焊接化学冶金

1、第一章 绪论及焊接化学冶金零、绪论部分焊接：通过加热或加压或两者并用，且用或不用填充材料，使被焊工件（同质或异种材质）的材料达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。比热流：单位时间内通过单位面积传入焊件的热能。线能量：热源功率Q与焊接速度v之比，q=Q/v （J/cm）热输入：熔焊时焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能。焊接温度场：焊件上某一瞬时温度的分布，T=f（x, y, z, t）2、焊接过程的物理本质（怎样才能实现焊接）：（1）金属：形成金属键结合，共同的晶粒；（2）塑料：形成共同的分子链。3、焊接热源的种类：电弧热、化学热、电阻热、高频感应热、摩擦热、等离子焰、电子束、激光束、超声波

2、一、焊接化学冶金焊条的平均熔化速度：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度，gM=G/t=PI (g/h)平均熔敷速度：在焊接过程中并非所有熔化的焊条金属都进入熔池形成焊缝，平均熔敷速度指单位时间内真正进入焊缝金属的那部分金属的质量，gD=GD/t=HI (g/h)损失系数：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那部分金属质量与熔化的焊芯质量之比，=(G-GD)/G=(gM-gD)/gM=1-H/P注：P 焊条熔化系数（g/A·h）单位电流、单位时间内焊芯（或焊丝)的熔化量。 H 焊条熔敷系数（g/A.h）单位电流，单位时间内，焊芯（或焊丝）熔敷在焊件上的金属量。它标志着焊接过程的生产效率

3、。1.4、熔滴过渡：熔滴在各种力的作用下，通过电弧空间向熔池的转移过程。1.5、熔滴比表面积：熔滴(假设为球体)表面积Ag与其质量Vg之比即： S=Ag/Vg=4R2/(4/3 R3)=3/R （cm2/kg）1.6、熔合比：焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例。熔合比= Mb/(Mb+Ms)1.7、熔渣的碱度：(1)根据分子理论碱度的定义为：碱度B的倒数称为酸度，从理论上讲，当B>1时为碱性渣；B<1时为酸性渣；B1时为中性渣。(2) 离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）定义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱性越大。根据离子理论碱度定义为：若B2>0，则

4、为碱性渣；B2<0，为酸性渣； B20，为中性渣。合金过渡：把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属（或堆焊金属）中去的过程。合金过渡系数：是表征焊接过程中合金元素利用率的高低的。合金过渡系数等于它在熔覆金属中的实际含量与它的原始含量之比1.10、药皮重量系数：单位长度上药皮与焊芯的质量比2、 焊接化学冶金过程与普通炼钢冶金过程的异同：二者共同点：均进行化学冶金反应。(1)炼钢冶金过程：金属熔炼加工过程，在特定的熔炼炉中进行，大熔池熔炼，熔炼温度比较稳定（1500）。原材料为矿石、焦炭、废钢铁等。目的是提炼金属，以得到一定成分、组织和性能的钢材。(2)焊接冶金过程:金属在焊接条件下，

5、加热速度快，温度梯度大，熔炼时间短，小熔池熔炼，熔池金属过热度大（16001900）。原材料为焊条、焊丝、焊剂等。目的是对金属再熔炼，以形成符合特定要求的连接接头。3、3种典型的熔滴过渡形式：短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡附壁过渡是焊条电弧焊和埋弧焊（渣保护）中出现的一种熔滴过渡形式。熔滴沿渣壁流下，落入熔池。4、3个焊接反应区及各自的特点：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。（1） 药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。水分蒸发（三种水：吸附水、结晶水、化合水）。当T =200300时纤维素发生分解和燃烧（2） 熔滴反应区：熔滴形成、长大、脱离焊条过渡到熔池之前。温度高，

6、活性斑点区28000C， 接近焊芯的沸点；平均温度18000C24000C：过热度大（300-900）。与气体、熔渣的接触面积大。时间短、速度快。熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌、混合。（3） 熔池反应区：熔池温度（16001900）低于熔滴温度；比表面积小；反应时间稍长；搅拌没有熔滴阶段激烈；熔池温度极不均匀（突出特点）。5、 焊接区气体的来源和产生：热源周围的空气；焊接材料，保护气体；焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油污、铁锈及氧化铁皮等；焊条药皮、焊剂、药芯中的造气剂、高价氧化物、水分等；有机物的分解和燃烧；碳酸盐和高价氧化物的分解。6.、N对金属的作用：（1）根据氮与金属作用的特点，大致分

7、为两种情况：第一种是不与氮发生作用的金属，如Cu、Ni，既不溶解氮，也不与氮形成化合物。第二种是与氮发生作用的金属，如Fe、Ti等，既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物。（2）氮对焊接质量的影响：产生氮气孔；增加焊缝金属强度，降低塑性和韧性（特别是低温韧性）；焊缝金属中过饱和的氮造成时效脆化（针状Fe4N）。6.2、H对金属的作用：（1） 根据氢与金属作用的特点可把金属分为两类：第一类：是能形成稳定氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。第二类：不形成稳定氢化物的金属，但氢能溶解于这类金属及其合金中，如Al、Fe、Ni、Cu、Mo等。（2） 焊接方法不同，氢向金属中溶解的途径也不同：CO

