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1、焊接接头一、焊接接头的结构用焊接方法连接的接头叫做焊接接头（简称接头）。焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区所组成，如图1-3-1所示。图1-3-1焊接接头示意图（a）熔焊接头（b）点焊接头（c）对焊接头1焊缝 2熔合区 3热影响区熔焊焊接接头可有多种形式，最常见的典型接头有对接接头、角接接头、丁字接头、搭接接头等。为使待焊部位满足焊接施工工艺要求（如熔透、成形及焊接电弧可达性等），以形成优质焊接接头，常需要将待焊部位预加工成一定形状，即坡口加工。常见坡口形式如I形坡口、V形坡口、U形坡口、X形坡口。（一）、焊缝焊缝是指焊件经焊接后形成的结合部分。熔焊时，焊缝金属是由熔化的母材和熔化的填充金属（
2、焊条或焊丝）按比例（决定于焊接工艺参数）混合而成，有时全部由熔化的母材构成（自熔焊接或不加填充金属的焊接方法）。1、熔合比熔焊时，被熔化的母材金属在焊缝金属中所占的比例常用“熔合比”表示。熔合比与焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目以及母材热物理性质有关。由于熔合比不同，即使采用同一焊接材料，焊缝的化学组成也不会相同，因此，性能也不同。通常，填充金属的成分与母材成分是不相同的，特别是异种金属焊接或合金堆焊时。当堆焊金属的合金成分主要来自填充金属时，局部熔化了的母材对堆焊金属的影响可以认为是稀释了堆焊金属。因此，熔合比又常称为稀释率。当熔合比时，即焊缝金属完全由填充金属熔敷而
3、成，这种焊缝金属称为熔敷金属。2、焊缝形状尺寸及焊缝成形系数（1）、焊缝宽度：焊缝表面两焊趾之间的距离（焊缝表面与母材的交界处称为焊趾）。（2）、余高：超出母材表面连线上面的那部分焊缝金属的最大高度。（3）、焊缝厚度：在焊缝横截面中，从焊缝正面到焊缝背面的距离。（4）、焊缝计算厚度：设计焊缝时使用的焊缝厚度。对接焊缝焊透时，它等于焊件的厚度；角焊缝时，它等于在角焊缝横截面内划出的最大直角三角形中从直角的顶点到斜边的垂直长度，习惯上也称喉厚，如图1-3-2所示。（5）、焊缝成形系数：熔焊时，在单道焊缝横截面上焊缝宽度（B）与焊缝计算厚度（H）的比值，即B/H，如图1-3-3所示，叫做焊缝的形状系
4、数。焊缝成形系数的大小直接影响熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析严重程序以及裂纹的产生等。一般熔焊希望1，为了控制焊缝成形系数，必须合理调整焊接参数。随电流的增大而减小，随电压增大而增大，焊接速度增大时减小。3、焊缝金属的组织和性能焊缝金属的性能是由焊缝的熔合比（母材在焊缝金属中所占的比例）、冶金反应和冷却结晶的金相组织决定的。（1）、焊接熔池的一次结晶电弧离开熔池后，熔池冷却从液态金属转变为固态的过程叫做一次结晶。焊接过程中的许多缺陷如气孔、裂纹、夹杂和偏析等大都是在一次结晶过程产生的。因此，焊接熔池的一次结晶对焊缝金属的组织和性能有着极大影响。1）、焊接熔池一次结晶的特点、
5、熔池的体积小，冷却速度大电弧焊时，熔池的体积最大不超过30cm3，重量不超过100g（单丝埋弧焊），平均冷却速度为41000C/s，比铸锭大几百到上万倍。因而对于含碳量高，含合金元素较多的钢种容易产生淬硬组织，在焊道上容易产生裂纹。、熔池中的液态金属处于过热状态过渡熔滴的平均温度达23000C，低碳钢和低合金钢的熔池平均温度为17700C1000C，熔池中的液态金属处于过热状态。因此，合金元素的烧损比较严重。、温差大熔池中心和边缘存在着很大温差，熔池中心温度高，边缘凝固界面散热快，冷却速度大，所以熔池是在很大温差条件下进行结晶，促使粒状晶发展，焊缝不易得到等轴晶，只有在大断面焊缝的上部有少量等
