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1、焊 接 技 术主编：叶琦化 学 工 业 出 版 社绪 论一、焊接技术在工程建设中的作用与地位钢材冶炼：炼钢（保证钢材成分）轧钢（改变钢材形状）金属材料加工方法：冷加工：车、刨、钻、铣、磨 热加工：铸、锻、焊、热处理。50的钢铁材料需要经过焊接加工。钢铁构件在使用过程中，焊接接头是最容易发生事故 的部位。二、焊接的本质及分类1 焊接的定义：被焊工件通过加热或加压或两者并用，用 或不用填充材料，使被焊材料之间达到原子间的结合而形成 永久性连接的工艺过程称为焊接。2 熔接的本质：只有当被连接金属原 子之间距离接近rA（rA 0.30.5nm）时，金属键才 能起作用，这时金属原子之 间的结合力最大。为
2、了使金属表面紧密接触，焊接通常采取以下几种措施：(1) 对被焊接金属施加压力或不断地摩擦，破坏接触表面的氧 化膜，使结合处紧密接触。(2) 将金属加热到塑性状态，施加压力使接触面的氧化膜被破 坏。加热也增加原子的振动能，促进扩散和结晶过程的进 行。(3) 通过液态中间材料，如粘结剂或低熔点金属，将两个固态 金属连接在一起。(4) 因液态金属原子之间的距离很容易达到rA，所以加热熔化 金属，凝固后两块金属即可实现连接。焊接方法分为：熔焊：焊接接头加热 熔化，使原子相互扩 散接触，凝固结晶连 接。压焊：对焊件加热加 压，使焊接接头之间 接触，原子扩散连接 。钎焊：通过低熔点钎 料将焊接接头连接在
3、一起。三、焊接技术的发展古代：热锻连接，熔化焊、钎焊19世纪末：碳弧焊；20世纪初： 气焊、电弧焊；20世纪中：高效焊接技术，如埋弧焊、气体保护焊等；20世纪末至今：高能、高质量焊接，如电子束焊、激光焊， 计算机技术在焊接中的应用。各种金属、非金属、复合材料的 焊接等。四、学习建议本课程包括：焊接冶金基础、焊接应力与变形、焊接材 料、焊接工艺、焊接方法、常用金属的焊接、焊接缺陷的产 生与防止、焊接结构、焊接检验等。内容量大、涉及面广、 实践性强。学好基础理论，理论与实践结合，培养分析问题和解决 问题能力。第一章 焊接冶金基础熔焊过程：加热熔化冶金反应结晶固态相变 接头。熔化焊的冶金反应：金属、
4、熔渣、气相之间的反应。第一节 焊接热过程焊接加热特点：局部、高温、加热冷却速度快、热源运动。一、常用焊接热源（一） 常用热源：电弧热、化学热、电阻热、摩擦热、高 能束。焊接热源发展趋势是：高能（激光）、高效（高熔覆率）、低能耗（热效率）、 高质量（气保焊）、低劳动强度（自动焊）。（二） 焊接加热效率式中：q电弧有效功率(W)；I焊接电流(A)；U电弧电压(V)； 焊接热效率。与焊接方法、焊接材料、焊接工艺等因素有关。TIG (tungsten-inert-gas arc welding)：钨极惰性气体保护焊MIG (metal-inert-gas arc welding)：金属熔化极惰性气体保
5、护焊焊接线能量式中：E焊接线能量J/cm； v焊接速度cm/s。（三） 焊接传热的基本方式(1) 传导：金属固体的内部、焊缝对熔渣之间的热传递。(2) 对流：液态金属和液态熔渣的内部热传递。(3) 辐射：焊条端部对熔池、热金属对大气之间的热传递。二、焊接温度场指焊接某一区域某一瞬 间温度的分布。也可以说， 温度是空间某点位置和时间 的函数。T = f （x, y, z, t）式中：T焊件上某点某瞬时的温 度；x, y, z焊件某点的坐标；t 时间。因为焊接热源是按一定速 度匀速运动，所以焊接温度 场则是一个椭圆。（一） 焊接温度场的特点等温线、等温面：温度场中 温度相等各点的连线和连面。在温度
