第一章 熔焊基础

1、第一章 熔焊基础 1.1焊接热过程 1.1.1 焊接热源 1.常用的焊接热源 （1） 电弧热（2） 化学热（3）电阻热（4）摩擦热（5）电子束 （6）等离子弧 （7）激光束 2.焊接过程热效率 PP0 P有效热功率； 焊接加热过程的热效率，或称功率有效系数。 值一般根据实验测定，不同焊接方法的不同，值既与焊接方法有关，也与焊接参数、被焊材料等因素有关。 1.1.2 焊接温度场 1. 焊接温度场的概念 焊接温度场指某一瞬时焊件上各点的温度分布。 2. 影响温度场的因素 （1） 热源的性质 热源的能量越集中，则加热面积越小，温度场中等温线（面）的分布越密集。 （2） 焊接参数 在焊接参数中，热源功

2、率和焊接速度的影响最大 （3） 被焊金属的导热能力 被焊金属的导热能力对温度场的影响也较大。金属的导热能力可用热导率来表示，热导率是表示金属内部传导热量的能力的物理量。图1-3 金属的导热能力对焊接温度场的影响 （4） 焊件的几何尺寸及状态 焊件的几何尺寸影响导热面积和导热方向。焊件的尺寸不同，可将热源分为点状热源、线状热源和面状热源三种。图1-4 三种典型传热方式示意图 三向导热，点状热源 b） 两向导热，线状热源 c） 单向导热，面状热源 1.1.3 焊接热循环 1. 焊接热循环的概念在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。 2. 焊接热循环的基本参数及特点 （1

3、） 加热速度（vH） 加热速度是指热循环曲线上加热段的斜率大小。 （2） 最高加热温度（Tmax） 是焊接热循环中最重要的参数之一，焊件上各点的峰值温度取决于该点到焊缝中心的距离。 （3） 相变温度以上停留时间（tH） 焊接时，近缝区必然要在高于相变温度的温度停留，热影响区的某些部位也自然会发生晶粒粗化的现象，从而对焊接质量带来不利的影响。 （4） 冷却速度（vC） 冷却速度是指热循环曲线上冷却阶段的斜率大小。 焊接热循环是焊接接头经受热作用的过程，具有如下特点。 1） 焊接热循环的参数对焊接冶金过程和焊接热影响区的组织性能有强烈的影响，从而影响焊接质量。2） 焊件上各点的热循环主要取决于各点

4、离焊缝中心的距离。离焊缝中心越近，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大。 3.影响焊接热循环的因素 （1） 焊接参数及热输入 焊接参数是指焊接电流、电弧电压、焊接速度等。 焊接热输入与焊接电流、电弧电压成正比，与焊接速度成反比。 （2） 焊接方法 不同焊接方法的热源特性不同。在线能量相同时，因所用电流与焊速之匹配不同，所形成的焊缝形状及熔深明显不同，必将对焊件上各点所经历的热循环产生影响。 （3） 焊件尺寸 当板厚较大时，板宽的影响不明显。焊件厚度越大，冷却速度越大，相变温度以上停留时间越短。 （4） 接头形式 接头形式不同，导热情况不同，同样板厚的X形坡口对接接头比V形坡口对接接头的

5、冷却速度大；角焊缝比对接焊缝的冷却速度大。 （5） 焊道长度 焊道越短，其冷却速度越大。焊道短于40mm时，冷却速度急剧增大。 4. 调整焊接热循环的措施 在生产中为了改善焊接接头的组织常要对焊接热循环进行调整，一般从以下几个方面着手： （1） 根据被焊金属的成分和性能选择合适的焊接方法。 （2） 合理地选用焊接参数。 （3） 采用焊前预热、焊后保温或缓冷等措施来降低冷却速度。 （4）调整多层焊的层数、焊道长度和控制层间温度。 1.2焊缝金属的构成 1.2.1焊条（焊丝）的加热与熔化 1. 焊条的加热 焊接电流通过焊芯所产生的电阻热与焊接时的电流密度、焊芯的电阻及焊接时间有关。焊接电流通过焊芯

