金属熔焊原理整本书课件完整版电子教案(最新)

1、主讲：叶克力金属熔焊原理 例如：天上飞的：绪 论 近一百年来，焊接已成为应用最广的工艺之一。在20世纪，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺。当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，而且接头要在各种条件，甚至极限条件下工作。水上游的：地上跑的：雄伟的鸟巢体育馆三峡电机定子座 实质：达到原子之间的结合（金属晶格距离：0.30.5nm）由于表面状态的影响，不通过加热或加压，工件之间是难以自然达到原子之间的结合的。1、焊接(Welding)及其本质通过加压、加热或两者并用；用或不用填充材料；使金属间达到原子结合的一种加工方法。使工件的材质达到原子间的结合，有两

2、种方法：加热：结合处达到塑性或熔焊状态、降低变形阻力、增加原子的振动能加压：破坏接触表面氧化膜、增加有效面积焊接的基本分类：熔化焊、压焊和钎焊什么是压焊？什么是钎焊？什么是熔化焊？加热压力焊钎料加压熔化焊钎焊焊接接头示意图1焊缝；2熔合区；3热影响区；4母材焊接接头的组成：焊缝 + 熔合区 + 热影响区焊接经历的过程TM金属的熔化温度（液相线）TS金属的凝固温度（固相线）A1钢的A1转变点 T0初始温度焊接部位须经历加热-熔化-冶金反应-凝固结晶-固态相变-形成焊接接头学习任务与技能掌握内容 焊接热源及对焊件的作用 焊缝金属的组织和性能 焊接化学冶金过程 焊接接头的组织与性能 焊接缺陷的产生与

3、控制和焊接材料本课程的目的和要求1了解焊接的实质，能从理论上说明焊接与其他金属连接方式的本质区别。2熟悉常用焊接热源；了解熔焊时焊件上温度变化的规律；了解焊接条件下金属所经历的化学、物理变化过程；理解焊接时保护的重要性。3掌握焊接接头在形成过程中其成分、组织与性能变化的基本规律；了解改善焊缝和焊接热影响区组织和性能的主要措施。4掌握焊接冶金过程中，常见缺陷的特征、产生条件及其影响因素；能根据生产实际条件分析缺陷产生的原因，提出防止措施。5掌握各种焊接材料的性能特点及应用范围；能根据生产实际条件正确选择和使用常用的焊接材料。 思考与练习1 什么是焊接？焊接的实质是什么？2 焊接分为几类？各有何特

4、点？3金属熔化焊的一般过程是什么？第一章 焊接热源及其对焊件的作用第一节 焊接热源 常用的焊接热源第二节 焊接热循环 概念、基本参数、特点第三节 焊接温度场 概念、影响因素第一节 焊接热源及应用 熔焊的发展过程，某种意义上讲也可以说是焊接热源的发展过程。 1885年 碳弧焊 1891年 金属极电弧焊 20世纪初 薄皮焊条电弧焊和氧乙炔气焊 30年代 厚皮焊条电弧 40年代 埋弧焊和电阻焊 50年代 CO2气体保护焊和电渣焊 60年代 电子束焊和等离子弧焊与切割 70年代 激光焊接及切割 80年代 完善电子束焊和激光焊 太阳能、微波等电弧热：利用气体介质中放电过程所产生的热能化学热：助燃和可燃气

5、体（氧、乙炔）的燃烧火焰或铝、镁热剂进行化学反应电阻热：电流通过导体时产生的电阻热电子束焊：高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，动能转化为热能激光焊：受激辐射而使放射增强的光，经聚焦产生能量高度集中的激光束。等离子弧焊：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流焊接热源满足焊接条件的热源：摩擦热：机械摩擦而产生的热能作为焊接热源电阻焊接过程等离子弧焊电子束焊高频热焊接的发展趋势：焊接技术逐步向高效率、高质量、低成本、降低劳动强度、降低能耗的方向发展。作为焊接热源应当是：能量高度集中、快速实现焊接过程，并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的热影响区。焊接热源热源的性能不仅影响焊接质量，而且对

6、焊接生产率有着决定性作用。 焊接热源的主要特征 热源的性能不仅影响焊接质量，而且对焊接生产率有着决定性的作用。先进的焊接技术要求热源能够进行高速焊接，并能获得致密的焊缝和最小的加热范围。焊接热源的特征主要从最小加热面积、最大功率密度及焊接达到的温度三个方面加以体现。1.最小加热面积 即在保证热源稳定的条件下加热的最小面积。2.最大功率密度 即热源在单位面积上的最大功率。在功率相同时，若热源加热面积越小，则功率密度越大，说明热源的集中性越好。3.在正常焊接参数下能达到的温度 温度越高，则加热速度越高，因而可用来焊接高熔点金属，具有更宽的应用范围。热效率：焊接热源的利用率有效热功率：母材和填充金属

7、所吸收的热量P=P0=UI焊接热效率不同焊接方法的值功率有效系数焊接热能的传递热能传递的基本方式有热传导、对流和辐射三种。热传导是指物体内部或直接接触的物体间的热传递。热传导一般发生于固体内部。在金属内部，传导是热交换的唯一形式。对流是指由运动的质点来传递热能的方式，它是利用不同温度区域质点的密度不同来进行的。热对流通常发生于流体内部。辐射是指受热物体表面直接向外界发射电磁波来传递热能的方式。热辐射过程中能量的转化形式是热能辐射能热能。焊接热循环：在焊接热源作用下，焊件上某一点的温度随时间的变化过程。 焊接热循环是描述焊接过程中热源对被焊金属的热作用。距焊缝不同距离的各点，所经历的热循环不同。

