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1、焊焊 接接 冶冶 金金 机电工程学院材料系机电工程学院材料系 几个概念：几个概念： 母材金属；填充金属；熔敷金属；焊缝；熔合比 熔化焊时，伴随着金属熔化、熔化焊时，伴随着金属熔化、 凝固、固态相变以及形成接头等过凝固、固态相变以及形成接头等过 程，焊接区内的熔化的金属、熔渣与气程，焊接区内的熔化的金属、熔渣与气 体三者间所进行的一系列化学反应体三者间所进行的一系列化学反应 过程以及金属的结晶相变过程过程以及金属的结晶相变过程 焊接焊接 化学冶金化学冶金 焊接焊接 物理冶金物理冶金 焊接 冶金 焊接焊接化学冶金化学冶金 的任务与特点的任务与特点 一、定义一、定义 焊接化学冶金焊接化学冶金 熔焊过
2、程中，焊接区内各种物质 之间在高温下相互作用的过程，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。 化化 学学 冶冶 金金 任务任务 二、任务二、任务 防止或减少有害杂质侵入防止或减少有害杂质侵入 减少合金元素烧损减少合金元素烧损 对熔化金属进行冶金处理对熔化金属进行冶金处理 三、特点三、特点 分区连续进行 熔滴反应区熔池反应区药皮反应区 水分的蒸发 物质的分解 合金的氧化 有机物分解有机物分解 矿物的分解矿物的分解 气体高度分解 氮氢激烈溶解 增氧与渗合金 金属的蒸发 去氢反应 温度高 搅拌强烈 反应时间极短 冶金反应剧烈 反应物接触面积大 平均温度
3、低 比表面积小 温度分布极不均匀 反应时间稍长 搅拌不太激烈 焊缝焊缝金属中金属中 的气体杂质的气体杂质 气 体 焊接材料焊接材料 氢气氢气 气体来源 气体成分 气体介质气体介质 油污、铁锈等油污、铁锈等 金属和熔渣蒸汽金属和熔渣蒸汽 氮气氮气 氧气氧气 金属和熔渣蒸汽金属和熔渣蒸汽 COCO 2 2 、COCO、HH 2 2 OO 气体来源气体来源 在金属中的溶解在金属中的溶解 存在形式存在形式 对焊接的影响对焊接的影响 控制措施控制措施 一、氢气一、氢气 气体来源气体来源 在金属中的溶解在金属中的溶解 存在形式存在形式 对焊接的影响对焊接的影响 控制措施控制措施 主主 要要 内内 容容 焊
4、材中的水分焊材中的水分 药皮中的有机物药皮中的有机物 油污、铁锈等油污、铁锈等 电弧周围空气中的水分电弧周围空气中的水分 氢氢 的的 来来 源源 氢氢 的的 溶溶 解解 存在形式 扩散氢残余氢 总氢量 氢脆氢脆 氢气孔氢气孔 冷裂纹冷裂纹 氢氢 的的 影影 响响 永久永久 现 象 机 理 钢在室温下塑性严重下降钢在室温下塑性严重下降 焊缝拉伸或弯曲试件断面上焊缝拉伸或弯曲试件断面上 出现的光亮圆形斑点出现的光亮圆形斑点 拉伸位错运动、堆积 空腔H扩散聚集空腔 H+HH2压力变 脆 氢的诱捕理论氢的诱捕理论 氢白点氢白点 暂态暂态 限限 防防 脱脱 控控 制制 措措 施施 限制来源限制来源 工艺
5、措施工艺措施 冶金措施冶金措施 脱氢处理脱氢处理 电压电压 电流电流 电源种类及极性电源种类及极性 焊速焊速 提高气相氧化性提高气相氧化性 加微量稀土元素加微量稀土元素 氟化物除氢氟化物除氢 二、氮气二、氮气 气体来源气体来源 在金属中的溶解在金属中的溶解 存在形式存在形式 对焊接的影响对焊接的影响 控制措施控制措施 主主 要要 内内 容容 氮的来源 焊接周围的空气焊接周围的空气 氮在金属中的存在形式 氮原子氮原子 NONO 氮离子氮离子 氮氮 的的 溶溶 解解 氮氮 的的 影影 响响 机械性能机械性能 氮气孔氮气孔 时效脆化时效脆化 限限 防防 控控 制制 措措 施施 限制来源限制来源 工艺