8、2气体保护焊时，通过气相和液态金属的界面以原子或质子形式溶入金属；电渣焊时，氢通过渣层溶入金属；手工电弧焊时，二者兼有。（3） 氢对焊接质量的影响：氢脆：氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。白点：碳钢或低合金钢焊缝，如含氢量高，则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点，称之为白点。形成气孔：由于凝固时溶解度的下降，使氢处于过饱和，促使了下列的反应进行：2H=H2；凝固速度大于氢的溢出速度。冷裂纹：冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，其危害性很大。7.1、熔渣对金属的作用：机械保护作用；改善焊接工艺性能冶金处理作用7.2、活性熔渣对焊缝金属的氧化：（1） 扩散氧化：

9、焊接钢时FeO即溶于渣又溶于液态钢，在一定温度下平衡时，它在两相中的粘度符合分配定律：在温度不变的情况下，当增加熔渣中FeO的浓度时，它将向熔池中扩散，使焊缝中的含氧量增加。（2） 置换氧化：如果熔渣中含有较多的易分解的氧化物，可能与液态铁发生置换反应，使铁氧化，而另一个元素被还原。8、 焊缝金属的脱氧：（1） 脱氧的目的和选择脱氧剂的原则：A、脱氧的目的是尽量减少焊缝中的含氧量。B、排除脱氧后的产物，减少焊缝中非金属夹杂物。（2） 脱氧的主要措施:在焊丝、焊剂或药皮中加入合适的元素和铁合金，使之在焊接过程中夺取氧。用于脱氧的元素或铁合金叫脱氧剂。（3） 选择脱氧剂应遵循的原则：A、脱氧剂在焊

10、接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大，如：Al Ti Si Mn；B、脱氧产物应不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度。脱氧产物应处于液态，便于聚合为大质点，加快上浮。C、需考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性能的影响。（4） 脱氧的分类：A、 先期脱氧：在药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧。其特点是：脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。B、沉淀脱氧：沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的。原理：溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液体金属。这是减少焊缝含氧量的具有决定意义的一环。C、扩散脱氧：扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，是

11、以分配定律为理论基础的。当温度下降时FeO的分配系数L增大，即发生如下扩散过程：FeO(FeO)，这意味着在熔池后部的低温区进行扩散脱氧。9.1、焊缝金属中S的控制：（1）S的危害：A、在熔池凝固时它易发生偏析，以低熔点共晶FeFeS或FeSFeO的形式呈片状或链状分布于晶界。B、在焊接合金钢，特别是高镍合金时，硫与镍形成NiS，而NiS又与Ni形成熔点更低的共晶NiSNi，所以产生结晶裂纹的倾向更大。C、当钢焊缝含碳量增加时，会促进硫的偏析，从而增加它的危害性。（2） 控制S的措施：A、 限制焊接材料中的含硫量：一是母材：其中的硫可以全部过渡到焊缝中去；二是焊丝：其中的硫约有6070过渡到焊

12、缝中去；三是药皮或焊剂：其中的硫约有50过渡到焊缝中。B、用冶金方法脱硫：Mn+FeS (MnS)+FeC、增加熔渣的碱度可以提高脱硫能力：渣中加入CaF2能降低渣的粘度，有利于S2离子扩散，同时形成易挥发物SF6，因而有利于脱硫。9.2、焊缝金属中P的控制：（1） P的危害：A、 在液态铁中可溶解较多的磷，并认为主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，而磷在固态铁中的溶解度只有千分之几。B、 磷与铁和镍还可以形成低熔点共晶，如Fe3PP（熔点1050）Ni3PFe（熔点880）。因此在熔池快速凝固时，磷易发生偏析。增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧性降低，脆性转变温度升高。C、 焊接奥氏体钢和低合

13、金钢焊缝含碳量高时，磷也促进形成结晶裂纹。（2） 控制P的措施：A、 限制磷的来源：限制母材、填充金属、药皮和焊剂中的含磷量。B、 采用冶金方法脱磷：第一步，FeO将磷氧化生成P2O5；第二步，使P2O5与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐。C、 在渣中加入CaF2有利于脱磷：因为，CaF2在渣中形成Ca2+，使渣中的P2O5的活度(衰变率)下降；另外，CaF2可降低渣的粘度，有利于物质的扩散。实际中，焊接时脱磷比脱硫更困难，控制焊缝中的含磷量，主要是限制焊接材料中的含磷量。10、 合金过渡目的、方式、影响因素：（1） 目的：A、补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素的损失。B、消除焊

14、接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。（焊接某些结构钢时，常向焊缝加入微量的Ti、B等元素，可细化晶粒，提高焊缝韧性。）C、获得具有特殊性能的堆焊金属。（2） 方式：A、应用合金焊丝或带极：把所需要的合金元素加入焊丝、带极或板极内，配合碱性药皮或低氧、无氧焊剂进行焊接或堆焊，从而把合金元素过渡到焊缝或堆焊层中去。优点：可靠，焊缝成分均匀、稳定，合金损失少；缺点：制造工艺复杂，成本高。对于脆性材料，如硬质合金不能轧制、拔丝，故不能用这种方式。B、应用药芯焊丝或药芯焊条：药芯焊丝的结构是各种各样的。最简单的是具有圆形断面的，其外皮可用低碳钢或其他合金钢卷制而成，里面填满需要的铁合金及铁粉等物质。用这种

15、药芯焊丝可进行埋弧焊、气体保护焊，也可以在药芯焊丝表面涂上碱性药皮，制成药芯焊条。优点：药芯中合金成分的配比可以任意调整，因此得到任意成分的堆焊金属；合金的损失较少。缺点：不易制造，成本较高。C、应用合金药皮或粘结焊剂：这种方式是把所需要的合金元素以铁合金或纯金属的形式加入药皮或粘结焊剂中，配合普通焊丝使用。优点：简单方便，制造容易、成本低。缺点：由于氧化损失较大，并有一部分合金元素残留在渣中，故合金利用率较低，合金成分不够稳定、均匀。D、应用合金粉末：将需要的合金元素按比例配制成具有一定粒度的合金粉末，把它输送到焊接区，或直接涂覆在焊件表面或坡口内，它在热源作用下与母材熔合后就形成合金化的堆

