第二章熔化焊连接原理

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1、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 1.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）。 2.电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。 3.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

2、源。 4.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 5.等离子焰：电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流 6.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。 7.其它热：如摩擦能量、高频感应电流等。 4 一、焊接热源一、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 0.87 0.77 0.90 0.90.830.68 0.85 0.66 0.69 0.70 0.85 6 （一）焊接温度场 1. 1.定义定义： 焊接焊接过程中，焊件上各点

3、的温度过程中，焊件上各点的温度随时随时 间而变间而变，我们，我们将某一瞬间将某一瞬间焊接接头焊接接头上各点上各点 温度的分布状态温度的分布状态称为焊称为焊接温度场接温度场。 2.2.特点：特点： 温度场温度场呈一系列椭圆形的呈一系列椭圆形的等温线离等温线离热热 源越近，等温线越密，远则源越近，等温线越密，远则稀稀，焊接焊接速度速度 越快，椭圆长轴越长，越快，椭圆长轴越长，短轴短轴越短越短。 3.3.作用：作用： 便于便于分析接头各处温度高低，分析接头各处温度高低，组织与组织与 性能的变化。性能的变化。 三、焊接温度场和焊接热循环三、焊接温度场和焊接热循环 7 （二）焊接热循环（二）焊接热循环

4、1. 1.定义：定义：在焊接热源作用下在焊接热源作用下, ,焊件上某点的温度随时间的焊件上某点的温度随时间的变变 化化过程叫作焊接热循环过程叫作焊接热循环. . 2.2.基本参数：基本参数： 加热速度：加热速度： 随着速度增加，相变温度提高随着速度增加，相变温度提高 ，奥氏体均质化和碳化物溶解也越，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不充分，影响冷却后组织与性能。 最高加热温度最高加热温度T Tm m： ： T Tm m过高，将使晶粒严重长大， 过高，将使晶粒严重长大， 甚至产生过热的魏氏体组织，造成甚至产生过热的魏氏体组织，造成 晶粒脆化。晶粒脆化。 8 相变温度以上的

5、停留时间t H ： 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c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800300 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t8/5 9 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

6、，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 l长段多层焊每次焊缝的长度较长( 1.01.5m )，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 100200)。 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 l短段多层焊就是每层的焊缝长度较短 (约 50400mm ) ，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

7、用。 对于对于晶粒晶粒 易长大易长大而而 又易淬火又易淬火 钢种钢种的热的热 影响区和影响区和 焊缝具有焊缝具有 改善作用改善作用 。 （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） l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。 l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。 l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、熔化焊接头的形成四、熔化焊接头的

8、形成 2 2、焊接材料的熔化、焊接材料的熔化 uu焊条金属的平均熔化速度：焊条金属的平均熔化速度：g gM M 定义：单位时间内熔化的焊芯的质量或长度定义：单位时间内熔化的焊芯的质量或长度 。 计算式：计算式：g gM M=G/t = =G/t = p p I I p p 为焊条熔化系数为焊条熔化系数 uu焊条的平均熔敷速度：焊条的平均熔敷速度：g gH H 定义定义：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分 金属的质量金属的质量 计算式计算式：g gH H=G =GH H/t /t = = H H I I H H 为焊条熔敷系数为焊条熔敷系数 13 uu损失系

9、数：损失系数： 定义：焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的定义：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。那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。 计算式：计算式：=(G-G=(G-GH) H)/G=(g /G=(gM- M- g g HH)/g )/gM M=1- =1-H H/ / P P uu三三者的关系：者的关系： H H=(1-) =(1-) P P g gH H=(1-) g =(1-) gM M 3 3、熔滴过渡、熔滴过渡 1 1）熔滴过渡形式）熔滴过渡形式 短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡 14 2) 熔滴的比表面积S u

