熔化焊与热切割第二章基础知识

第二章熔化焊与热切割基础知识于强兴安盟特种设备检验所2/1/20231内容提要一、基础知识1、概述2、金属学与热处理知识3、金属材料的基本知识4、焊接工艺及切割工艺简介2/1/20232第一节焊接与切割的基本原理

及分类一、基本原理：1、焊接：是通过对物体加热、加压或两者并用，使焊件连接处达到原子力的相互作用，使分离的物件连接成一个整体的加工工艺。2/1/202332、焊接的特点:①、焊接与其它连接方法有本质的区别,不仅在宏观上建立了永久性的联系,在微观上也建立了组织之间的原子级的内在联系.②、焊接比其它连接方法具有更高的强度,密封性,且质量可靠,生产率高,便于实现自动化③、节省金属,工艺简单,可以很方便的采用锻-焊,铸-焊等复合工艺,生产大型复杂的机械结构和零件.④、焊接是一个不均匀加热的过程,焊后的焊缝易产生焊接应力,易引起变形.2/1/20234第一节焊接与切割的基本原理及分类二、焊接的种类:根据焊接的过程可分为三类:1、熔化焊:将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法.主要有电弧焊,气焊,电渣焊,等离子弧焊,电子束焊,激光焊等.2、压力焊:通过加压和加热的综合作用,以实现金属接合的焊接方法.主要包括电阻焊,摩擦焊,爆炸焊等.3、钎焊:以熔点低于被焊金属熔点的焊料填充接头形成焊缝的焊接方法主要包括软钎焊和硬钎焊.2/1/202352/1/20236三、切割的方法和分类：1、火焰切割：（气割）操作简单2、电弧切割：①、等离子弧切割：设备比较简单，易普及②、碳弧气割：主要用于中高碳钢3、冷切割：变形小①、激光切割：②、水射流切割：高压水（200兆帕——200兆帕）2/1/20237特种作业是指容易发生人员伤亡事故，对操作者本人、他人的生命健康及周围设施的安全可能造成重大危害的作业。直接从事特种作业的人员称为特种作业人员。焊接作业具有高危险性火灾爆炸触电中毒烫伤2/1/20238上海静安区住宅楼导致53人死亡，另有70人正在医院接受治疗，其中17人伤势严重。2/1/20239第二节金属材料及热处理常识一、纯金属的构造：晶体：原子在空间是按一定的几何规律排列。首先想到的是：宝石、钻石晶体：盐、冰、雪花、金属制品（外形不规则）非晶体：木材、玻璃、棉花原子在空间是无秩序而杂乱排列。2/1/202310㈠纯金属的晶体结构：1、体心立方晶格：致密度（68%）：68%原子占据，32%间隙常温下的纯铁（α铁）、钼、钨、钒2、面心立方晶格：致密度（74%）温度在910°～1390°的纯铁（γ铁）、铜、镍2/1/202311第二节金属材料及热处理常识3、密排六方晶格：致密度（74%）锌、镁、钡㈡液体金属结晶过程：结晶：金属由液体凝固为固体的过程。晶核的形成与长大。1、晶核的形成：2、晶核的长大：3、晶粒的边界：2/1/202312第二节金属材料及热处理常识二、合金的晶体构造及铁碳平衡相图㈠、合金的晶体构造合金的晶体构造分三类：固溶体、金属化合物和共析体（机械混合物）。（1）、固溶体：所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶，固态也相互溶解，且形成均匀一致的物质。形成固溶体时，含量大者为溶剂，含量少者为溶质；溶剂的晶格即为固溶体的晶格。2/1/202313A、固溶体的分类按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体。Ⅰ、置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15％以内时，易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子（铜、镍无限互溶）。锌在铜中溶解极限：39%2/1/202314另外，按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。Ⅱ、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体――铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。B、固溶体的结构：Ⅰ、晶格畸变Ⅱ、偏聚与有序2/1/202315Ⅲ、有序固溶体（更接近化合物）硬度及脆性增加、塑性和电阻降低C、固溶体的性能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。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料，几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法，在工业生产中得以广泛应用的原因。2/1/2023162、金属化合物两种元素，按一定的原子数量之比相化合金属化合物是两组元相互作用形成的新相，它的晶体结构与两组元都不相同，并具有金属性质。金属化合物有多种，它们的共同特点是熔点高、硬度高，一般都作为合金中的硬化相。如碳钢中的Fe3C，合金钢中的TiC、VC、W2C等。①正常价化合物Mg、Mn与S、Sn、Si、Pb化合②、电子化合物（可以看作是以化合物为基的固溶体）熔点、硬度、脆性高2/1/202317③间隙相高熔点、高硬度具有明显的金属特性3、共析体合金中以单相的固溶体或金属化合物的形式存在的情况很少，大多以两相的机械混合物形式存在。如碳钢中的珠光体，就是由固溶体（铁素体）和金属化合物（渗碳体Fe3C）组成的机械混合物。2/1/2023182/1/2023192/1/202320a奥氏体b铁素体c亚共析钢d共析钢e过共析钢f亚共晶白口铸铁g共晶白口铸铁h过共晶白口铸铁2/1/202321铁碳平衡图释义：纯铁有两种同素异构体,在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构,即δ－Fe。当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700℃，Fe3C分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱)，石墨虽然在铸铁(2～4％C)中大量存在,但在一般钢(0.03～1.5％C)中却较难形成这种稳定相。