8、距焊缝越近的点，加热的最高温度越高；越远的点，加热的最高温度越低。第二节 焊接热循环加热速度H 最高加热温度m 相变温度以上 的停留时间tH 冷却速度c (或冷却时间t8 / 5) 焊接热循环的主要参数：相变组织晶粒大小多层焊热循环： 在实际焊接中，厚板多采用多层焊接。多层焊实质上是由许多单层焊接热循环联合在一起的综合作用，同时相临焊层之间彼此具有热处理性质。从提高焊接质量来看，多层焊比单层焊更为优越。 对后一焊道面言，前一焊道具有预热作用，层间温度相当于预热温度； 对前一焊道来说，后一焊道应该起后热作用，产生一定热处理效果。长段多层焊的焊接热循环注意：淬硬倾向较大的钢种，不适于长段多层焊接。

9、相邻各层之间有依次热处理的作用。短段多层焊1点4点缺点：操作工艺十分繁琐，生产率低，特殊情况才用。影响焊接热循环的因素图1-6 接头与坡口形式对t800500的影响（图中符号后面的数字表示板厚） 接头形式不同，导热情况存在差异。同样板厚的T形接头或角接接头的冷却速度是对接接头的1.5倍。坡口相同，板厚增加时，冷却速度随之增大。接头与坡口形式对t85（t800500）的影响如图1-6所示。影响焊接热循环的因素图1-7 焊道长度对不同温度下冷却速度的影响 在接头形式与焊接条件相同时，焊道越短，其冷却速度越高。焊道长度小于40mm时，冷却速度急剧提高，而且弧坑处的冷却速度最高，约为焊缝中部的二倍，比

10、引弧端也要大20%左右。焊道长度对冷却速度的影响如图1-7所示。调整焊接热循环的措施常用的调整焊接热循环的措施主要有：1.根据被焊金属的成分和性能选择合适的焊接方法。2.合理选用焊接工艺参数。3.采用预热、焊后保温或缓冷等措施降低冷却速度。4.调整多层焊的焊道数，控制道间温度。 第三节 焊接温度场热量传递的基本方式：传导、对流、辐射 热源传递到焊件：对流和辐射 母材、焊丝内部：传导焊接温度场：某一瞬时焊件上各点的温度分布 等温线或等温面：把焊件上瞬时温度相同的各点连接在一起。 各等温线或等温面彼此间不能相交，存在一定的温度差。 影响焊接温度场的因素：1、热源的性质：热源的性质不同，焊接温度场的

11、分布也不同。2、焊接线能量：热源功率P与焊接速度v之比（P/v） 物理意义：焊接热源输入给单位长度焊缝的能量。3、比热容(c)：1g物质每升高1所需的热c = dQ/dT焊接温度场的类型：稳定温度场：焊接温度场各点的温度不随时间变动。非稳定温度场：各点温度随时间而变动。准稳定温度场：功率恒定的热源在工件上作匀速直线运动焊接时，经过一段时间后焊接过程稳定，就形成了一个与热源作同步运动的不变温度场。4、被焊金属的热物理性质：热导率（）、比热容（c）、热扩散率(a)、热焓（H）、表面传热系数()。 热导率的物理意义：在单位时间内，沿法线方向单位距离相差1时，经过单位面积所传递的热能。影响焊接温度场的

12、因素：本章结束思考与练习1常用的焊接热源有哪些？其主要特征是什么？2简述焊接热作用的特点及对焊接质量的影响3什么是焊接热循环，焊接热循环有何特点？4影响焊接热循环的因素主要有哪些？调整焊接热循环的主要措施是什么？5什么是焊接温度场？影响焊接温度场的主要因素有哪些？6用焊条电弧焊焊接Q235钢时，如果选用焊接电流为160A，电弧电压是25V，焊接热输入不超过28kJ/cm时，求此时焊接速度应是多少（已知焊条电弧焊的热效率为70）？7某钢材在焊接过程中的热输入为25kJ/cm，如果用焊条电弧焊焊接，选用电弧电压为24V，焊接速度为120mm/min，求此时焊接电流应为多少（0.8）？ 第一节 焊条

13、、焊丝及母材的熔化第二节 焊缝金属的一次结晶 第二章 焊缝的组织和性能第三节 焊缝金属的二次结晶 第四节 焊缝组织和性能的改善焊条金属的加热 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。 第一节 焊条、焊丝及母材的熔化图2-1 焊接时沿焊条轴向（药皮表面）上的温度分布不锈钢焊条，=5mm，I=190A，U=25V，电弧通过时间：110s、220s、330s、440s图2-2 在焊条横截面上的温度分布t焊芯平均温度 t1药皮内表面温度 t2药皮平均温度 t3药皮外表面温度 药皮厚度电阻热：PR=I2RSRs=Ls/

14、S焊条电阻热过大的不良影响：1、飞溅增加；2、药皮开裂或脱落，电弧燃烧不稳定；3、药皮丧失冶金作用；4、焊条发红变软，操作困难；5、焊缝成形变坏，甚至产生气孔等缺陷。不锈钢焊条焊接时，这种现象更为突出。严格限制焊芯和药皮的加热温度，一般焊接终了时，焊芯的温度不应超过600650。熔滴上的作用力： 1. 重力2. 表面张力3. 电磁力4. 摩擦力 焊条金属的过渡特性熔化极电弧焊（焊条电弧焊、CO2焊、MIG、MAG、埋弧焊）熔滴是指电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的向熔池过渡的液态金属滴。熔滴通过电弧空间向熔池的转移过程即熔滴过渡。熔滴的比表面积和作用时间：比表面积（S）：熔滴表面积（A）与其

