焊工工艺学 第五章 金属熔焊过程

1、5-1焊条、焊丝及母材的熔化焊条、焊丝及母材的熔化5-2焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程5-3焊缝结晶过程焊缝结晶过程5-4熔合区及焊接热影响区熔合区及焊接热影响区5-5控制和改善焊接接头性能的方法控制和改善焊接接头性能的方法5-1焊条、焊丝及母材的熔化焊条、焊丝及母材的熔化一、焊接热源一、焊接热源常用的熔焊热源有电弧热（电弧焊）、气体火焰（气焊）、电阻热（电渣焊）、等离子弧（等离子弧焊）等。焊接热源所产生的热量并不是全部用来加热和熔化焊条、焊丝及母材的，有一部分热量损失于周围介质和飞溅中。二、焊条、焊丝的加热及熔化二、焊条、焊丝的加热及熔化1. 电阻加热电阻加热（1）限制焊条或焊丝的伸出长度

2、（2）限制焊接电流2. 电弧加热电弧加热真正使焊条、焊丝熔化的是电弧热。三、焊条、焊丝金属向母材的过渡三、焊条、焊丝金属向母材的过渡1. 熔滴过渡的形式熔滴过渡的形式熔滴过渡的形式) 滴状过渡) 短路过渡) 喷射过渡2. 熔滴过渡的作用力熔滴过渡的作用力（1）重力（2）表面张力熔滴的重力和熔滴的表面张力示意图F1 熔滴的重力F2熔滴的表面张力（3）电磁压缩力通有相同方向电流的两根导线的相互作用力电磁力在熔滴上的压缩作用P电磁压缩力（4）斑点压力 （5）气体的吹力斑点压力阻碍熔滴过渡焊条药皮形成套筒四、母材的熔化四、母材的熔化母材上由熔化的焊条、焊丝金属与母材金属所组成的具有一定几何形状的液体金

3、属称为焊接熔池。焊接熔池形状示意图5-2焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程一、对焊接区金属的保护一、对焊接区金属的保护焊接过程中，对焊接区进行保护的目的是防止空气的有害作用，保证焊缝质量。二、焊接化学冶金过程的特点二、焊接化学冶金过程的特点1. 温度高，温度梯度大2. 熔池体积小，熔池存在时间短3. 熔池金属不断更新4. 反应接触面大、搅拌激烈三、有害元素对焊缝金属的作用三、有害元素对焊缝金属的作用1. 氧对焊缝金属的作用氧对焊缝金属的作用（1）氧的来源焊接区的氧气主要来自电弧中的氧化性气体（如CO2、O2、H2O 等），空气中氧的侵入，焊剂、药皮中的高价氧化物和焊件表面的铁锈、水分等的分解产物

4、。（2）氧对焊接质量的影响1）焊缝金属中的氧，不仅会使焊缝中有益元素大量烧损，而且会使焊缝的强度、塑性、硬度和冲击韧性降低。2）降低焊缝金属的物理性能和化学性能。3）在焊缝内形成气孔。4）产生飞溅，影响焊接过程稳定。（3）控制氧的措施1）加强保护，如采用短弧焊、选用合适的气体流量等，防止空气侵入， 还可以在惰性气体保护或真空保护下焊接。2）清理焊件及焊丝表面的水分、油污、锈迹，按规定温度烘干焊剂、焊条等焊接材料。3）对焊缝脱氧也是行之有效的措施。（4）焊缝金属的脱氧1）脱氧剂选择的原则脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属的亲和力大。脱氧后的产物应不溶于金属而容易被排入熔渣，且熔点应较低，

5、密度应比金属小，易从熔池中上浮入渣。2）焊缝金属的脱氧途径先期脱氧沉淀脱氧扩散脱氧2. 氢对焊缝金属的作用氢对焊缝金属的作用（1）氢的来源压力为0.1MPa 时氢和氮在铁中的溶解度（2）氢对焊接质量的影响1）形成气孔2）产生白点和氢脆3）产生冷裂纹（3）控制氢的措施1）焊前清理干净焊件及焊丝表面的铁锈、油污、水分等污物。2）焊前按规定温度烘干焊剂、焊条，对气体保护焊的保护气体进行去水、干燥处理。3）尽量选用低氢型焊条，焊接时采用直流反接， 短弧操作。4）焊后消氢处理。3. 氮对焊缝金属的作用氮对焊缝金属的作用（1）氮的来源焊接区中的氮主要来自周围空气。（2）氮对焊接质量的影响2）形成气孔2）影

6、响焊缝的力学性能（3）控制氮的措施1）加强对焊接区液态金属的保护，防止空气中氮的侵入，是控制焊缝中氮含量的主要措施。2）采取正确的焊接工艺措施，如尽量采用短弧焊接，因为电弧越长，氮侵入熔池、越多，焊缝中氮的含量越高。4. 焊缝金属中硫、磷的危害及控制焊缝金属中硫、磷的危害及控制（1）硫、磷的来源焊缝中的硫、磷主要来自母材、焊丝、药皮、焊剂等材料。（2）硫、磷的危害（3）脱硫和脱磷的措施1）脱硫的措施元素脱硫FeS + Mn = Fe + MnS熔渣脱硫FeS + MnO = MnS + FeOFeS + CaO = FeO + CaS2）脱磷的措施，焊接过程中脱磷的措施分为两步：将P氧化成P2