16、焊金属。优点：合金成分的比例调配方便；不必经过轧制、拔丝等工序；合金损失小。缺点：合金成分的均匀性较差，制粉工艺较复杂。（3） 影响因素：A、合金元素的物化性质：合金元素的沸点越低，其蒸发损失越大，过渡系数越小；合金元素对氧的亲和力越大，其氧化损失越大，过渡系数越小。B、合金元素的含量：随着药皮或焊剂中合金元素含量的增加，其过渡系数逐渐增加，最后趋于一个定值。药皮（焊剂）的氧化性和元素对氧的亲和力越大，合金元素含量对过渡系数的影响越大。C、合金剂的粒度：增加合金剂的粒度，其比表面积和氧化损失减少，而残留在渣中的损失不变，因此过渡系数增大。但如粒度过大，则不易熔化，过渡系数减小。D、药皮或焊剂的

17、成分：药皮或焊剂的氧化势越大，则合金过渡系数越小。若合金元素及其氧化物在药皮中共存时，能够提高该元素的过渡系数。若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性相同时，有利于提高过渡系数；性质相反，则降低过渡系数。E、药皮重量系数：在药皮中合金剂含量相同的条件下，Kb增加，减小。为了提高合金过渡，常采用双层药皮，里面为主要添加的合金剂，外层为造气、造渣及脱氧剂。第二章 焊接材料1. 焊接材料所包含的范畴；焊接材料是焊接时所消耗材料的通称,它包括焊条、焊丝、焊粉（合金粉）、焊剂、保护气体等。2. 碱性、酸性焊条（酸性、碱性氧化物）的概念、特征、典型牌号；药皮中含酸性氧化物多（如：TiO2、SiO2

18、、P2O5）的焊条叫酸性焊条；药皮中含碱性氧化物多（如：CaO、Na2O）的焊条叫碱性焊条。酸性氧化物是一类能与水作用生成相应价态的酸或与碱作用生成盐和水或与碱性氧化物反应生成盐的氧化物（且生成物只能有一种盐和水，不可以有任何其它物质生成），但一般不与正盐或酸式盐反应。能跟酸起反应，生成盐和水的氧化物叫碱性氧化物(且生成物只能有盐和水,不可以有任何其它物质生成)。特征：酸性焊条：（1)氧化性强。(2)焊缝的冲击值低。(3)焊缝合金元素少。(4)焊接时对锈、水、油污等产生气孔的敏感性小。(5)容易产生热裂纹。(6)可以用交流电源或直流电源。用直流电源时，可以用正接法，以减少飞溅。(7)熔渣黑而发

19、亮。碱性焊条： (1)氧化性弱。(2)焊缝的冲击值比酸性焊条高。(3)焊缝合金元素多。(4)对锈、水、油污等产生气孔的敏感性大。(5)不易产生热裂纹。(6)若不增加钾、钠等元素，必须使用直流电源焊接。 (7)采用直流电源焊接时要求采用反接法。(8)熔渣棕色而发暗。典型牌号：典型的酸性焊条如：E4303；典型的碱性焊条如：E50153.焊条型号、典型牌号中各部分的含义；焊条型号：焊条型号是国家标准中对焊条规定的编号，用来区别各种焊条熔敷金属的力学性能、化学成分、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类。典型牌号含义：以结构钢为例：牌号,编制法。JXXX,J为结构钢焊条,第3个数字,代表药皮类型,焊接电流

20、要求,第1、2数:代表焊缝金属抗拉强度 。4.焊条药皮的作用，药皮原材料的作用；焊条药皮的作用：1.保护作用：由于电弧的热作用使药皮熔化形成熔渣，在焊接冶金过程中又会产生某些气体。熔渣和电弧气氛起着保护熔滴、熔池和焊接区、隔离空气的作用，防止氮气等有害气体侵入焊缝；2. 冶金作用：在焊接过程中，由于药皮的组成物质进行冶金反应，其作用是去除有害杂质（例如O、N、H、S、P等），并保护或添加有益合金元素，使焊缝的抗气孔性及抗裂纹性能良好，是焊缝金属满足各种性能要求；3. 是焊条具有良好的工艺性能：焊条药皮的作用可以使电弧容易引燃，并能稳定的连续燃烧；焊缝飞溅小；焊缝成形美观；易于脱渣以及可适用于各

21、种空间位置的施焊。药皮原材料作用：1. 稳弧剂改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为易电离或电离势低的物质。如：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃2. 造渣剂造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。3. 造气剂 造气保护,有机物、碳酸盐.有机物如：木粉、淀粉、析出气体CO、H，碳酸盐析出气体CO2，高温时产生CO。4. 脱氧剂 降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。铁合金：锰铁、钛铁、硅铁、Re等。5. 合金剂 使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。合金、纯金属、一般Mn-Fe、Si-Fe要纯化，如加高锰酸钾纯化。6. 粘结剂 将涂料牢固的粘在焊芯上

22、，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。7. 增塑性便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。5.焊条的工艺性能；1. 焊接电弧的弧定性（稳弧性）： 影响因素：焊条药皮成份,电源的特性,焊接规范等.药皮成份的影响.药皮中加入电离电位低的物质，可以降低电弧气氛的电离电位，由此可以提高电弧的稳定性。2. 焊缝表面成形：操作技术有关,取决熔渣熔点,粘度与表面张力,还与熔渣的物理性质有关.T，过高,表面成型不良,易产生气孔,夹杂。过低,对焊缝敷盖不均匀,保护作用差。适中,一般T1500渣12Pa·s,铁水0.019Pa·s。 熔渣

