焊接冶金與焊接性

1、.焊接冶金與焊接性緒論 1， 焊接的本質(zhì)和途徑：焊接：通過加熱，加壓或兩者共同作用，使所焊材料達(dá)到原子間結(jié)合，實現(xiàn)永久性連接的工藝。焊接途徑：1加熱 2加壓焊接本質(zhì)：原子間結(jié)合 焊接的結(jié)果：永久性連接2， 焊接接頭的組成： 是指被焊材料經(jīng)焊接后，發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域， 焊縫；融合區(qū)；熱影響區(qū)。1） 焊縫：是由被焊材料和添加材料經(jīng)融化凝固后形成。2） 熱影響區(qū)：是指受焊接熱循環(huán)的作用，使母材發(fā)生微觀組織和性能變化的區(qū)域。3） 融合區(qū)：是部分熔化的母材和部分未熔化的母材所組成的區(qū)域。3焊接熱循環(huán)：1）概念：在焊接過程中，某點(diǎn)工件上的溫度隨時間由低到高達(dá)到極值后，又由高到低的變化過程。 2）主要

2、參數(shù)：加熱速度Vh，描述工件溫度上升快慢。 峰值溫度Tm，是熱循環(huán)曲線上對應(yīng)的最高溫度。 高溫停留時間Th，在某一較高溫度以上的停留時間。 冷卻速度或冷卻時間Vc，T8、53） 熱循環(huán)的特點(diǎn)：1，加熱速度非?？?；2，峰值溫度高；3，高溫停留時間短；4，冷卻速度快；5，加熱具有局部性和移動性。第一章 焊接化學(xué)冶金1， 焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)1） 藥皮反應(yīng)區(qū)：指開始化學(xué)反應(yīng)的溫度到藥皮溶解（1001200），主要反應(yīng)有水分的蒸發(fā)，某些物質(zhì)的分解及鐵合金氧化。2） 溶滴反應(yīng)區(qū)：溶滴形成，長大，過度到熔池的過程。主要反應(yīng)有氣體的溶解和分解，金屬的蒸發(fā)，金屬和合金的氧化還原，以及焊縫金屬的合金化。 溶滴反

3、應(yīng)區(qū)特點(diǎn)：1，反應(yīng)溫度高；2，反應(yīng)時間短；3，相接觸面積大；4，溶滴金屬與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合。3） 熔池反應(yīng)區(qū)：特點(diǎn)：1，反應(yīng)溫度略低；2，反應(yīng)時間增長；3，反應(yīng)具有不同步性； 4，熔池反應(yīng)具有攪動作用。2焊接熔渣及其性質(zhì)1） 熔渣的作用：1，機(jī)械保護(hù)作用；2，冶金處理作用；3，改善焊接工藝性能。2） 熔渣的種類和成分：1鹽型熔渣：由金屬的鹵化物和不含氧的化合物組成。 2鹽氧化物型熔渣：由金屬的氟化物和氧化物組成。 3氧化物型熔渣：由各種金屬氧化物組成3焊接熔渣對金屬的氧化1） 置換氧化：是指被焊金屬與其他金屬或非金屬氧化物發(fā)生的置換反應(yīng)而導(dǎo)致的氧化。2） 擴(kuò)散氧化：是指熔渣中的氧化物通過擴(kuò)散

4、進(jìn)入被焊金屬而使焊縫增氧。（滿足分配 定律）4焊縫金屬的脫氧1） 先期脫氧：指焊條藥皮中的脫氧劑與分解出的氧化性氣體發(fā)生的反應(yīng).2） 沉淀脫氧（影響最大，最主要）：是利用溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑，將被焊金屬及其合金從其氧化物中還原出來，并使脫氧產(chǎn)物浮到熔渣中去。 1錳脫氧：在酸性渣中，酸性氧化物sio2，tio2較多，易與堿性氧化物復(fù)合，形成復(fù)合氧化物。故在酸性渣中，利用錳脫氧效果好。2硅脫氧：在堿性渣中，硅脫氧效果好。 單獨(dú)用硅脫氧：sio2的熔點(diǎn)高，粘度大，難以聚合為大尺度質(zhì)點(diǎn)，故不利上浮。 3硅錳聯(lián)合脫氧：3） 擴(kuò)散脫氧：服從分配定律。5氮對焊接質(zhì)量的影響：1，促進(jìn)焊縫氣孔的形成：與氮在