2/1/202322珠光体马氏体魏氏体2/1/202323有色金属的基本知识1、铜及其合金纯铜：又称紫铜晶格类型

面心立方

原子量

63.54

密度

8.9克/cm3

熔点

1083℃

导电率

100-103%

±ACS

电阻率

0.01673

欧姆.mm2/m

线性膨胀数

17.6×10-6/℃

导热率0-100℃

399W/mk

0.94卡/cm.s.c

电阻温度系数

0.00393/℃

磁化率

-0.086×10-3/kg

比热

0.092卡/克.

℃

湿度

20℃

软态

280MPA

延伸性

≥40%

2/1/202324黄铜：简单黄铜：铜锌合金特殊黄铜黄铜.doc白铜：白铜.doc青铜：青铜.doc2/1/202325铝及其合金、银白色轻金属。有延展性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液，难溶于水。相对密度2.70。熔点660℃。沸点2327℃。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用。应用极为广泛。2/1/202326三、钢的热处理：㈠、钢的固态相变如图3所示：在缓冷、缓慢加热的条件下：A1：加热时Ｐ（珠光体）向Ａ(奥氏体)转变的开始转变温度；冷却时Ａ向Ｐ转变的开始温度；727A3：亚共析钢加热时全部转变为A温度，冷却时先共析铁素体的开始析出温度；Acm：过共析钢加热时Fe3CⅡ全部溶入Ａ温度，冷却时从Ａ中析出Fe3CⅡ开始温度；碳钢在加热或冷却过程中越过上述临界点，就会发生固态相变，所以可以进行热处理；2/1/2023271、加热时转变：亚共析钢加热温度超过A3，珠光体→奥氏体+铁素体→全部转变为奥氏体。亚共析钢加热温度超过1050℃以上，并停留较长的时间时，奥氏体晶粒便会迅速长大，析出针状铁素体，形成魏氏体，强度提高，塑性、韧性下降，易裂。2、冷却时的转变：过冷奥氏体：在临界点以下存在的，不稳定的，处于过冷态，将要发生转变的奥氏体称为过冷奥氏体。

2/1/202328过冷奥氏体的转变类型：高温、缓冷（铁、碳均扩散）—炉冷或空冷—退火或正火—珠光体转变。（扩散型）粒状或片状，小颗粒（高强度、塑性、韧性）低温、冷速较快到Ms以下转变（铁、碳均不扩散）—马氏体。（非扩散型）脆、硬2/1/202329㈡、钢的热处理：是指将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间后，以一定的冷却速度冷却下来，通过改变钢的内部组织结构来改善钢的性能的操作。焊接时焊缝热影响区受到焊接热循环的作用，实质上经受了热处理2/1/202330种类：普通热处理（退火、正火、淬火和回火）表面热处理（表面淬火和化学热处理）形变热处理1、退火：可作为：预备热处理和最终热处理；①钢加热到临界点A3以上或以下，保温后随炉慢冷以获得近于平衡状态的组织的工艺。②目的：⑴消除铸、锻、焊件的内应力；⑵均匀成分、组织，细化晶粒；⑶消除内应力和加工硬化；

