于Tt，不变。,焊缝的形状一般是指焊缝横截面的形状，通常用焊缝熔深H、焊缝熔宽B和焊缝余高h来描述。 焊缝熔深H是指母材熔化的深度； 焊缝熔宽B是两焊趾之间的距离； 焊缝余高h是焊缝横截面上焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度。 焊缝成形系数（B/H）(常用的电弧焊方法，一般取1.3-2

4、） 余高系数（B/h）,3.1.2 焊缝形状尺寸,图3-3 对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸 H焊缝熔深，B焊缝熔宽，h焊缝余高， Ah填充金属熔化面积，AM母材熔化面积,熔合比是另一个表征焊缝横截面形状特征的重要参数。所谓熔合比是指单道焊时，在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝的总面积之比。它能反映母材成分对焊缝成分的稀释程度，熔合比越大，说明母材向焊缝中熔入的量越大，稀释程度越大。熔合比用下式计算： = AM/( AM+ Ah) （31） AM是熔化的母材在焊缝横截面积中所占的面积；Ah是填充金属在焊缝横截面中所占的面积。,3.3 熔池受到的力及其对焊缝成形的影响,在电弧焊焊接过程中，

5、熔池不仅受到热的作用，还受到力的作用。在电弧力和其它各种力的作用下熔池表面产生凹陷，液体金属被排向熔池尾部，使熔池尾部的液面高于焊件表面，从而产生焊缝余高。同时，电弧力及其它力还使熔池金属产生流动，一方面促使熔池内部的对流换热和填充金属与母材金属的混合，从而使焊缝各处的成分比较均匀一致；另一方面也必然影响熔池的形状和焊缝的成形。,3.3.1. 熔池金属的重力,熔池金属的重力的大小正比于熔池金属的体积和密度。熔池金属的重力对熔池金属流动的作用与焊缝的空间位置有关。 水平位置焊接时，熔池金属的重力有利于熔池的稳定性。 空间位置焊接时，熔池金属的重力可能破坏熔池的稳定性，使焊缝成形变坏。,3.3.2

6、. 表面张力,表面张力将阻止熔池金属在电弧力或熔池金属重力作用下的流动。表面张力对熔池金属在熔池界面上的接触角(即润湿性)的大小也有直接影响。所以表面张力既影响熔池的轮廓形状，也影响熔池金属在坡口里的堆敷情况，即熔池表面的形状。 1)熔池金属的表面张力的大小取决于液体金属的成分和温度。大多数液体金属中当含有氧、硫等表面活性元素时，能够明显降低表面张力。液体金属的表面张力随温度升高而降低。,2)熔池金属由于各处成分和温度的不均匀性，各处表面张力大小也不同，这样形成沿表面方向的表面张力梯度d/dr（表面张力系数,r-熔池半径）,这种表面张力梯度将促使液体金属流动。,图3-9 熔池金属流动与表面张力

7、 梯度的关系(ddr0),图3-10 熔池金属流动与表面张力 梯度的关系(ddr0),3.3.3.焊接电弧力,(1) 焊接电流流入焊接熔池时，由于斑点面积较小，电流密度较大，因而斑点处的压力较大，而熔池表面内的其它处的电流密度较小、压力也较小。这种压力差促使熔池金属流动，在熔池中心处，较大的斑点压力促使液体金属向下流动，而熔池四周的液体金属流向熔池中心，形成涡流现象。金属流动时，由于熔池中心的高温金属能把热量带向熔池底部，因而会使熔深加大。,图3-11 电弧静压力对焊缝成形的影响,图3-12 电弧动压力对焊缝成形的影响,(2)电弧静压力,(3)电弧动压力,3.3.4. 熔滴冲击力,富氩气体保护

8、熔化极电弧焊射流过渡时，焊丝前端熔化金属以较小的熔滴及很高的速度沿焊丝轴向冲向熔池，对熔池形成较大的冲击力，容易形成指状熔深。,3.4 焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响,1. 焊接电流对焊缝成形的影响 在其它条件一定的情况下，随着电弧焊焊接电流增加，焊缝的熔深和余高均增加，熔宽略有增加。,3.4.1 焊接参数对焊缝成形的影响,2. 电弧电压对焊缝成形的影响,在其它条件一定的条件下，提高电弧电压，电弧功率相应增加，焊件输入的热有所增加。但是电弧电压增加是通过增加电弧长度实现的，电弧长度增加使得电弧热源半径增大，电弧散热增加，输入焊件的能量密度减小，因此熔深略有减小而熔宽增大。同时由于焊接电流不

9、变，焊丝的送丝速度和焊丝熔化速度不变，使得焊缝余高减小。,3. 焊接速度对焊缝成形的影响,在其它条件一定的条件下，提高焊接速度导致焊接热输入减少，从而焊缝熔宽和熔深都减小。由于单位长度焊缝上的焊丝金属熔敷量与焊接速度成反比，所以也导致焊缝余高减小。,3.4.2 焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形的影响,1. 焊接电流的种类和极性 焊接电流的种类分为直流和交流。其中，直流电弧焊根据电流有无脉冲，分为恒定直流和脉冲直流，根据极性分直流正接（焊件接正）和直流反接（焊件接负）；交流电弧焊根据电流波形的不同，分为正弦波交流和方波交流等。焊接电流种类和极性能影响电弧输入焊件热量的大小，因此能影响焊缝成