5、固液相溶解度差非常大有關(guān)。 2，改變焊縫的力學(xué)性能：提高強(qiáng)度，降低塑性韌性。 3，引起焊縫的時效脆化：與焊縫中飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)有關(guān)。 氮的控制：1）加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)，防止空氣的侵入。 2）采用合理的焊接工藝：短弧焊，增大焊接電流，直反接。 3）冶金脫氧。6氫對焊接質(zhì)量的影響：1，暫態(tài)：白點(diǎn)，氫脆 2，永久現(xiàn)象：氣孔，裂紋7氧對焊接質(zhì)量的影響：1，降低焊縫的力學(xué)性能；2,形成co氣孔；3，焊接飛濺大。第二章 焊接接頭的組織和性能1聯(lián)生結(jié)晶和競爭生長 1聯(lián)生結(jié)晶：熔池邊界開始，以未融化的母材晶粒為形核核心，向焊縫中心生長，形成于母材晶粒相同取向的柱狀晶，成為聯(lián)生結(jié)晶。 2競爭生長（擇優(yōu)生長）

6、:當(dāng)晶體晶粒取向與最大溫度梯度一致時。2焊縫的相變組織（低合金鋼）：1）鐵素體組織：1先共析鐵素體；2側(cè)板條鐵素體；3針狀鐵素體；4細(xì)晶鐵素體2）珠光體p3）貝氏體：1上貝氏體；2下貝氏體；3粒狀貝氏體和條狀貝氏體4）馬氏體：1條狀馬氏體；2片狀馬氏體3焊縫組織和性能的控制1， 錳和硅的作用（脫氧元素，強(qiáng)化元素）對于錳硅系的焊縫，當(dāng)錳硅含量較低時形成的是先共析鐵素體，強(qiáng)度低韌性差。 當(dāng)錳硅含量較高時形成的是側(cè)板條鐵素體，韌性差。 當(dāng)錳硅含量適中時形成的是針狀鐵素體，良好的強(qiáng)韌性。2， 鈦和硼的作用（細(xì)晶元素）細(xì)化機(jī)理：1，Ti與O，N形成TiO，TiN質(zhì)點(diǎn)，可作為AF非均質(zhì)形核的核心，促進(jìn)AF

7、的形成。2，這種顆粒（高熔點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)）在結(jié)晶過程中，釘扎晶粒邊界阻止奧氏體晶體的長大。3，Ti保護(hù)B不被氧化和N化，使N偏聚于晶界，降低晶界能阻礙GBF和 FSP的形成。4焊接熱影響區(qū)的組織分布（不易淬火鋼熱影響區(qū)的組織分布和性能）1， 過熱區(qū) 鄰近融合區(qū)，由于加熱溫度高，金屬嚴(yán)重過熱，一些難溶的碳化物和氮化物溶入奧氏體中，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大冷卻后主要得到粗大的鐵素體和珠光體，甚至在熱輸入大或高溫停留時間長時出現(xiàn)魏氏組織。2， 完全重結(jié)晶區(qū) 鐵素體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，發(fā)生重結(jié)晶，冷卻后得到細(xì)小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于正火處理，故也稱為正火區(qū)。3， 不完全重結(jié)晶區(qū) 在此區(qū)域內(nèi)只有珠光體到奧氏體，

8、鐵素體不發(fā)生相變，發(fā)生長大，冷卻后得到細(xì)小的鐵素體和珠光體加粗大的鐵素體，故此區(qū)域組織部均勻，晶粒大小不一，性能不均勻。4， 在結(jié)晶區(qū) 發(fā)生再結(jié)晶，由冷作變形后拉長的晶粒回復(fù)為等軸晶粒，使強(qiáng)度降低，塑性韌性改善。5焊接熱影響區(qū)的脆化問題1，粗晶脆化：由于晶粒長大而發(fā)生韌性下降的現(xiàn)象。 影響因素：1熱輸入和能量密度；2母材的化學(xué)成分（C，N能減小粗化現(xiàn)象）2，組織脆化：形成淬硬組織而使性能下降。 影響因素：1冷卻速度；2熱輸入 3， 時效脆化：1熱應(yīng)變時效脆化：由于承受熱應(yīng)變而引起碳，氮原子向位錯移動，經(jīng)一定時間的聚集，在位錯周圍形成對位錯產(chǎn)生釘扎作用的“柯氏”氣團(tuán)，從而造成該區(qū)域的脆化，既所謂

