焊接冶金基础讲义

1、Advanced Materials Research Center焊接冶金基础王萌 山东电力高等专科学校材料科学与工程系第一页，共四十页。Advanced Materials Research Center焊接技术应用电力、石油化工、航天航空、海洋工程、核动力工程等工业部门 第二页，共四十页。Advanced Materials Research Center 焊接的本质被焊材质，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。原子之间的作用力与距离的关系第三页，共四十页。Advanced Materials Research Cent

2、er如何实现焊接?加热、加压 或 加热加压能量:热能、机械能第四页，共四十页。Advanced Materials Research Center电弧焊焊条电弧焊 第五页，共四十页。Advanced Materials Research Center埋弧焊 第六页，共四十页。Advanced Materials Research Center钨极氩弧焊第七页，共四十页。Advanced Materials Research Center熔化极气体保护焊（CO2、MIG或MAG）第八页，共四十页。Advanced Materials Research Center焊接冶金基础电弧焊过程加热熔化冶

3、金反应凝固结晶焊缝固态相变形成接头第九页，共四十页。Advanced Materials Research Center焊接熔池的形成 定义： 熔化焊时，焊接电弧作为热源，对焊接材料和焊件进行加热，在焊接热源的作用下，焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分熔池。 组成： 熔池由熔化的焊接材料和局部熔化的母材（焊件）金属组成。 形状： 近似呈半椭球状第十页，共四十页。Advanced Materials Research Center焊接熔池的温度分布 温度分布： 熔池温度分布非常不均匀，在熔池前部在电弧热的作用下，母材不断地熔化，温度较高；在熔池得尾部，熔池金属不断地凝固，温度逐渐降低。

4、第十一页，共四十页。Advanced Materials Research Center焊接化学冶金 气相与焊缝金属的作用： 1、气体的来源 焊接时焊接区内充满了大量气体。这些气体主要来自焊接材料、焊接热源周围的气体（空气等），也可能来自焊丝表面上的杂质（如油污、铁锈、吸附的水分等）。2、气体的种类 电弧区内的气体主要有CO、CO2、H2O、O2、H2、N2以及由这些气体分解的产物及金属和熔渣的蒸气组成。第十二页，共四十页。Advanced Materials Research Center焊接化学冶金 N2与焊缝金属的作用： 氮主要来自大气。尽管焊接时采取了各种保护措施，但周围空气中的氮总或

5、多或少地侵入焊接区。根据氮与金属的作用可将金属分为两类： （1）不与N2发生作用的金属（Cu、Ni等），这类金属既不溶解氮，也不反应形成氮化物； （2）与N2发生作用的金属（Fe、Ti等），这类既能溶解氮，也能与氮形成稳定的化合物。第十三页，共四十页。Advanced Materials Research Center 氮的危害：（1）形成脆化 在碳钢焊缝中氮是极有害的杂质。 由于室温下-Fe中氮的溶解度很小，仅为0.001。如熔池中含有较多的氮，焊接时冷却速度很大，一部分将以过饱和的形式存在于固溶体中，另一部分以针状氮化物(Fe4N)形式析出，分布于晶界或晶内，使低碳钢焊缝金属的强度、硬度升

6、高，而塑性和韧性，特别是低温韧性急剧下降。 焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随着时间的延长，也将逐渐析出针状Fe4N，使焊缝金属时效脆化。而对于低合金钢，氮促使岛状马氏体的形成，也降低焊缝韧性。第十四页，共四十页。Advanced Materials Research Center 氮的危害：（2）形成气孔 液态金属在高温时可以溶解大量的氮、而在凝固时氮的溶解度突然下降。这时过饱和的氮以气泡的形式从熔池中向外逸出，当焊缝的结晶速度大于气泡的外逸速度时，就形成气孔。第十五页，共四十页。Advanced Materials Research Center 防止措施：a. 加强焊接区的保护 氮和

7、氧不同，一旦进入液态金属就比较难于去除，又由于氮主要来源于焊接区周围的空气，所以加强焊接区的保护，防止空气与液态金属接触，是控制焊缝含氮量最主要、最有效的措施。如采用气-渣联合保护、保护气体等。b. 优化焊接工艺参数 焊接工艺参数对焊缝含氮量有明显的影响。增加电弧电压即增加电弧长度，导致焊接区保护变坏，氮与熔滴作用时间长，使焊缝金属含N量增加。 在自保护药芯焊丝焊接情况下，这一影响尤其显著。因此，应尽量采用短弧焊。增加焊接电流，熔滴过渡频率增加，氮与熔滴作用的时间缩短，增加焊丝伸出长度，降低熔滴过热等都使焊缝含N量下降。值得注意的是，多层焊缝含N量比单层焊时高，这与氮的逐层积累有关。第十六页，