15、质量（V）之比，即S=A/V 。设熔滴是半径为R的球体，则S=3/R。熔滴越细其熔滴比表面积越大，凡是能使熔滴变细的因素，都能加强冶金反应。熔滴相互作用时间近似等于熔滴存在时间（0.011.0s），是很短暂的。熔滴过渡的形式：国际焊接学会（IIW）对熔滴过渡形式分类：接触过渡自由过渡渣壁过渡熔滴过渡的形式：图2-4 熔滴的重力和熔滴的表面张力示意图F1 -熔滴的重力 F2-熔滴的表面张力图2-5 通有同方向电流的两根导线的相互作用力图2-6 磁力线在熔滴上的压缩作用p 电磁压缩力图2-7 斑点压力阻碍熔滴过渡的示意图2-8焊条药皮形成的套筒示意图熔池的形状类似于不标准的半椭球，其轮廓为温度等于

16、母材熔点的等温面。熔池的宽度和深度沿X轴连续变化。电流增加熔池的最大宽度（Bmax）略增，最大深度（Hmax）增大；随电弧电压的增加， Bmax增大， Hmax减小。一、熔池的形状和尺寸焊接熔池的形成 熔焊时，母材上由熔焊的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的的液体金属叫熔池。如焊接时不填充金属，则熔池仅由局部熔化的母材组成。 熔池质量和存在时间 与熔滴阶段相比，熔池的比表面积要小，在(0.313)10-3m2/kg间；熔池中各物化反应时间要长，在几s到几十s之间。 tmax=L/v熔池存在时间长久的利与弊：利：有利用气泡、熔渣的浮出，合金化均匀等。弊：焊接接头过热，组织晶粒容易

17、粗大，韧性值下降。 熔池温度 特点：中心温度高、周边温度低，头部温度高、尾部温度低。 熔池中液态金属的流动 构成熔池强烈运动的原因是什么呢？1、液态金属密度差引起自由对流运动；2、表面张力差强迫对流运动；3、熔池中各种机械力搅拌。熔池运动对焊接质量的影响：1、使熔化的母材和焊条金属很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属；2、有利于气体和非金属夹杂物的外溢，加速冶金反应，消除焊接缺陷（气孔），提高焊接质量。3、液态金属与母材交界处，运动受限制，化学成分不均匀。焊缝金属的熔合比熔合比：熔焊时，局部熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比。A熔化的母材B填充金属图2-11 不同接头形式焊缝横截面积的熔透情况图

18、2-12 接头形式与焊道层数对熔合比的影响I表面堆焊 IIV形坡口对接 IIIU形坡口对接（奥氏体钢、焊条电弧焊）熔合比对焊缝金属成分的影响一般情况下，焊缝金属是由填充金属与局部熔化的母材组成的。当焊缝金属的熔合比变化时，其焊缝金属的成分必然随之改变。假设焊接时合金元素没有任何损失，则这时焊缝金属中的合金元素B的含量与熔合比的关系为：wBwB（1-）wB式中 wB 元素B在焊缝中的质量分数；wB 元素B在母材中的质量分数；wB 元素B在焊条中的质量分数； 熔合比。第二节 焊缝金属的一次结晶焊接熔池结晶的特点 1焊接熔池的体积小 2焊接熔池的温度极不均匀3焊接熔池的冷却速度高 4熔池在运动状态下

19、结晶5. 焊接熔池的结晶以熔化母材为基础图2-13 焊缝金属的一次结晶过程 图2-14 熔池在运动状态结晶焊接熔池结晶过程 图2-15 熔合区母材晶粒表面柱状晶的形成图2-16 奥氏体钢焊缝的联生结晶图2-17 柱状晶的选择长大Gmax最大温度梯度图2-18 焊缝一次结晶过程示意图金属的偏析焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析等三种形式。 图2-19 显微偏析示意图图2-20含碳量对碳钢焊缝及铸锭中硫、磷偏析的影响图2-21 不同成形系数的焊缝区域偏析a）成形系数小 b）成形系数大a） b）图2-22 焊缝的层状偏析a）焊条电弧焊 b）电子束焊a） b）图2-23 层状偏析造成的气孔

20、 a）横截面 b）纵截面a） b）第三节 焊缝金属的二次结晶 熔池凝固后得到的组织是一次结晶组织，对大多数钢来说是高温奥氏体。随着连续冷却过程的进行，高温奥氏体还要发生组织转变即固态相变，也称二次结晶。二次结晶得到的组织即为室温组织，或称二次组织。二次组织对焊缝的性能起决定性作用。低碳钢焊缝的固态相变 由于低碳钢焊缝含碳量较低，固态相变后的组织主要是铁素体加少量珠光体。一般情况下，铁素体首先沿奥氏体柱状晶晶界析出，其晶粒十分粗大，当冷却至共析温度以下过冷时，剩下的奥氏体转变为珠光体。低合金钢焊缝的固态相变 低合金钢焊缝固态相变后的组织比低碳钢焊缝的组织要复杂得多，随母材、焊接材料及工艺条件的不

21、同而变化。固态相变除铁素体和珠光体转变外，还有可能出现贝氏体和马氏体转变。第四节 焊缝组织与性能的改善 焊缝的性能取决于焊缝的化学成分与组织形态。构成焊缝金属的化学成分不同，其力学等性能就不一样；具有相同化学成分的焊缝金属，由于结晶组织的不同，在性能上也会有很大的差异。因此，改善焊缝的性能应从调整化学成分和控制组织两个方面入手。焊缝金属的变质处理 图2-32 焊缝晶粒粗细对冲击韧性的影响 1-细晶粒 2-粗晶粒振动结晶 （1）低频机械振动（2）高频超声振动（3）电磁振动改善焊缝金属二次组织的方法 1焊后热处理2多层焊接3锤击焊道或坡口表面4跟踪回火本章结束思考与练习1. 什么是熔滴过渡？熔滴过