9、的熱應(yīng)變時效脆化。 2相析出時效脆化：由于快速冷卻造成了碳和氮的過飽和而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)一定時間的時效后，在晶界析出對位錯運(yùn)動產(chǎn)生阻礙作用的碳化物和氮化物沉淀相，從而造成熱影響區(qū)的脆化，既所謂的相析出時效脆化。第三章 焊接缺陷及其控制1偏析的種類：1顯微偏析：在晶粒尺度上發(fā)生的成分不均勻現(xiàn)象。 2區(qū)域偏析：是指在焊縫內(nèi)存在的成分不均勻現(xiàn)象。 3層狀偏析：是由于結(jié)晶過程周期性變化所導(dǎo)致的成分呈層狀分布的不均勻現(xiàn)象。2夾雜的形成及控制 1夾渣 2反應(yīng)生成的夾雜物 1）氧化物：是由于熔池脫氧反應(yīng)不充分形成的，當(dāng)以連續(xù)的片狀分布于晶界時，引起熱裂紋。2）氮化物：從過飽和的固溶體中析出，一針狀分布于晶

10、?；蜇灤┚Ы?，使焊縫韌性下降。3）硫化物：FeS，引起熱裂紋；MnS，常用Mn脫硫。 夾雜的控制 1，合理選用焊接材料，充分脫氧，脫硫。2， 選用合適的焊接參數(shù)，以利于熔渣充分浮出。3， 多層焊時，注意清除前一層焊縫焊渣。4， 焊條要適當(dāng)擺動，以利于熔渣浮出。5， 注意保護(hù)熔池，防止空氣侵入。3氣孔的形成機(jī)制 1）氣泡的生核；2）氣泡的長大；3）氣泡的上浮4氣孔的防止措施 1）消除氣體來源。1加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)；2對焊材防潮和烘干；3清除油污，鐵銹，氧化膜。2）正確選用焊接材料。1適當(dāng)調(diào)節(jié)氧化性；2焊接有色金屬是適當(dāng)加氧化性氣體；3CO2焊，焊絲加入足夠的脫氧劑。3）控制焊接工藝條件。1保持電流

11、穩(wěn)定性；2直流反接，短弧焊；3鋁合金TiG焊，盡量采用小的焊接熱輸入，MiG焊時，采用大的熱輸入。5焊接熱裂紋 1）特征：產(chǎn)生于固液溫度區(qū)間，多數(shù)出現(xiàn)于焊縫，少量出現(xiàn)在熱影響區(qū)中，斷口貫穿表面，且有氧化色彩。2）熱裂紋種類：1結(jié)晶裂紋；2高溫液化裂紋；3多邊化裂紋1結(jié)晶裂紋：在焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于固態(tài)金屬收縮，殘余液態(tài)金屬不足，不能填充收縮留下的空間，在拉應(yīng)力的作用下，發(fā)生的沿晶開裂。2高溫液化裂紋：在融合線的HA區(qū)或多層焊的層間部分，若被焊金屬含有較多的低碳共晶，在熱循環(huán)峰值溫度作用，低熔共晶重新融化，在拉應(yīng)力的作用下，沿晶發(fā)生開裂。3多邊化裂紋：當(dāng)焊縫融合區(qū)溫度處于固相線略低

12、的高溫區(qū)間時，剛結(jié)晶的金屬存在很多晶格缺陷，在一定溫度和應(yīng)力作用一下，這些晶格缺陷發(fā)生轉(zhuǎn)移和聚集，形成類似于晶界的二次邊界，由于邊界上堆積著大量的晶格缺陷，其組織脆弱，塑性很差，只要有輕微的拉伸應(yīng)力，就會沿多變化的邊界開裂，形成多邊化裂紋。6焊接冷裂紋 1）特征：溫度在MS附近，多數(shù)在熱影響區(qū)，少數(shù)在焊縫，裂紋沿晶，穿晶或混合斷裂，具有平齊的光亮斷口。3） 分類：1延遲裂紋；2淬硬脆化裂紋；3低塑性脆化裂紋 1延遲裂紋：不是焊后立即出現(xiàn)，具有一定的孕育期。 2淬硬脆化裂紋：與淬硬組織有關(guān)，一些淬硬傾向大的鋼種，焊接冷卻時，由于形成硬淬的馬氏體組織在外力作用下開裂。 3低塑性脆化裂紋：與材料本身

