焊接冶金学基本原理

绪论1） 焊接：焊接是指被焊工件的材质（同种或异种），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。2） 焊接、钎焊和粘焊本质上的区别：焊接：母材与焊接材料均熔化，且二者之间形成共同的晶粒；钎焊：只有钎料熔化，而母材不熔化，在连接处一般不易形成共同晶粒，只有在母材和钎料之间形成有相互原子渗透的机械结合；粘焊：既没有原子的相互渗透而形成共同的晶粒也没有原子间的扩散，只是靠粘接剂与母材的粘接作用。3） 熔化焊热源:电弧热、等离子弧热、电子束、激光束、化学热。压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、高频感应热。4） 焊接加热区可分为活性斑点区和加热斑点区5） 焊接温度场：焊接时焊件上的某瞬时的温度分布称为焊接温度场。6） 稳定温度场：当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之7） 准稳定温度场：恒定功率的热源作用在焊件上做匀速直线运动时，经过一段时间后，焊件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可随着热源以同样速度移动。8） 焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程。第一章1）平均熔化速度:单位时间内熔化焊芯质量或长度。平均熔敷速度:单位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔敷速度。损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属（或焊丝）质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。熔合比:焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。熔滴的比表面积:表面积与质量之比2） 熔滴过渡的形式：短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。3） 熔池:焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分就是熔池。4） 焊接过程中对金属的保护的必要性：（1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中氧和氮的含量。（2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的化学成分。（3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。5） 手工电弧焊时的反应区:药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。6） 药皮反应区主要物化反应有:水分蒸发:2有机物燃烧和分解:3铁合金氧化:7） 熔滴反应区的特点:熔滴温度高，熔滴金属过热度大；熔滴与气体和熔渣的接触面积大；各相之间的反应时间短；熔滴与熔渣发生强烈的混合。8） 焊接区气体来源:1焊接材料:焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。2热源周围的气体介质:热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空气。3焊丝和母材表面上的杂质:焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。气体的产生:有机物的分解和燃烧碳酸盐和高价氧化物的分解材料的蒸发9） 氮对金属的作用:焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。焊接时空气中的氮总是或多或少地会侵入焊接区，与熔化金属发生作用。氮对焊接质量的影响:促使焊缝产生气孔:液态金属在高温时可以溶解大量的氮，凝固结晶时氮的溶解度突然下降，过饱和氮以气泡形式从熔池中逸出，若焊缝金属的结晶速度大于氮的逸出速度时，就形成气孔。氮是提高低碳、低合金钢焊缝强度，降低塑性和韧性的元素。如果熔池中含有比较多的氮，一部分氮将以过饱和的形式存在于固溶体中；另一部分氮则以针状氮化物FeN的形式析出，4分布于晶界或晶内，因而使焊缝金属的强度、硬度升高，而塑性、韧性，特别是低温韧度急剧下降。