第二章熔化焊连接原理

1第二章熔化焊连接原理2§1-1焊接热过程和接头形成§1-2

熔化焊化学冶金§1-3

熔化焊接头组织与性能§1-4焊接冶金缺陷3本章重点焊接冶金过程的特点。焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷及合金化。焊缝金属的结晶过程及组织。焊接热影响区的构成、组织与性能。焊缝中气孔的产生与防止方法。焊接裂纹的产生、形成及防止措施。（一）种类电弧热：利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产生的热能为焊接热源（应用最广泛）。电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源。激光束：经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源等离子焰：电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流化学反应热：利用助燃（氧气）和可燃气体（乙炔）或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为焊接热源。其它热：如摩擦能量、高频感应电流等。4一、焊接热源

§1-1

焊接热过程和接头形成不同焊接方法的h

焊接方法手弧焊埋弧焊电子束及激光焊电渣焊TIG焊MIG焊钢铝h

0.77~0.870.77~0.90>0.90.830.68~0.850.66~0.690.70~0.856（一）焊接温度场1.定义：

焊接过程中，焊件上各点的温度随时间而变，我们将某一瞬间焊接接头上各点温度的分布状态称为焊接温度场。2.特点：

温度场呈一系列椭圆形的等温线离热源越近，等温线越密，远则稀，焊接速度越快，椭圆长轴越长，短轴越短。3.作用：

便于分析接头各处温度高低，组织与性能的变化。三、焊接温度场和焊接热循环

7（二）焊接热循环1.定义：在焊接热源作用下,焊件上某点的温度随时间的变化过程叫作焊接热循环.2.基本参数：加热速度：随着速度增加，相变温度提高，奥氏体均质化和碳化物溶解也越不充分，影响冷却后组织与性能。最高加热温度Tm：Tm过高，将使晶粒严重长大，甚至产生过热的魏氏体组织，造成晶粒脆化。8相变温度以上的停留时间tH

：在相变温度以上的停留时间越大，越有利于奥氏体均质化，但晶粒长大越严重。冷却速度ωc和冷却时间冷却速度，特别是在固态相变温度范围内冷却速度，即800～500℃及800～300℃时的冷却速度是焊接热循环中极其重要的参数，它将影响到固态相变组织及性能。准确地测量瞬时冷却速度有一定地困难，多采用一定温度范内的冷却时间来代替冷却速度，

如t8/59离焊缝中心远近不一的各点其热循环各不相同，离焊缝越近的点，其加热速度越快，峰值温度越高，冷却也越快，加热到最高点所用时间也最短。加热到最高温度的时间相对于冷却到室温的时间要短，在相变温度以上停留时间越长，越有利于奥氏体均质化。3、多层焊焊接热循环1）长段多层焊接热循环长段多层焊——每次焊缝的长度较长(1.0～1.5m)，当焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度(约100～200℃)。相邻各层之间有依次热处理的作用，为防止最后一层淬火，可多加一层退火焊道。不适于焊接淬硬倾向大的钢种。焊接这种钢时，应特别注意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。

2）短段多层焊接热循环短段多层焊——就是每层的焊缝长度较短(约50～400mm)，还未等前一层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始了下一层的焊接。短段多层焊操作繁琐，生产率低，除非特殊的情况才采用。对于晶粒易长大而又易淬火钢种的热影响区和焊缝具有改善作用。（一）焊接材料的熔化与熔池形成1、焊接材料的加热（加热→熔化→形成熔滴）电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。当电阻热过大时，易引起焊芯和药皮温度过高，造成飞溅增加，药皮开裂、脱落或失去保护、冶金作用，在焊条电弧中应尽量少用，但在电渣焊中却是主要能量。电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。是熔化焊条、焊丝、母材的主要能量。化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（只占1%~3%可忽略不计）。

12四、熔化焊接头的形成

2、焊接材料的熔化焊条金属的平均熔化速度：gM①定义：单位时间内熔化的焊芯的质量或长度。②计算式：gM=G/t=αpIαp为焊条熔化系数焊条的平均熔敷速度：gH①定义：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量②计算式：gH=GH/t

=αHIαH为焊条熔敷系数13损失系数：Ψ①定义：焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。②计算式：Ψ=(G-GH)/G=(gM-gH)/gM=1-αH/αP三者的关系：αH=(1-Ψ)αPgH=(1-Ψ)gM3、熔滴过渡1）熔滴过渡形式短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡

142)熔滴的比表面积S熔滴的表面积与其质量之比。S=Ag/ρVg=4πR2/(4/3πR3ρ)=3/RρI↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。3)熔滴的温度研究熔滴阶段各种物理化学反应必不可少的重要参数；理论上精确计算困难；实测手工电弧焊碳钢焊条熔滴平均温度：

1800~2400℃15小结：熔滴更多的以细滴过渡，熔滴与周围介质作用时间很短(0.1~1.0s)，但熔滴比表面积大，温度高，冶金反应激烈充分。4、熔池的形成

定义：熔焊时，母材上由熔化的焊接材料和局部熔化的母材组成的具有一定几何形状的液体金属区域

1）熔池的形状和尺寸熔池为不标准的半椭球，轮廓为温度等于母材熔点的等温面几何尺寸：L=P2IU，

Bmax，Hmax影响因素I↑→Bmax↓，Hmax↑

U↑→Bmax↑，Hmax↓

16P2是比例系数，大小取决于焊接方法与焊接电流，2、熔池质量和存在时间

熔池质量：多数<5g，手弧焊0.6-16g，埋弧焊<100g

存在时间：几秒~几十秒，取决于熔池长度L和焊速v

tmax=L/vL↑,v↓→tmax↑

tmax↑→有利于物质的反应,↓气孔的形成和缺陷的产生。

3、熔池温度

熔池温度分布不均匀,中部最高，头部次之，其次是尾部低碳钢熔池平均温度为1770±℃174、熔池运动状态（强烈的搅拌和对流）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流动状态如图所示：熔池上部熔化的母材由熔池前部向熔池后部运动;在熔池底部，液态金属由熔池后部向中心运动1819（二）熔池的保护焊接时熔化金属受到保护，保护方式有：1、气保护用对焊接质量无害的气体隔离空气。如：气焊、惰性气体保护焊、CO2气保焊2、渣保护用具有一定物理化学性能的渣隔绝空气。如：埋弧焊、电渣焊3、气渣联合保护4、真空保护5、自保护属化学保护，含脱氧、氮剂，如实芯或药芯焊丝

其中1，2，3，4属于机械保护，5是化学保护（三）焊接接头的形成

1、焊接接头的形成过程焊接接头

焊接热过程+焊接化学冶金+熔池凝固和相变过程202、焊接接头的组成焊缝金属熔合线热影响区母材3、熔化焊接头形式对接接头搭接接头T型接头角接接头

21靠近焊缝的母材金属由于受到热循环作用，在一定范围内发生组织和性能变化的区域称为热影响区（HAZ)3、熔化焊接头形式对接接头搭接接头T型接头角接接头

22应力分布不均匀，接头强度较低，常用于焊前准备和装配要求简单的板类焊件结构中应力分布较复杂，但焊透的T形接头在任一载荷下都具有很高的强度。常用于船体结构中23坡口：Ⅰ形、V形、U形、X形4、熔合比（θ）焊缝金属中，局部熔化的母材质量所占的比例。常用焊缝横截面中熔化母材截面积与整个焊缝截面积之比表示。

24§1-2

熔化焊接化学冶金焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质（气相、液态金属、熔渣）之间在高温下相互作用，发生一系列化学冶金反应的过程。（一）焊接材料的类型

焊接时所消耗的材料统称为焊接材料。25一、焊接材料（二）焊条

焊条的组成：焊芯、药皮1、焊芯—焊丝

作用：作电极，产生电弧并传导焊接电流，

作填充金属，熔化后填充焊缝

焊芯材料:用量最多的是H08、H08A，还有H08E。2、药皮作用：机械保护（气渣配合保护）冶金处理（脱氧、去硫、渗合金元素）改善焊接工艺性（稳弧，减小飞溅)26药皮组成①稳弧剂:改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为易电离或电离势低的物质。如：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃②造渣剂:造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。如：钛铁矿、金红石、萤石、长石等。