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⑷改善钢的成型性、切削加工性；⑸为淬火作组织上的准备；③按加热温度分：⑴、重结晶退火：Ⅰ完全退火Ⅱ扩散退火Ⅲ不完全退火Ⅳ球化退火⑵、低温退火Ⅰ再结晶退火Ⅱ去应力退火④按冷却方式分：等温退火和连续退火2/1/2023322/1/202333去应力退火定义：为消除铸锻焊件的内应力而进行的退火叫作去应力退火。目的：去应力，稳定尺寸，防止变形和开裂。工艺：加热温度：小于Ac1，500～650℃，铸件为500～550℃，焊件为500～600℃（大焊件用火焰或工频感应加热局部退火）。保温时间：由工件的尺寸和装炉量决定。钢4min/mm，铸铁6min/mm。冷却：缓冷，以免产生新的应力。2/1/2023342钢的正火（正常化或常化）定义：将钢加热到Ａc3（或Ａcm）以上的某温度，完全Ａ化后，保温，空冷以得到珠光体类型的组织，称为正火。目的：①改善切削加工性能：②消除热加工缺陷；③普通结构件：要求不高，可以作为最终热处理来应用；适用钢种：碳钢，低、中合金钢；工艺参数：加热温度：Ａc3（或Ａcm）＋30～50℃对一些合金钢，Ａc3＋100～150℃；原则：晶粒不粗化的前提；2/1/202335加热时间：工件烧透，采用经验公式即可，与成分、原始组织、装炉量和加热设备。冷却：空冷、风冷、正火的应用改善钢的切削加工性（含碳低于0.25%的---HB140-190）；消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火作准备（抑制二次碳化物的析出，获得伪共析体。）消除热加工缺陷（中碳结构钢铸、锻、轧件、焊接件的魏氏组织、粗大晶粒、带状组织）提高普通结构件的机械性能2/1/2023363钢的淬火定义：亚共析钢：Ａc3＋30～50℃，保温后以大于临界冷却速度的冷速冷却以获得马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺叫做淬火。目的：强硬化；工艺特点：关键：加热温度、冷速足够大；带来的问题：内应力；焊接含碳量高的钢易出现马氏体，产生冷裂纹焊接含碳量低的钢不易出现马氏体，也不易产生冷裂纹2/1/202337

钢的表面淬火概念：将工件表面快速加热到淬火温度，迅速冷却后，使工件表面层获得淬火组织的热处理方法。目的：表硬心韧；4钢的回火定义：将淬火钢加热到Ａ１以下某温度，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式（空冷）冷却到室温的热处理工艺过程称为回火。类型：低温回火、中温回火、高温回火2/1/202338

金属材料的性能：物理、化学、力学、工艺1、物理化学性能：不均匀热膨胀2、力学：强度、塑性、冲击韧性、硬度2/1/202339合金元素对焊接的影响C当量=C+1/2V+1/2Mo+1/5Mn+1/7Si+1/7Cu+1/9Cr+1/20Ni

2/1/202340C：含量↑强度↑硬度↑耐磨↑塑性↓韧性↓抗氧化性↓Cr：含量↑强度↑硬度↑耐磨↑塑性一般韧性一般与O2形成氧化膜，稳定性强，致密性强抑制石墨产生缺少：引发钢材回火脆性Mo：提高再结晶速度，组织稳定钒：含量↑强度↑硬度↑耐磨↑塑性↓韧性↓钢材型号2/1/202341金属材料的焊接性，俗称可焊性，是指金属材料对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