22、渡的形式有哪些？熔滴过渡的作用力有哪些？2什么是熔合比？影响熔合比的因素有哪些？它对焊缝金属有何影响？3. 焊接熔池结晶的特点是什么？结晶过程有哪些？4. 什么是偏析？焊缝中的偏析主要有哪几种？5. 焊缝二次结晶的组织特征是什么？6改善焊缝组织与性能的常用措施有哪些？第三章 焊接化学冶金过程一、焊接化学冶金的特殊性二、焊接区内的气体和焊接熔渣三、焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用四、焊缝金属的合金化 焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。各种物质：气体、液态金属、熔渣。任务防止或减少有害杂质侵入 减少合金元素烧损 对熔化金属进行冶金处理焊接化学冶金主要研究在各种

23、焊接工艺条件下，冶金反应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。 第一节 焊接化学冶金的特殊性普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比不同点：1）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。 焊冶材料：焊条、焊丝、焊剂等。 2）目的不同 普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能 普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，放在特定的炉中进行。 焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。二者共同点：金属冶炼加工。一、 焊接时的焊缝金属保护1、焊缝金属保护的必要性光焊丝焊接时会有哪些现象？1、含N量达0.105%0.218% 比焊丝中高2045倍2、含O量达0.1

24、4%0.72% 比焊丝中高735倍3、Mn、Si等有益元素因烧损和蒸发而减少电弧燃烧不稳定 焊条粘钢板 操作困难 工艺性不好塑性、韧性急剧下降！低碳钢无保护焊时焊缝的性能光焊丝无保护焊接是没有实用价值！2、保护的方式真空保护CO2焊、TIG焊、MIG焊埋弧焊、电渣焊焊条电弧焊、药芯焊丝焊接真空电子束焊二、焊接化学冶金反应区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。焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以焊条电弧焊为例1) 水分蒸发2) 某些物质分解3) 铁合金氧化 主要物理化学反应：2）、熔滴反应区 指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到熔池之前 特点: ) 温度高（2800）)

25、 与气体、熔渣的比表面积大(103104cm/kg) 时间短速度快 ) 熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌、混合。主要物理化学反应：金属的蒸发、气体的分解和溶解、金属的氧化还原剂合金化。3、熔池反应区 1、熔池温度低于熔滴（16001900）2、比表面积小（3130cm2/kg ）3、时间长（38s）4、搅拌没有熔滴阶段激烈5、熔池温度分布不均匀特点：焊接化学冶金反应的特点：1、高温多相反应3、系统的不平衡性2、分区域连续进行本节结束第二节 焊接区内的气体和焊接熔渣一、焊接区气体的来源二、焊接熔渣 来源： 1.焊接材料、保护气体 2.热源周围的空气 3.焊丝和母材表面上的氧化物、铁锈、油污、油漆和吸

26、附的水份等杂质。 4.物质蒸发产生的气体 种类： 金属及熔渣蒸气一、焊接区内气体的来源与组成1、有机物的分解和燃烧有机物种类：淀粉、纤维素和藻酸盐作用：酸性焊条造气剂和增塑剂分解：220 320 分解50%；800 完全分解分解产物：CO2、CO、H2气体的产生碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2作用：焊条造气剂分解：CaCO3 =CaO+CO2 MgCO3 =MgO+CO2 分解产物：CO2,CO高价氧化物：Fe2O3和MnO2 Fe2O3 = Fe3O4 +O2 Fe3O4 =FeO+ O2 分解产物： O2和低价氧化物FeO和MnO2、碳酸盐和高价氧化物的分解气体的产生

27、100 ：吸附水蒸发400 600 ：药皮结晶水分解蒸发电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如Fe Mn及氟化物等3、物质的蒸发及冶金反应气体的产生4、直接输入或侵入(空气、保护气体)焊接熔渣一、熔渣的作用、成分和分类二、熔渣的结构理论三、熔渣的碱度四、熔渣的物理性能 熔渣：电焊条药皮、焊剂溶化形成的金属及非金属氧化物及复合物。 1、熔渣的作用 1)机械保护作用 2)冶金处理作用 3)改善工艺性能 熔渣的作用、成分及分类2、熔渣分类第一类 氧化型 CaO- TiO2-SiO2 氧化性强 低碳钢、低合金钢第二类 盐氧化物型 CaF2 CaO-SiO2 氧化性小 合金钢第三类 盐型 Ca

28、F2-BaCl2-NaF 氧化性很小 有色金属、高合金钢 熔渣结构理论 液态熔渣的结构有两种理论： 分子理论和离子理论 分子理论可简明的定性为解释熔渣与金属之间的冶金反应,但不能解释一些重要现象，如导电性、电解等。 熔渣的碱度分子理论认为熔渣中的氧化物按其性质可分为三类1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O52).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3 熔渣的碱度 碱度：表征熔渣碱度强弱的物理量碱度B=碱性氧化物摩尔量（%）/ 酸性氧化物的摩尔量（%）当B1是为碱性渣，反之为酸性渣。 熔渣的物理性能 1、熔

29、渣的粘度 长渣 短渣 温度下降、粘度下降； 酸性氧化物（SiO2）使粘度增加；2、熔渣的表面张力 实际气相与熔渣间的界面张力。 键能越大表面张力越大。3、熔渣的熔点 药皮的熔点 要求熔渣的熔点与焊丝和母材的熔点相匹配本节结束4、熔渣的密度熔渣的密度必须低于焊缝金属的密度5、熔渣的线膨胀系数影响脱渣性第三节 焊接区气体、熔渣与焊缝金属的作用 一、 氮与金属作用 来源：主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况： 1、不与氮发生作用的金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。 （Cu、Ni） 2、与氮发生作用的金属，即能溶解氮又能形成氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化。（Fe