③造气剂：造气保护,有机物、碳酸盐.有机物如：木粉、淀粉、析出气体CO、H，碳酸盐析出气体CO2，高温时产生CO。27④脱氧剂:降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。铁合金：锰铁、钛铁、硅铁、Re等。⑤合金剂:使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。合金、纯金属、一般Mn-Fe、Si-Fe要纯化发醇加５％高锰酸钾纯化⑥粘结剂:将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。⑦增塑性:便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。283、焊条的分类和性能1）焊条的分类按用途分可分为十类：结构钢焊条、钼和铬钼钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条按药皮性质可分为两类：-酸性焊条—药皮中含有多量酸性氧化物（SiO2，MnO2）-碱性焊条—药皮中含有多量碱性氧化物（CaF2，CaO）*碱性焊条药皮中不含有机物，产生的保护气氛中氢含量极少，故又称为低氢焊条292）焊条的性能冶金性能工艺性能：焊条在焊接操作中的性能,包括：

焊接电弧的弧定性(稳弧性);

焊缝成形性；

全位置焊接适应性;

飞溅、脱渣性；

焊条的熔化速度；

药皮发红问题.30飞溅：焊接过程中由熔滴或熔池中飞出的金属颗粒脱渣性：焊后熔渣从焊缝表面清除的难易程度焊缝位置：平焊缝、立焊缝、仰焊缝、横焊缝立、仰、横焊难点在于:①重力作用下焊条熔滴不易向熔池过渡;②熔池金属和熔渣下流.3）酸性焊条和碱性焊条特点从焊缝金属力学性能考虑

酸性焊条的药皮熔渣氧化性强，合金元素易烧损，焊缝中氢、硫等含量较高，故焊缝金属的塑性、韧性较低，抗裂性较差，适于普通结构钢件焊接。碱性焊条的药皮含有较多的合金剂，故焊缝金属力学性能好，抗裂性好，适于焊接焊接重要的结构件。从焊接工艺性考虑酸性焊条稳弧性好，飞溅小，易脱渣，对油污、水、锈的敏感性小，焊接电流可交、直两用，工艺性好；碱性焊条稳弧性差，飞溅大，对油污、水锈的敏感性大，焊接电源多要求直流，焊接工艺性较差。314、焊条的型号与牌号32结构钢焊条型号

E

XX

X

X

与第三位组合表示焊接电流种类和药皮类型 焊接位置 熔敷金属抗拉强度最小值 焊条*焊接位置由数字0-4表示：0、1--表示适合全位置焊接2--适合平焊及平角焊4--适合向下立焊33E 43 1 5完整的焊条型号举例如下：表示焊条药皮为低氢钠型，并可采用直流反接焊接表示焊条适用于全位置焊接表示熔敷金属抗拉强度的最小值420MP

表示焊条

结构钢焊条牌号：34J 5 0 7低氢型药皮、直流焊缝金属抗拉强度不低于490MPa结构钢焊条5、焊条的选用考虑母材的化学成分与力学性能1)焊接结构钢时，一般要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材强度等级来选用相应的焊条。（等强原则）2)焊接特种钢时，应选用专业焊条。保证焊缝金属的主要化学成分及性能与母材相同（等成分原则）。3)焊接异种钢时，采用低匹配原则。低碳钢与低合金钢焊接时，可按异种钢接头中强度较低的钢材来选用焊条。考虑结构的使用条件

对承受动载荷或冲击载荷的焊缝，或结构复杂、大厚度的焊件，为保证焊缝具有较高的塑性、冲击韧性、抗裂强度或低温性能要求较高时，应选用碱性焊条，否则，选用酸性焊条。35（三）焊剂和焊丝

焊剂和焊丝都是埋弧焊，电渣焊时使用的焊接材料，焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯1、焊剂1）按制造方法分类熔炼焊剂（HJ)：将矿物在电弧炉中熔炼，然后用水激冷粉碎，烘干使用非熔炼焊剂：粘接焊剂和烧结焊剂(SJ)：将原材料粉碎按一定比例和粘接剂混合，通过成粒，低温干燥和高温烧结等工艺制成362）按焊剂化学成分分类按SiO2含量分：高硅、中硅、低硅焊剂按MnO含量分：高锰、中锰、低锰、无锰焊剂按CaF2含量分：高氟、中氟、低氟焊剂2、焊丝1）实心焊丝2）药芯焊丝特点：飞溅小焊缝成形美观熔敷速度高于实心焊丝可进行全位置焊接37简单，易制造，但要求电流小，熔深钱，合金量加入多时采用，其余截面特性与之相反