8、共四十页。Advanced Materials Research Center 防止措施：c. 利用合金元素脱氮 Ti、Al、Zr和稀土元素对氮有较大的亲和力，能形成稳定的氮化物，且它们不溶于液态金属而进入熔渣；这些元素对氧的亲和力也很大，可减少气相中NO的含量，所以可减少焊缝w(N），起到了控氧和控氮的综合作用。 增加焊丝或药皮中的含碳量也可降低焊缝中的w(N)，这是因为碳能降低氮在铁中的溶解度；碳氧化生成CO和CO2加强了保护，降低了气相中氮的分压；碳氧化引起的熔池沸腾有利于氮的逸出。 自保护焊时，就是根据上述道理在焊丝中加入这一类元素脱氮和消除氮气孔的。第十七页，共四十页。Advance

9、d Materials Research Center焊接化学冶金 O2与焊缝金属的作用： 氧的主要来源 氧主要来自空气中的氧、焊接材料中的氧化物和母材表面的铁锈、水分的分解物。根据氧与金属的作用可将金属分为两类： （1）不溶解氧，但与O2发生反应（Mg、Al等），这类金属无论在固态或液态都不溶解氧，但焊接时会发生激烈氧化，生成的氧化物以薄膜或颗粒形式存在，容易一起夹杂及未焊透，并恶化焊接工艺性能。 （2）有限溶解氧，与O2发生反应的金属（Fe、Ni、Cu、Ti等）。焊接时与O2发生作用，生成氧化物能溶解于相应的金属中。第十八页，共四十页。Advanced Materials Research

10、 Center 氧对焊缝质量的影响：（1）与铁和其他合金元素发生氧化反应，造成合金元素烧损，降低焊缝性能。 氧化物（MnO、SiO2、TiO2、Al2O3）一般浮到熔渣中，但有的来不及浮出形成夹杂物，并以不规则的点状、或沿晶界成细小疏松的褐色网状分布，导致组织变脆。 焊缝含氧量增加 强度、塑性和韧性显著降低，尤其是低温冲击韧性急剧降低。第十九页，共四十页。Advanced Materials Research Center(2)CO气孔 形态特征：内部气孔，沿柱状晶晶界呈条虫状分布，内壁光滑，呈深兰色。 尺寸：横向0.5mm; 纵向1.0-3.0mm 形成原因： 溶池冶金反应,脱氧不充分,存在

11、氧化物FeO、MnO，且晶界C偏析，局部CO浓度增加，促进C的渗入脱氧，析出CO气泡；FeO+C Fe+CO -Q，促使T进一步降低；金属粘度增加，结晶速度增加。第二十页，共四十页。Advanced Materials Research Center 防止措施：a. 选择无氧或低氧的焊接材料 根据氧的主要来源是焊接材料，如焊条药皮、焊剂、保护气体、焊丝或工件表面的铁锈、油污及水分等。因此，降低氧的来源，可以有效降低焊缝中氧的含量。 气体保护焊时尽可能采用高纯度的惰性气体。b. 加强脱氧 通过焊接材料加入一些脱氧剂（Ti、Mn、Si等），与氧发生反应形成氧化物而进入熔渣，达到保护的目的。c. 控

12、制焊接工艺参数 增加电弧电压，空气容易侵入，因此应尽量采用短弧焊，降低电弧电压。第二十一页，共四十页。Advanced Materials Research Center H2与焊缝金属的作用： 氢的主要来源 氢主要来自焊条药皮中的水分及有机物、焊件、焊丝表面的水分、铁锈、油污、油漆等。氢与金属的作用特点 （1）有些金属如Zr、Ti、V、Nb等，在加热到300-700时，可在固态下吸收大量氢并形成稳定氢化物，将严重损害金属的性能。 （2）对于Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等金属不能与氢形成氢化物，但能溶解氢，并随温度的升高，氢的溶解度增加。第二十二页，共四十页。Advanced Material

13、s Research Center 氢对焊缝质量的影响： 氢的危害氢脆白点气孔冷裂纹 液态金属吸收大量的氢，一部分可在熔池结晶时逸出。但由于熔池结晶速度很快，相当多的氢来不及逸出而以原子或质子的形式残留在焊缝中。对于金属及合金焊接而言，氢是有害。第二十三页，共四十页。Advanced Materials Research Center 氢在焊接接头中的分布： 在具有奥氏体和马氏体时效钢焊缝的情况下，无论母材是淬火钢还是非淬火钢，近缝区给定点氢的浓度都是下降的。而在具有铁素体焊缝，近缝区氢的浓度最大，而且在母材中氢的扩散系数越小，达到最大值所需要的时间越长。第二十四页，共四十页。Advanced

14、 Materials Research Center（二）焊缝金属中氢及其扩散焊后随着放置时间的延长，焊缝金属中扩散氢减少，残余氢增加，总氢量减少。焊缝金属中氢剩余氢：H2扩散氢：H、H+、H-第二十五页，共四十页。Advanced Materials Research Center 氢脆： 在工件拉伸过程中金属中的位错发生运动和堆积，形成显微空腔。拉伸的同时溶解于金属晶格中的原子氢，会沿着位错运动的方向扩散，最后聚集到焊缝中缺陷部位或显微空腔内聚集，并形成氢分子（ H+H=H2 ），使体积膨胀，并产生很高的压力，而引起钢塑性下降。含氢量越高，脆变倾向越大。 特征： 拉伸时伸长率和断面收缩率显