6、措施工艺措施 冶金措施冶金措施 采用短弧焊采用短弧焊 增大焊接电流增大焊接电流 采用直流反接采用直流反接 增加碳含量增加碳含量 加与氮亲和力加与氮亲和力 大的合金元素大的合金元素 三、氧气三、氧气 气体来源气体来源 在金属中的溶解在金属中的溶解 存在形式存在形式 对焊接的影响对焊接的影响 控制措施控制措施 主主 要要 内内 容容 COCO 2 2 OO 2 2 H H2 2 OO 氧氧 的的 来来 源源 药皮中的碳酸盐药皮中的碳酸盐 弧气周围的空气弧气周围的空气 药皮中的高价氧化物药皮中的高价氧化物 药皮中含水物质及铁锈药皮中含水物质及铁锈 保护气或空气中的水分保护气或空气中的水分 弧气中的氧
7、化性气体弧气中的氧化性气体 氧的溶解及存在形式 原子氧FeO总氧量 降低焊缝的力学性能降低焊缝的力学性能 增加焊缝的冷脆与热脆敏感性 降低焊缝导电性、导磁性、耐蚀性等 使合金元素烧损，造成飞溅和气孔 氧氧 的的 影影 响响 控控 制制 措措 施施 限制氧的来源限制氧的来源 工艺措施工艺措施 冶金措施脱氧剂冶金措施脱氧剂 二、硫、磷的作用与控制二、硫、磷的作用与控制 硫硫 的的 影影 响响 存在形式存在形式 硫的危害硫的危害 控制措施控制措施 MnSMnS FeSFeS 低熔共晶低熔共晶 降低韧性降低韧性 限制来源限制来源 冶金脱硫冶金脱硫 元素脱硫元素脱硫 稀土脱硫稀土脱硫 熔渣脱硫熔渣脱硫
8、磷磷 的的 影影 响响 存在形式存在形式 磷的危害磷的危害 控制措施控制措施 FeFe 3 3P P FeFe 2 2P P 低熔共晶低熔共晶 冷脆性冷脆性 限制来源限制来源 冶金脱磷冶金脱磷 焊缝焊缝金属化学金属化学 成分的控制成分的控制 成成 分分 控控 制制 氧化与还原氧化与还原 硫、磷的作用和控制硫、磷的作用和控制 焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化 一、氧化与还原一、氧化与还原 氧氧 化化 途途 径径 氧化性气体氧化性气体 活性熔渣活性熔渣 焊件表面氧化物焊件表面氧化物 COCO 2 2 OO 2 2 H H2 2 OO 置换氧化置换氧化 扩散氧化扩散氧化 L = (FeO) /FeO
9、 扩散定律 脱 氧 亲和力亲和力先期脱氧先期脱氧 脱氧措施-脱氧剂脱氧方式 脱氧产物脱氧产物 焊缝成分、性能焊缝成分、性能 工艺性能工艺性能 扩散脱氧扩散脱氧 沉淀脱氧沉淀脱氧 成本成本 脱氧方式 沉淀脱氧扩散脱氧先期脱氧 药皮反应区固态药皮中 的脱氧剂与 药皮组成物 分解的O2和 CO2之间的 反应 脱氧过程和 脱氧产物与 熔滴不发生 直接关系 部位过程特点 先期脱氧 扩散脱氧 沉淀脱氧扩散脱氧 液态金属与熔 渣界面 部位特点 以分配定律 为理论基础 不会因脱氧 而造成夹杂 不是脱氧 主要途径 部位过程特点 置换脱氧 熔滴和 熔池内 溶于液态金属中的 脱氧剂和FeO反应 ，把铁还原，且要 求
10、脱氧产物浮入渣 中 碳脱氧 锰脱氧 硅脱氧 硅锰联合脱氧 最主要的 脱氧方式 二、硫、磷的作用与控制二、硫、磷的作用与控制 二、硫、磷的作用与控制二、硫、磷的作用与控制 硫硫 的的 影影 响响 存在形式存在形式 硫的危害硫的危害 控制措施控制措施 MnSMnS FeSFeS 低熔共晶低熔共晶 降低韧性降低韧性 限制来源限制来源 冶金脱硫冶金脱硫 元素脱硫元素脱硫 稀土脱硫稀土脱硫 熔渣脱硫熔渣脱硫 磷磷 的的 影影 响响 存在形式存在形式 磷的危害磷的危害 控制措施控制措施 FeFe 3 3P P FeFe 2 2P P 低熔共晶低熔共晶 冷脆性冷脆性 限制来源限制来源 冶金脱磷冶金脱磷 三、
11、焊缝金属的合金化三、焊缝金属的合金化 目的方式 把需要的合 金元素通过 焊接材料过 渡到焊缝金 属中的过程 补偿损失 消失缺陷 改善组织 提高性能 获特殊性能 合金焊丝 药芯焊丝 合金药皮 合金粉末 烧结焊剂 置换脱氧 合金过渡系数定义 焊缝焊缝中的中的 气孔与夹杂气孔与夹杂 一、作用 机械保护作用机械保护作用 冶金处理作用冶金处理作用 改善工艺性能改善工艺性能 二、组成 三、碱度 B1大于1时为碱性渣，小于1时为酸性渣，等于1时为中性渣 B1大于1.5时为碱性渣，小于1.0时为酸性渣，11.5时为中性渣 四、其他性质 熔渣的粘度熔渣的粘度 表面张力表面张力 密度密度 线膨胀系数线膨胀系数 熔