6、所产生的电阻热QR（单位J）为 QR=I2Rt 2. 焊条金属的熔化 在正常的工艺条件下，焊条金属的熔化速度与焊接电流成正比，即 Vm=m/t=PI P的物理意义是：熔焊过程中，单位电流、单位时间内焊芯（或焊丝）的熔化量。Itmap 实际焊接时，熔化的焊芯（或焊丝）金属并不是全部进入熔池形成焊缝，而是有一部分会损失掉。我们把单位电流、单位时间内焊芯（或焊丝）熔敷在焊件上的金属量称为熔敷系数（H），可表示为： 由于金属蒸发、氧化和飞溅，焊芯（或焊丝）在熔敷过程中的损失量与熔化焊芯（焊丝）原有质量的百分比叫做飞溅率（），可表示为： 1.2.2熔滴过渡的主要作用力及过渡形式 1. 熔滴过渡的作用力常

7、见的作用力有以下几种： （1） 重力（2） 表面张力（3） 电磁压缩力 （4） 斑点压力（5） 等离子流力（6） 电弧气体吹力 2. 熔滴过渡的形式 熔滴过渡分为 （1） 滴状过渡（颗粒过渡） 通常不采用。（2） 短路过渡 广泛用于薄板和全位置焊接。 （3） 喷射过渡 具有熔滴细、过渡频率高、电弧稳定、焊缝成形美观及生产效率高等优点。 1.2.3 母材的熔化与熔池 1.熔池的形状与尺寸 接近于不太规律的半个椭球，轮廓为熔点温度的等温面。 一般情况下，焊接电流增加，Hmax增加，Bmax减小；电弧电压增加，Bmax增加，Hmax减小。熔池长度L与电弧能量成正比，熔池存在的时间与熔池长度成正比，与

8、焊速成反比。图1-8 焊接熔池外形示意图 2.熔池的温度 熔池的温度分布很不均匀，边界温度低，中心温度高。图1-10 熔池的温度分布1熔池中部 2头部 3尾部 3. 熔池金属的流动 （1）焊接热源产生的电磁力、电弧气体吹力、熔滴撞击力等。（2）由不均匀温度分布引起的表面张力差和金属密度差产生的浮力。图1-11 熔池中液态金属的流动a） 纵剖面 b） 横剖面 4.焊缝金属的熔合比 熔焊时，被熔化的的母材在焊缝金属中所占的百分比叫做熔合比。以符号表示。 熔合比也可用熔化的母材在焊缝金属中所占面积的百分比来表示，此时其计算公式如下：熔合比又称为稀释率，即熔合比越大，母材的稀释作用越严重。熔合比（稀熔

9、合比又称为稀释率，即熔合比越大，母材的稀释作用越严重。熔合比（稀释率）的大小与焊接方法、焊接参数、接头形状和尺寸、坡口形式及尺寸、释率）的大小与焊接方法、焊接参数、接头形状和尺寸、坡口形式及尺寸、焊道层数、母材金属的热物理性质等有关。焊道层数、母材金属的热物理性质等有关。 1.3有害元素对焊缝金属的作用及其控制 1. 氢对焊缝金属的作用及其控制 （1） 氢对焊缝金属的作用主要有以下几种形式： 1） 氢与金属的作用第一种是与某些金属形成稳定的氢化物第二种是与某些金属形成间隙固溶体 2） 氢的溶解氢能溶解于Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等金属中 3） 氢的扩散氢有很强的扩散能力，H和H甚至在室温下都