30、、Ti、Mn、Si）氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系1、氮在金属中的溶解 1）原子N形式溶于液态金属 2）以NO形式溶入 3）以氮离子（N+）形式溶入 2、氮对焊接质量的影响 1) 气孔 2) 力学性能变差3）时效脆化4) 有利一面 3、影响焊缝含氮量的因素及控制措施 1)机械保护：气-渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于造渣型焊条：保护效果取决于药皮的数量及成分 2)焊接工艺规范影响：3)焊丝成分的影响：增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量；加入亲氮大的元素本节结束二、氢对金属的作用 1、氢在金属中的溶解 （1）来源： 焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物、焊件表面杂质（锈

31、、油）、空气中水分 第一类 能形成稳定氢化物金属 (Zr、Ti、V、Ta、Nb) 第二类 不形成稳定氢化物的金属 (Al、Fe、Ni、Cu、Cr)（2）氢在金属中的溶解 焊接区的氢可以处于分子、原子和离子状态 氢以原子形式溶入以 溶入 以 溶入 （3） 在铁中溶解度的影响因素 Zr、Ti、Nb 提高氢的溶解度 Ni、Cr、Mo 影响不大 C、Si、B 降低 O能有效降低氢的溶解度 钢的组织结构氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系2、焊缝金属中的氢及其扩散 扩散氢：固溶在钢焊缝中的氢原子和氢离子，由于半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散。 残余氢（剩余氢）：部分氢扩散集聚到晶格缺陷、显微裂纹和非

32、金属夹杂等空隙中，结合成为氢分子，因为半径大，不能自由扩散。 氢在焊接接头中，既能在焊缝中扩散，也能向近缝区扩散，并能扩散到近缝区相当大的深度。在焊缝中，氢沿焊缝长度方向的分布基本均匀，只是在弧坑处含氢量高，所以在弧坑处容易产生氢缺陷。在近缝区，熔合线处的含氢量高低影响到此接头是否容易在此处产生冷裂纹。含氢量越高越容易产生冷裂，因为氢的存在是接头产生冷裂纹的三大因素之一 。焊缝中含氢量与焊后放置时间的关系1总氢量 2扩散氢 3残余氢3、氢对焊接质量的影响 暂态现象：脆化、白点、硬度升高 （经时效、热处理可消除） 永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、 冷裂纹 （不可消除） （1）氢脆：氢在室温附

33、近使钢的塑性严重下降 的现象。 原因：由溶解在金属晶格中的氢引起的在拉伸和弯曲过中，溶解在晶格中的原子氢沿位错方向扩散和聚集成氢分子，在显微空腔中产生很高的压力，造成应力集中，超过钢的强度极限。（2）白点：断面上呈光滑的银白色的斑点 焊缝产生白点，其延伸率显著下降，尤其是断面收缩率和冲击韧性 产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。铁素体和奥氏体钢焊缝不出现白点（3）气孔 （4）冷裂纹气泡的外逸速度小于焊缝金属凝固速度焊接接头冷却到较低温度时产生的裂纹4、控制氢的措施 （1）限制焊接材料的含氢量，药皮成分 提高烘焙温度、防潮 （2）严格清理工件及焊丝 去锈、油污、吸附水分 （3）冶金处理 降低气

34、相中氢的分压：在药皮和焊剂中加入氟化物 控制焊接材料的氧化还原势 加入微量稀土元素（4）控制焊接工艺参数 （5）焊后脱氢处理 焊后把焊件加热到一定的温度，使氢扩散 外逸的工艺三、氧对金属的作用 1、氧在液态铁中的溶解 （1）以原子O形式溶解 T，溶解度 （2）以FeO形式溶解 第二种合金元素，溶解度温度的影响合金元素的影响2、金属被氧化的途径（1）气相中氧化性气体（O2、 CO2、 H2O ） 等与金属相互作用 （2）氧化性熔渣与金属相互作用 （3）焊件坡口和填充金属表面上的氧化物与 金属相互作用 3、自由氧对焊缝金属的氧化Fe + 1/2O2 = FeO + 26.97 kJ/molFe +

35、 O = FeO + 515.76 kJ/molC + 1/2O2 = CO Mn + 1/2O2 = (MnO)Si + O2 = (SiO) 4、CO2对焊缝金属的氧化CO2 = CO + 1/2O2Fe + CO 2= FeO + COCO2保护焊须采用含硅、锰高的焊丝5、H2O气对焊缝金属的氧化Fe + H2O气 = FeO + H26、混合气体对焊缝金属的氧化7、氧对焊接质量的影响 （1）力学性能下降（2）导致气孔产生 （CO气孔）（3）合金元素烧损（4）工艺性能变差 8、防止措施 一防二脱 焊接时的氧化还原反应一、金属的氧化反应 扩散氧化、置换氧化 二、脱氧反应 沉淀脱氧、扩散脱氧

36、 一、金属的氧化反应熔渣对焊缝金属的氧化有两种形式：扩散氧化和置换氧化。1、扩散氧化： 由熔渣向焊缝金属扩散而使焊缝增氧的过程。FeO既溶于熔渣又溶于液态钢。L=(FeO)/FeO TL焊接温度下，L12、置换氧化： 焊缝金属与熔渣中容易分解的氧化物发生置换反应而被氧化的过程。(SiO2) +2FeSi+2FeO(MnO)+Fe=Mn+ FeOT反应向右进行二、脱氧反应1、脱氧的目的和选择脱氧的原则目的：尽量减少焊缝中的含氧量。 一方面 防止被焊金属的氧化， 另一方面 排除脱氧后的产物。2、脱氧物熔点低、密度小、不溶于液态金属量。选择脱氧剂的原则：1、在焊接温度下，脱氧剂对氧的亲和力比被焊金属