氮是促使焊缝金属时效脆化的元素:焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随着时间的延长，过饱和的氮逐渐析出，形成稳定的碳氮化物FeN，因而使焊缝金属的强度增加'塑4性、韧性降低。氮可以作为合金元素加入钢中。在焊缝金属中加入能形成稳定氮化物元素，如RE、A1'Ti'Zr等，可以抑制或消除时效现象。控制焊缝合氮量的措施加强焊接区的保护（1） 焊条药皮的保护作用，取决于药皮的成分和数量。（2） 药芯焊丝的保护效果，取决于保护成分含量和形状系数。焊接工艺参数的影响（1） UT（电弧长度T）,氮可以与熔滴作用时间tT，ST，应尽量采用N短弧焊。（2） IT，熔滴过渡频率fT,熔滴阶段作用时间tJ,SJ。N直流正极性焊接时焊缝含氮量比反极性（焊条接正极，工件接负极）时高。（3）焊接速度对焊缝的含氮量影响不大。（4）增加焊丝直径，熔滴变粗，焊缝含氮量下降。（5）多层焊时焊缝含氮量比单层焊时高，这与氮的逐层积累有关利用合金元素控制焊缝合氮量：（1）增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量，其原因是：a） 碳能够降低氮在铁中的溶解度。b） 碳氧化生成CO、CO加强保护作2用，降低了氮分压。c） 碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出。（2）Ti、A1、Zr和稀土元素对氮有较大的亲合力，能形成稳定的氮化物。并且这些氮化物不溶于铁水，而进入熔渣中。这些元素对氧的亲力也很大，因此，可减少气相中NO的含量，这在一定程度上减少了焊缝的含氮量。10）焊缝金属中的氢扩散氢：氢原子及离子半径很小，可以在焊缝金属晶格中自由扩散，故被称为扩散氢。残余氢氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空隙中时，结合成氢分子，由于分子的半径大而不能自由扩散，被称为残余氢。氢对焊接质量的影响形成气孔熔池凝固结晶时，氢的溶解度突然下降，使氢处于过饱和状态，就促使发生如下反应：2HTH,反2应生成的分子氢在液态金属中形成气泡。当气泡向外逸出的速度小于熔池的凝固速度时，就在焊缝中形成气孔。产生冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在M温度以下）s时才产生的焊接裂纹称为冷裂纹。造成氢脆氢在室温附近使钢塑性严重下降现象称为氢脆。氢脆是由于原了氢扩散聚集于钢显微空隙中，结合为分子氢，造成空隙内产生很高压力，阻碍金属塑性变形，导致金属变脆。出现白点白点是出现在焊缝金属拉伸或弯曲试件的断面上的一种白色园形斑点，中心含有微细气孔或夹杂物，周围则为银白色的脆化部分，其形状类似鱼眼珠中的白点。它主要是在外力作用下，氢在微小气孔或夹杂物处的集结造成脆化。控制氢的措施限制焊接材料中的含氢量清除工件及焊丝表面上的油污、杂质工件坡口附近以及焊丝表面上的铁锈、油污、水分等是使焊缝增氢原因之一。冶金处理1）焊条药皮和焊剂中加入氟化物2）控制焊接材料的氧化还原势3）在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素加入微量的Y、Te、Se可以大幅度降低扩散氢含量。控制焊接工艺参数焊后脱氢处理11）氧对焊接质量的影响焊缝的强度、塑性、韧性明显下降；尤其是焊缝金属的低温冲击韧度急剧下降，引起焊缝金属的时效硬化、热脆及冷脆等、以及物理及化学性能的变化。形成气孔：在熔池阶段，溶解的氧与碳发生冶金反应，反应产物是不溶于金属的CO。如果在熔池进行凝固时CO气泡来不及逸出，就会形成CO气孔。烧损的有益合金元素，从而使焊缝金属的性能变坏。形成飞溅在熔滴中所进行的氧与碳的冶金反应，生成CO受热膨胀，造成熔滴爆炸，形成飞溅，破坏了焊接过程的稳定性。控制氧的措施是预防和脱氧。（1） 采用纯度高的焊接材料尽量采用不含或少含氧量的焊接材料。例如，采用低氧或无氧焊条、焊剂；采用高纯度的惰性气体作为保护气体；真空条件下焊接，可以降低焊缝金属含氧量。（2） 控制焊接工艺参数增加电弧电压使空气容易侵入电弧，并且增加了氧与熔滴接触的时间，致使焊缝含氧量增加。为了减少焊缝合氧量应尽量采用短弧焊。（3） 采用冶金方法进行脱氧通过向焊丝或焊条药皮中加入某种合金元素，使这些合金元素在焊接过程中被氧化，从而保护被焊金属及其合金元素不被氧化。12） 熔渣在焊接过程中的作用（1） 机械保护作用（2） 冶金处理作用（3） 改善焊接工艺性能13） 焊缝金属的脱氧用于脱氧的元素或铁合金称为脱氧剂。