6、场内，不同温度的等 温线或等温面不会相交。热源中心为原点，焊接方向 为X轴，焊件宽度为Y轴（移动 坐标系）。焊接温度场对Y轴对称，对X 轴不对称。（二） 影响温度场的因素1热源性质：热源能量越集 中，加热面积越小。焊接工艺参数：a) 热源功率不变、焊接速度 变；b) 焊接速度不变，热源功率 变；c) 热源功率和焊接速度都变 ，但比值一定。2被焊金属物理性质：热导率、比热容 、热扩散率、表 面散热系数等。3焊件的几何形状：厚板焊接结构：三维传热，热源可视为点状；薄板焊接结构：二维传热，热源可视为线状；丝状焊接结构：一维传热，热源可视为面状。三、 焊接热循环（一） 焊接热循环的概念 焊件上某一点从
7、低温到 高温，又从高温降到低温 ，温度随时间的变化称为 焊接热循环。焊接热循环包括：加 热的速度（H） 、最高加 热温度（Tm） 、相变温度 以上停留的时间（tH）和冷 却速度或冷却时间（t8/5） 。（二）焊接热循环的主要参数及特点 1 加热的速度（H）H非常快，使相变温度提高，并造成奥氏体均匀化和 碳化物溶解都不充分。2 加热的最高温度（Tm）Tm越高，晶粒越粗大，焊接冶金速度越快。3 相变温度以上停留的时间（tH）tH越长，越有利于奥氏体均质化。 但晶粒也越易长大。tH包括加热时的停留时间t和冷却时的停留时间t。tHt+ t4 焊接热影响区的冷却速度（Tc）和冷却时间（t 8/5)t 8
8、/5 焊件从800冷至500所需的时间，对焊接质量影响 很大，尤其是易淬硬钢的焊接。（四）影响焊接冷却速度（热循环）的因素（1）金属热物理性质：金属的导热系数越大，冷却速度就 越快。（2）钢板厚度：钢板的尺寸越大、越厚，冷却速度就越快 。但板厚超过25mm后，冷却速度趋于一定值。（3）钢板初始温度：初始温 度越高，冷却速度越低。预 热是控制淬硬组织、避免产 生冷裂纹的重要手段。（4）焊接线能量：增加焊接 线能量（UI/v），可降低冷却 速度。（5）焊接接头的形状：角焊缝、T字接头的冷却速度比对 接焊缝的冷却速度要快得多。焊件不同位置的焊接热循环的值不同。（三）多层焊的焊接热循环1 长段多层焊（
9、1m）：焊第二道焊缝时，第一道焊缝已降至 低温（400，无机化合物碳酸盐 和高价氧化物（CaCO3 、Fe2O3 ）开始分解，产生CO2、CO等 气体。4） 600，铁合金开始被氧 化。2 熔滴反应区主要反应有：气体的溶解和分解、金属 的蒸发、金属及其合金的氧化和还原、高 价氧化物分解成低价氧化物6Fe2O3（赤铁矿）= 4Fe3O4 + O24MnO2（锰矿）= 2Mn2O3 + O23 熔池反应区熔池温度前高后低，所以熔池前后的反应不同。前面金属熔 化、吸收气体；后面金属凝固、气体逸出。熔池强烈搅拌，有利反应和气体、夹杂逸出。所以熔池阶段 的反应速度要比熔滴阶段小得多。三、 焊接熔渣1 熔
10、渣的作用（1）机械保护作用：覆盖在金属外表面，隔离空气。（2）改善焊接工艺：加入稳弧剂等成分使焊条容易引弧、稳 定燃烧、减少飞溅、保证焊缝成形、脱渣等。（3）冶金作用：熔渣与金属发生脱氧、脱硫、除氢、合金化 等冶金反应。焊条药皮的原材料是一些矿物质，熔渣是由许多成分组成， 构成复杂的渣系，如MnO-SiO2、 CaO-TiO2-SiO2 、CaF2-CaO- SiO2等，以保证熔渣的熔点、粘度等工艺指标。3 熔渣的碱度（分子理论）按分子理论，渣中氧化物分为：1）酸性氧化物：按酸性强弱顺序为SiO2、TiO2、P2O5等。2）碱性氧化物：按碱性强弱顺序为Na2O、CaO、MgO、 MnO、FeO
11、等。3）中性氧化物：如Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。分子理论的碱度公式是式中：R2O 、RO 碱性氧化物摩尔分数；RO2 酸性氧化物摩尔分数。B1碱性渣，B1.3渣才呈碱性。第三节 有害元素对焊缝金属的作用焊接中的有害元素包括：H2、N2、O2、S、P、H2O等。一、氢对焊缝金属的作用（一）氢的来源焊条药皮中的吸附水、结晶水和有机物，焊件表面的污 染物、空气中的水分。（二）氢与焊缝金属的作用1 氢的溶解分子状态的氢必须分解为原子状态和离子状态才能向金属中溶解。吸附金属中溶氢量与气相 中的氢分压符合平方根定 律。 平衡常数KH2和温度有 关。温度越高，吸氢量越 大。所以焊接中吸氢主要 是