37、的对氧的亲和力大。 3、脱氧剂本身对焊缝金属的性能及工艺性能无害作用脱氧反应分区进行：先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧2、先期脱氧药皮反应区Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO3、沉淀脱氧 Mn的脱氧Mn+FeO=Fe+(MnO)Si的脱氧Si+2FeO (SiO2) +2FeSi/Mn联合脱氧溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。4、扩散脱氧L=(FeO)/FeO TL在液态金属与熔渣界面上进行的。本节结束四、焊缝金属的脱硫、脱磷一、焊缝金属的脱硫 S的危害、控制措施二、焊缝金属的脱磷 P的危害、控制措施 硫的危害一、焊缝金

38、属的脱硫低熔点共晶：Fe + FeS (985) FeS + FeO (940 ) NiS + Ni (644 )1.增加焊缝金属产生结晶裂纹的倾向；2.降低冲击韧性和抗腐蚀性。S的存在形式：MnS、FeSFeS的存在形式危害最大控制硫的措施（1）限制焊接材料中含硫量 限制焊缝含硫量的关键。（2）用冶金方法脱硫脱硫反应实质：用某种元素（脱硫剂）与溶解在熔池中硫（或硫化物）生成在液态金属中不溶解的产物，使其进入熔渣或经熔渣溢出。碱性焊条脱硫(碱性氧化物)(CaO)FeS(CaS)(FeO)(MnO)FeS(MnS)(FeO)脱硫剂： Mn+FeS=(MnS)+FeLgK=8220/T-1.86

39、T K 有利于脱硫(MgO)FeS(MgS)(FeO)锰、碱性氧化物二、焊缝金属的脱磷1.磷的危害低熔点共晶：Fe3P + Fe(1050) Ni3P + Fe(880)1.增加焊缝金属产生结晶裂纹的倾向；2.降低冲击韧性、脆性转变温度升高（脆化）。P的存在形式：Fe2P、Fe3P（1）限制焊接材料中含磷量 药皮和焊剂中的锰矿是导致焊缝增磷的主要来源（2）脱磷反应 2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)= (CaO)3.P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)= (CaO)4.P2O3+11Fe2.控制磷的措施a）FeO将磷氧化生成P2O5b）使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷

40、酸盐控制原材料的含磷量是限制焊缝含磷量的主要办法。本节结束第四节 焊缝金属的合金化一、焊缝金属合金化的目的 二、焊缝金属合金化的方式 三、合金元素的过渡系数及 影响因素 一、焊缝金属合金化的目的合金过渡（合金化）：把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程。目的：1.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。2.消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。3.获得具有特殊性能的堆焊金属。二、焊缝金属合金化的方式1、应用合金焊丝或带极2、应用药芯焊丝或药芯焊条3、应用合金药皮或粘贴焊剂4、应用合金粉末 药 芯 焊 丝Flux cored wires药芯焊丝三、合金元素的过渡

41、系数及影响因素1.过渡系数： 某合金元素过渡到熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比。M=M0 (Msl + Mox)凡是能使渣中残留量和氧化损失量下降的因素,都可以提高合金元素的过渡系数.2.影响过渡系数的因素1）合金元素对氧的亲和力 合金元素对氧亲和力越大，其氧化损失越大，过渡系数越小在1600各种合金元素对氧的亲和力由小至大的顺序： Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、 Si、Ti、Zr、Al2）合金元素的物理性质沸点越低，焊接时其蒸发损失量越大，过渡系数降低。4）合金元素的粒度5）合金元素的含量3）药皮（焊剂）的成分本节结束本章结束思考与练习1焊接时，为什么要对焊缝金属进

42、行保护？常用的保护方法有哪些？2焊条电弧焊有几个焊接化学冶金反应区？各有何特点？3焊接区内气体的主要来源有哪些？4氢对焊接质量有何影响？控制焊缝中氢含量的主要措施有哪些？5氮对焊接质量有何影响？控制焊缝中氮含量的主要措施有哪些？6焊缝金属氧化的途径有哪些？控制焊缝中氧的措施有哪些？7什么是脱氧？焊缝金属的脱氧途径有哪些？8焊接熔渣分为哪几类？ 焊接熔渣的结构理论有哪些？9简述焊接熔渣的性质10焊缝中硫和磷的危害是什么？控制硫和磷的措施有哪些？11焊缝金属合金化的目的是什么？合金化方式主要有哪几种？12什么是合金元素的过渡系数？其影响因素有哪些？第四章 焊接热影响区 第一节 焊接熔合区第二节 焊

43、接热影响区第一节 焊接熔合区熔合区是焊接接头中焊缝与母材交界的过渡区。在焊接接头横截面低倍组织图中可以看到焊缝的轮廓线，如图4-1所示，这就是通常所说的熔合线。而在显微镜下可以发现，这个所谓的熔合线实际上是具有一定宽度的、熔化不均匀的半熔化区。图4-1 焊接接头的熔合区图4-2 熔合区晶粒熔化情况焊接熔合区的主要特征是存在着严重的化学不均匀性和物理不均匀性，这是成为焊接接头中的薄弱地带的主要原因。 图4-3 固液界面溶质浓度的分布 图4-4 熔合区中硫的分布 上行数据的条件：E=11.76kJ/cm 下行数据的条件：E=23.94kJ/cm 对于一般钢材来讲，钢中合金元素及杂质在液相中的溶解度

