《中国石油大学焊接冶金课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国石油大学焊接冶金课件（122页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、焊 接 冶 金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、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焊接冶金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
2、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、特点分区连续进行分区连续进行熔滴反应区熔滴反应区熔池反应区熔池反应区药皮反应区药皮反应区水分的蒸发水分的蒸发物质的分解物质的分解合金的氧化合金的氧化有机物分解有机物分解有机物分解有机物分解矿物的分解矿物的分解矿物的分解矿物的分解气体高度分解气体高度分解 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
3、 的气体杂质的气体杂质气气 体体焊接材料焊接材料氢气氢气气体来源气体来源气体成分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CO2、CO、H2O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
4、存在形式存在形式扩散氢扩散氢残余氢残余氢总氢量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现 象象机机 理理钢在室温下塑性严重下降钢在室温下塑性严重下降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措施工艺措施冶金措施冶金措施脱氢处理脱氢处理
5、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在金属中的存在形式氮原子氮原子NO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
6、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CO2O2H2O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化性气体弧气中的氧化性气体氧的溶解及存在形式氧的溶解及存在形式原子氧原子氧FeO总氧量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
7、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MnSFeS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Fe3PFe2P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
8、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CO2O2H2O置换氧化置换氧化扩散氧化扩散氧化L = (FeO) /FeO扩散定律扩散定律脱脱 氧氧亲和力亲和力先期脱氧先期脱氧脱氧措施脱氧措施-脱氧剂脱氧剂脱氧方式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脱氧方式沉淀脱氧沉淀脱氧扩散脱氧扩散脱氧先期脱氧先期脱氧药皮反应区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
9、接关系部位部位过程过程特点特点先期脱氧先期脱氧扩散脱氧扩散脱氧沉淀脱氧沉淀脱氧扩散脱氧扩散脱氧液态金属与熔渣界面部位部位特点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部位过程过程特点特点置换脱氧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，且要求脱氧产物浮入渣中碳脱氧碳脱氧锰脱氧锰脱氧硅脱氧硅脱氧硅锰联合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MnSFeS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
10、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Fe3PFe2P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、焊缝金属的合金化三、焊缝金属的合金化目的目的方式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、组成二、组成三、碱度三、碱度B1大于大于1时
11、为碱性渣，小于时为碱性渣，小于1时为酸性渣，等于时为酸性渣，等于1时为中性渣时为中性渣 B1大于大于1.5时为碱性渣，小于时为碱性渣，小于1.0时为酸性渣，时为酸性渣，11.5时为中性渣时为中性渣 四、其他性质四、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危害气孔的类型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CO、H2O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
12、降形貌形貌产生原因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产生原因多出现在焊缝表面多出现在焊缝表面形貌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因产生原因形貌形貌冶金反应产生冶金反应产生CO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CO2 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，热裂纹片状连续分布，热裂纹片状连续分
13、布，热裂纹Fe4N氮化物氮化物硫化物硫化物 MnS、FeS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部位的总称。焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-HA
14、Z；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