熔渣：焊条药皮或焊剂溶化后经过一系列化学变化形成的覆盖于焊缝表面的非金属物质。

作用：

1.机械保护作用

2.冶金处理作用

3.改善工艺性能

38二、焊接熔渣（一）熔渣的组成1、熔渣的成分：大体由氧化物、氯化物、氟化物、硼酸盐类组成是多种化学组成的复杂体系。2、熔渣的分类

第一类氧化物型第二类盐—氧化物型第三类盐型39由金属氧化物组成，氧化性强，主要用于焊接低碳钢及低合金钢由氟化物和强金属氧化物组成，具有弱氧化性，主要用于焊接高合金钢。由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氟的化合物组成，其氧化性小，用于焊接铝、钛等活性金属及其合金。（二）熔渣的碱度

碱度是判断焊接熔渣碱性强弱的指标。

这一领域存在分子理论与离子理论两种观点，分子理论认为熔渣中的氧化物按其性质可分为三类。

401)酸性氧化物SiO2TiO2P2O52)碱性氧化物K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO3)中性氧化物Al2O3Fe2O3Cr2O341根据分子理论碱度的定义为：B=Σ(R2O+RO)/ΣRO2R2O、RO—熔渣中碱性氧化物的摩尔分数

RO2—熔渣中酸性氧化物的摩尔分数碱度B的倒数称为酸度B＞1.5碱性渣B＜1.5酸性渣（三）熔渣的物理性质1、熔渣的熔点---

药皮熔化后,熔渣开始凝固的温度熔渣的熔点是影响焊接工艺性能和质量的重要因素之一。因此要求熔渣的熔点与焊丝和母材的熔点相匹配。熔渣的熔点过高，将使其与液态金属间的反应不充分，易形成夹渣，产生压铁液现象，使焊缝成形变坏。熔点过低，使熔渣的覆盖性能变差，焊缝表面粗糙不平，并导致全位置施焊困难。42一般焊接熔渣的熔点应比焊缝金属的熔点低200~450℃。适于焊接钢的熔渣，其熔点一般在1150~1350℃范围内。

2.熔渣的粘度----代表熔渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力(1)温度对粘度的影响温度↑→熔渣的粘度↓酸性渣粘度下降缓慢碱性渣粘度下降迅速长渣:

粘度变化Δη时凝固时间长的熔渣,如含SiO2多的酸性渣短渣:

粘度变化Δη时凝固时间短的熔渣,如低氢型和氧化钛型焊条熔渣43碱性渣酸性渣(2)熔渣成分对粘度的影响酸性渣

SiO2多,Si-O阴离子结构复杂，粘度大

TiO2多,Si-O阴离子结构简单，粘度小碱性渣CaO多,熔渣中易出现未熔化的固相颗粒，粘度大

无论是酸性还是碱性渣，加入CaF2，粘度都下降443.熔渣的表面张力熔渣与实际气相接触的比表面能称表面张力渣表面张力主要决定于其间化学键的性质和温度

键能越大表面张力越大.离子键:FeO、MnO、CaO、MgO和Al2O3（表面张力大）共价键:TiO、SiO2、B2O3和P2O5，（表面张力小）45焊接化学冶金过程与普通化学冶金过程不同：

分区或分阶段进行，各区的反应条件也不同。

不同的焊接方法，有不同的反应区。药皮反应区I熔滴反应区II熔池反应区III焊条电弧焊熔化极气体保护焊不填充金属气焊、TIG、电子束焊三、焊接化学冶金反应区461、药皮反应区指焊条受热后，到焊条药皮熔点前发生的一些反应1）反应特点温度低：100-1200℃（药皮熔点）反应发生于固相间，反应不充分2）主要反应水分蒸发:吸附水、结晶水、化合水某些物质分解：有机物，碳酸盐（大理石、白云石等）和高价氧化物（Fe2O3、MnO2等）分解造气,形成Co，CO2，H2O，O2等气体铁合金氧化：脱氧剂发生先期脱氧(降低气氛中氧分压)3）作用

反应产生大量气体，对熔化金属有机械保护作用（隔离空气），同时对被焊金属和药皮中铁合金有氧化作用。47482、熔滴反应区：指熔滴形成、长大、脱离焊条，过渡到熔池中这个过程。１)温度高、过热度大，反应物活性↑：1800~2400℃２)与气体、熔渣的接触面积大：比表面积达103~104cm2/kg各相充分接触３)相间作用时间短：T停=0.01~0.1(s)，T过=0.0001~0.001(s)，反应主要在焊条末端进行４)熔渣、熔滴搅拌混合强烈：增加相的接触面，利于反应物的进入和退出，加快反应速度。主要反应：气体分解和熔解、金属蒸发、金属及其化合物间的氧化与还原以及焊缝金属的合金化。冶金反应最激烈，对焊缝成分影响最大。493、熔池反应区：熔滴和熔渣进入熔池后各相间进一步进行物化反应1）熔池温度相对低：T=1600～1900℃。2)比表面积小：3～130cm2/kg3）存在时间长：手工焊3～8s，埋弧焊6—25s，4）反应速度没有熔滴反应区强：反应时间长。5）熔池温度不均匀：其前部与尾部反应相反。熔池前半部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应，熔池后半部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应。