13、性質(zhì)有關(guān)。7結(jié)晶裂紋的形成與控制1,形成機(jī)理：再結(jié)晶過程中，經(jīng)歷液，液固，固液，固四個階段。在固液階段， 由于已結(jié)晶的固體占主要部分，使尚未結(jié)晶的液體金屬被排擠到晶粒之間，并以共晶體的形式呈薄膜狀分布，此時若受到拉伸應(yīng)力作用，由于共晶相本身抗變形能力差，在晶粒尚未發(fā)生塑性變形時，就沿晶界開裂，形成結(jié)晶裂紋。2防止結(jié)晶裂紋的措施 1）冶金因素：1嚴(yán)格控制母材和焊材當(dāng)中的雜質(zhì)材料。 2改善焊縫金屬的結(jié)晶組織。形成較小的等軸晶， 3限制融合比 限制母材中的雜質(zhì)進(jìn)入焊縫 4利用愈合作用，防止結(jié)晶裂紋。3） 應(yīng)力控制：1選擇合理的接頭形式。 2確定合理的焊接順序。 3確定合理的焊接參數(shù)。（預(yù)熱，小電流焊

14、）8延遲裂紋的形成與控制1形成機(jī)理：1）H的行為與作用 H的延遲開裂機(jī)理 H對開裂部位的影響 2）材料淬硬的影響 淬硬傾向越大，延遲裂紋傾向越大 3）接頭應(yīng)力分布狀態(tài)2延遲裂紋的防止措施1） 冶金因素：1改進(jìn)母材的化學(xué)成分 2從焊接材料來看，嚴(yán)格控制H的來源 3提高焊縫韌性 4采用低H的焊接材料和焊接方法2） 工藝措施：1適當(dāng)?shù)念A(yù)熱 2嚴(yán)格控制焊接熱輸入 3焊后進(jìn)行低溫?zé)崽幚恚摎涮幚恚?4采用多層多道焊 5合理的安排焊接順序第四章 焊接材料的組成及作用1焊條的組成及作用1） 焊芯的作用：1傳到電流，維持電弧燃燒；2本身熔化，形成焊縫的填充金屬。2） 藥皮的作用：1機(jī)械保護(hù)作用;2冶金處理作用

15、；3工藝性能改善作用。2藥芯焊絲的工藝特性1） 焊接飛濺小2） 焊縫成形美觀3） 熔敷效率高、4） 可進(jìn)行全位置焊接第五章 焊接性及其實驗方法1焊接性的概念 焊接性是金屬材料是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接頭的特性。 可分為1工藝焊接性，2使用焊接性2焊接性實驗內(nèi)容1） 評價焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力。2） 評價焊縫和熱影響區(qū)金屬抵抗冷裂紋的能力。3） 評價焊接接頭抵抗脆性轉(zhuǎn)變的能力。4） 評價焊接接頭的使用能力。3碳當(dāng)量概念 在各種元素中，碳對淬硬及冷裂影響最顯著，所以有人將各種元素的作用按照相當(dāng)于若干含碳量的作用折合并疊加起來，求的所謂的“碳當(dāng)量”Ceq；Ceq越

16、小，焊接性越好。第六章 低合金高強(qiáng)鋼的焊接1熱軋鋼和正火鋼的焊接性分析1）熱裂紋敏感性 由于含碳量低，焊錳量高，錳硫比大，能夠有效地防止熱裂紋的產(chǎn)生，熱裂紋敏感性低。2）冷裂紋敏感性 1熱軋鋼：由于合金元素含量低，含碳量少，淬硬傾向低，一般不會發(fā)生。 2正火鋼：由于合金元素含量增加，淬硬傾向有所提高，強(qiáng)度級別及碳含量低的正火鋼冷裂紋敏感性較低，但隨著碳當(dāng)量及板厚的增加，有一定的冷裂紋敏感性。3）再熱裂紋 1熱軋鋼：焊后熱處理過程中無碳化物析出現(xiàn)象，對在熱裂紋不敏感。 2正火鋼：在焊后熱處理過程中有少量的碳化物析出，具有輕微的在熱裂紋敏感性。4）層狀撕裂 與鋼種無關(guān)。當(dāng)板厚小于16時，無層狀撕裂