23、的粘度也决定于熔渣的化学成分；表面张力复盖性好，但不能过小，熔渣易成球型,复盖性不好.3. 在各种位置焊接适应性。4. 脱渣性：焊后熔渣从焊缝表面清除的难易程度。影响因素:1.熔渣的线膨胀系数，金属与熔渣的膨胀系数相差越大,收缩不同产生内应力越大,脱渣性好,钛型焊条,脱渣性最好,低氢型焊条脱渣性最差；2.熔渣的松脆性，熔渣越松脆就越容易清除；3.熔渣氧化性，熔渣氧化性太强,脱渣难。5. 飞溅：焊接过程中由熔滴或熔池中飞出的金属颗粒。产生原因:1.熔池内部气体的熔池中逸出引起2.熔滴爆炸3.电弧作用力,4.短路过渡时,电弧再燃时产生飞溅。影响因素:粘度飞溅I飞溅药皮水分飞溅U飞溅电源种类,交流飞

24、溅>直流飞溅。6.焊条的熔化速度：焊接过程中,焊条的熔化速度ap反映着焊接生产率的高低。真正反映焊接生产率的指标是焊条的熔敷系数aH关系如下：H=P ( 1 )7. 药皮发红问题指焊条焊列后半段时,由于焊条药皮温升过高而发红,开裂脱落的现象。8、焊条发尘量：气体的毒性分为两种：一种是细微的蒸发锰产生的毒性,称为锰中毒。另一种是氟中毒。6. 焊剂的分类；详见课本99页。7. 酸性焊条用Mn作为脱氧剂，而碱性焊条用Si、Mn、Ti作为联合脱氧剂的原因分析；酸性焊条含SiO2多，与MnO2 （脱氧产物）形成复合氧化物，降低O含量，使渣中MnO2含量降低，浓度降低，从而使熔敷金属中的氧

25、化物向渣中过渡，达到脱氧的目的。在碱性渣中MnO的活度系数较大，不利于锰脱氧而碱性渣中Si的脱氧效果较好,硅的脱氧能力比锰大，但生成的SiO2熔点高，不易聚合为大的质点,SiO2与钢液的界面张力小，润湿性好，不易从钢中分离，易造成夹杂。锰和硅按适当比例加入金属中进行联合脱氧时可以得到较好的脱氧效果. 8.低氢型焊条对氧化皮、铁锈、油污、水分敏感的原因。同样温度下，FeO在碱性渣中比酸性渣中更容易向金属中分配在熔渣含FeO量相同的情况下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣时多碱性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，FeO活度大，易向金属中扩散，使焊缝增氧。第三章 熔池凝固和焊缝固态相变1.

26、 相、组织的概念；相：是指合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质，并以界面相互隔开的均匀组成部分；组织：是指合金中有若干相以一定的数量、形状、尺寸组合而成的，并且具有独特形态的部分。2. 熔池的特点（焊接熔池结晶与一般钢锭结晶的异同）； 熔池的体积小、冷却速度快熔池体积最大约为30cm3,重量100g，而钢锭可达几吨几十吨。熔池的冷却速度平均为4 100/s，而钢锭的冷却速度平均为(3150)×10-4/s，焊接熔池的平均冷却速度被钢锭大10000倍。由于冷却快，一般焊缝中没有等轴晶，而柱状晶得到发展。熔池中的液态金属处于过热状态钢锭的温度很少超过1550。熔池的平均温度可达17

27、70±100，而熔滴的温度约为2300±200，因此，熔池处于严重的过热状态。熔池是在运动状态下结晶3. 焊缝金属的化学不均匀性（几种偏析概念）；1、焊缝中的化学不均匀性(1)显微偏析(即枝晶偏析):指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。晶轴上含有熔点较高的成分，熔点较低的成分则集中在枝晶枝干与枝干间的孔隙以及柱状枝晶的晶粒边界，称枝晶偏析。(2)宏观偏析（区域偏析）:指焊缝边缘到焊缝中心宏观上的成分不均匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析，当焊速较大时，成长中的柱状晶最后都会在焊缝中心相

28、遇，使溶质和杂质聚集在那里，容易产生焊缝纵向裂纹。(3)层状偏析:由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。2. 熔合区的化学不均匀性（1） 化学不均匀性：熔合区固液界面附近元素的浓度较大（2）物理不均匀性：近缝区、半熔化区在不平衡加热时，出现空位和位错，以及残余应力。因此熔合区组织性能是不均匀的，成为焊接接头薄弱环节。特别是异种金属焊接时更为突出。4. 焊接速度对熔池结晶速度及焊缝性能的影响；焊接速度对熔池结晶速度的影响：当功率不变的情况下，增大焊接速度，晶粒成长平均线速度（即结晶速度）也增大，结晶加快。不仅如此，焊接速度对结晶速

29、度增长率也有影响，当焊速比较小时，结晶速度的增长率比较小，上升比较缓慢。当焊速增大时，结晶速度增长率比较大，上升比较急剧。焊接速度对焊缝性能的影响：当焊接速度增大，熔池中心的温度梯度下降很多，使熔池中心的成分过冷加大，因此快速焊接时，在焊缝中心往往出现大量的等轴晶；而低速焊接时，在熔合线附近出现胞状树枝晶，在焊缝中心出现较细的胞状树枝晶。5. 低碳、低合金钢焊缝的固态相变组织（不同组织对应的特征及转变温度区间）；1. 铁素体转变􀂄􀂄 先共析铁素体：焊缝中的先共析铁素体，是焊缝冷却到较高温度下，由奥氏体晶界首先析出（转变温度，约770-680），然后向晶内成长

