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1、Chapter 1 焊接成形概述,第一篇 连接成形理论基础,本章讲授目的,3、了解焊接熔池特征、焊接热循环的主要参数,2、掌握焊接接头的组织与性能（焊缝、热影响区）,1、掌握焊接相关的概念：焊接、熔焊、压焊、钎焊、HAZ、焊接温度场、焊接电弧、联生结晶、焊接热循环,一、焊接定义,第1节 焊接定义、分类和应用,通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料， 使焊接件达到原子结合而形成永久性连接的一种方法。,r0,物理本质：使两个独立的工件 实现了原子间结合。 只有当被连接金属原子间的 距离接近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。,原子间作用力与距
2、离关系 1斥力；2引力；3合力,如何使金属原子间的距离接近rA?,使金属表面紧密接触的几种措施： （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）将金属加热熔化或到塑性状态，增加原子的振动能，施加压力破坏接触面的氧化膜，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。,焊接方法分类,压 焊,摩擦焊,超声波焊,爆炸焊,扩散焊,高频焊,钎焊及封粘,软钎焊,硬钎焊,封接,粘接,熔 焊,电弧焊,电渣焊,等离子弧焊,电子束焊,激光焊,手弧焊,气体保护焊,埋弧焊,电阻焊,一、熔焊原理,手工电弧焊,熔焊：通过局部加热
3、使连接处达到熔化状态，然后冷却结晶形成共同晶粒。,1、熔焊本质及特点： 熔焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。 熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。 冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。,熔焊三要素 热源 能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。 熔池的保护 可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。 填充金属 保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。,两种接线方法：在使用直流电
4、焊机焊接时，电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异。 直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条） 直流反接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊 条、低合金钢和铝合金）,阴极雾化,焊接过程涉及：加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变直至形成焊接接头。 归纳为三个相互交错联系的局部过程：,焊接热过程,化学冶金,物理冶金,保护目的: 使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。 延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。,熔池的保护,焊接接头主要由焊缝（weld metal）、热影响区（heat affected zone /HAZ）、熔合区（fusio
5、n zone）组成。,熔池凝固的特点 联生结晶/交互结晶/外延结晶 依附于母材晶粒的现成表面而形成共同晶粒的凝固方式 择优成长 并非“齐步前进”。当散热最快的方向与晶体成长的结晶位向相同时，有利于柱状晶的成长,熔池凝固组织形态的多样性 凝固组织的形态有柱状晶（平面晶、胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶）及等轴晶等,焊缝金属的组织： 固态相变，影响因素：化学成分+冷却条件,低碳钢焊缝： 固态相变时，首先沿奥氏体晶界析出共析铁素体，然后发生共析转变： AP（FFe3C） 得到铁素体加珠光体。 焊缝金属过热时，奥氏体晶界或晶粒内部还会析出塑韧性差的网状魏氏组织。, HAZ组织分布 a. 低碳钢及不易淬火的低
6、合金钢（Q235、20、16Mn等） 熔合/半熔化区：最高温度在固相线和液相线之间。局部熔化，成分与组织不均匀，塑性差 过热区/粗晶区：固相线到1100左右。塑韧性差 相变重结晶区（正火区）： 1100Ac3相当于 正火组织（细晶FP）塑韧性好 不完全重结晶区：Ac1Ac3， （部分细晶FP以及粗晶F）组织不均匀,（2）焊接热影响区的组织和性能变化,b. 易淬火钢(低碳调质钢、中碳钢、中碳调质钢，如：18CrMoNb、45、30CrMnSi等) 与焊前热处理状态有关 焊前正火或退火态，HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成。 调质态， HAZ主要由完全淬火区、不完全淬火区和回火区组成。,Ch
7、apter 2 金属材料 的焊接性能,第一篇 连接成形理论基础,返 回,本章讲授目的,重点掌握： 焊接性概念和评价方法，尤其是碳当量法 利用焊接性分析材料在指定焊接工艺条件下可能出现的问题,金属材料的焊接性,碳钢的焊接,本章主要内容,有色金属的焊接,铸铁的焊补,焊接性（Weldability） 指被焊金属在限定的施工条件（焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式），焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。 即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出的焊接难易程度。,金属材料的焊接性,钢的焊接性评价方法,碳、合金元素含量,焊接性,国际焊接学会IIW,碳钢及低合金钢,碳对冷裂纹敏感性的影
8、响最明显，其它元素的影响 折合成碳的影响。,间接方法,碳当量,CE0.4%，钢材塑性良好，淬硬和冷裂纹倾向不明显，可焊性良好。一般不会产生裂纹，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。 CE=0.4%0.6%，钢材塑性下降，淬硬和冷裂倾向明显，可焊性较差。需要焊前预热，焊后缓冷及一定的焊接工艺措施。 CE0.6%，钢材塑性较低，淬硬和冷裂倾向很强，可焊性很差。焊前预热，减少焊接应力和防止开裂，焊后热处理。,碳当量越高，焊接性越差,从一般焊接工艺焊后有无裂缝或裂缝多少，初步评定试板材料的可焊性；调整工艺再焊接试板，达到不裂，从而制订出合理的焊接工艺规程与规范。,直接方法,针对钢材在焊接过程中出现的