6、轴晶（电渣焊除外）。、熔池在运动状态下结晶一般熔化焊时，熔池以等速随热源移动，在熔池中金属的熔化和结晶过程是同时进行的。在熔池的前半部进行熔化过程，熔池的后半部进行结晶过程。此外，在焊接条件下，气体的吹力、焊条的摆动以及熔池内部的气体外逸，都会产生搅拌作用。这一点对于排除气体和夹杂是很有利的，有利于得到致密而性能良好的焊缝。（2）、焊接熔池的一次结晶过程焊接时熔池金属的结晶是通过晶核的生成和晶核长大进行的。1）、熔池中晶核的形成熔池中存在两种现成表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在一般正常情况下所起作用不大）；另一种是熔合区附近加热到半熔化状态时的基本金属的晶粒表面，非自发晶核将依附在这个
7、表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长。这种依附于母材晶粒现成表面形成共同晶粒的凝固方式，称为外延结晶或联生结晶，见图1-3-4。图1-3-4熔合区母材晶粒上成长的柱状晶焊接时，为改善焊缝金属的性能，通过焊接材料加入一定量的合金元素（如钼、钒、钛、铌等），可以作为熔池中非自发晶核的质点，从而使焊缝金属晶粒细化。2）、熔池中的晶核长大焊缝边界开始结晶后，晶体便呈柱状晶形式继续向焊缝内部成长，但长大的趋势各不相同，有的柱状晶体严重长大，一直可以成长到焊缝中心，有的晶体却只成长到半途而停止。（）焊缝金属一次结晶组织焊接熔池由液态凝固后所形成的组织称一次组织，一次组织是熔池中液体金属经形核和长大两个阶
8、段后，完成了结晶过程时的高温组织形态。二次组织是室温下焊缝的微观组织形态。一般除了没有相变的金属（如纯奥氏体不锈钢）之外，室温在显微镜下所观察到的焊缝组织都是二次组织。需观察一次组织时，必须用特殊的侵蚀方法才能显示出来。对焊缝的断面进行宏观观察时，所看到的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。在显微镜下进行微观分析时，发现每个柱状晶内还有不同的结晶形态（如平面晶、胞晶和树枝晶等），等轴晶内为树枝晶。这些柱状晶或等轴晶内部的微观形状称为亚晶。!# 焊缝一次组织形态自熔合线向焊缝中心依次按平面晶、胞状晶、胞状树枝晶、柱状树枝晶与等轴树枝晶的顺序变化。但是，在实际焊缝中由于化学成分、板厚、接头形式不同，
9、不一定具有上述全部结晶形态。1）、平面晶。结晶呈平面形态，界面平齐。这种平面晶多发生在高纯度的焊缝金属，如纯铌板氩图1-3-5焊缝金属一次结晶组织五种形态示意图（a） 平面晶；（ b）胞状晶；（c）胞状树枝晶；（d）柱状树枝晶；（e）等轴树枝晶弧焊时，就是以平面结晶的形态进行长大。）、胞状晶。它是由相互平行的棒状体组成，棒的横截面近似呈六角形，其主轴方向同成长方向一致，每一胞状晶棒体前沿中心都有稍微突前的现象。）、胞状树枝晶。胞状晶前沿深入液体内部较长的距离，从主干向横向方向伸出短小的二次横枝，由于主干的间距较小，所以二次横枝也比较短。）、树枝状晶。在一个晶粒内除生长着一个主干外，还向四周生长
10、出二次横向分枝，有时还会有三次分枝，又称柱状树枝晶。）、等轴树枝晶。在液相内直接形成长大，这些晶粒的四周不受阻碍，可以自由成长，形成等轴树枝晶也叫等轴晶。凝固组织形态主要有三种：即平面晶、胞状晶和树枝晶。胞状树枝晶、柱状树枝晶及等轴树枝晶都是树枝晶的不同过渡形态。（）一次结晶缺陷及其对焊缝性能的影响1）、焊缝中的偏析在熔池进行结晶的过程中，由于冷却速度较快，已凝固的焊缝金属中，化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，这种现象称为偏析。在焊缝边界处（熔合区）还会出现更明显的成分不均匀，该处常成为焊接接头薄弱地带。焊缝中的偏析直接影响焊缝金属的性能，而且也是产生裂纹、气孔和夹杂等缺陷的主要原
11、因之一。焊缝中偏析主要有以下三种：、显微偏析。在一个晶粒内部或晶粒之间的化学不均匀现象称显微偏析。熔池结晶时，先结晶的固相比较纯，含溶质浓度较低，而后结晶的固相含溶质浓度较高，并富集了较多的杂质。由于焊接过程冷却速度较快，固相内的化学成分来不及扩散均匀化，从而保留了由于结晶有先后而造成的化学成分不均匀。当焊缝结晶以胞状晶成长时，先结晶的胞状晶中心含溶质浓度最低，而在相邻胞状晶边界上溶质浓度最高。影响显微偏析的因素：a 金属的化学成分。金属的化学成分决定金属结晶区间的大小，结晶区间越大，越容易产生显微偏析。低碳钢因其结晶区间不大，所以显微偏析不严重。而高碳钢和合金钢，由于合金元素较多，结晶区间增