（一）焊接区内的气体

1、气体的来源

焊接材料焊条药皮、焊剂中的造气剂、高价氧化物和水分等焊接区周围的空气焊丝和母材表面上的油锈等杂质。50成分： 金属及熔渣蒸气四、焊接气氛及其与金属的相互作用其中N、H、O为三大有害气体，低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少512、气体的产生1).有机物的分解和燃烧：如淀粉、纤维素等有机化合物热氧化分解反应。

2（C6H10O5）m+7mO2=12mCO2+10mH22).碳酸盐和高价氧化物的分解：

CaCO3=CaO+CO2

MgCO3=MgO+CO2

6Fe2O3=4Fe3O4+O23).材料的蒸发;

焊接材料中的水分，低熔点的金属元素和熔渣各成分在电弧高温作用下发生蒸发52氢与金属的作用2、不形成稳定氢化物，但能溶解氢的金属（Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等）1、形成稳定氢化物的金属（Zr、Ti、V、Ta、Nb等）（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、油）及空气中水分。

532)、氢的溶解机制：焊接区的氢可以处于分子、原子和离子状态氢以原子或质子形式溶入（气保焊）通过渣层溶入金属（电渣焊）当氢通过熔渣向金属溶解时：氢或水蒸气向熔渣溶解，渣中的氢以OH-形式存在OH-与Fe2+或Fe反应进入到金属渣中[O2-]↑→水在渣中的溶解度↑渣中含[F-]，氢的溶解度下降。小结：氢通过熔渣溶解时，其溶解度取决于气相中氢和水蒸气的分压、熔渣碱度、氟化物含量和金属中的氧含量等。

当氢通过气相向金属溶解：其溶解度取决于氢的状态。分子状态的氢在金属中的溶解度遵循平方根定律：54KH2—氢在金属中溶解反应的平衡常数，与T有关；PH2—气相中分子氢的分压AdvancedMaterialsResearchCenter图1-25氢在第II类金属中的溶解度与温度的关系随温度升高而增加溶解度达最大值铁约在2400℃达最大值，说明熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多。金属蒸气压剧增溶解度速降变态点处溶解度陡降，易造成气孔等缺陷2、焊缝金属中的氢及其扩散1).存在形式

①扩散氢：氢以原子或离子形式存在，与金属形成间隙固熔体，并可在金属晶格中自由扩散。②残余氢（剩余氢）：氢原子扩散聚集到金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物的边缘空隙中，结合成分子，不能自由扩散。

总含氢量=扩散氢＋剩余氢56２).氢在焊缝中分布

?（1）氢沿长度方向的分布：基本均匀，但火口处含氢量较高。

（2）氢沿焊接接头横断面的分布：与母材成分、组织、焊缝金属类型、母材与焊缝组织类型的匹配有关。3、氢对焊接质量的影响

1）氢脆:氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。57原因是熔解在晶格中的氢在拉伸时集中于位错空腔中，结合为分子氢，产生很高内压力，导致金属变脆，可通过去氢处理去除。2）白点:在其拉伸或弯曲断面上出现的银白色圆形局部脆断点称为白点。☻大小：D=0.5~3mm（肉眼可见，其中心常有小夹杂物或气孔，象鱼眼，所以又叫鱼眼）。☻对白点的敏感性：氢在铁素体中扩散很快，利于逸出，在奥氏体中熔解度大扩散很慢，所以都不敏感。含Cr、Ni、Mo多时对白点很敏感，白点可通过去氢去除。3）气孔：由于温度下降，熔解于金属内的氢来不及逸出而在焊缝中形成的空穴。4）产生冷裂纹产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。“诱捕理论”解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙,好象“陷阱”一样.捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附.由于塑性变形新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。（三）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（如铜、镍）。

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（如铁、钛）。581、氮在金属中的溶