9、裂纹设计的直观评价,焊接冷裂纹试验,焊接热裂纹试验,再热裂纹试验,层状撕裂试验,脆性断裂试验,Chapter 3 焊接过程中的冶金反应原理 （一）,第一篇 连接成形理论基础,焊接方法,焊接材料,焊缝的成份,焊缝的性能,化学冶金过程,焊接过程中，高温液态金属会与气体和熔渣之间发生相互作用（冶金反应）。通过本章的学习，了解影响焊件的性能的气体和熔渣的来源及其与金属的相互作用机制。,本章讲授目的,本章主要内容,第1节连接成形的冶金反应特点,第2节液态金属与气体界面的反应,第4节合金化及工艺条件对冶金反应的影响,第3节液态金属与熔渣的相互作用,连接成形的冶金反应特点： 存在保护、分区域（药皮反应区、熔
10、滴反应区和熔池反应区）进行、与焊接工艺有关,药皮反应区：温度低（钢焊条1200）。 水蒸发及药皮中固态物质的分解，造渣和造气。 熔滴反应区：温度高（21002800 ）、熔滴比表 面积大，是焊接冶金反应最激烈的部位。气体分 解和溶解、金属蒸发、氧化还原及焊缝金属合金化。 熔池反应区：温度平均1770 左右，反应比溶滴区 弱些。温度分布不均，不同部位冶金反应不同。 头部金属熔化和吸气，尾部金属凝固和气体逸出。,N2、H2、O2 CO2 和 H2O,焊接区的气体,焊接材料，如：焊条药皮、焊剂、焊芯、高价氧化物及有机物 母材坡口的油污、铁锈、水分 空气中的气体、水分 保护气体及其杂质气体,直接进入,
11、间接分解,气体的来源与产生,1有机物的分解和燃烧 2碳酸盐和高价氧化物的分解 3材料的蒸发 4、气体的分解,气体的间接来源,气体的控制措施,限制气体的来源 控制工艺参数 冶金处理,限制气体的来源,氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。,限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护或渣气联合保护。,氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。,限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质 和油污。,
12、限制气体的来源,氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。,控制工艺参数,增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用短弧焊。,焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。,冶金处理,采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。 冶金法脱氮 液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的
13、元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆化倾向。但要严格控制加铝量。,焊接过程中的脱氢 （1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物 （2）控制焊接材料的氧化势 （3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素 （4）焊后消氢处理,熔渣的作用,1. 机械保护作用 2. 冶金处理作用 3. 改善成形工艺性能作用,焊接熔渣的类型,1.按焊接熔渣的组成物分类： 盐型熔渣 盐氧化物型熔渣 氧化物型熔渣,2.按熔渣的性质分为酸性熔渣和碱性熔渣,熔渣的来源与构成,1、 药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮 2、 埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂,熔渣碱度的分子理论,按照分子理论，熔
14、渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值。表示为： 碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等 ，酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。 考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为： 0.018CaO+0.015MgO+0.006CaF2+0.014(K2O+Na2O)+0.007(MnO+FeO) B1 = 0.017SiO2 + 0.005(Al2O3 + TiO2 + ZrO2） 当B11为碱性渣，B11为酸性渣，B1=1为中性渣。,2. 熔渣碱度的离子理论,碱度：液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）。 渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计
15、算式为： Mi 是渣中第 I 种氧化物的摩尔分数，ai 是该氧化物的碱度系数。 当B20时为碱性渣，B20为酸性渣，B2= 0为中性渣。 表8-4 渣中常见氧化物的ai值,熔渣的物理性质,熔渣的凝固温度与密度 熔渣的粘度 熔渣的表面张力及界面张力,熔渣的凝固温度与密度,讨论：Why?,熔渣的熔点：固体熔渣开始熔化的温度 造渣温度：焊条药皮开始熔化的温度（药皮熔点）高,金属熔焊中，要求熔渣的熔点略低于母材金属。,密度影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度。密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。选用焊材时，首先要保证熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。,熔渣的粘度,粘度过大的熔渣会降低金
16、属与熔渣之间的冶金反应速度，焊缝表面成形不良，易产生气孔、夹杂。 粘度过小的熔渣容易流失，不能均匀覆盖焊缝影响对熔池（或焊缝）在全位置焊接时的成形和保护效果。,根据熔渣粘度随温度变化的速率，熔渣分为“长渣”和“短渣”。 随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣，而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣。 短渣在焊缝凝固后迅速凝固，可保证全位置焊缝外观成型。,含 SiO2 多的酸性渣为长渣。 碱性渣中离子尺寸小，粘度低，且随温度升高离子浓度增大，粘度迅速下降，因此碱性渣为短渣。加入 CaF2 可起到很好的稀释作用。,熔渣的表面张力(Surface Tension)及界面张力,熔渣与气相之间的界面张力熔渣表面张力 熔渣与液态金属间的界面张力,表面张力的 影响因素,温度 T，升高，表面张力减小,原子间键能（金属键的键能大，表面张力大）,碱性渣表面张力较大：易造成熔滴粗化，飞溅增多。酸性焊