12、大，所以焊接时产生较严重的显微偏析。严重时甚至会引起热裂纹，所以焊后一般需要进行扩散和细化晶粒热处理。细化晶粒可使晶界增多，使偏析元素分散，减轻偏析程度。b 冷却速度。当冷却速度极其缓慢时，溶质原子有充分的时间进行扩散，偏析现象大大减轻；当冷却速度极大时，成分均匀的液相被瞬时冷却下来，固相金属中甚至没有偏析存在，尽管焊接熔池冷却速度很大，但还达不到使熔池瞬时凝固的程度，所以在焊态下，焊缝金属中总是或多或少地有显微偏析存在。c 焊缝的一次结晶形态。焊缝的一次结晶形态不同，其偏析程度也不同。、区域偏析。熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，杂质被推向熔池中心，使熔池中心的杂质比其它部位多，这种
13、现象称为区域偏析。区域偏析与焊接速度和焊缝形状系数有关。当焊接速度较大时，成长的柱状晶最后都在焊缝中心附近相遇，使溶质和杂质都聚集在那里，凝固后在焊缝中心附近出现区域偏折。在应力作用下，焊缝容易产生纵向裂纹。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在焊缝中心，较多的杂质聚集在焊缝中心。这时在焊缝中心线易形成热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质聚集在焊缝上部，这种焊缝具有较高的抗热裂性能。、层状偏析。层状偏析是在焊缝横断面上出现的分层组织。不同的分层，化学成分分布是不均匀的，故称层状偏析。产生层状偏析的原因是由于热的周期性作用而引起的。层状偏析常集中一些有害元素（碳、硫、磷等），因此，焊缝缺陷也往往出现在偏析层中。2
14、）、焊缝中的气孔和夹杂气孔和夹杂是焊缝中常见的焊接缺陷，它不仅影响焊缝的致密性，而且会削弱焊缝的有效工作断面，并造成应力集中，显著降低焊缝的强度、塑性和韧性。特别对动载强度和疲劳强度更为不利，在个别情况下，气孔和夹杂还会引起裂纹。焊缝中的气孔。形成气孔的气体分为两类：第一类高温时某些气体溶解于溶池金属中，当凝固结晶时，气体的溶解度突然下降，若来不及逸出，将残留在焊缝金属中成为气孔，这类气体有氢和氮。第二类由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO和H2等。由于形成气孔的气体不同，因此，气孔的形态和特征也有所不同。、氢气孔。低碳钢及低合金钢焊缝中，氢气孔的断面形态呈螺丝状，从焊缝表面看呈圆喇叭口
15、形，气孔内壁光滑。氢气孔有时也会出现在焊缝内部。若焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的含氢量过高，在结晶时来不及上浮，将残存在焊缝内部成为气孔，这种氢气孔以小圆球形存在。铝、镁合金的氢气孔常出现在焊缝内部。氢气孔是在熔池结晶过程中形成的。氢主要来源于焊条药皮、焊剂中的水分、药皮中的有机物、焊件及焊丝表面的油污和铁锈、空气中的水分等。、氮气孔。氮主要来自焊接区周围的空气，如气体保护焊时，保护气体受风的影响，或因飞溅物堵塞喷嘴等因素，破坏了气体的保护效果，使空气进入溶池；又如手工电弧焊时，电弧拉得过长，也会使空气进入熔池，焊缝中的氮主要来自空气。氮气孔多出现在焊缝表面，呈蜂窝状密集分布。氮是焊缝中产生气孔的原因之一，并降低了焊缝金属的塑性和韧性，因此，它是有害元素。控制焊缝含氮量的主要措施是加强对焊接区域的保护，手工焊时采用短弧焊，防止空气侵入熔池。、CO气孔。这类气孔主要是焊接碳钢时，由于冶金反应产生了大量CO，CO在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部，形成气孔，气孔沿结晶方向分布，形如条虫状，内表面光滑。焊缝中的夹杂。焊缝中有夹杂物存在时，不仅降低焊缝金属的韧性，增加低温脆性，同时增加了热裂纹倾向。焊缝中常遇到的夹杂物有氧化物夹杂、氨化物夹杂和硫化物夹杂，这些都是焊后残留在焊缝金属中的非金属夹杂物。、