30、。在奥氏体晶界析出的先共析铁素体量的多少，与焊接热循环的冷却条件有关，高温停留时间较长，冷却的较慢，先共析铁素体就较多。先共析铁素体在晶界析出的形态是变化的（与合金成分及冷却条件有关），一般情况下，呈细条状分布在奥氏体晶界，有时以块状形态出现，也称块状铁素体或先共析铁素体。􀂄􀂄 侧板条铁素体：侧板条铁素体的形成温度比先先共析铁素体稍低，约在770-550（转变的温度范围较宽），它是从奥氏体晶界PF的侧面以板条状向晶内成长，从形态上看有些像镐牙状。􀂄􀂄 针状铁素体：形成温度更低些，约在500附近形成，它是在奥氏体晶内以针状分

31、布，常以某些质点为核心（主要氧化物弥散夹杂）放射性生长。是比较理想的组织，可以改善焊缝韧性。针状铁素体，焊缝强度、韧性好。􀂄􀂄 细晶铁素体（贝氏体铁素体）：细晶铁素体是在奥氏体晶粒内形成的，一般来讲都有细化晶粒的元素如B、Ti等存在，在细晶之间有珠光体和碳化物（Fe3C）析出，是介于F与B之间的转变产物，故又称贝氏体铁素体。2. 珠光体转变由于焊接条件属于非平衡状态，所以一般情况下，低合金钢焊缝的组织固态转变很少能得到珠光体，除非在很缓慢的冷却条件下，才有少量的珠光体组织存在。在接近平衡状态下，珠光体转变大约发生在A1550之间，C和Fe原子的扩散比较容易进

32、行，属于典型的扩散型相变然而在焊接条件下，珠光体转变将受到限制（来不及扩散），扩大了铁素体与贝氏体转变的领域，因此珠光体转变量很小。当焊缝中含有B 、Ti等细化晶粒的合金元素，P转变全部被抑制。3. 贝氏体转变贝氏体转变属中温转变，此时合金已不能扩散，只有碳还能扩散，它的转变温度约在550Ms之间。贝氏体转变机理十分复杂。按贝氏体形成的温度区间及其特征来分，可分为上贝氏体和下贝氏体。4. 马氏体转变当焊缝含碳量偏高或合金元素较多时，在冷却速度较快时，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变。根据含碳量的不同，可形成不同形态的马氏体。􀂄􀂄 板条马氏体（低碳马氏

33、体）：低碳马氏体不仅具有较高的强度，同时也具有良好的韧性，一般低碳低合金钢焊缝中出现的马氏体主要是低碳马氏体􀂄􀂄 片状马氏体（孪晶M、高碳M）当焊缝中含碳量较高（C04），将灰出现片状马氏体，其内部的亚结构存在许多细小平行的带纹孪晶带，故片状马氏体又称为孪晶马氏体。这种马氏体的含碳量较高，故又称高碳马氏体。它的硬度很高，而且很脆，因此不希望焊缝中出现这种组织。6. 先共析铁素体、M-A组元的概念；􀂄􀂄 先共析铁素体：焊缝中的先共析铁素体，是焊缝冷却到较高温度下，由奥氏体晶界首先析出（转变温度，约770-680），然后向晶内

34、成长。在奥氏体晶界析出的先共析铁素体量的多少，与焊接热循环的冷却条件有关，高温停留时间较长，冷却的较慢，先共析铁素体就较多。先共析铁素体在晶界析出的形态是变化的（与合金成分及冷却条件有关），一般情况下，呈细条状分布在奥氏体晶界，有时以块状形态出现，也称块状铁素体或先共析铁素体。M-A组元：在贝氏体转变区间，由于焊缝化学成分和冷却条件所致，还可能出现所谓粒状贝氏体。它是在块状铁素体形成之后，待转变的富碳奥氏体呈岛状分布在块状铁素体之中，在一定的合金成分和冷却速度下，这些富碳的奥氏体岛可转变为富碳马氏体和残余奥氏体，称为M-A组元。7. 典型气孔的形成原因、特征、防止措施；1. 氢气孔对于低碳钢和

35、低合金钢的焊接来讲，氢气孔多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈圆喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。有个别残存在内部，以小圆球状存在。产生原因：焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，在相邻树枝晶的凹陷处是氢气泡的胚胎场所，浮出时易受阻，不易脱离表面，而氢又有较大的扩散速度，极力向表面上浮，使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。2. N2气孔形状：在焊缝表面，成堆出现，蜂窝状。产生原因：保护不当，空气侵入造成。3. CO气孔这类气孔主要是在焊接碳钢时，由于冶金反应产生大量的CO，在结晶过程中

36、来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。气孔沿结晶方向分布，有些象条虫状卧在焊缝内部，表面光滑。产生CO气孔的原因：（1）各种结构钢总是含有一定量的碳，在焊接时由于冶金反应而产生大量的CO气体。（2）CO不溶于液态金属，在高温时，CO以气泡的形式猛烈地逸出；但熔池结晶时， 粘度 ，CO不易逸出。另，此反应为吸热反应，促使结晶速度加快，CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条虫形内气孔。防止氢气孔主要采取如下两个途径。1. 一般碱性药皮中均含有一定量的萤石（CaF2）焊接时它与氢发生作用进行下列反应：CaF2+H2O=CaO+HFCaF2+H=CaF+HFCaF2+2H=Ca+2HF2. 增加药皮、焊