12、在熔滴阶段。由于在焊接电弧中， 大部分氢分子已分解成氢 原子、离子，所以实际吸 氢量高于平方根定律。在晶格变化时，金属 的吸氢量有突变。2 氢与金属的作用方式根据氢在金属中的溶解量，可分为两大类：第一类：吸氢金属，如Zr、Ti、V等，能形成稳定氢化物 MxHy。吸氢反应是放热反应，低温吸氢，高温释放氢。第二类：氢能溶入金属，但不能生成氢化物，如Al、Fe、 Ni.等，溶解反应是吸热反应，温度越高，溶解度越大。3 氢在焊缝金属中的扩散凝固后焊缝金属内，氢以原子和分子两种形式留在焊缝中：(1) 扩散氢：以原子形式存在，与金属形成间隙固溶体。因H半径 很小，可在晶格内自由移动，所以叫扩散氢。 (2)
13、 残余氢：当扩散氢移动到金属内部的缺陷部位时，氢原子转换 成氢分子，因体积增大，滞留在这些部位。焊缝金属内的含氢量与焊接方法有关。焊缝金属中扩散氢的行为：随着放置时间的延长或加热，焊缝中的扩散氢减少，残余氢 增加，总的氢量减少。由于扩散氢极易扩散到近缝区，造成体积急剧膨胀，这些部 位又是焊缝性能薄弱区，所以容易在这些部位发生焊接裂纹。3 氢对焊接质量的影响（1）氢脆：在室温下，氢可以使钢塑性下降，但强度不变。焊缝加热除氢后，可恢复塑性。（2）白点：含氢量高的焊缝破坏时，断口有一些白点，导致焊缝塑性下降。（3）形成气孔：在焊缝凝固时，来不及逸出的氢就形成气泡， 使焊缝强度下降。（4）产生冷裂纹：
14、焊缝冷却下来后产生的裂纹叫冷裂纹，也叫 延迟裂纹。一般发生在高强钢或一些应力比较集中的部位。（四） 控制氢的措施以控制氢的来源为主。（1）减少焊接材料中的含氢（水 ）量：在使用前应烘干，以减少 焊接材料储存时吸附的水。烘干 温度取决于焊条类型。（2）清理焊丝和工件表面杂质： 一些金属氧化物常含结晶水，如 FeOH2O, Al(OH)3, Mg(OH)2，在 焊接高温下，释放出的结晶水会 增加焊缝含氢量。（4）冶金处理：形成一些低沸点、不溶于液 态金属的含氢气体，如HF和OH。1） 药皮中加入氟化物：氟化物（如CaF2 ） 和SiO2可显著降低焊缝含氢量。2CaF2 + 3SiO2 + 2H2O
15、 2CaSiO3 + HFHF沸点低，即使在高温下也十分稳定，所 以降低了气相中氢的活度。2） 提高焊接区域的氧化性：氢与氧反应生成 稳定的OH，降低气相中氢的分压CO2 + H = CO + OHO + H = OHO2 + H2 = 2OH3 焊后脱氢处理焊后将焊缝加热几百度并保温一段时间，可以消除绝大部分的 扩散氢。二、 氮对焊缝金属的作用（一） 氮的来源主要来自空气。一旦渗入焊缝金属形成氮化合物，就很 难通过冶金的办法消除。（二） 氮对金属的作用(1) 不与氮发生作用的金属：如铜、镍等；(2) 容易和氮发生作用的金属：如铁、钛等。（三） 氮对焊接质量的影响氮是有害元素：1 产生气孔：高
16、温吸收的氮在冷凝时来不及释放就形成气孔。2 氮可以使焊缝金属的强度、硬度升高，塑性、韧性（尤其是低 温韧性）下降。3 氮可以引起焊缝金属时效脆化。（四） 控制氮的措施1 加强焊接区的保护：如渣保护、气保护或气渣联合保护。2 焊接工艺参数：增加电弧电压将延长熔滴过渡时间，焊缝含 氮量增加。3 合金元素的影响：碳在生成CO、CO2，加强气保护，降低氮 分压。Ti、Al、Zr、RE形成稳定氮化物进入渣中。三、 氧对焊缝金属的作用在焊接中，氧既是有害元素，又是 必须要利用的元素。（一）氧的来源焊接气氛中的氧化性气体（CO2、 O2、H2O）、药皮中高价氧化物、焊 件表面的锈。（二） 氧与焊缝金属的作用氧是以原子氧和FeO两种形式溶于液态铁中，溶解度随温度的提高而增 加。 2焊缝金属的氧化（1）氧化性气体对金属的氧化氧分子或氧原子对金属的氧化：Fe + O = FeO ；Si