12、化性熔化性 一、焊缝中的气孔一、焊缝中的气孔 致密性致密性溶解度突降溶解度突降 气孔的危害气孔的类型 减小有效截面积减小有效截面积 应力集中应力集中 塑韧性下降塑韧性下降 不溶于金属的气体不溶于金属的气体 疲劳强度下降疲劳强度下降 氢、氮氢、氮 COCO、H H 2 2 OO等等 多出现在焊缝表面多出现在焊缝表面溶解度突降溶解度突降 形貌产生原因 断面如螺钉断面如螺钉 表面呈喇叭口形表面呈喇叭口形 内壁光滑内壁光滑 内部内部小圆球状小圆球状 氢气孔氢气孔 溶解度突降溶解度突降 产生原因 多出现在焊缝表面多出现在焊缝表面 形貌 和蜂窝相似和蜂窝相似 多数成堆出现多数成堆出现 氮气孔氮气孔 产生原
13、因 形貌 冶金反应产生冶金反应产生COCO 出现在焊缝内部出现在焊缝内部 沿结晶方向分布沿结晶方向分布 形状像虫子形状像虫子 COCO 2 2 气孔气孔 二、焊缝中的夹杂二、焊缝中的夹杂 夹夹 杂杂 物物 分分 类类 控制措施控制措施 存在形式存在形式危害危害 氧化物氧化物 硅酸盐形式硅酸盐形式片状连续分布，热裂纹 片状连续分布，热裂纹 FeFe 4 4N N 氮化物氮化物 硫化物硫化物 MnSMnS、FeSFeS 塑、韧性急剧下降塑、韧性急剧下降 低熔共晶，热裂纹低熔共晶，热裂纹 正确选择焊条、焊剂的渣系正确选择焊条、焊剂的渣系 选用合适的焊接规范，并摆动焊条选用合适的焊接规范，并摆动焊条
14、多层焊时注意清渣，尽量采用短弧焊多层焊时注意清渣，尽量采用短弧焊 焊接接头焊接接头的的 组织与性能组织与性能 焊接接头焊接接头 焊接部位的总称。 焊接接头示意图 1-焊缝；2-熔合区；3-HAZ；4-母材 一、焊接熔池凝固的特殊性一、焊接熔池凝固的特殊性 特特 殊殊 性性 熔池体积小、冷却速度快熔池体积小、冷却速度快 熔池中的金属处于过热状态熔池中的金属处于过热状态 熔池是在运动状态下结晶熔池是在运动状态下结晶 二、焊接熔池凝固的特点二、焊接熔池凝固的特点 特特 点点 联生结晶联生结晶 择优生长择优生长 偏向晶与定向晶偏向晶与定向晶 三、焊缝的凝固偏析三、焊缝的凝固偏析 凝凝 固固 偏偏 析析
15、 枝晶偏析枝晶偏析 区域偏析区域偏析 层间偏析层间偏析 改改 善善 措措 施施 工艺措施工艺措施 冶金措施冶金措施 提高冷却速度提高冷却速度 采用多层焊采用多层焊 振动结晶振动结晶 加入变质剂加入变质剂 加入能够细化加入能够细化 晶粒的元素晶粒的元素 四、改善凝固组织的措施四、改善凝固组织的措施 低低 碳碳 钢钢 二次组织二次组织 改善措施改善措施 控制冷却速度控制冷却速度 采用多层焊采用多层焊 焊后热处理焊后热处理 五、焊缝金属的固态相变五、焊缝金属的固态相变 F+PF+P WW 低低 合合 金金 钢钢 二次组织二次组织 改善措施改善措施 锤击焊缝表面锤击焊缝表面 采用多层焊采用多层焊 焊后
16、热处理焊后热处理 B B MM F F：块、板、针、条：块、板、针、条 P P 跟踪回火跟踪回火 六、焊接热循环六、焊接热循环 1、定义 在焊接热源作用下，焊件上某 点温度随时间的变化过程。 温度场 2、焊接热循环的特征参数 峰值温度Tp 冷却速度t8/5 冷却速度t8/3 高温停留时间 加热速度 影影 响响 因因 素素 接头的尺寸与形状接头的尺寸与形状 焊件尺寸焊件尺寸 焊道长度焊道长度 E E36UI36UIV V T T0 0 多层多道焊多层多道焊 3、影响焊接热循环的因素 七、七、HAZHAZ的组织与性能的组织与性能 1、HAZ固态相变特点 相相 变变 特特 点点 加热速度快加热速度快 高温停留时间短高温停留时间短 自然条件下连续冷却自然条件下连续冷却 加热温度高加热温度高 局部加热局部加热 2、HAZ的组织与性能 不不 易易 淬淬 火火 钢钢 易易 淬淬 火火 钢钢 易淬火钢焊前热处理状态对热影响区硬度的影响 焊焊 接接 裂裂 纹纹 机电工程学院材料系机电工程学院材料系