37、剂氧化性物质氧化性主要是使氧与氢在高温时生成OH，也不溶于液体金属，产生氢气孔的倾向下降。􀂄 比如酸性焊条（结422，结423，结424）药皮中不含CaF2，控制氢依靠药皮中氧化性组成物，防止氢气孔产生。8. 夹杂物对金属性能的影响；焊缝中常遇到的夹杂物有以下三种：氧化物、氮化物、硫化物􀂄氧化物：焊接金属材料时，氧化物夹杂是普遍存在的，在手工电弧焊和埋弧自动焊低碳钢时，氧化物夹杂主要是SiO2，其次是MnO2、TiO2、Al2O3等，一般多以硅酸盐的形式存在。这种夹杂物如果以密集的块状或片状分布时，在焊缝中会引起热裂纹，在母材中也易引起层状撕裂。И

38、708;氮化物：焊接低碳钢和低合金钢时，氮化物主要是Fe4N。Fe4N是焊缝在时效过程中由过饱和固溶体中析出的，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。会使焊缝金属的强度上升，塑性和韧性下降。􀂄硫化物：硫化物夹杂主要来源于焊条药皮或焊剂，经冶金反应转入熔池。但有时也由于母材或焊丝中含硫量偏高而形成硫化物夹杂。焊缝中的硫化物夹杂主要有两种，即：FeS和MnS。MnS的影响较小，而FeS的影响较大。9. 焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途径：固溶强化、变质处理（多元微合金化）、调整焊接工艺（P152）；在焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途径很多，简单归纳起来主要是：1. 焊缝的固溶强化2

39、. 变质处理（微合金元）3. 调整焊接工艺一焊缝金属的固溶强化和变质处理改善焊缝金属凝固组织有效方法之一就是向焊缝中添加某些合金元素，起固溶强化和变质处理（孕育处理）的作用。根据目的和要求不同，可加入不同的合金元素，以改变凝固组织的形态，从而提高了焊缝金属的性能。􀂄固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，这种现象称为固溶强化。􀂄变质处理（微合金化）：通过人为加入某些变质剂（Nb，V和Ti）以细化晶粒和改善组织，提高金属的强度和韧性，达到提高材料性能的目的。即向金属液体中加入一些细小的

40、形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工非自发晶核，通过细化晶粒和沉淀强化来提高金属强度。微合金化技术是一条生产高强度和其它所需性能的高质量产品的有效途径。二 调整焊接工艺改善焊缝的性能除采用固溶强化和变质处理改善焊缝组织来提高性能的途径之外，还可以通过调整焊接工艺的方法来提高焊缝的性能。1. 振动结晶􀂄 低频机械振动、高频超声振动、电磁振动􀂄 低频机械振动：振动频率在10000Hz以下属于低频振动。这种振动一般都是采用机械的方式实现的，振幅一般都在2mm以下。这种振动所产生的能量足可使熔池中成长的晶粒遭到破碎，同时也可使熔池金属发生

41、强烈的搅拌作用，不仅使成分均匀，也可使气体和夹杂等快速上浮，从而改善了熔池金属的凝固状态，提高了焊缝金属的性能。􀂄 高频超声振动：利用超声发生器产生20000Hz以上的振动频率，但振幅只有104mm。超声振动对改善熔池凝固结晶、消除气孔和结晶裂纹，以及夹杂等比起低频振动更为有效。􀂄 电磁振动：这种方法是利用强磁场使熔池中的液态金属发生强烈的搅拌，使成长着的晶粒不断受到“冲洗”，造成较大的剪应力，从而使晶粒破碎。这种作用，一方面可使晶粒细化，另一方面也可以打乱结晶方向，改善结晶形态。2. 焊后热处理焊后热处理可以改善整个焊接接头的组织，当然也包括焊缝组织。是充

42、分发挥焊接结构潜在性能的主要措施之一。􀂄 多层焊接：对于相同板厚焊接结构，采用多层焊接可以有效的提高焊缝金属的性能。这种方法一方面由于每层焊缝变小而改善了凝固结晶的条件，另一方面，是后一层对前一层焊缝具有附加热处理的作用，从而改善了焊缝固态相变的组织。􀂄 锤击焊道表面：锤击焊道表面既能改善焊缝的凝固结晶组织，也能改善前层焊缝的固态相变组织。因为锤击焊道可使前一层焊缝不同程度的晶粒破碎，使后层焊缝在凝固时晶粒细化，这样逐层锤击焊道就可以改善整个焊缝的组织性能。此外，锤击可产生塑性变形而降低残余应力，从而提高焊缝的韧性和疲劳性能。􀂄 跟踪回火处

43、理：所谓跟踪回火，就是每焊完一道焊缝立即用气焊火焰加热焊道表面，温度控制在9001000左右。跟踪回火处理不仅改善了焊缝的组织，同时也改善了整个焊接区的性能，因此焊接质量得到显著的提高。第四章焊接热影响区的组织与性能第一节：焊接热循环热影响区定义，焊接热循环定义（复习1）焊接热循环的特点、主要参数（复习2）焊接接头组织和性能不均匀原因：焊接时的加热速度非常快，但在高温停留时间短促，冷却速度快，因此造成焊接接头组织和性能不均匀。影响焊接热循环的因素：焊接线能量的影响预热温度的影响接头形式的影响焊道长度的影响焊接冷却条件的影响多层焊热循环特点（复习4）：单层焊受截面积限制不能在更大的范围内调整功率