44、总是大于固相中的溶解度。因此，在熔池凝固过程中，随着固相的增加，溶质原子必然要大量地堆积在固相前沿的液相中。这样，在固-液交界的地方溶质的浓度将发生突变，如图4-3所示。图中实线表示固-液并存时溶质浓度的变化，虚线表示熔池完全凝固以后的情况，这说明了在凝固过程中堆积在固相前沿的液相中溶质，来不及扩散到液相中心，而将不均匀的分布状态保留到凝固以后。 熔合区的化学不均匀性，与熔池溶质原子的性质有关。扩散能力较强的元素还有可能在浓度梯度的推动下由焊缝向母材扩散，使化学不均匀性有所缓和。如同一种钢在焊接时，碳的扩散能力强，在凝固后仍可以扩散而趋于均匀，完全凝固后没有明显的偏析；而硫、磷扩散能力弱的元素

45、，凝固后浓度变化很小，保留了较严重的偏析，熔合区硫的分布如图4-4所示。第二节 焊接热影响区（HAZ）： 焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材在焊接热循环的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织和性能变化的区域。焊接过程中，在形成焊缝的同时不可避免地使其附近的母材经受了一次特殊的热处理，形成了一个组织和性能极不均匀的焊接热影响区。焊接热影响区的形成 焊接热影响区组织转变的特点 1.焊接热影响区热循环的特点 与热处理相比，其基本原理相同，又具有焊接本身的特点（特殊性）： 加热温度高 在熔合线附近温度可达l350l400 加热速度快 加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍 高温

46、停留时间短 在Ac3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为420s，埋弧焊时30l00s) 自然冷却 （个别情况下进行焊后保温缓冷） 局部加热2.焊接加热时热影响区的组织转变特点）加热速度对相变点的影响焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。当钢中含有较多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)时，这一影响更为明显。这是因为碳化物形成元素的扩散速度很小(比碳小100010000倍)，同时它们本身还阻碍碳的扩散，因而大大地减慢了奥氏体转变过程。钢种相变点平衡状态加热速度H/（S-1）AC1与AC3的温差/684050250300140017004050250

47、3001400170045钢AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加热速度对相变点

48、Ac1和Ac3及其温差的影响）加热速度对均质化影响 A均质化过程属于扩散过程，而焊接加热速度快、相变以上停留时间短，都不利于扩散,因而匀质化程度差。）近缝区的晶粒长大 在焊接条件下,近缝区由于强烈过热使晶粒发生严重长大,影响焊接接头塑性、韧性, 产生热裂纹,冷裂纹。H ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)焊接快速加热对Ac1、Ac3和晶粒长大的影响3.焊接冷却时热影响区的组织转变特点 以45钢、40Cr为例，比较焊接条件下和热处理条件下，在相同的冷却速度下组织转变的差异。焊接和热处理时加热及冷却过程的示意图图4-5 Q345（16Mn）钢热影响区CCT图（wC=0.

49、16% wSi=0.35% wMn=1.35% wS=0.026% wP=0.014%）奥氏体形成温度TA越高、在该温度下的保温时间A越长，过冷奥氏体越稳定。奥氏体化温度TA对CCT图的影响（炉中缓慢加热）对45钢来说，TA提高使钢中的C全部溶入奥氏体，组织很均匀且明显粗化，从而使A分解时的成核率降低，孕育期加长，所以曲线右移。而在40Cr钢中，由于含有碳化物形成元素Cr，在快速加热高温停留时间短时，碳化铬来不及分解仍保留在A中。这样使奥氏体中溶解的碳化铬减少，而使其稳定性下降，同时保留下来的碳化铬质点还可成为新相得晶核，提高了A的分解时的成核率，其结果是缩短了孕育期，CCT图曲线左移。两点结

50、论：1、焊接热循环的特点，决定了在研究热影响区金属连续冷却转变时应该用焊接条件下特定的连续冷却转变曲线。（焊接条件下的组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组织转变不同 ）2、焊接加热特点对过冷奥氏体稳定性的影响因钢的化学成分不同而异。1.CCT图的建立：采用焊接热模拟试验装置来建立某种钢的CCT图。2.意义：在大量钢种出现之前,可预先估计热影响区的组织性能,或作为制定工艺,焊接线能量的依据。3.CCT图的应用：通过CCT图可得到在不同的冷却速度下的组织,即估计组织。 焊接CCT图图4-6 焊接热影响区的组织接头不同部位，经历的焊接热循环不同，便有不同的组织特点。焊接结构钢根据

51、热处理特性不同分为两类：淬火钢,不易淬火钢,分别讲述淬火钢和不易淬火钢的组织分布。1.不易淬火钢： 如低碳钢,某些不易淬硬的低合金钢,如16Mn、15MoV、15MnTi等2-过热区；3-相变重结晶区；4-不完全重结晶区；5-母材；6-完全淬火区；7-不完全淬火区；8-回火软化区焊接热影响区的组织分布特征不易淬火钢易淬火钢不易淬火钢焊接热影响区的组织分布熔合区： 又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区。加热温度： 14901530（固、液相线之间）组织： （未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新凝固的）铸态组织。特点： 该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是裂纹及局部脆断的发源地。过热区

52、： 紧靠熔合区加热温度： 11001490（1100固相线）组织： 粗大的过热组织。特点： 宽度为13mm，塑性和韧性下降； 焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹； 低碳钢的过热区主要是魏氏组织。相变重结晶区(正火区)： 紧靠着过热区加热温度： 8501100 （AC3至1100）组织： 均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似于正火组织）特点： 宽度约1.24.0mm，力学性能优于母材。不完全重结晶区：加热温度： Ac1Ac3之间组织： F+P (F粗、细不均)特点： 部分组织发生相变，晶粒大小不一，组织不均匀，力学性能差。时效脆化区（亚热影响区）：加热温度： Ac1300 组织： 在显微镜下观察不