脱氧就是焊丝、焊剂或焊条药皮中加入某种元素，使它在焊接过程中夺取氧而自身被氧化，使被焊金属不被氧化，或减少氧化。目的：尽量减少焊缝中的含氧量。选择脱氧剂原则：1） 在焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力应大于母材对氧的亲和力。焊接铁基合金时，A1、Ti、Si、Mn等可作为脱氧剂。2） 脱氧产物不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度，从而使脱氧产物尽快上浮到液体中上，以减少夹杂物的数量，提高脱氧效果。3） 综合考虑脱氧剂对焊缝成分、力学性能及焊接工艺性能的影响。4） 在满足技术要求的前提下，应注意经济性。沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的。增加金属中的含锰量，减少渣中MnO，可提咼脱氧效果。14） 焊缝金属中硫的危害控制硫以MnS、FeS两种形式存在于钢中。MnS不溶于液态铁中，浮到熔渣中。少量的MnS夹杂物以弥散质点形常用堆焊方法过渡Cr、Mo、W、3)影响WM-CCT图的因素：式分布于焊缝。Mn等合金元素，使零件表面获得具有1合金元素如果焊缝中合金元素FeS的形式存在：凝固时FeS容易特殊性能的堆焊层，如耐磨性、耐热增多或含氧量降低时，使WM-CCT图向发生偏析，以低熔点共晶Fe+FeS性、耐蚀性、红硬性等。右移动。(985°C)或FeS+FeO(940°C)的形式合金过渡系数：焊接材料的合金C、N、Mn、Ni、Cu等阻碍A相变，呈片状或链状分布了晶界，增加了结元素过渡到焊缝金属中的数量与其原CCT图向右移动。晶裂纹的倾向，降低焊缝的韧性和耐始含量的百分比.强碳化物形成元素(Mo、Cr、Nb、腐蚀性。影响过渡系数的因素：V、Ti、A1)抑制块状及先共析F,使块焊接合金钢、尤其是高镍合金钢1合金元素的物理化学性质状F和PF转变曲线下移时，S形成的NiS又与Ni形成熔点为2合金元素的含量2A化温度与停留时间的影响A644C的低熔共晶NiS+Ni,使焊缝产生3合金剂的粒度所处的温度越高，时间越长，过冷A结晶裂纹的倾向更大。4药皮或焊剂的成分稳定性就越大。原因：增加含碳量会促使硫发生偏析而5药皮质量系数(1)A晶粒长大，减少F析出的加则它的危害性。一^e.第二章成核场所；控制硫的措施1)焊条由药皮和焊芯两部分组成。(2)使易于成为F析出核心的碳(1)限制原材料的含硫2)焊条药皮的作用：化物分解'溶于A中，阻碍F析出。(2)用冶金方法脱硫1)保护作用(3)增大A的均匀化程度，故CCT15)焊缝中磷的危害2)冶金作用图曲线有移。磷在钢中主要以吋'Fe3P的形式3)使焊条具有良好的工艺性能3冷却速度的影响存在。3)药皮原材料的作用1)稳弧2)造渣冷却速度对于M形成温度Ms点在液态铁中可溶解较多的磷，固态3)造气4)脱氧5)合金化6)粘结有一定影响。铁中磷的溶解度很低。7)成形一般生产中的冷却速度下，缓慢磷与铁、镍可以形成低熔点共晶。4)影响焊缝成形的因素：冷却时Ms点升高。焊缝凝固时，磷易造成偏析。(1)熔渣凝固温度4应力应变的影响磷化铁常分布于晶界，减弱晶间结(2)熔渣的粘度过冷A转变过程中，如有应力'合力，增加焊缝金属冷脆性；(3)熔渣的表面张力应变作用时，不仅会影响扩散型P转磷还能促使形成结晶裂纹。5)影响脱渣性因素：变，也会影响无扩散型M的转变。控制磷的措施：(1)熔渣与焊缝金属的线膨胀系数4)焊缝希望获得的固态相变组织：(1)限制原材料的含磷量相差越大，冷却时熔渣越容易与焊针状铁素体(AF)(2)用冶金方法脱磷缝金属脱离。细珠光体(S)16)合金过渡：就是把所需要的合金(2)熔渣的氧化性下贝氏体(BL)元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中(3)熔渣的松脆性板条马氏体(M)D去的过程。6)与实芯焊丝相比，药芯焊丝优点具5)改善焊缝固态相变组织的途径：合金过渡的目的：有工艺性好、飞溅小、焊缝成形美(一)焊后热处理1补偿焊接过程中由于氧化、蒸发造观、可采用大电流进行全位置焊接(二)多层焊接成合金元素损失。和熔敷效率高等优点。(三)锤击焊道表面2消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组第三章(四)跟踪回火处理织和性能。1)熔池凝固的条件和特点6)气孔和夹杂的危害：A向焊缝中过渡锰，可消除因硫引1熔池的体积小，冷却速度大。削弱有效工件断面，降低焊起的热裂纹；2熔池金属处于过热状态。缝强度和韧性；B向焊缝中加入Al、Ti、Mo、V、3熔池在运动状态下凝固产生应力集中;Nb、B、RE等合金元素以细化晶粒，提4联生结晶夹杂引起裂纹。