15、、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+PW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热处理焊后热处理BMF：块、板、针、条：块、板、针、条P跟踪回火跟踪回火六、焊接热循环六、焊接热循环 1、定义、定义 在焊接热源作用下，焊件上某在焊接热源作用下，焊件上某点温度随时间的变化过程。点温度随时间的变化过程。 温度场温度场2、焊接热循环的特征参数、焊接热循环的特征参数峰值温度峰值温度TpT
16、p冷却速度冷却速度t t8/58/5冷却速度冷却速度t t8/38/3高温停留时间高温停留时间加热速度加热速度 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E36UIVT0多层多道焊多层多道焊3、影响焊接热循环的因素、影响焊接热循环的因素七、七、HAZ的组织与性能的组织与性能 1、HAZ固态相变特点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易淬
17、火钢焊前热处理状态对热影响区硬度的影响 焊 接 裂 纹机电工程学院材料系焊接焊接热裂纹热裂纹焊接热裂纹结晶裂纹焊接热裂纹结晶裂纹 1. 产生温度产生温度2.2.断口特征断口特征3.3.分布特征分布特征4.4.材料材料5.5.产生部位产生部位一、特征一、特征 液态薄膜是产生结晶裂纹的液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因根本原因 拉伸应力是产生结晶裂纹的拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件必要条件二、形成机理二、形成机理液态薄膜理液态薄膜理论论三、各阶段产生结晶裂纹的倾向三、各阶段产生结晶裂纹的倾向四、产生条件四、产生条件五、影响结晶裂纹产生的因素五、影响结晶裂纹产生的因素1.脆性温度区间大小2.脆性温度
18、区（TB）内金属的塑性3.TB内随温度降低变形的增长率六、防止结晶裂纹的措施六、防止结晶裂纹的措施1 1、冶金因素方面、冶金因素方面严格控制母材和焊接材料中的C、S、P含量 改善焊缝一次组织u细化晶粒u双相组织 2 2、工艺因素方面改善应力状态、工艺因素方面改善应力状态焊接工艺及规范焊接工艺及规范接头型式接头型式采用合理的焊接顺序采用合理的焊接顺序限制母材杂质进入焊缝限制母材杂质进入焊缝焊接焊接冷裂纹冷裂纹产生温度产生温度断口仍有金属光泽断口仍有金属光泽裂纹的走向裂纹的走向产生的钢种和部位产生的钢种和部位产生时间产生时间冷裂纹的一般特征冷裂纹的一般特征焊接冷裂纹的分类焊接冷裂纹的分类1.延迟裂
19、纹具有延迟现象具有延迟现象决定因素2.淬硬脆化裂纹3.低塑性脆化裂纹氢致延迟裂纹氢致延迟裂纹决定因素1.钢种的淬硬倾向2.扩散氢的含量及分布3.焊接接头的应力状态一、钢种的淬硬倾向一、钢种的淬硬倾向1.1.原因原因易形成脆硬组织易形成脆硬组织 组织中形成的晶格缺陷多组织中形成的晶格缺陷多2.2.影响因素影响因素化学成分化学成分冷却条件冷却条件 3.3.评定评定用用HAZHAZ的的H Hmaxmax二、氢的作用二、氢的作用1.1.氢在金属中的溶解和扩散氢在金属中的溶解和扩散 0 4 8 12 16 20 24120092064036080-200奥氏体钢奥氏体钢铁素体钢铁素体钢温度温度扩散速度扩
20、散速度10-5ml/(cm2 s s)2.2.氢在致裂过程中动态行为氢在致裂过程中动态行为高强钢热影响区延迟裂纹的形成过程高强钢热影响区延迟裂纹的形成过程 TAFTAMF+PMA3.3.氢致裂纹具有延迟性的原因氢致裂纹具有延迟性的原因三向应力区HHHHHHHH2新三向应力区HHHHHHHH2裂纹尖端三、接头的拘束应力三、接头的拘束应力1.1.应力的存在形式应力的存在形式 热应力局部加热、冷却相变应力结构自身的拘束应力（1）拘束度R=Eh/l （2）接头坡口型式 拘束应力增加：正Y型、X型、斜Y型、K型、半V型 2.2.接头拘束应力的影响因素接头拘束应力的影响因素钢种淬硬之后，受氢的诱发，促使脆
21、化，在拘束应力作用下形成裂纹四、冷裂形成机理四、冷裂形成机理五、冷裂判据五、冷裂判据临界拘束应力临界拘束应力crcrcr反映了产生延迟裂纹各个因素共同作用的结果cr值越大抗裂能力越好cr S 安全的测定：插销试验总原则总原则避免出现脆硬组织减少焊缝金属中的氢含量减少接头的拘束应力六、防治措施六、防治措施（1）严格控制氢含量焊材焊接方法（2）增韧选用塑性好的焊材加入某些合金元素（3）改进母材化学成分，提高抗裂性能降碳加微量合金元素1.1.冶金措施冶金措施（1）预热+小的线能量lE大，粗晶脆化lE小，淬硬组织（2）焊后热处理l脱氢处理：3501h2.2.工艺措施工艺措施 再再热裂纹热裂纹热裂纹产生
22、部位：近缝区的粗晶区产生再热裂纹具有敏感的温度范围有较大的内应力存在及应力集中部位易产生再热裂纹易产生在具有沉淀强化作用的钢材中一、再热裂纹的特征一、再热裂纹的特征只发生于含沉淀强化元素的材料受热前，存在较大的残余应力，并有不同程度的应力集中eec二、产生条件二、产生条件1.晶界杂质析集弱化说晶界杂质析集弱化说2.晶内沉淀强化说晶内沉淀强化说三、产生机理三、产生机理1.1.预热及后热预热及后热2.2.控制焊接线能量控制焊接线能量3.3.低强焊缝应用低强焊缝应用4.4.消除应力集中源消除应力集中源 四、控制措施四、控制措施层状层状撕裂撕裂1.1.产生的部位和形状产生的部位和形状u宏观形状宏观形状
23、u微观形状微观形状2.2.产生在厚板结构中产生在厚板结构中3.3.与母材强度无关，主要与钢中的夹杂量及分与母材强度无关，主要与钢中的夹杂量及分布形态有关布形态有关4.4.一般发生在受一般发生在受Z Z向力大的丁字接头、角接头向力大的丁字接头、角接头5.5.层状撕裂属于低温开裂层状撕裂属于低温开裂 一、特征一、特征二、形成机理二、形成机理焊后20min焊后120min1.焊接Z向应力2.非金属夹杂物的层状构造3.母材性能4.氢的作用三、影响因素三、影响因素1.1.控制夹杂物控制夹杂物2.2.设计和施工工艺上的措施设计和施工工艺上的措施l改变接头形式、降低焊接应力；l应尽量避免单侧焊缝等l应尽量避免承载焊缝l预热及后热l加软焊道 四、防制措施四、防制措施焊 接 裂 纹机电工程学院材料系5.5 应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹1.形貌外观横断面断口2.材质与介质的匹配3.残余应力的作用一、特征一、特征1.应力腐蚀裂纹的形成条件l三要素：材质、腐蚀介质和临界拉应力三要素：材质、腐蚀介质和临界拉应力2.应力腐蚀裂纹的形成机理l机械破裂应力腐蚀开裂机理机械破裂应力腐蚀开裂机理二、形成机理二、形成机理1.1.结构设计结构设计 合理选材 避免高应力区 2.2.施工制造施工制造l合理选择焊材l合理制定装焊工艺l消除应力处理3.3.生产管理生产管理l防蚀处理l定期检查、及时补修三、防制措施三、防制措施