44、和焊速，所以焊接热循环的调整也受到限制；多层焊是有许多单层焊热循环联合在一起的综合作用，同时相邻焊层之间彼此具有热处理性质，从提高焊接质量而言，多层焊往往易达到要求。（层数、层间温度）。第二节焊接热循环条件下的组织转变（复习6）焊接特点：加热温度高加热速度快高温停留时间短自然条件下连续冷却局部加热。加热过程组织转变特点：（1）与热处理相比，焊接热循环下组织相变点（AC1和AC3），随加热速度提高显著增高。原因：快速加热时，铁素体、珠光体来不及完成奥氏体转别所需的扩散重结晶孕育过程。（2）随加热速度奥氏体均化过程受阻，奥氏体均化程度差。原因：加热速度过快，使钢内碳化物合金元素扩散速度减小，同时阻

45、碍了奥氏体均化扩散过程。冷却过程组织转变特点：以45钢和40Cr为例，焊接的CCT曲线与热处理相比45钢左移而40Cr右移，即由于焊接高温停留时间短，合金钢的合金元素不能充分溶解降低了淬硬倾向，而不含合金元素的钢近缝区组织粗化淬硬倾向大于热处理。焊接CCT曲线的建立和应用第三节焊接热影响区的组织和性能热影响区组织性能不均匀的原因：焊接时母材热影响区上各点距焊缝的远近不同，所经历的焊接循环不同，出现的组织不同，性能不同。碳当量定义（复习1）焊接热影响区的分布、各部分的温度范围、细分区组织特点：（复习3） 1.熔合区:该区温度T处于固液相线间，固液共存，焊缝与母材过渡地带，化学成分和组织性能不均匀

46、，对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。很窄，一般钢材不易区分。在许多情况下熔合区是产生裂纹、脆性破坏的发源地，引起了普遍的重视。2.过热区（粗晶区）温度：固相线至1100之间现象：加热温度高，在固相线附近，一些难熔质点如碳化物和氮化物等溶入奥氏体，奥氏体晶粒粗大。组织：粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成过热组织-魏氏组织。性能：冲击韧度大大降低，一般要比母材低2530、淬硬脆化、析出相脆化，是热影响区的薄弱环节。措施：严重时采用焊后正火处理区域范围：不同的焊接方法、焊接线能量和母材板厚有关。3.相变重结晶区（正火区或细晶区）温度：在1100ºC-Ac3之间。现象：加热和冷却过程中经

47、受了两次重结晶（F+P）相变，使晶粒得到显著的细化。组织：相当于低碳钢正火处理后的组织，加热后为细小的奥氏体（F+P）组织。空冷后即获得细小而均匀的铁素体和珠光体组织。性能：塑性和韧性都比较好，是热影响区综合力学性能最好的区域。4.不完全重结晶区（不完全正火区）温度：Ac3-Ac1现象：只有部分金属发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶于奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。特点：晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能不均匀。组织：原始的铁素体晶粒和细晶粒的混合区性能：强度有所下降。5. 再结晶区和应变时效区（时效应变敏感钢）、温度：Ac1 300现象：母材事先受过

48、冷加工变形或由于焊接应力而产生的应变（冷作硬化）晶粒发生畸变、破碎，在此温度区域内，再次变成完整的晶粒，称为再结晶。 特点：本区域没有发生同素异构转变，组织没有变化，因此金属的力学性能变化不大，仅塑性稍有改善。性能：表现为较强的缺口敏感性。焊接热影响区的性能评定：对于一般焊接结构来讲，主要考虑热影响区的硬化、脆化、韧化、软化，以及综合的力学性能、抗腐蚀性能和疲劳性能等，这要根据焊接结构的具体使用要求来决定。焊接热影响区的硬化：焊接热影响区的脆化：包括粗晶脆化、组织脆化、析出脆化、遗传脆化、HAZ热应变时效脆化（分为静应变脆化和动应变脆化）。焊接热影响区的韧化：P204-P206，了解 调制钢焊

49、接HAZ的软化：P206-P208焊接HAZ力学性能：一方面研究HAZ不同部位的力学性能，另一方面研究熔合区附近的性能。P208PPT重点1. 焊接热循环、焊接热影响区（HAZ）、碳当量的概念；焊接热循环：焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化的这一过程称为焊接热循环。焊接热影响区：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域称为“热影响区”或称“近缝区”。碳当量：碳当量是反应钢中化学成分对硬化程度的影响，它是把钢中合金元素（包括碳）按其对淬硬（包括冷裂、脆化等）的影响程度折合成碳的相当含量。2. 焊接热循环特点、主要参数；特点：

50、焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，与一般热处理相比，焊接时的加热速度非常快，但在高温停留时间短促，冷却速度快，造成焊接接头组织和性能不均匀。主要参数：1. 加热速度 （H）；2. 加热的最高温度（Tm）；3. 在相变温度以上的停留时间（tH）；4. 冷却速度（c）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100）:t8/5表示从800°C冷却到500°C的冷却时间,t8/3表示从800°C冷却到300°C的冷却时间,t100表示从峰值冷却到100°C的冷却时间。3.焊接热影响区的分布（细分区组织特点、对应温度范围）；答：不易淬火钢在焊接热影响区，根据组