53、到组织上的变化特点： 由于热应力及脆化物析出，经时效而产生脆化现象。部位加热温度范围组织特征及性能焊缝1500铸造组织柱状树枝晶熔合区及过热区14001250晶粒粗大，可能出现魏氏组织与不均匀晶粒合并，塑性差12501100粗晶与不均匀晶粒合并，塑性差相变重结晶1100900晶粒细化，力学性能良好不完全重结晶900730粗大铁素体和细小的珠光体，铁素体力学性能不均匀时效脆化区(亚热影响区)730300由于热应力及脆化物析出，经时效而产生脆化现象，在显微镜下观察不到组织上的变化母材300室温没有受到热影响的母材部分低碳钢热影响区的组织分布特征及性能16Mn钢焊接热影响区焊缝金属母材熔合区过热区不

54、完全重结晶区相变重结晶区2.易淬火钢 此类钢热影响区的组织分布与母材焊前热处理有关。退火,正火,调质(淬火+高回火) 1)完全淬火区 2)不完全淬火区 3)如母材焊前是调质状态，除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区。1）完全淬火区焊接时处于Ac3以上的区域，与不易淬火钢的过热区、正火区对应。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。2）不完全淬火区母材被加热到Ac1Ac3温度之间的热影响区，相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转

55、变为马氏体，原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体加铁素体的混合组织。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，奥氏体也可能转变成索氏体或珠光体。3）回火软化区如母材焊前是调质状态，焊接热影响区的组织分不除存在完全淬火区和不完全淬火区外，还存在一个回火软化区。在回火区内组织和性能发生变化的程度决定于焊前调质的回火温度t ：热循环温度低于t 的部位，其组织性能不发生变化，而高于t 的部位，将发生软化现象3.注意问题 1) 熔合区，热影响区中过热区晶粒严重长大，是焊接接头的薄弱地带。2)低碳钢的不完全重结晶区,在急冷急热的条件下,会表现出高碳钢的行为。 3)成分偏析严重，C、P、S

56、高时易产生淬硬组织、裂纹。 问题的严重性：焊缝可以通过化学成分的调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求，而热影响区性能只能通过控制焊接热循环作用来改善。焊接热影响区的硬化焊接热影响区的脆化焊接热影响区的软化焊接热影响区的性能控制四 焊接热影响区的性能 1.焊接热影响区的硬化 HAZ的硬度 高低取决于母材的淬硬倾向（内因）HAZ的冷却速度（外因）化学成分焊接规范图4-9 相当于20Mn钢的焊接HAZ的硬度分布 一般情况下，随着硬度上升，钢的塑性、韧性下降，抗裂能力减弱。因此，热影响区中硬度最高的部位往往就是接头中的薄弱环节，而且最高硬度值越高，接头的综合力学性能就越低，产生裂纹等缺陷的可能性就

57、越大。 对大多数钢来说，最高硬度值大都出现在熔合线附近的热影响区处，掌握一个钢种焊接热影响区最高硬度的大小，对于预测其接头的力学性能及开裂的倾向有重要意义。 热影响区的最高硬度值可通过实测确定，也可根据钢材的化学成分估算。最常用的办法是利用碳当量公式。碳当量：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。反映钢中化学成分对硬化程度的影响，1）碳当量（Carbon Equivalent)国际焊接学会日本焊接学会近年来常用的公式 常用焊接用钢的碳当量与允许的最高硬度 钢 种bMPasMPaCEHVmaxGBT1591-94GBT1591-88非调质调质非调质调

58、质Q34516Mn3535206370.415390Q39015MnV3925596760.3993400Q42015MnVN4415887060.4943410380（正火）14MnMoV4906087250.5117420390（正火）18MnMoNb5496688040.5782420（正火）12Ni3CrMoV6177068430.669343514MnMoNbB6867849310.459345014Ni2CrMnMoVCuB78486210300.679447014Ni2CrMnMoVCuN88296111270.67944803.焊接热影响区的脆化 粗晶脆化 组织脆化 析出脆化

59、热应变时效脆化 氢脆以及石墨脆化 脆化常常是引起焊接接头开裂和脆性破坏的主要原因。工程上，很多焊接结构失效都起因于热影响区的脆化。图4-10 碳锰钢HAZ韧脆转转变温度分布图4-11 淬硬倾向不大的钢种焊接影响区的力学性能（wC=0.17%，wMn=1.28%，wSi=0.40%）1）粗晶脆化在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间的影响。晶粒粗大严重影响组织的脆性，尤其是低温脆性。一般来讲，晶粒越粗，则脆性转变温度越高。 2）组织脆化组织脆化：焊接HAZ中因出现脆硬组织而产生的脆化。对不易淬火钢，焊接HAZ的组织脆化主要是形成粗大

60、魏氏组织(W)、 M-A组元、上贝氏体；易淬火钢，主要是产生脆硬的孪晶马氏体。析出脆化析出脆化：由于焊接过程的快速加热与冷却，其热影响区组织处于非平衡态。在时效或回火过程中，其过饱和固溶体中将析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等，使材料的强度、硬度和脆性提高的现象。 析出脆化的机理：由于析出物出现以后，阻碍了位错运动，使塑性变形难以进行。 若析出物以弥散而细小的颗粒分布于晶内时，将有利于改善韧性。但析出物以块状或薄膜状沿晶界聚集时就会造成材料脆化。3.热应变时效脆化热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合金钢的亚热影响区（加热温度低于Ac1的部位）这种脆化，主要是由制造过程中各