10、熔滴的表面积与其质量之比。 S=Ag/Vg=4R2/(4/3R3)=3/R uI,R,S，利于冶金反应进行。 3) 熔滴的温度 u研究熔滴阶段各种物理化学反应必不可少的重要参数； u理论上精确计算困难； u实测手工电弧焊碳钢焊条熔滴平均温度： 18002400 15 小结：小结：熔滴更多的以细滴过渡，熔滴与周围介质作用时间熔滴更多的以细滴过渡，熔滴与周围介质作用时间 很短很短(0.11.0s)(0.11.0s)，但熔滴比表面积大，温度高，冶金反应，但熔滴比表面积大，温度高，冶金反应 激烈充分。激烈充分。 4 4、熔池的形成、熔池的形成 定义：定义：熔焊时，母材上由熔化的焊接材料和局部熔 化的母

11、材组成的具有一定几何形状的液体金属区域 1 1）熔池的形状和尺寸）熔池的形状和尺寸 u 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 u几何尺寸：L=P2IU， Bmax， Hmax u影响因素 IBmax，Hmax UBmax，Hmax 16 P2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 t t maxmax=L/v L =L/v L, v v tmax max tmax max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

12、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 17 4 4、熔池运动状态、熔池运动状态（强烈强烈的搅拌和的搅拌和对流）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： l熔池上部熔化的母材由熔 池前部向熔池后部运动; l在熔池底部，液态金属由 熔池后部向中心运动 18 19 （二）熔池的保护（二）熔池的保护 焊接时熔化金属受到保护，保护方式有：焊接时熔化金属受到保护，保护方式有： 1 1、气气保护保护 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 2、渣保

13、护、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 3、气渣联合气渣联合保护保护 4 4、真空保护、真空保护 5 5、自保护、自保护 属化学保护，含脱氧、氮剂，如实芯或药芯焊丝 其中其中1 1，2 2，3 3，4 4属于机械保护，属于机械保护，5 5是化学保护是化学保护 （三）焊接接头的形成（三）焊接接头的形成 1 1、焊接接头的形成过程、焊接接头的形成过程 焊接接头焊接接头 焊接热过程焊接热过程 + + 焊接化学冶金焊接化学冶金+ + 熔池凝固和相变熔池凝固和相变 过程过程 20 2、焊接接头的组成 l焊缝金属 l熔合线 l热影响区 l母材 3 3、熔化焊接头形式、熔化

14、焊接头形式 l l 对接接头对接接头 l l 搭接接头搭接接头 l l T T型接头型接头 l l 角接接头角接接头 21 靠近焊缝的母材金属由于受到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生组织和性能变化的区域称为 热影响区（热影响区（HAZ)HAZ) 3 3、熔化焊接头形式、熔化焊接头形式 l l 对接接头对接接头 l l 搭接接头搭接接头 l l T T型接头型接头 l l 角接接头角接接头 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

15、下都具有很 高的强度。常用于船体结构中 23 坡坡口：口： 形、形、V V形、形、U U形、形、X X形形 4 4、熔合比（、熔合比（ ） 焊缝金属中，局部熔化的母焊缝金属中，局部熔化的母材质量所占的比例。常材质量所占的比例。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。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、焊接材料一、焊接材料 （二）焊

16、条（二）焊条 焊条的组成：焊条的组成：焊芯、药皮焊芯、药皮 1 1、焊芯、焊芯焊丝焊丝 作用：作用：作电极，产生电弧并传导焊接电流，作电极，产生电弧并传导焊接电流， 作作填充金属，填充金属，熔化后填充焊缝熔化后填充焊缝 焊芯材料焊芯材料: :用量最多的是用量最多的是H08H08、H08AH08A，还有，还有H08EH08E。 2 2、药皮、药皮 作用：作用：机械保护（机械保护（气渣配合保护）气渣配合保护） 冶金处理（冶金处理（脱氧、去硫、渗合金元素）脱氧、去硫、渗合金元素） 改善焊接工艺性（改善焊接工艺性（稳弧，减小飞溅稳弧，减小飞溅) ) 26 药皮组成 稳弧剂: 改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原