17、敏感性； 當(dāng)板厚大于16時，且存在條形的雜質(zhì)分布時具有層狀撕裂敏感性5） 焊接接頭的脆化 1過熱區(qū)脆化 熱軋鋼：當(dāng)E過大時，過熱區(qū)晶粒長大或出現(xiàn)魏氏組織而韌性下降；當(dāng)E過小時，因冷速過快，使馬氏體組織的含量增加，而韌性下降。正火鋼過熱區(qū)脆化的原因：由于過熱區(qū)的溫度接近于熔點(diǎn)，使難熔的氮化物和碳化物溶于奧氏體當(dāng)中，并使奧氏體脆化，冷卻時，Ti，V來不及析出而保留在鐵素體當(dāng)中，使鐵素體硬度升高，韌性下降。 當(dāng)E過大時，因晶粒長大，以及Ti,V溶解，導(dǎo)致鐵素體硬度增加塑性下降； 當(dāng)E過小時，可避免Ti，V的溶入，同時由于形成的馬氏體為低碳馬氏體，故過熱區(qū)脆化傾向降低。2熱應(yīng)變脆化（由固溶N引起）20

18、0400最嚴(yán)重 當(dāng)剛中加入氮化物形成元素時，可降低熱應(yīng)變脆化。2低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性分析1） 熱裂紋敏感性：由于低碳調(diào)質(zhì)鋼中，S,P含量控制嚴(yán)格，含Mn量高，錳硫比大，一 般情況下，熱裂紋敏感性小;對于以下高N，低Mn的低碳調(diào)質(zhì)鋼，具有一定的熱裂紋傾向。2） 冷裂紋敏感性：該鋼種是在低碳鋼的基礎(chǔ)上加入多種合金，提高淬透性，獲得高的 強(qiáng)韌性，由于獲得的是Ms高的低碳馬氏體，能進(jìn)行自回火，故采用合適的焊接工藝可避免。3） 再熱裂紋：由于該鋼種加入了許多Cr，Mo，V，Nb，Ti，B合金元素，會引起再熱裂紋，其中V的作用最大，Mo次之。4） 層狀撕裂：厚板，剛度大的結(jié)構(gòu)時，層狀撕裂的敏感性大于正火鋼。

19、5） 熱影響區(qū)的性能變化1過熱區(qū)的脆化 控制冷卻速度，若快冷，全部為馬氏體；若慢冷，出現(xiàn)上貝氏體或粗晶脆化2熱影響區(qū)的軟化第七章 不銹鋼及耐熱鋼的焊接1不銹鋼的腐蝕形式 1）均勻腐蝕；2）點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕；3）晶間腐蝕；4）應(yīng)力腐蝕2不銹鋼的焊接性分析一、焊接接頭的耐腐蝕性能分析1）晶間腐蝕 1焊縫區(qū)的晶間腐蝕：18-8奧氏體鋼焊縫的晶間腐蝕，通常在多層多道焊的層間部位。 防止措施：1）選擇超低碳或添加鈦鈮等固碳元素的焊接材料。1） 調(diào)整焊縫成分獲得一定量的#相。2） 減小敏化溫度的停留時間。3） 進(jìn)行固溶處理，10501150高溫，固溶處理。 2熱影響區(qū)的晶間腐蝕 6001000溫度之間 3熔

20、合區(qū)的晶間腐蝕（刀狀腐蝕）3） 點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕 1點(diǎn)蝕：奧氏體不銹鋼和雙向鋼具有點(diǎn)蝕傾向 。產(chǎn)生位置：熔合區(qū)，由于化學(xué)成分不均勻；焊縫中心，與Cr，Mo的偏析有關(guān)。 2應(yīng)力腐蝕：起始部位是點(diǎn)蝕，具有分支特征，裂紋尖端較銳利，無明顯塑性變形。 微觀上，奧氏體鋼穿晶斷裂呈河流花樣；鐵素體鋼多為沿晶斷裂呈冰糖花樣。 雙相鋼比單向奧氏體鋼更有耐應(yīng)力腐蝕性能。 二、焊接接頭的裂紋分析 1）熱裂紋（奧氏體鋼為主） 原因：1奧氏體鋼的熱導(dǎo)率小，線性膨脹系數(shù)大，產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力。 2奧氏體鋼焊接時，容易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶，可形成連續(xù)的晶間液膜。 3奧氏體鋼成分復(fù)雜（SP雜質(zhì)元素），易形成偏析，有利低熔共晶形成。2） 冷裂紋（以馬氏體鋼的焊接接頭為主）防