金屬熔焊原理整本書(shū)課件完整版電子教案(最新)

1、主講：葉克力金屬熔焊原理 例如：天上飛的：緒 論 近一百年來(lái)，焊接已成為應(yīng)用最廣的工藝之一。在20世紀(jì)，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應(yīng)用規(guī)模和多樣化方面能與焊接相比的工藝。當(dāng)代許多最重要的技術(shù)問(wèn)題必須采用焊接才能解決，而且接頭要在各種條件，甚至極限條件下工作。水上游的：地上跑的：雄偉的鳥(niǎo)巢體育館三峽電機(jī)定子座 實(shí)質(zhì)：達(dá)到原子之間的結(jié)合（金屬晶格距離：0.30.5nm）由于表面狀態(tài)的影響，不通過(guò)加熱或加壓，工件之間是難以自然達(dá)到原子之間的結(jié)合的。1、焊接(Welding)及其本質(zhì)通過(guò)加壓、加熱或兩者并用；用或不用填充材料；使金屬間達(dá)到原子結(jié)合的一種加工方法。使工件的材質(zhì)達(dá)到原子間的結(jié)合，有兩

2、種方法：加熱：結(jié)合處達(dá)到塑性或熔焊狀態(tài)、降低變形阻力、增加原子的振動(dòng)能加壓：破壞接觸表面氧化膜、增加有效面積焊接的基本分類：熔化焊、壓焊和釬焊什么是壓焊？什么是釬焊？什么是熔化焊？加熱壓力焊釬料加壓熔化焊釬焊焊接接頭示意圖1焊縫；2熔合區(qū)；3熱影響區(qū)；4母材焊接接頭的組成：焊縫 + 熔合區(qū) + 熱影響區(qū)焊接經(jīng)歷的過(guò)程TM金屬的熔化溫度（液相線）TS金屬的凝固溫度（固相線）A1鋼的A1轉(zhuǎn)變點(diǎn) T0初始溫度焊接部位須經(jīng)歷加熱-熔化-冶金反應(yīng)-凝固結(jié)晶-固態(tài)相變-形成焊接接頭學(xué)習(xí)任務(wù)與技能掌握內(nèi)容 焊接熱源及對(duì)焊件的作用 焊縫金屬的組織和性能 焊接化學(xué)冶金過(guò)程 焊接接頭的組織與性能 焊接缺陷的產(chǎn)生與

3、控制和焊接材料本課程的目的和要求1了解焊接的實(shí)質(zhì)，能從理論上說(shuō)明焊接與其他金屬連接方式的本質(zhì)區(qū)別。2熟悉常用焊接熱源；了解熔焊時(shí)焊件上溫度變化的規(guī)律；了解焊接條件下金屬所經(jīng)歷的化學(xué)、物理變化過(guò)程；理解焊接時(shí)保護(hù)的重要性。3掌握焊接接頭在形成過(guò)程中其成分、組織與性能變化的基本規(guī)律；了解改善焊縫和焊接熱影響區(qū)組織和性能的主要措施。4掌握焊接冶金過(guò)程中，常見(jiàn)缺陷的特征、產(chǎn)生條件及其影響因素；能根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際條件分析缺陷產(chǎn)生的原因，提出防止措施。5掌握各種焊接材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍；能根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際條件正確選擇和使用常用的焊接材料。 思考與練習(xí)1 什么是焊接？焊接的實(shí)質(zhì)是什么？2 焊接分為幾類？各有何特

4、點(diǎn)？3金屬熔化焊的一般過(guò)程是什么？第一章 焊接熱源及其對(duì)焊件的作用第一節(jié) 焊接熱源 常用的焊接熱源第二節(jié) 焊接熱循環(huán) 概念、基本參數(shù)、特點(diǎn)第三節(jié) 焊接溫度場(chǎng) 概念、影響因素第一節(jié) 焊接熱源及應(yīng)用 熔焊的發(fā)展過(guò)程，某種意義上講也可以說(shuō)是焊接熱源的發(fā)展過(guò)程。 1885年 碳弧焊 1891年 金屬極電弧焊 20世紀(jì)初 薄皮焊條電弧焊和氧乙炔氣焊 30年代 厚皮焊條電弧 40年代 埋弧焊和電阻焊 50年代 CO2氣體保護(hù)焊和電渣焊 60年代 電子束焊和等離子弧焊與切割 70年代 激光焊接及切割 80年代 完善電子束焊和激光焊 太陽(yáng)能、微波等電弧熱：利用氣體介質(zhì)中放電過(guò)程所產(chǎn)生的熱能化學(xué)熱：助燃和可燃?xì)?/p>

5、體（氧、乙炔）的燃燒火焰或鋁、鎂熱劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)電阻熱：電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱電子束焊：高壓高速運(yùn)動(dòng)的電子在真空中猛烈轟擊金屬局部表面，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能激光焊：受激輻射而使放射增強(qiáng)的光，經(jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激光束。等離子弧焊：電弧放電或高頻放電產(chǎn)生高度電離的離子流焊接熱源滿足焊接條件的熱源：摩擦熱：機(jī)械摩擦而產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源電阻焊接過(guò)程等離子弧焊電子束焊高頻熱焊接的發(fā)展趨勢(shì)：焊接技術(shù)逐步向高效率、高質(zhì)量、低成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、降低能耗的方向發(fā)展。作為焊接熱源應(yīng)當(dāng)是：能量高度集中、快速實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程，并保證得到致密而強(qiáng)韌的焊縫和最小的熱影響區(qū)。焊接熱源熱源的性能不僅影響焊接質(zhì)量，而且對(duì)

6、焊接生產(chǎn)率有著決定性作用。 焊接熱源的主要特征 熱源的性能不僅影響焊接質(zhì)量，而且對(duì)焊接生產(chǎn)率有著決定性的作用。先進(jìn)的焊接技術(shù)要求熱源能夠進(jìn)行高速焊接，并能獲得致密的焊縫和最小的加熱范圍。焊接熱源的特征主要從最小加熱面積、最大功率密度及焊接達(dá)到的溫度三個(gè)方面加以體現(xiàn)。1.最小加熱面積 即在保證熱源穩(wěn)定的條件下加熱的最小面積。2.最大功率密度 即熱源在單位面積上的最大功率。在功率相同時(shí)，若熱源加熱面積越小，則功率密度越大，說(shuō)明熱源的集中性越好。3.在正常焊接參數(shù)下能達(dá)到的溫度 溫度越高，則加熱速度越高，因而可用來(lái)焊接高熔點(diǎn)金屬，具有更寬的應(yīng)用范圍。熱效率：焊接熱源的利用率有效熱功率：母材和填充金屬

