金属熔焊原理404页全书电子教案课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,CO,2,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：母材和填充金属所吸收的热量,P=P,0,=,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。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,t,H,冷却速度,c,(,或冷却时间,t,8,/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。,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,t,800500,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,（,t800,500,）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,、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：,1,10s,、,2,20s,、,3,30s,、,4,40s,图,2-2,在焊条横截面上的温度分布,t,焊芯平均温度,t,1,药皮内表面温度,t,2,药皮平均温度,t,3,药皮外表面温度,药皮厚度,电阻热：,P,R,=I,2,R,S,R,s,=,L,s,/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、,CO,2,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,F,1,-,熔滴的重力,F,2,-,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（,B,max,）略增，最大深度（,H,max,）增大；随电弧电压的增加，,B,max,增大，,H,max,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,-3,m,2,/kg,间；熔池中各物化反应时间要长，在几,s,到几十,s,之间。,t,max,=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,2-12,接头形式与焊道层数对熔合比的影响,I,表面堆焊,II,V,形坡口对接,III,U,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：,wB,w,B,（,1-,）,w,B,式中,w,B,元素,B,在焊缝中的质量分数；,w,B,元素,B,在母材中的质量分数；,w,B,元素,B,在焊条中的质量分数；,熔合比。,焊接熔池结晶的特点,第二节 焊缝金属的一次结晶,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,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,0.14%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,CO,2,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,）,),与气体、熔渣的比表面积大,(10,3,10,4,cm/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（,1600,1900,）,2,、比表面积小（,3,130cm,2,/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：,CO,2,、,CO,、,H,2,气体的产生,碳酸盐,：,CaCO,3,、,MgCO,3,、,CaMg(CO,3,),2,作用：焊条造气剂,分解：,CaCO,3,=CaO+CO,2,MgCO,3,=MgO+CO,2,分解产物：,CO,2,CO,高价氧化物,：,Fe,2,O,3,和,MnO,2,Fe,2,O,3,=Fe,3,O,4,+O,2,Fe,3,O,4,=,FeO,+O,2,分解产物：,O,2,和低价氧化物,FeO,和,MnO,2,、碳酸盐和高价氧化物的分解,气体的产生,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,-TiO,2,-SiO,2,氧化性强 低碳钢、低合金钢,第二类,盐,氧化物,型,CaF,2,CaO-SiO,2,氧化性小 合金钢,第三类,盐,型,C,aF,2,-BaCl,2,-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,SiO,2,TiO,2,P,2,O,5,2).,碱性氧化物,K,2,O Na,2,O,CaO,MgO,BaO,MnO,FeO,3).,中性氧化物,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,Cr,2,O,3,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,、熔渣的,粘度,长渣 短渣,温度下降、粘度下降；,酸性氧化物（,SiO,2,）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,、,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、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,（,O,2,、,CO,2,、,H,2,O,）,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+1/2O,2,=,FeO,+26.97 kJ/mol,Fe+O,=,FeO,+515.76 kJ/mol,C+1/2O,2,=CO,Mn,+1/2O,2,=(,MnO,),Si+O,2,=(,SiO,),4,、,CO,2,对焊缝金属的氧化,CO,2,=CO,+1/2O,2,Fe+CO,2,=,FeO,+CO,CO,2,保护焊须采用含硅、锰高的焊丝,5,、,H,2,O,气对焊缝金属的氧化,Fe+H,2,O,气,=,FeO,+H,2,6,、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,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，,L1,2,、,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)+2Fe,Si+2FeO,(,MnO)+Fe,=,Mn,+,FeO,T,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,Fe,2,O,3,+Mn=MnO+2FeO,CaCO,3,+Mn=,CaO+CO+MnO,3,、沉淀脱氧,Mn,的脱氧,Mn+FeO,=,Fe+(MnO,),Si,的脱氧,Si+2FeO,(SiO2)+2Fe,Si/,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,、,FeS,FeS,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)+Fe,LgK,=8220/T-1.86 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,：,Fe,3,P+Fe(1050),Ni,3,P+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：,Fe,2,P,、,Fe,3,P,（,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,2Fe,3,P+5(FeO)+3(CaO)=(CaO),3,.P,2,O,3,+11Fe,2Fe,3,P+5(FeO)+4(CaO)=(CaO),4,.P,2,O,3,+11Fe,2.,控制磷的措施,a,）,FeO,将磷氧化生成,P,2,O,5,b,）使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐,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,=M,0,(,M,sl,+,M,ox,),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,、,Al,2,）,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，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,l350,l400,加热速度快,加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍,高温停留时间短,在,Ac,3,以上保温的时间很短,(,一般手工电弧焊约为,4,20s,，埋弧焊时,30,l00s),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,1000,10000,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,）,A,C1,与,A,C3,的温差,/,/,68,4050,250300,14001700,4050,250300,14001700,45,钢,A,C1,730,770,775,790,840,45,60,110,A,C3,770,820,835,860,950,65,90,180,40Cr,A,C1,740,735,750,770,840,15,35,105,A,C3,780,775,800,850,940,25,75,165,23Mn,A,C1,735,750,770,785,830,35,50,95,A,C3,830,810,850,890,940,40,80,130,30CrMnSi,A,C1,740,740,775,825,920,35,85,180,A,C3,820,790,835,890,980,45,100,190,18Cr2WV,A,C1,710,800,860,930,1000,60,130,200,A,C3,810,860,930,1020,1120,70,160,260,加热速度对相变点,Ac,1,和,Ac,3,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.