10、能在固体金属中扩散 （2） 氢对焊接质量的影响 1） 导致氢脆金属因吸收氢而导致塑性严重下降。 2） 产生白点钢的焊缝在含氢量高时，常常在焊缝金属的拉断面上出现如鱼目状的一种白色圆形点，称为白点。会使焊缝金属的塑性大大降低 3） 形成氢气孔氢分子不溶于金属，若来不及逸出，就会在金属中形成空洞，即氢气孔。 4） 导致冷裂纹导致焊接接头在较低温度（一般300）以下开裂。 （3） 氢的控制措施 1） 控制焊接材料中氢的含量限制焊条药皮或焊剂原料中有机物和水分的含量，可减少氢的来源。 2） 清除焊件及焊丝表面的杂质焊件坡口和焊丝表面的铁锈、油污、吸附水以及其他含氢物质是增加焊缝含氢量的主要原因之一，故

11、焊前应仔细清理干净。 3） 冶金处理通过化学反应降低电弧气氛中氢的分压，从而降低氢在液体金属中的溶解度。 4） 控制焊接参数焊接电流及电弧电压、电源的性质与极性对焊缝含氢量有一定的影响。 5） 焊后热处理焊后对焊件进行加热可使扩散氢排出 2. 氮对焊缝金属的作用及其控制 （1） 氮与焊缝金属的作用 氮主要来自于电弧周围的空气。焊接时，即使在正常保护的条件下，也总会有少量的氮进入焊接区与熔池金属作用。 （2） 氮对焊接质量的影响 1） 形成氮气孔 2） 降低焊缝金属的力学性能 3） 时效脆化 （3） 氮的控制措施1） 加强机械保护 加强对电弧气氛和液态金属的机械保护，防止空气侵入，是控制焊缝含氮

12、量的主要措施 2） 合理选用焊接参数 应尽量采用短弧焊。采用直流反极性接法，减少了氮离子向熔滴溶解的机会，因而减少了焊缝的含氮量 3） 控制焊接材料的成分 增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量 3. 氧对焊缝金属的作用及其控制 （1） 氧与焊缝金属的作用 1）氧的溶解 通常氧是以原子氧和氧化亚铁（FeO）两种形式溶解于液态铁中。 2） 焊缝金属的氧化 气相对焊缝金属的氧化 熔渣对焊缝金属的氧化 （2） 氧对焊接质量的影响 1） 降低焊缝金属的力学性能图1-19氢对低碳钢焊缝常温力学性能的影响 2） 产生气孔 3） 使焊缝中的有益元素烧损 4） 降低焊缝金属的其他性能 5） 产生飞溅 （3

13、） 氧的控制措施 1） 严格限制氧的来源 2） 控制焊接工艺规范 3） 脱氧处理 1.3.2硫、磷对焊缝的危害及其控制 1. 硫、磷对焊缝的危害 硫在钢焊缝中通常以FeS和MnS的形式存在。 FeS形式存在的硫危害较大。易形成结晶裂纹，同时还会降低焊缝金属的冲击韧度和耐蚀性。因此，要求低碳钢焊缝中wS0.035%,合金钢焊缝中wS0.025%。 磷在低碳钢和大多数的低合金钢中是有害的。 磷将降低钢的冲击韧度，特别是低温冲击韧度，导致结晶裂纹。 在焊接时，应对焊缝金属中的含磷量严格控制，低碳钢和低合金钢焊缝中要求wP0.045%,高合金钢焊缝要求wP0.035%。 2. 控制焊缝中硫、磷的措施

14、（1） 限制硫、磷的来源 （2） 冶金处理 1） 冶金脱硫处理。2） 冶金脱磷处理 1.4焊接接头的组织与性能 1.4.1熔池的凝固与焊缝金属的固态相变 1. 熔池的凝固 （1） 熔池凝固的条件与特点 焊接熔池体较小，温度极不均匀，在运动状态下凝固，且以熔化母材为基准。 （2） 熔池的凝固过程图1-21 焊接熔池的一次结晶过程a） 开始结晶 b） 晶体长大 c） 柱状结晶 d） 结晶结束 2. 焊缝金属的固态相变 一次结晶后，熔池液态金属转变为固态焊缝。 对于低碳钢焊缝来说，由于含碳量低，二次结晶组织一般为铁素体+珠光体。 为保证焊缝与母材的力学性能相匹配，要求焊缝中的含碳量低于母材。 低合金