7、所吸收的熱量P=P0=UI焊接熱效率不同焊接方法的值功率有效系數(shù)焊接熱能的傳遞熱能傳遞的基本方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種。熱傳導(dǎo)是指物體內(nèi)部或直接接觸的物體間的熱傳遞。熱傳導(dǎo)一般發(fā)生于固體內(nèi)部。在金屬內(nèi)部，傳導(dǎo)是熱交換的唯一形式。對(duì)流是指由運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)來(lái)傳遞熱能的方式，它是利用不同溫度區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的密度不同來(lái)進(jìn)行的。熱對(duì)流通常發(fā)生于流體內(nèi)部。輻射是指受熱物體表面直接向外界發(fā)射電磁波來(lái)傳遞熱能的方式。熱輻射過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化形式是熱能輻射能熱能。焊接熱循環(huán)：在焊接熱源作用下，焊件上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程。 焊接熱循環(huán)是描述焊接過(guò)程中熱源對(duì)被焊金屬的熱作用。距焊縫不同距離的各點(diǎn)，所經(jīng)歷的熱循環(huán)不同。

8、距焊縫越近的點(diǎn)，加熱的最高溫度越高；越遠(yuǎn)的點(diǎn)，加熱的最高溫度越低。第二節(jié) 焊接熱循環(huán)加熱速度H 最高加熱溫度m 相變溫度以上 的停留時(shí)間tH 冷卻速度c (或冷卻時(shí)間t8 / 5) 焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)：相變組織晶粒大小多層焊熱循環(huán)： 在實(shí)際焊接中，厚板多采用多層焊接。多層焊實(shí)質(zhì)上是由許多單層焊接熱循環(huán)聯(lián)合在一起的綜合作用，同時(shí)相臨焊層之間彼此具有熱處理性質(zhì)。從提高焊接質(zhì)量來(lái)看，多層焊比單層焊更為優(yōu)越。 對(duì)后一焊道面言，前一焊道具有預(yù)熱作用，層間溫度相當(dāng)于預(yù)熱溫度； 對(duì)前一焊道來(lái)說(shuō)，后一焊道應(yīng)該起后熱作用，產(chǎn)生一定熱處理效果。長(zhǎng)段多層焊的焊接熱循環(huán)注意：淬硬傾向較大的鋼種，不適于長(zhǎng)段多層焊接。

9、相鄰各層之間有依次熱處理的作用。短段多層焊1點(diǎn)4點(diǎn)缺點(diǎn)：操作工藝十分繁瑣，生產(chǎn)率低，特殊情況才用。影響焊接熱循環(huán)的因素圖1-6 接頭與坡口形式對(duì)t800500的影響（圖中符號(hào)后面的數(shù)字表示板厚） 接頭形式不同，導(dǎo)熱情況存在差異。同樣板厚的T形接頭或角接接頭的冷卻速度是對(duì)接接頭的1.5倍。坡口相同，板厚增加時(shí)，冷卻速度隨之增大。接頭與坡口形式對(duì)t85（t800500）的影響如圖1-6所示。影響焊接熱循環(huán)的因素圖1-7 焊道長(zhǎng)度對(duì)不同溫度下冷卻速度的影響 在接頭形式與焊接條件相同時(shí)，焊道越短，其冷卻速度越高。焊道長(zhǎng)度小于40mm時(shí)，冷卻速度急劇提高，而且弧坑處的冷卻速度最高，約為焊縫中部的二倍，比

10、引弧端也要大20%左右。焊道長(zhǎng)度對(duì)冷卻速度的影響如圖1-7所示。調(diào)整焊接熱循環(huán)的措施常用的調(diào)整焊接熱循環(huán)的措施主要有：1.根據(jù)被焊金屬的成分和性能選擇合適的焊接方法。2.合理選用焊接工藝參數(shù)。3.采用預(yù)熱、焊后保溫或緩冷等措施降低冷卻速度。4.調(diào)整多層焊的焊道數(shù)，控制道間溫度。 第三節(jié) 焊接溫度場(chǎng)熱量傳遞的基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射 熱源傳遞到焊件：對(duì)流和輻射 母材、焊絲內(nèi)部：傳導(dǎo)焊接溫度場(chǎng)：某一瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)的溫度分布 等溫線或等溫面：把焊件上瞬時(shí)溫度相同的各點(diǎn)連接在一起。 各等溫線或等溫面彼此間不能相交，存在一定的溫度差。 影響焊接溫度場(chǎng)的因素：1、熱源的性質(zhì)：熱源的性質(zhì)不同，焊接溫度場(chǎng)的

11、分布也不同。2、焊接線能量：熱源功率P與焊接速度v之比（P/v） 物理意義：焊接熱源輸入給單位長(zhǎng)度焊縫的能量。3、比熱容(c)：1g物質(zhì)每升高1所需的熱c = dQ/dT焊接溫度場(chǎng)的類型：穩(wěn)定溫度場(chǎng)：焊接溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變動(dòng)。非穩(wěn)定溫度場(chǎng)：各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而變動(dòng)。準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：功率恒定的熱源在工件上作勻速直線運(yùn)動(dòng)焊接時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后焊接過(guò)程穩(wěn)定，就形成了一個(gè)與熱源作同步運(yùn)動(dòng)的不變溫度場(chǎng)。4、被焊金屬的熱物理性質(zhì)：熱導(dǎo)率（）、比熱容（c）、熱擴(kuò)散率(a)、熱焓（H）、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)()。 熱導(dǎo)率的物理意義：在單位時(shí)間內(nèi)，沿法線方向單位距離相差1時(shí)，經(jīng)過(guò)單位面積所傳遞的熱能。影響焊接溫度場(chǎng)的