15、著下降，而强度几乎不受影响。焊缝经过去氢处理后，其塑性可恢复。第二十六页，共四十页。Advanced Materials Research Center 白点： 碳钢或低合金钢焊缝，含氢量高时，常常在其拉伸或弯曲的断面上出现银白色圆形局部脆断点白点。 危害： 白点造成焊缝的塑性大大降低。 特征： 白点的直径一般为0.5mm，周围为塑性断口，用肉眼可辨认。在许多情况下白点的中心有小夹杂物或气孔。影响因素含氢量变形速度金属组织 含氢量越多，出现白点可能性越大。如果预先经过去氢处理，则可消除白点。 含氢量越多，出现白点可能性越大。如果预先经过去氢处理，则可消除白点。第二十七页，共四十页。Advanc

16、ed Materials Research Center 氢气孔： 特征：多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈园喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁，白亮。有个别残存在内部，以小圆球状存在。 尺寸：横向0.51.0mm 纵向24mm 产生原因： 1)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，氢的溶解度降低，尤其是液相转变为固相时,溶解度急剧下降; 2)熔池冷却速度快，H来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。 第二十八页，共四十页。Advanced Materials Research Center（四）控制氢的措施1、限制焊接材料

17、中含氢量制造焊接材料的原材料中含有吸附水、结晶水、化合水或溶解氢再烘干可有效降低焊缝中含氢量。选用低氢焊接材料或焊接在使用前充分烘干，气体保护焊的气体应经去水、干燥处理后，可有效降低焊缝含氢量。第二十九页，共四十页。Advanced Materials Research Center2、清除焊丝和焊件表面上的杂质Al、Al-Mg、Ti及其合金，由于表面层结构不致密形成Al（OH）3、Mg（OH）2含水的氧化膜，必须用机械或化学方法进行清除。3、冶金处理冶金处理去氢原理：通过调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中形成稳定且不溶于金属的化合物，如HF、OH等，减少氢在金属中的溶解。氟化物去氢控制焊接

18、材料的氧化还原势焊接材料中加入Re或稀散元素（Te、Se等）第三十页，共四十页。Advanced Materials Research Center合金元素对氢在Fe中溶解度的影响Ti、Zr、Nb及Re H Mn、Ni、Cr、Mo，影响不大C、Si、Al H O能有效降低液态铁、低碳钢和低合金钢中H。第三十一页，共四十页。Advanced Materials Research Center3、在药皮或焊芯中加入微量Re或稀散元素第三十二页，共四十页。Advanced Materials Research Center4、控制焊接工艺参数IH UH 5、焊后脱氢处理焊件加热到200-400，保温

19、2h绝大部分扩散氢去除。对于易产生冷裂纹的焊件常要求脱氢处理。对于奥氏体钢焊接接头进行脱氢处理效果不大。采用直流反接可减少焊缝的含氢量第三十三页，共四十页。Advanced Materials Research Center硫、磷的危害硫是钢中有害杂质之一，常以FeS形式存在，在液态铁中可以无限互溶，而固态时溶解度急剧下降，仅为0.015% 0.02%。在熔池结晶时容易产生偏析，以低熔点共晶Fe+FeS（熔点985）或FeS+FeO（熔点940）形式呈片状或链状分布于晶界，易引起热脆性甚至导致焊缝产生结晶裂纹，降低焊缝的冲击韧性和耐腐蚀性。高镍合金钢，Ni与S形成Ni3S2，Ni3S2又与Ni

20、形成熔点更低的共晶Ni+Ni3S2（熔点仅为644 ），增加了焊缝形成结晶裂纹的倾向。如果焊缝中碳含量高时，促进了硫的偏析，进一步增加了焊缝形成结晶裂纹的倾向。1、硫的危害第三十四页，共四十页。Advanced Materials Research Center硫、磷的危害1、硫的危害控制S危害的措施限制焊接材料的含硫量 焊丝中70%80%的硫可过渡到焊缝中；药皮或焊剂中约50%的S可过渡到焊缝中；母材中的S几乎全部进入焊缝中。因此，限制焊接原材料的含S量是关键。采用冶金方法脱S 常采用脱S剂Mn及碱性氧化物MnO、CaO等脱硫，反应生成的MnS、CaS不溶于金属而进入熔渣。第三十五页，共四十页。Advanced Materials Research Center硫、磷的危害磷也是钢中有害杂质。P在钢中以Fe2P和Fe3P形式存在。他们与Fe、Ni形成低熔点共晶Fe3P+Fe（熔点1050 ）；Ni3P+Ni（熔点880）。磷化铁常分布在晶界，减弱了晶粒间的结合力。Fe3P硬而脆，增加了钢的冷脆性，降低了焊缝的冲击韧性，提高了焊缝的脆性转变温度。因此，对于碳钢和低合金钢焊缝应控制P含量0.045%;合金钢焊缝P应控制在0.035%以下。1、磷的危害第三十六页，共四十页。Advanced Materials Research Center控制P危害的措施