焊接奥氏体不锈钢时，很容易获得无缺陷的焊接接头，即接合性能好。

金属材料的焊接性主要决定于焊接接头的组织及其性能。一般说来，焊接同种金属材料时，接头组织与焊件相同或相近，焊接性较好；焊接异种金属材料时，接头组织至少与某一焊件不同，焊接性较差。无论采用何种材料焊接，如果焊接接头中形成又脆又硬的组织，则焊接性就差2/1/202342一般说来，铸造要产生铸造热应力，锻造要产生形变应力，热处理要产生组织应力。熔焊和钎焊的焊缝金属可以近似看成是经历了铸造过程；压焊接头可以近似看成是经历了锻造过程。焊接时局部加热后冷却可以近似看成是焊接接头经历了热处理过程。因此，焊接过程中焊件内将产生热应力、形变应力和组织应力，它们的矢量和就是焊接应力。焊接应力将导致焊接接头产生裂纹的倾向和焊件的变形。如果被焊材料具有良好的塑性，将可能通过塑性变形减缓应力，从而减少热裂纹、冷裂纹产生的倾向性。因此，材料的塑性也是影响其焊接性的一个重要因素。钢材型号2/1/202343一、金属材料的焊接性

钢材焊接性评定的最简便方法就是碳当量法。在钢材的成分中，影响最大的是碳。其次是锰、铬、钒等，通常把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，称为碳当量，用符号CE来表示。碳当量可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。国际焊接学会推荐碳素结构钢、低合金高强度结构钢按下面公式计算其碳当量。

2/1/202344式中化学元素符号表示该元素在钢中质量分数的上限。实践证明，碳当量越大，钢材的焊接性就越差。

根据经验，当：

CE＜0.4%时，钢材的淬硬倾向小，焊接性良好，焊接这类材料时一般不需预热。只有在工件厚大或低温下焊接时才考虑焊前预热。

CE＝0.4%-0.6%时，钢材的淬硬倾向较大，焊接性较差，需要采用适当的预热、缓冷等工艺措施。

CE＞0.6%时，钢材的淬硬倾向严重，焊接性差，需要进行较高温度的预热和采取严格的工艺措施。

利用碳当量法只能简便粗略地评定钢材的焊接性，因为钢材的焊接性还要受许多因素的影响。钢材的实际焊接性，还应根据焊件的具体情况通过试验确定。2/1/202345钢材的分类

钢和铁是黑色金属的两大类，都是以铁和碳为主要元素的合金。含碳量在2．11％以下的铁碳合金称为钢，含碳量2．11％～6．67％的铁碳合金称为铸铁。钢中除了铁、碳以外还含有少量其它元素，如锰、硅、硫、磷等。锰、硅是炼钢时作为脱氧剂而加入的，称为常存元素；硫、磷是由炼钢原料带入的，称为杂质元素。2/1/202346按化学成分分类(1)碳素钢这种钢中除铁以外，主要还含有碳、硅、锰、硫、磷等几种元素，这些元素的总量一般不超过2％。按含碳量多少，碳素钢又可分为：1)低碳钢含碳量小于0．25％。2)中碳钢含碳量为0．25％～0．60％。3)高碳钢含碳量大于0．60％。

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2)合金钢这种钢中除碳素钢所含有的各元素外，尚还有其它一些元素，如铬、镍、钛、钼、钨、钒、硼等。如果碳素钢中锰的含量超过0．8％，或硅的含量超过0．5％时，这种钢也称为合金钢。根据合金元素的多少，合金钢又可分为：普通低合金钢(普低钢)，合金元素总含量小于5％；中合金钢，合金元素总含量为5％～10％；高合金钢，合金元素总含量大于10％。2/1/202348此外，合金钢还经常按显微组织进行分类，如根据正火组织的状态，分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢，有些含合金元素较多的高合金钢，在固态下只有铁素体组织，不发生铁素体向奥氏体转变，称为铁素体钢。2/1/202349按用途分类(1)结构钢(2)工具钢(3)特殊用途钢如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等。

2/1/2023503．按品质分类(1)普通钢含硫量不超过0.045％～0.050％，含磷量不超过0.045％。(2)优质钢含硫量不超过0.030％～0.035％，含磷量不超过0.035％。(3)高级优质钢含硫量不超过0.020％～0.030％，含磷量不超过0.025％～0.030％。(3)特级优质钢含硫量不超过0.015％，含磷量不超过0.020％。2/1/202351部分常用钢材钢号表示方法的分类说明1．碳素结构钢①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235表示屈服点（σs）为235MPa的碳素结构钢。②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、