12、因素：本章結(jié)束思考與練習(xí)1常用的焊接熱源有哪些？其主要特征是什么？2簡(jiǎn)述焊接熱作用的特點(diǎn)及對(duì)焊接質(zhì)量的影響3什么是焊接熱循環(huán)，焊接熱循環(huán)有何特點(diǎn)？4影響焊接熱循環(huán)的因素主要有哪些？調(diào)整焊接熱循環(huán)的主要措施是什么？5什么是焊接溫度場(chǎng)？影響焊接溫度場(chǎng)的主要因素有哪些？6用焊條電弧焊焊接Q235鋼時(shí)，如果選用焊接電流為160A，電弧電壓是25V，焊接熱輸入不超過(guò)28kJ/cm時(shí)，求此時(shí)焊接速度應(yīng)是多少（已知焊條電弧焊的熱效率為70）？7某鋼材在焊接過(guò)程中的熱輸入為25kJ/cm，如果用焊條電弧焊焊接，選用電弧電壓為24V，焊接速度為120mm/min，求此時(shí)焊接電流應(yīng)為多少（0.8）？ 第一節(jié) 焊條

13、、焊絲及母材的熔化第二節(jié) 焊縫金屬的一次結(jié)晶 第二章 焊縫的組織和性能第三節(jié) 焊縫金屬的二次結(jié)晶 第四節(jié) 焊縫組織和性能的改善焊條金屬的加熱 電阻熱：焊接電流通過(guò)焊芯時(shí)產(chǎn)生的電阻熱。電弧熱：焊接電弧傳給焊條端部的熱量。化學(xué)反應(yīng)熱：藥皮部分化學(xué)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量。 第一節(jié) 焊條、焊絲及母材的熔化圖2-1 焊接時(shí)沿焊條軸向（藥皮表面）上的溫度分布不銹鋼焊條，=5mm，I=190A，U=25V，電弧通過(guò)時(shí)間：110s、220s、330s、440s圖2-2 在焊條橫截面上的溫度分布t焊芯平均溫度 t1藥皮內(nèi)表面溫度 t2藥皮平均溫度 t3藥皮外表面溫度 藥皮厚度電阻熱：PR=I2RSRs=Ls/

14、S焊條電阻熱過(guò)大的不良影響：1、飛濺增加；2、藥皮開(kāi)裂或脫落，電弧燃燒不穩(wěn)定；3、藥皮喪失冶金作用；4、焊條發(fā)紅變軟，操作困難；5、焊縫成形變壞，甚至產(chǎn)生氣孔等缺陷。不銹鋼焊條焊接時(shí)，這種現(xiàn)象更為突出。嚴(yán)格限制焊芯和藥皮的加熱溫度，一般焊接終了時(shí)，焊芯的溫度不應(yīng)超過(guò)600650。熔滴上的作用力： 1. 重力2. 表面張力3. 電磁力4. 摩擦力 焊條金屬的過(guò)渡特性熔化極電弧焊（焊條電弧焊、CO2焊、MIG、MAG、埋弧焊）熔滴是指電弧焊時(shí)，在焊條（或焊絲）端部形成的向熔池過(guò)渡的液態(tài)金屬滴。熔滴通過(guò)電弧空間向熔池的轉(zhuǎn)移過(guò)程即熔滴過(guò)渡。熔滴的比表面積和作用時(shí)間：比表面積（S）：熔滴表面積（A）與其

15、質(zhì)量（V）之比，即S=A/V 。設(shè)熔滴是半徑為R的球體，則S=3/R。熔滴越細(xì)其熔滴比表面積越大，凡是能使熔滴變細(xì)的因素，都能加強(qiáng)冶金反應(yīng)。熔滴相互作用時(shí)間近似等于熔滴存在時(shí)間（0.011.0s），是很短暫的。熔滴過(guò)渡的形式：國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）對(duì)熔滴過(guò)渡形式分類：接觸過(guò)渡自由過(guò)渡渣壁過(guò)渡熔滴過(guò)渡的形式：圖2-4 熔滴的重力和熔滴的表面張力示意圖F1 -熔滴的重力 F2-熔滴的表面張力圖2-5 通有同方向電流的兩根導(dǎo)線的相互作用力圖2-6 磁力線在熔滴上的壓縮作用p 電磁壓縮力圖2-7 斑點(diǎn)壓力阻礙熔滴過(guò)渡的示意圖2-8焊條藥皮形成的套筒示意圖熔池的形狀類似于不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球，其輪廓為溫度等于

16、母材熔點(diǎn)的等溫面。熔池的寬度和深度沿X軸連續(xù)變化。電流增加熔池的最大寬度（Bmax）略增，最大深度（Hmax）增大；隨電弧電壓的增加， Bmax增大， Hmax減小。一、熔池的形狀和尺寸焊接熔池的形成 熔焊時(shí)，母材上由熔焊的焊條金屬與局部熔化的母材所組成的具有一定幾何形狀的的液體金屬叫熔池。如焊接時(shí)不填充金屬，則熔池僅由局部熔化的母材組成。 熔池質(zhì)量和存在時(shí)間 與熔滴階段相比，熔池的比表面積要小，在(0.313)10-3m2/kg間；熔池中各物化反應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)，在幾s到幾十s之間。 tmax=L/v熔池存在時(shí)間長(zhǎng)久的利與弊：利：有利用氣泡、熔渣的浮出，合金化均勻等。弊：焊接接頭過(guò)熱，組織晶粒容易

17、粗大，韌性值下降。 熔池溫度 特點(diǎn)：中心溫度高、周邊溫度低，頭部溫度高、尾部溫度低。 熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng) 構(gòu)成熔池強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)的原因是什么呢？1、液態(tài)金屬密度差引起自由對(duì)流運(yùn)動(dòng)；2、表面張力差強(qiáng)迫對(duì)流運(yùn)動(dòng)；3、熔池中各種機(jī)械力攪拌。熔池運(yùn)動(dòng)對(duì)焊接質(zhì)量的影響：1、使熔化的母材和焊條金屬很好的混合，形成成分均勻的焊縫金屬；2、有利于氣體和非金屬夾雜物的外溢，加速冶金反應(yīng)，消除焊接缺陷（氣孔），提高焊接質(zhì)量。3、液態(tài)金屬與母材交界處，運(yùn)動(dòng)受限制，化學(xué)成分不均勻。焊縫金屬的熔合比熔合比：熔焊時(shí)，局部熔化的母材在焊縫金屬中所占的百分比。A熔化的母材B填充金屬圖2-11 不同接頭形式焊縫橫截面積的熔透情況圖