51、织的特征，热影响区分为以下四个区域：熔合区、过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区，各区域组织特点和温度范围如下表名称组织特点加热温度范围熔合区晶粒粗大，组织不均匀固液相线之间过热区粗大的奥氏体在较快的冷却速度下形成过热组织-魏氏组织。固相线至1100之间相变重结晶区（正火区）相当于低碳钢正火处理后的组织，加热后为细小的奥氏体（F+P）组织。空冷后即获得细小而均匀的铁素体和珠光体组织。在1100ºC-Ac3之间不完全重结晶区原始的铁素体晶粒和细晶粒的混合区Ac3-Ac1之间易淬火钢：4.多层焊热循环特点；答：多层焊是有许多单层焊热循环联合在一起的综合作用，同时相邻焊层之间彼此具有热处理

52、性质，从提高焊接质量而言，多层焊往往易达到要求。（层数、层间温度）。5.焊接热过程与一般热处理过程的异同点；与一般热处理相比焊接过程具有以下特点：（1）焊接过程热源局部集中性，局部加热温度高。（2）焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短。（3）热源的运动性，加热区域不断变化，传热过程不稳定。（4）焊接过程传热的复合性，熔池内部液态金属处于剧烈运动状态，以液体对流传热为主，外部与固态接触以固体导热为主，此外还存在辐射换热，属复合传热。（这一条不知道是否必要）。6.焊接条件下与热处理条件下的组织转变特点（以45钢和40Cr为例分析，P176-179）。答：对比45钢、40Cr分别在焊接和热

53、处理条件下组织的转变，可以看出，加热过程中随焊接速度的提高，相变点AC1、AC3温度显著提高，减缓了奥氏体转变过程，阻碍了奥氏体均化；冷却过程中，焊接的CCT曲线与热处理相比45钢左移而40Cr右移，即由于焊接高温停留时间短，合金钢的合金元素不能充分溶解降低了淬硬倾向，而不含合金元素的钢近缝区组织粗化淬硬倾向大于热处理。7.析出脆化、遗传脆化、HAZ的热应变时效脆化等概念及特点名称概念定义特点析出脆化由于HAZ处于非平衡态组织，化学、物理不均匀。时效或回火过程中，从非稳态固溶体中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其他亚稳定的中间相等，使金属或合金的强度、硬度和脆性提高，这种现象称为析出脆

54、化。遗传脆化厚板多层焊时，若第一焊道的热影响区粗晶粒区位于第二焊道的正火区（相变重结晶区），按一般的规律，粗晶区的组织将得到细化，从而改善了第一焊道的正火区的性能。但对某些钢种实际上并未得到改善，仍保留粗晶组织和结晶学的位向关系，这种现象称为“组织遗传”（包括粗晶及组织），由这种遗传而引起的脆化称为“遗传脆化”。发生在有淬硬倾向的调质钢，并在快速加热和快速冷却快速的非平衡组织中才能产生HAZ热应变时效脆化在制造焊接结构的过程中，不可避免的要进行各种加工，如下料、剪切、弯曲成形、气割、矫形、锤击、焊接和其他热加工等程序。由这些加工引起的局部应变、塑性变形对焊接热影响区脆化有很大的影响，由此而引起

55、的脆化称为热应变时效脆化。包括静应变时效脆化和动应变时效脆化。第五章 焊接裂缝裂纹的分类方法主要有以下几种：1. 按分布的走向：横向裂纹；纵向裂纹；星形（弧形裂纹）2. 按发生部位：焊缝金属中裂纹；热影响区中裂纹；焊缝热影响区贯穿裂纹3按产生本质分类： 热裂纹（高温裂纹）；再热裂纹；冷裂纹；层状撕裂；应力腐蚀裂纹拘束度R：在单位焊缝长度上，使焊缝间隙沿着横向产生单位弹性位移所需的力，也称为在单位焊缝长度上，使焊缝间隙沿着横向产生单位弹性位移所需的力，也称为拉伸拘束强度，其大小反映了焊缝允许变形的能力。热裂纹的特征 宏观看，焊缝热裂纹沿焊缝的轴向成纵向分布（连续），也可看到焊缝横向裂纹，裂口均有

56、较明显的氧化色彩，表面无光泽；微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质冷裂纹的特征宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。 微观看：常常是晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂的。3.结热（晶）裂纹、冷裂纹（延迟裂纹）的一般特征、决定要素、防控措施？答：结晶裂纹：在结晶后期，由于低熔共晶形成液态薄膜削弱了晶粒间的联接，在拉伸应力作用下发生开裂。特点：焊缝结晶过程中，金属凝固收缩，由于残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。基本特征：在结晶后期,由于低熔共晶形成的液态薄膜消弱了晶粒间的联结,在拉伸应力的作用下发生开

57、裂.材质：发生在含杂质较多的碳钢、低合金钢、单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。温度区间：在固相线以上稍高的温度（固液状态）。发生位置：焊缝决定要素：1. 冶金因素的影响 合金状态图类型和结晶温度区间结晶裂纹倾向的大小是随着合金状态图结晶温度区间的增大而增大。随着合金含量的增加，结晶温度区间增加，同时脆性温度区间增加，结晶裂纹倾向增加。 化学成分 凝固结晶组织形态 晶粒粗大，裂纹倾向增加2. 力学因素的影响防控措施：1.控制焊缝中有害杂质硫、磷的含量，限制S、P、C含量。2.改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径。3.适当增加焊接线能量和提高焊接时的预热温度延迟裂纹：焊后在Ms以下或更低温度，在淬硬组织、氢和拘束应力共同作用下产生的具有延迟特性的裂纹称为延迟裂纹。其延迟特征是由于氢的作用造成的，又称为氢致裂纹。特点：不在焊后立即出现，而是有一段孕育期，具有延迟现象，称延迟裂纹。基本特征：在淬硬组织,氢和拘束应力的共同作用下而产生的具有延迟特性的裂纹。决定因素：产生这种裂纹主要取决于钢种