15、钢焊缝的固态相变比较复杂，不仅可能发生铁素体和珠光体转变，有些钢中还会发生贝氏体或马氏体转变。 1.4.2熔合区的特征 熔合区又称熔合线，是焊缝向热影响区的过渡区，位于焊缝与母材交界处，最高加热温度在固、液相线之间。 高温时，是固液两相并存的半熔化区。 焊接时，熔合区部分金属被熔化，通过扩散方式使液态金属与母材金属结合在一起。因此，该区化学成分一般不同于焊缝，也不同于母材金属。 1.4.3焊接热影响区加热特点及组织转变特点 1. 焊接热影响区的加热特点 温度 速度 时间 2. 焊接热影响区加热时组织转变的特点图1-22 焊接和热处理时加热及冷却过程的示意图TM金属熔点 Tm峰值温度tm热处理加

16、热时间 tB热处理保温时间 （1） 不易淬火钢热影响区的组织和性能不易淬火钢有低碳钢和低合金高强钢（Q345、Q390）等，其热影响区从里至外可分过热区、正火区、部分相变区和再结晶区等四个区域。 1） 过热区 2） 正火区 3） 部分相变区 4） 再结晶区图1-23 热处理区划分示意图1过热区 2正火区 3部分相变区 4再结晶区 5淬火区 6部分淬火区 7回火区 （2） 易淬火钢热影响区的组织和性能1） 完全淬火区 加热温度超过Ac3以上的区域。由于钢种的淬硬倾向大，故焊后得到淬火组织马氏体。 2） 不完全淬火区加热温度在Ac1Ac3之间的区域。 3） 回火区加热温度低于Ac1的区域。 热影响

17、区越窄，焊接接头中内应力越大，越容易出现裂纹；热影响区越宽，变形越大。 在焊接生产工艺过程中，应在接头中的应力不足以产生裂纹的前提下，尽量减少热影响区的宽度。 1.5焊接缺陷 1.5.1焊接缺陷的种类及特征 1.焊缝外形尺寸不符合要求 图1-24 焊缝外形尺寸不符合要求焊缝高低不平、宽度不均、波形粗劣 b） 余高过高或过低c） 于高大d） 过渡不圆滑e） 合适 2. 咬边 图 1-25 咬边 3. 未焊透和未熔合图1-26 未焊透和未熔合 4. 焊瘤 图1-27 焊瘤 5. 焊穿及塌陷 图1-28 焊穿及塌陷 1.5.2焊接冶金缺陷种类及特征 1. 焊缝中的气孔 在焊接过程中，熔解于熔池中的气

18、体在结晶时来不及逸出而残留在焊缝中形成的空穴叫气孔。 形状：球形、条形、虫形和针状 气孔主要是氢气孔和一氧化碳气孔 2. 焊缝中的夹杂物 指由于焊接冶金反应产生的、焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂质。 氧化物夹杂 、硫化物夹杂和氮化物夹杂。 3. 焊缝中的裂纹 热裂纹 （1）热裂纹的特点 产生时间：焊接过程的高温阶段；产生部位：大多发生在焊缝上；外观特征：表面裂纹有明显锯齿形，断面氧化色明显；金相结构特征：为晶间裂纹，沿晶间界面发展。 （2）热裂纹产生的原因 （3）影响热裂纹产生的因素 1）常用合金元素的影响 硫、磷 它们都是提高结晶裂纹敏感性的元素 碳 不仅本身会造成不利影响，而且促使硫、磷的有害作用加剧。 锰 锰可以脱硫，对钢的性能不明显影响。 硅 硅对结晶裂纹的影响依含量不同而不同。 2）一次结晶组织的影响一次结晶晶粒越粗大，越易引起热裂 3）力学因素的影响结构刚性越大，约束越大，冷却速度越快，越易热裂。 （4） 防止结晶裂纹的措施 冷裂