18、2-12 接頭形式與焊道層數(shù)對(duì)熔合比的影響I表面堆焊 IIV形坡口對(duì)接 IIIU形坡口對(duì)接（奧氏體鋼、焊條電弧焊）熔合比對(duì)焊縫金屬成分的影響一般情況下，焊縫金屬是由填充金屬與局部熔化的母材組成的。當(dāng)焊縫金屬的熔合比變化時(shí)，其焊縫金屬的成分必然隨之改變。假設(shè)焊接時(shí)合金元素沒(méi)有任何損失，則這時(shí)焊縫金屬中的合金元素B的含量與熔合比的關(guān)系為：wBwB（1-）wB式中 wB 元素B在焊縫中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wB 元素B在母材中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wB 元素B在焊條中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 熔合比。第二節(jié) 焊縫金屬的一次結(jié)晶焊接熔池結(jié)晶的特點(diǎn) 1焊接熔池的體積小 2焊接熔池的溫度極不均勻3焊接熔池的冷卻速度高 4熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下

19、結(jié)晶5. 焊接熔池的結(jié)晶以熔化母材為基礎(chǔ)圖2-13 焊縫金屬的一次結(jié)晶過(guò)程 圖2-14 熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)結(jié)晶焊接熔池結(jié)晶過(guò)程 圖2-15 熔合區(qū)母材晶粒表面柱狀晶的形成圖2-16 奧氏體鋼焊縫的聯(lián)生結(jié)晶圖2-17 柱狀晶的選擇長(zhǎng)大Gmax最大溫度梯度圖2-18 焊縫一次結(jié)晶過(guò)程示意圖金屬的偏析焊縫中的偏析主要有顯微偏析、區(qū)域偏析和層狀偏析等三種形式。 圖2-19 顯微偏析示意圖圖2-20含碳量對(duì)碳鋼焊縫及鑄錠中硫、磷偏析的影響圖2-21 不同成形系數(shù)的焊縫區(qū)域偏析a）成形系數(shù)小 b）成形系數(shù)大a） b）圖2-22 焊縫的層狀偏析a）焊條電弧焊 b）電子束焊a） b）圖2-23 層狀偏析造成的氣孔

20、 a）橫截面 b）縱截面a） b）第三節(jié) 焊縫金屬的二次結(jié)晶 熔池凝固后得到的組織是一次結(jié)晶組織，對(duì)大多數(shù)鋼來(lái)說(shuō)是高溫奧氏體。隨著連續(xù)冷卻過(guò)程的進(jìn)行，高溫奧氏體還要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變即固態(tài)相變，也稱二次結(jié)晶。二次結(jié)晶得到的組織即為室溫組織，或稱二次組織。二次組織對(duì)焊縫的性能起決定性作用。低碳鋼焊縫的固態(tài)相變 由于低碳鋼焊縫含碳量較低，固態(tài)相變后的組織主要是鐵素體加少量珠光體。一般情況下，鐵素體首先沿奧氏體柱狀晶晶界析出，其晶粒十分粗大，當(dāng)冷卻至共析溫度以下過(guò)冷時(shí)，剩下的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。低合金鋼焊縫的固態(tài)相變 低合金鋼焊縫固態(tài)相變后的組織比低碳鋼焊縫的組織要復(fù)雜得多，隨母材、焊接材料及工藝條件的不

21、同而變化。固態(tài)相變除鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變外，還有可能出現(xiàn)貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變。第四節(jié) 焊縫組織與性能的改善 焊縫的性能取決于焊縫的化學(xué)成分與組織形態(tài)。構(gòu)成焊縫金屬的化學(xué)成分不同，其力學(xué)等性能就不一樣；具有相同化學(xué)成分的焊縫金屬，由于結(jié)晶組織的不同，在性能上也會(huì)有很大的差異。因此，改善焊縫的性能應(yīng)從調(diào)整化學(xué)成分和控制組織兩個(gè)方面入手。焊縫金屬的變質(zhì)處理 圖2-32 焊縫晶粒粗細(xì)對(duì)沖擊韌性的影響 1-細(xì)晶粒 2-粗晶粒振動(dòng)結(jié)晶 （1）低頻機(jī)械振動(dòng)（2）高頻超聲振動(dòng)（3）電磁振動(dòng)改善焊縫金屬二次組織的方法 1焊后熱處理2多層焊接3錘擊焊道或坡口表面4跟蹤回火本章結(jié)束思考與練習(xí)1. 什么是熔滴過(guò)渡？熔滴過(guò)

22、渡的形式有哪些？熔滴過(guò)渡的作用力有哪些？2什么是熔合比？影響熔合比的因素有哪些？它對(duì)焊縫金屬有何影響？3. 焊接熔池結(jié)晶的特點(diǎn)是什么？結(jié)晶過(guò)程有哪些？4. 什么是偏析？焊縫中的偏析主要有哪幾種？5. 焊縫二次結(jié)晶的組織特征是什么？6改善焊縫組織與性能的常用措施有哪些？第三章 焊接化學(xué)冶金過(guò)程一、焊接化學(xué)冶金的特殊性二、焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣三、焊接區(qū)氣體、熔渣與焊縫金屬的作用四、焊縫金屬的合金化 焊接化學(xué)冶金過(guò)程：熔化焊時(shí)，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過(guò)程。各種物質(zhì)：氣體、液態(tài)金屬、熔渣。任務(wù)防止或減少有害雜質(zhì)侵入 減少合金元素?zé)龘p 對(duì)熔化金屬進(jìn)行冶金處理焊接化學(xué)冶金主要研究在各種

23、焊接工藝條件下，冶金反應(yīng)和焊縫金屬成分、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。 第一節(jié) 焊接化學(xué)冶金的特殊性普通化學(xué)冶金過(guò)程和焊接化學(xué)冶金過(guò)程對(duì)比不同點(diǎn)：1）原材料不同 普冶材料：礦石、焦炭、廢鋼鐵等。 焊冶材料：焊條、焊絲、焊劑等。 2）目的不同 普冶：提煉金屬；焊冶：對(duì)金屬再熔煉，以滿足構(gòu)件性能 普通化學(xué)冶金過(guò)程是對(duì)金屬熔煉加工過(guò)程，放在特定的爐中進(jìn)行。 焊接化學(xué)冶金過(guò)程是金屬在焊接條件下，再熔煉的過(guò)程，焊接時(shí)焊縫相當(dāng)高爐。二者共同點(diǎn)：金屬冶煉加工。一、 焊接時(shí)的焊縫金屬保護(hù)1、焊縫金屬保護(hù)的必要性光焊絲焊接時(shí)會(huì)有哪些現(xiàn)象？1、含N量達(dá)0.105%0.218% 比焊絲中高2045倍2、含O量達(dá)0.1