高焊缝的韧性。2)焊缝中偏析有三种：1显微偏析7)氢气孔出现在焊缝的表面上，断3获得具有特殊性能的堆焊金属。2区域偏析3层状偏析面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上看呈喇叭口形，而气孔四周有光滑的内壁。有时也会出现在焊缝的内部。氮气孔形成机理与氢气孔相似，也多在焊缝表面，多数情况下成堆出现，与蜂窝相似。由于保护不好，有较多空气侵入熔池所致CO气孔焊接碳钢时，冶金反应产生了大量的co,在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。气孔沿结晶方向分布,像条虫状卧在焊缝内部。影响生成气孔的因素及防治措施：冶金因素的影响熔渣氧化性的影响焊条药皮和焊剂的影响铁锈及水分对产生气孔的影响工艺因素的影响焊接工艺参数的影响I、U、V电流种类和极性的影响工艺操作方面的影响焊缝中的夹杂的危害：焊缝或母材中有夹杂物存在时,不仅降低焊缝金属的韧性,增加低温脆性,同时也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。焊缝中央杂物的种类：氮化物、氧化物、硫化物。防止焊缝中产生夹杂物的最重要方面就是正确选择焊条、焊剂,使之更好地脱氧、脱硫等。其次是注意工艺操作：选用合适的焊接工艺参数,以利于熔渣的浮出；多层焊时,应注意清除前层焊缝的熔渣；焊条要适当的摆动,以便熔渣浮出；操作时注意保护熔池,防止空气侵入。改善焊缝金属性能的途径：固溶强化、变质处理(微合金化)、调整焊接工艺。第四章HAZ：热源作用下焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。焊接与热处理条件比较加热的温度高加热的速度快高温停留时间短自然条件下连续冷却局部加热焊接ccT的应用预测热影响区的组织和性能,评定HAZ冷裂倾向。可以作为调节焊接工艺参数和改进工艺(预热、后热及焊后热处理等)的依据。影响ccT图的因素母材化学成分的影响除钴外,固溶于奥氏体合金元素都使c曲线向右移,即增加淬便倾向,降低Ms点,其中以碳影响最大。冷却速度的影响冷却速度不同,可得到不同的转变产物。冷却速度的增大,A、A、A均13cm移向更低的温度。共析成分也由0.83％c转为0.4-0.8%C，在快速冷却条件下，0.4％c的钢就可以得到全部为珠光体的组织(伪共析组织)。冷却速度增大时，M有所上升，并且s会改变M形态。因为增大冷却速度使M增大滑移的抗力，不均匀切变就会以孪晶方式进行，M就由条状变为片状。峰值温度的影响：T越高，过m冷A的稳定性加大，也会使A晶粒粗化，CCT图向下和向右移动。晶粒粗化的影响近缝区强烈过热而使晶粒发生严重长大，影响接头性能，增大裂纹倾向。应力应变的影响焊接时不可避免地会产生热应力、组织应力，以及拘束应力。HAZ脆化：粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、热应变时效脆化、氢脆化及石墨脆化等。第五章1)焊接裂纹的危害性1脆性断裂减小有效承载面积，形成应力集中。2隐蔽性潜在危险3产生机理的复杂性难以预防4主要断裂事故热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。1结晶裂纹2高温液化裂纹3多边化裂纹。应力腐蚀裂纹在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生一种延迟破坏的现象。结晶裂纹产生原因溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质和杂质较多，溶质和杂质富集在晶界(K=C/C<1)。0SL由于成分的偏析，富集的溶质和杂质与基体金属形成较低熔点共晶。凝固后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心，呈“液态薄膜”状覆盖在晶粒的表面，割断晶粒之间的联系。由于凝固收缩，焊缝受到拉伸应力作用，焊缝中的液态薄膜成为薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性，或者说焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量(Ae)s小于零时就会产生结晶裂纹。防治结晶裂纹的措施：(一)冶金因素方面1控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质