7、O5，其反应式如下：2Fe3P + 5FeO = P2O5 + 11Fe2Fe2P + 5FeO = P2O5 + 9Fe利用碱性氧化物与P2O5 形成稳定的磷酸盐进入熔渣。3CaO P2O5 Ca3P2O84CaO P2O5 Ca4P2O9（4）酸性焊条和碱性焊条的脱硫和脱磷1）酸性焊条酸性焊条脱硫、脱磷效果较差。2）碱性焊条碱性焊条的脱硫、脱磷能力比酸性焊条强，这是碱性焊条的力学性能、抗裂性能比酸性焊条强的重要原因。四、焊缝金属合金化四、焊缝金属合金化1. 焊缝金属合金化的目的焊缝金属合金化的目的（1）补偿焊接过程中由于合金元素氧化和蒸发等造成的损失，以保证焊缝金属的成分、组织和性能符合预

8、定的要求。（2）通过向焊缝金属中渗入母材中不含或少含的合金元素，以满足焊件对焊缝金属的特殊要求。（3）消除焊接工艺缺欠，改善焊缝金属的组织和性能。2. 焊缝金属合金化的方式焊缝金属合金化的方式焊条电弧焊时，焊缝金属合金化的方式有两种：一种是通过焊芯（即利用合金钢焊芯）过渡； 另一种是通过焊条药皮（即将合金成分加在药皮里） 过渡。 这两种方式还可以同时兼有。5-3焊缝结晶过程焊缝结晶过程一、焊缝金属的一次结晶一、焊缝金属的一次结晶熔合线上的晶核焊接熔池结晶过程) 开始结晶) 晶体长大) 柱状结晶) 结晶结束二、焊缝结晶过程中的偏析二、焊缝结晶过程中的偏析1. 显微偏析显微偏析柱状晶粒生长过程2.

9、 区域偏析区域偏析不同成形系数焊缝断面对偏析分布的影响) 成形系数小) 成形系数大3. 层状偏析层状偏析层状偏析气孔的分布) 焊缝横断面) 焊缝纵断面三、焊缝金属的二次结晶三、焊缝金属的二次结晶四、焊缝中的夹杂物四、焊缝中的夹杂物由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，称为夹杂物，焊缝中的夹杂物主要有硫化物和氧化物两种。5-4熔合区及焊接热影响区熔合区及焊接热影响区一、熔合区的组织和性能一、熔合区的组织和性能熔合区是指在焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。该区金属处于部分熔化状态（半熔化区）， 晶粒非常粗大， 冷却后组织为粗大的过热组织， 塑性、韧性很差。由于熔合区具有明

10、显的化学不均匀性及组织不均匀性， 所以往往是焊接接头产生裂纹或局部脆性破坏的发源地，是焊接接头中性能最差的区域。二、焊接热循环二、焊接热循环焊接热循环曲线Tm加热的最高温度TA相变温度tA相变温度以上停留的时间距焊缝不同距离焊件上各点的热循环A至焊缝轴线10 mmB至焊缝轴线11 mmC至焊缝轴线14 mmD至焊缝轴线18mmE至焊缝轴线25 mm三、焊接热影响区的组织和性能三、焊接热影响区的组织和性能不易淬火钢焊接热影响区1熔合区2过热区3正火区4不完全重结晶区5再结晶区6母材5-5 控制和改善焊接接头性能的方法控制和改善焊接接头性能的方法一、材料的匹配一、材料的匹配材料的匹配主要是指焊接材

11、料的选用。对于低碳钢、低合金高强度结构钢、低温钢，一般不要求焊缝金属与母材成分一样，而是要求力学性能与母材相同。对于耐热钢和不锈钢，为保证焊缝具有与母材相近的高温性能和耐腐蚀性能，其焊接材料的化学成分应与母材大致相同。二、控制熔合比二、控制熔合比熔焊时，被熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比，称为熔合比。熔合比的计算公式为：r Fm / （Fm Ft）式中r 熔合比； Fm 熔化的母材金属的横截面积； Ft 焊缝中填充金属的横截面积。三、焊接工艺方法的选用三、焊接工艺方法的选用1. 气焊气焊气焊的机械保护效果较差，合金元素烧损较大，焊缝中气体元素和杂质元素含量也较高。2. 焊条电弧焊焊条电弧焊焊条电弧焊机械保护效果较好，合金元素烧损较少，焊缝中气体元素和杂质元素含量较低。3. 埋弧焊埋弧焊埋弧焊的机械保护效果也较好，合金元素烧损较少，焊缝中气体元素和杂质元素含量也较低。4. 手工钨极氩弧焊手工钨极氩弧焊手工钨极氩弧焊由于采用氩气保护，保护效果好， 合金元素基本没有烧损， 焊缝中气体元素和杂质元素含量极少，焊缝金属纯净。5. CO2气体保护焊气体保护焊CO2气体保护焊采用氧化性气体CO2进行保护， 对合金元素烧损较多，故需采