24、4%0.72% 比焊絲中高735倍3、Mn、Si等有益元素因燒損和蒸發(fā)而減少電弧燃燒不穩(wěn)定 焊條粘鋼板 操作困難 工藝性不好塑性、韌性急劇下降！低碳鋼無(wú)保護(hù)焊時(shí)焊縫的性能光焊絲無(wú)保護(hù)焊接是沒(méi)有實(shí)用價(jià)值！2、保護(hù)的方式真空保護(hù)CO2焊、TIG焊、MIG焊埋弧焊、電渣焊焊條電弧焊、藥芯焊絲焊接真空電子束焊二、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)1、藥皮反應(yīng)區(qū)：指焊條受熱后，直到焊條藥皮熔點(diǎn)前發(fā)生的一些反應(yīng)。焊接方法不同，冶金反應(yīng)階段也不同。以焊條電弧焊為例1) 水分蒸發(fā)2) 某些物質(zhì)分解3) 鐵合金氧化 主要物理化學(xué)反應(yīng)：2）、熔滴反應(yīng)區(qū) 指熔滴形成、長(zhǎng)大、脫離焊條、過(guò)渡到熔池之前 特點(diǎn): ) 溫度高（2800）)

25、 與氣體、熔渣的比表面積大(103104cm/kg) 時(shí)間短速度快 ) 熔渣和熔滴金屬進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌、混合。主要物理化學(xué)反應(yīng)：金屬的蒸發(fā)、氣體的分解和溶解、金屬的氧化還原劑合金化。3、熔池反應(yīng)區(qū) 1、熔池溫度低于熔滴（16001900）2、比表面積?。?130cm2/kg ）3、時(shí)間長(zhǎng)（38s）4、攪拌沒(méi)有熔滴階段激烈5、熔池溫度分布不均勻特點(diǎn)：焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的特點(diǎn)：1、高溫多相反應(yīng)3、系統(tǒng)的不平衡性2、分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行本節(jié)結(jié)束第二節(jié) 焊接區(qū)內(nèi)的氣體和焊接熔渣一、焊接區(qū)氣體的來(lái)源二、焊接熔渣 來(lái)源： 1.焊接材料、保護(hù)氣體 2.熱源周圍的空氣 3.焊絲和母材表面上的氧化物、鐵銹、油污、油漆和吸

26、附的水份等雜質(zhì)。 4.物質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體 種類： 金屬及熔渣蒸氣一、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來(lái)源與組成1、有機(jī)物的分解和燃燒有機(jī)物種類：淀粉、纖維素和藻酸鹽作用：酸性焊條造氣劑和增塑劑分解：220 320 分解50%；800 完全分解分解產(chǎn)物：CO2、CO、H2氣體的產(chǎn)生碳酸鹽：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3) 2作用：焊條造氣劑分解：CaCO3 =CaO+CO2 MgCO3 =MgO+CO2 分解產(chǎn)物：CO2,CO高價(jià)氧化物：Fe2O3和MnO2 Fe2O3 = Fe3O4 +O2 Fe3O4 =FeO+ O2 分解產(chǎn)物： O2和低價(jià)氧化物FeO和MnO2、碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解氣體的產(chǎn)生

27、100 ：吸附水蒸發(fā)400 600 ：藥皮結(jié)晶水分解蒸發(fā)電弧高溫：金屬元素和熔渣中的各種成分發(fā)生蒸發(fā)，如Fe Mn及氟化物等3、物質(zhì)的蒸發(fā)及冶金反應(yīng)氣體的產(chǎn)生4、直接輸入或侵入(空氣、保護(hù)氣體)焊接熔渣一、熔渣的作用、成分和分類二、熔渣的結(jié)構(gòu)理論三、熔渣的堿度四、熔渣的物理性能 熔渣：電焊條藥皮、焊劑溶化形成的金屬及非金屬氧化物及復(fù)合物。 1、熔渣的作用 1)機(jī)械保護(hù)作用 2)冶金處理作用 3)改善工藝性能 熔渣的作用、成分及分類2、熔渣分類第一類 氧化型 CaO- TiO2-SiO2 氧化性強(qiáng) 低碳鋼、低合金鋼第二類 鹽氧化物型 CaF2 CaO-SiO2 氧化性小 合金鋼第三類 鹽型 Ca

28、F2-BaCl2-NaF 氧化性很小 有色金屬、高合金鋼 熔渣結(jié)構(gòu)理論 液態(tài)熔渣的結(jié)構(gòu)有兩種理論： 分子理論和離子理論 分子理論可簡(jiǎn)明的定性為解釋熔渣與金屬之間的冶金反應(yīng),但不能解釋一些重要現(xiàn)象，如導(dǎo)電性、電解等。 熔渣的堿度分子理論認(rèn)為熔渣中的氧化物按其性質(zhì)可分為三類1).酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O52).堿性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3 熔渣的堿度 堿度：表征熔渣堿度強(qiáng)弱的物理量堿度B=堿性氧化物摩爾量（%）/ 酸性氧化物的摩爾量（%）當(dāng)B1是為堿性渣，反之為酸性渣。 熔渣的物理性能 1、熔

29、渣的粘度 長(zhǎng)渣 短渣 溫度下降、粘度下降； 酸性氧化物（SiO2）使粘度增加；2、熔渣的表面張力 實(shí)際氣相與熔渣間的界面張力。 鍵能越大表面張力越大。3、熔渣的熔點(diǎn) 藥皮的熔點(diǎn) 要求熔渣的熔點(diǎn)與焊絲和母材的熔點(diǎn)相匹配本節(jié)結(jié)束4、熔渣的密度熔渣的密度必須低于焊縫金屬的密度5、熔渣的線膨脹系數(shù)影響脫渣性第三節(jié) 焊接區(qū)氣體、熔渣與焊縫金屬的作用 一、 氮與金屬作用 來(lái)源：主要是焊接區(qū)周圍的空氣。氮與金屬作用有兩種情況： 1、不與氮發(fā)生作用的金屬，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作為保護(hù)氣體。 （Cu、Ni） 2、與氮發(fā)生作用的金屬，即能溶解氮又能形成氮化物，這種情況下就要防止焊縫金屬的氮化。（Fe