10、形。,钨极氩弧焊TIG：,熔化极电弧焊（MIG、CO2、SAW等）：,正接熔深大，钨极烧损少，可焊接钢，钛等金属材料； 脉冲直流电源，可调整脉冲参数，控制焊缝成形尺寸； 焊接铝，镁及其合金时，利用阴极清理作用，来清理母材表面的氧化膜，采用交流为好,反接熔深大于正接，交流介于二者之间； 熔化极气体保护焊，反接时熔深大，过程稳定，具有阴极清理作用，被广泛采用。,2. 焊丝直径和伸出长度的影响,1)熔化极气体保护电弧焊，在焊接电流一定的条件下，焊丝越细，电弧加热越集中，熔深增加，熔宽减小。,2)熔化极气体保护电弧焊的焊丝伸出长度增加时，焊接电流流过焊丝伸出部分产生的电阻热增加，使焊丝熔化速度增加，因

11、此焊缝余高增大，而熔深有所减小。由于钢焊丝的电阻率比较大，在钢质、细焊丝焊接中焊丝伸出长度对焊缝成形的影响最为明显。铝焊丝的电阻率比较小，其影响不大。,3.4.3 其它工艺因素对焊缝成形的影响,坡口和间隙 在其它条件一定时，坡口或间隙的尺寸越大，所焊出焊缝的余高越小，相当于焊缝位置下沉，此时熔合比减小。 留间隙与不留间隙开坡口相比，两者的散热条件有些不同，一般来说开坡口的结晶条件较为有利。,图3-13 间隙和坡口对焊缝成形的影响,2. 电极（焊丝）倾角,电弧焊时，根据电极倾斜方向与焊接方向的关系，分为电极前倾和电极后倾两种。 焊丝前倾时，电弧力对熔池金属向后排出的作用减弱，熔池底部的液体金属层

12、变厚，熔深减小,电弧潜入工件的深度减小，电弧斑点移动范围扩大，熔宽增大，余高减小。前顷角度角越小，这一影响越明显. 焊丝后倾时，情况则相反。焊条电弧焊时，多数采用电极后倾法，倾角在6580之间比较合适。,图3-14 焊丝倾角对焊缝成形的影响,3. 焊件倾角,焊件倾斜在实际生产中经常碰到，可分为上坡焊和下坡焊.,上坡焊时:重力有助于熔池金属排向熔池尾部，因而熔深大，熔宽窄，余高大。当上坡角度大于60120时，余高过大，且两侧易产生咬边。 下坡焊时:这种作用阻止熔池金属排向熔池尾部，电弧不能深入加热熔池底部的金属，熔深减小，电弧斑点移动范围扩大，熔宽增大，余高减小。倾角过大会导致熔深不足和熔池液体

13、金属溢流,4. 焊件材质和厚度,1)材料的导热性能越好、容积热容越大，则熔化单位体积金属及升高同样的温度所需要的热量就越多，因此在焊接电流等其它条件一定的情况下，熔深和熔宽就减小。 2)材料的密度或液体粘度越大，则电弧对液体熔池金属的排开越困难，熔深也越浅。 3)焊件厚度增加，散热加大，熔宽和熔深都减小。,5. 焊剂、焊条药皮和保护气体,1)焊剂: 当焊剂密度小、颗粒度大或堆积高度小时，电弧四周的压力低，弧柱膨胀，电弧斑点移动范围大，所以熔深较小，熔宽较大，余高小。 焊接熔渣应有合适的粘度和熔化温度，粘度过高或熔化温度较高使熔渣透气不良，容易在焊缝表面形成许多压坑，焊缝表面成形变差。,2)电弧

14、焊用保护气体（如Ar、He、N2、CO2）的成分不同，其导热系数等物理性能不同，使电弧的极区压降和弧柱的电位梯度、弧柱导电截面、等离子流力、比热流分布等不同，这些都影响焊缝的成形（图3-16）。,图3-16 保护气体的成分对焊缝成形的影响,总之,焊缝成形的影响因素很多，要想获得良好的焊缝成形，需要根据焊件的材质和厚度、焊缝的空间位置、接头形式、工作条件对接头性能和焊缝尺寸的要求等选择合适的焊接方法和焊接条件进行焊接。否则焊缝成形及其性能就可能达不到要求，甚至出现这样那样的焊接缺陷。,3.5 焊缝成形缺陷及其防止,电弧焊的焊缝成形缺陷也有多种，由于电弧焊焊接参数及焊接工艺过程等原因导致的焊缝成形

15、缺陷主要有未熔合和未焊透、烧穿、咬边、焊瘤、气孔、夹杂等。在此主要讨论焊缝成形缺陷。,3.5.1. 未熔合和未焊透,电弧焊单面焊接时，焊接接头根部未完全熔透的现象称作未焊透。单层焊、多层焊或双面焊时，焊道与母材之间、焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分称作未熔合。正反面焊道虽然在中部熔合到一起，但相互熔合搭接量少，焊缝强度仍然受到影响，称作熔合不良。,图3-17 未焊透和未熔合,3.5.2. 焊穿和塌陷,焊接时熔化金属自焊缝背面流出并脱离焊道形成穿孔的现象叫焊穿。焊接时熔化的金属从背面凸出，使焊缝正面下凹，这种现象称为塌陷。,图3-18 焊穿和塌陷,3.5.3. 咬边,焊缝的焊趾部位被熔化了的母材因填充金属不足而产生缺口，这种现象称为咬边。咬边一方面使接头承载截面