30、、Ti、Mn、Si）氫、氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系1、氮在金屬中的溶解 1）原子N形式溶于液態(tài)金屬 2）以NO形式溶入 3）以氮離子（N+）形式溶入 2、氮對(duì)焊接質(zhì)量的影響 1) 氣孔 2) 力學(xué)性能變差3）時(shí)效脆化4) 有利一面 3、影響焊縫含氮量的因素及控制措施 1)機(jī)械保護(hù)：氣-渣保護(hù)、渣保護(hù)、氣體保護(hù)、抽真空。對(duì)于造渣型焊條：保護(hù)效果取決于藥皮的數(shù)量及成分 2)焊接工藝規(guī)范影響：3)焊絲成分的影響：增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫中的含氮量；加入親氮大的元素本節(jié)結(jié)束二、氫對(duì)金屬的作用 1、氫在金屬中的溶解 （1）來(lái)源： 焊條藥皮、焊劑、焊絲藥芯中水分，藥皮中有機(jī)物、焊件表面雜質(zhì)（銹

31、、油）、空氣中水分 第一類 能形成穩(wěn)定氫化物金屬 (Zr、Ti、V、Ta、Nb) 第二類 不形成穩(wěn)定氫化物的金屬 (Al、Fe、Ni、Cu、Cr)（2）氫在金屬中的溶解 焊接區(qū)的氫可以處于分子、原子和離子狀態(tài) 氫以原子形式溶入以 溶入 以 溶入 （3） 在鐵中溶解度的影響因素 Zr、Ti、Nb 提高氫的溶解度 Ni、Cr、Mo 影響不大 C、Si、B 降低 O能有效降低氫的溶解度 鋼的組織結(jié)構(gòu)氫、氮在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系2、焊縫金屬中的氫及其擴(kuò)散 擴(kuò)散氫：固溶在鋼焊縫中的氫原子和氫離子，由于半徑很小，可以在焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散。 殘余氫（剩余氫）：部分氫擴(kuò)散集聚到晶格缺陷、顯微裂紋和非

32、金屬夾雜等空隙中，結(jié)合成為氫分子，因?yàn)榘霃酱?，不能自由擴(kuò)散。 氫在焊接接頭中，既能在焊縫中擴(kuò)散，也能向近縫區(qū)擴(kuò)散，并能擴(kuò)散到近縫區(qū)相當(dāng)大的深度。在焊縫中，氫沿焊縫長(zhǎng)度方向的分布基本均勻，只是在弧坑處含氫量高，所以在弧坑處容易產(chǎn)生氫缺陷。在近縫區(qū)，熔合線處的含氫量高低影響到此接頭是否容易在此處產(chǎn)生冷裂紋。含氫量越高越容易產(chǎn)生冷裂，因?yàn)闅涞拇嬖谑墙宇^產(chǎn)生冷裂紋的三大因素之一 。焊縫中含氫量與焊后放置時(shí)間的關(guān)系1總氫量 2擴(kuò)散氫 3殘余氫3、氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響 暫態(tài)現(xiàn)象：脆化、白點(diǎn)、硬度升高 （經(jīng)時(shí)效、熱處理可消除） 永久現(xiàn)象：氣孔、改變組織、顯微斑點(diǎn)、 冷裂紋 （不可消除） （1）氫脆：氫在室溫附

33、近使鋼的塑性嚴(yán)重下降 的現(xiàn)象。 原因：由溶解在金屬晶格中的氫引起的在拉伸和彎曲過(guò)中，溶解在晶格中的原子氫沿位錯(cuò)方向擴(kuò)散和聚集成氫分子，在顯微空腔中產(chǎn)生很高的壓力，造成應(yīng)力集中，超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限。（2）白點(diǎn)：斷面上呈光滑的銀白色的斑點(diǎn) 焊縫產(chǎn)生白點(diǎn)，其延伸率顯著下降，尤其是斷面收縮率和沖擊韌性 產(chǎn)生原因：白點(diǎn)是在塑性變形階段產(chǎn)生的。鐵素體和奧氏體鋼焊縫不出現(xiàn)白點(diǎn)（3）氣孔 （4）冷裂紋氣泡的外逸速度小于焊縫金屬凝固速度焊接接頭冷卻到較低溫度時(shí)產(chǎn)生的裂紋4、控制氫的措施 （1）限制焊接材料的含氫量，藥皮成分 提高烘焙溫度、防潮 （2）嚴(yán)格清理工件及焊絲 去銹、油污、吸附水分 （3）冶金處理 降低氣

34、相中氫的分壓：在藥皮和焊劑中加入氟化物 控制焊接材料的氧化還原勢(shì) 加入微量稀土元素（4）控制焊接工藝參數(shù) （5）焊后脫氫處理 焊后把焊件加熱到一定的溫度，使氫擴(kuò)散 外逸的工藝三、氧對(duì)金屬的作用 1、氧在液態(tài)鐵中的溶解 （1）以原子O形式溶解 T，溶解度 （2）以FeO形式溶解 第二種合金元素，溶解度溫度的影響合金元素的影響2、金屬被氧化的途徑（1）氣相中氧化性氣體（O2、 CO2、 H2O ） 等與金屬相互作用 （2）氧化性熔渣與金屬相互作用 （3）焊件坡口和填充金屬表面上的氧化物與 金屬相互作用 3、自由氧對(duì)焊縫金屬的氧化Fe + 1/2O2 = FeO + 26.97 kJ/molFe +

35、 O = FeO + 515.76 kJ/molC + 1/2O2 = CO Mn + 1/2O2 = (MnO)Si + O2 = (SiO) 4、CO2對(duì)焊縫金屬的氧化CO2 = CO + 1/2O2Fe + CO 2= FeO + COCO2保護(hù)焊須采用含硅、錳高的焊絲5、H2O氣對(duì)焊縫金屬的氧化Fe + H2O氣 = FeO + H26、混合氣體對(duì)焊縫金屬的氧化7、氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響 （1）力學(xué)性能下降（2）導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生 （CO氣孔）（3）合金元素?zé)龘p（4）工藝性能變差 8、防止措施 一防二脫 焊接時(shí)的氧化還原反應(yīng)一、金屬的氧化反應(yīng) 擴(kuò)散氧化、置換氧化 二、脫氧反應(yīng) 沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧

36、 一、金屬的氧化反應(yīng)熔渣對(duì)焊縫金屬的氧化有兩種形式：擴(kuò)散氧化和置換氧化。1、擴(kuò)散氧化： 由熔渣向焊縫金屬擴(kuò)散而使焊縫增氧的過(guò)程。FeO既溶于熔渣又溶于液態(tài)鋼。L=(FeO)/FeO TL焊接溫度下，L12、置換氧化： 焊縫金屬與熔渣中容易分解的氧化物發(fā)生置換反應(yīng)而被氧化的過(guò)程。(SiO2) +2FeSi+2FeO(MnO)+Fe=Mn+ FeOT反應(yīng)向右進(jìn)行二、脫氧反應(yīng)1、脫氧的目的和選擇脫氧的原則目的：盡量減少焊縫中的含氧量。 一方面 防止被焊金屬的氧化， 另一方面 排除脫氧后的產(chǎn)物。2、脫氧物熔點(diǎn)低、密度小、不溶于液態(tài)金屬量。選擇脫氧劑的原則：1、在焊接溫度下，脫氧劑對(duì)氧的親和力比被焊金屬

37、的對(duì)氧的親和力大。 3、脫氧劑本身對(duì)焊縫金屬的性能及工藝性能無(wú)害作用脫氧反應(yīng)分區(qū)進(jìn)行：先期脫氧、沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧2、先期脫氧藥皮反應(yīng)區(qū)Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO3、沉淀脫氧 Mn的脫氧Mn+FeO=Fe+(MnO)Si的脫氧Si+2FeO (SiO2) +2FeSi/Mn聯(lián)合脫氧溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應(yīng)，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài)金屬。4、擴(kuò)散脫氧L=(FeO)/FeO TL在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的。本節(jié)結(jié)束四、焊縫金屬的脫硫、脫磷一、焊縫金屬的脫硫 S的危害、控制措施二、焊縫金屬的脫磷 P的危害、控制措施 硫的危害一、焊縫金

38、屬的脫硫低熔點(diǎn)共晶：Fe + FeS (985) FeS + FeO (940 ) NiS + Ni (644 )1.增加焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向；2.降低沖擊韌性和抗腐蝕性。S的存在形式：MnS、FeSFeS的存在形式危害最大控制硫的措施（1）限制焊接材料中含硫量 限制焊縫含硫量的關(guān)鍵。（2）用冶金方法脫硫脫硫反應(yīng)實(shí)質(zhì)：用某種元素（脫硫劑）與溶解在熔池中硫（或硫化物）生成在液態(tài)金屬中不溶解的產(chǎn)物，使其進(jìn)入熔渣或經(jīng)熔渣溢出。堿性焊條脫硫(堿性氧化物)(CaO)FeS(CaS)(FeO)(MnO)FeS(MnS)(FeO)脫硫劑： Mn+FeS=(MnS)+FeLgK=8220/T-1.86

39、T K 有利于脫硫(MgO)FeS(MgS)(FeO)錳、堿性氧化物二、焊縫金屬的脫磷1.磷的危害低熔點(diǎn)共晶：Fe3P + Fe(1050) Ni3P + Fe(880)1.增加焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向；2.降低沖擊韌性、脆性轉(zhuǎn)變溫度升高（脆化）。P的存在形式：Fe2P、Fe3P（1）限制焊接材料中含磷量 藥皮和焊劑中的錳礦是導(dǎo)致焊縫增磷的主要來(lái)源（2）脫磷反應(yīng) 2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)= (CaO)3.P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)= (CaO)4.P2O3+11Fe2.控制磷的措施a）FeO將磷氧化生成P2O5b）使之與渣中的堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷

40、酸鹽控制原材料的含磷量是限制焊縫含磷量的主要辦法。本節(jié)結(jié)束第四節(jié) 焊縫金屬的合金化一、焊縫金屬合金化的目的 二、焊縫金屬合金化的方式 三、合金元素的過(guò)渡系數(shù)及 影響因素 一、焊縫金屬合金化的目的合金過(guò)渡（合金化）：把所需要的合金元素通過(guò)焊接材料過(guò)渡到焊縫金屬中去的過(guò)程。目的：1.補(bǔ)償焊接過(guò)程中由于蒸發(fā)、氧化等原因造成的合金元素的損失。2.消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織和性能。3.獲得具有特殊性能的堆焊金屬。二、焊縫金屬合金化的方式1、應(yīng)用合金焊絲或帶極2、應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條3、應(yīng)用合金藥皮或粘貼焊劑4、應(yīng)用合金粉末 藥 芯 焊 絲Flux cored wires藥芯焊絲三、合金元素的過(guò)渡

41、系數(shù)及影響因素1.過(guò)渡系數(shù)： 某合金元素過(guò)渡到熔敷金屬中的實(shí)際含量與它的原始含量之比。M=M0 (Msl + Mox)凡是能使渣中殘留量和氧化損失量下降的因素,都可以提高合金元素的過(guò)渡系數(shù).2.影響過(guò)渡系數(shù)的因素1）合金元素對(duì)氧的親和力 合金元素對(duì)氧親和力越大，其氧化損失越大，過(guò)渡系數(shù)越小在1600各種合金元素對(duì)氧的親和力由小至大的順序： Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、 Si、Ti、Zr、Al2）合金元素的物理性質(zhì)沸點(diǎn)越低，焊接時(shí)其蒸發(fā)損失量越大，過(guò)渡系數(shù)降低。4）合金元素的粒度5）合金元素的含量3）藥皮（焊劑）的成分本節(jié)結(jié)束本章結(jié)束思考與練習(xí)1焊接時(shí)，為什么要對(duì)焊縫金屬進(jìn)

42、行保護(hù)？常用的保護(hù)方法有哪些？2焊條電弧焊有幾個(gè)焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)？各有何特點(diǎn)？3焊接區(qū)內(nèi)氣體的主要來(lái)源有哪些？4氫對(duì)焊接質(zhì)量有何影響？控制焊縫中氫含量的主要措施有哪些？5氮對(duì)焊接質(zhì)量有何影響？控制焊縫中氮含量的主要措施有哪些？6焊縫金屬氧化的途徑有哪些？控制焊縫中氧的措施有哪些？7什么是脫氧？焊縫金屬的脫氧途徑有哪些？8焊接熔渣分為哪幾類？ 焊接熔渣的結(jié)構(gòu)理論有哪些？9簡(jiǎn)述焊接熔渣的性質(zhì)10焊縫中硫和磷的危害是什么？控制硫和磷的措施有哪些？11焊縫金屬合金化的目的是什么？合金化方式主要有哪幾種？12什么是合金元素的過(guò)渡系數(shù)？其影響因素有哪些？第四章 焊接熱影響區(qū) 第一節(jié) 焊接熔合區(qū)第二節(jié) 焊

43、接熱影響區(qū)第一節(jié) 焊接熔合區(qū)熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫與母材交界的過(guò)渡區(qū)。在焊接接頭橫截面低倍組織圖中可以看到焊縫的輪廓線，如圖4-1所示，這就是通常所說(shuō)的熔合線。而在顯微鏡下可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)所謂的熔合線實(shí)際上是具有一定寬度的、熔化不均勻的半熔化區(qū)。圖4-1 焊接接頭的熔合區(qū)圖4-2 熔合區(qū)晶粒熔化情況焊接熔合區(qū)的主要特征是存在著嚴(yán)重的化學(xué)不均勻性和物理不均勻性，這是成為焊接接頭中的薄弱地帶的主要原因。 圖4-3 固液界面溶質(zhì)濃度的分布 圖4-4 熔合區(qū)中硫的分布 上行數(shù)據(jù)的條件：E=11.76kJ/cm 下行數(shù)據(jù)的條件：E=23.94kJ/cm 對(duì)于一般鋼材來(lái)講，鋼中合金元素及雜質(zhì)在液相中的溶解度

44、總是大于固相中的溶解度。因此，在熔池凝固過(guò)程中，隨著固相的增加，溶質(zhì)原子必然要大量地堆積在固相前沿的液相中。這樣，在固-液交界的地方溶質(zhì)的濃度將發(fā)生突變，如圖4-3所示。圖中實(shí)線表示固-液并存時(shí)溶質(zhì)濃度的變化，虛線表示熔池完全凝固以后的情況，這說(shuō)明了在凝固過(guò)程中堆積在固相前沿的液相中溶質(zhì)，來(lái)不及擴(kuò)散到液相中心，而將不均勻的分布狀態(tài)保留到凝固以后。 熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性，與熔池溶質(zhì)原子的性質(zhì)有關(guān)。擴(kuò)散能力較強(qiáng)的元素還有可能在濃度梯度的推動(dòng)下由焊縫向母材擴(kuò)散，使化學(xué)不均勻性有所緩和。如同一種鋼在焊接時(shí)，碳的擴(kuò)散能力強(qiáng)，在凝固后仍可以擴(kuò)散而趨于均勻，完全凝固后沒(méi)有明顯的偏析；而硫、磷擴(kuò)散能力弱的元素

45、，凝固后濃度變化很小，保留了較嚴(yán)重的偏析，熔合區(qū)硫的分布如圖4-4所示。第二節(jié) 焊接熱影響區(qū)（HAZ）： 焊接接頭示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-熱影響區(qū)；4-母材在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域。焊接過(guò)程中，在形成焊縫的同時(shí)不可避免地使其附近的母材經(jīng)受了一次特殊的熱處理，形成了一個(gè)組織和性能極不均勻的焊接熱影響區(qū)。焊接熱影響區(qū)的形成 焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的特點(diǎn) 1.焊接熱影響區(qū)熱循環(huán)的特點(diǎn) 與熱處理相比，其基本原理相同，又具有焊接本身的特點(diǎn)（特殊性）： 加熱溫度高 在熔合線附近溫度可達(dá)l350l400 加熱速度快 加熱速度比熱處理時(shí)快幾十倍甚至幾百倍 高溫

46、停留時(shí)間短 在Ac3以上保溫的時(shí)間很短(一般手工電弧焊約為420s，埋弧焊時(shí)30l00s) 自然冷卻 （個(gè)別情況下進(jìn)行焊后保溫緩冷） 局部加熱2.焊接加熱時(shí)熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)）加熱速度對(duì)相變點(diǎn)的影響焊接過(guò)程的快速加熱，將使各種金屬的相變溫度比起等溫轉(zhuǎn)變時(shí)大有提高。當(dāng)鋼中含有較多的碳化物形成元素(Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等)時(shí)，這一影響更為明顯。這是因?yàn)樘蓟镄纬稍氐臄U(kuò)散速度很小(比碳小100010000倍)，同時(shí)它們本身還阻礙碳的擴(kuò)散，因而大大地減慢了奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程。鋼種相變點(diǎn)平衡狀態(tài)加熱速度H/（S-1）AC1與AC3的溫差/684050250300140017004050250

47、3001400170045鋼AC17307707757908404560110AC3770820835860950659018040CrAC17407357507708401535105AC3780775800850940257516523MnAC1735750770785830355095AC3830810850890940408013030CrMnSiAC17407407758259203585180AC38207908358909804510019018Cr2WVAC1710800860930100060130200AC38108609301020112070160260加熱速度對(duì)相變點(diǎn)

48、Ac1和Ac3及其溫差的影響）加熱速度對(duì)均質(zhì)化影響 A均質(zhì)化過(guò)程屬于擴(kuò)散過(guò)程，而焊接加熱速度快、相變以上停留時(shí)間短，都不利于擴(kuò)散,因而勻質(zhì)化程度差。）近縫區(qū)的晶粒長(zhǎng)大 在焊接條件下,近縫區(qū)由于強(qiáng)烈過(guò)熱使晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大,影響焊接接頭塑性、韌性, 產(chǎn)生熱裂紋,冷裂紋。H ： 11400/s；2270/s； 335/s； 47.5/s)焊接快速加熱對(duì)Ac1、Ac3和晶粒長(zhǎng)大的影響3.焊接冷卻時(shí)熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn) 以45鋼、40Cr為例，比較焊接條件下和熱處理?xiàng)l件下，在相同的冷卻速度下組織轉(zhuǎn)變的差異。焊接和熱處理時(shí)加熱及冷卻過(guò)程的示意圖圖4-5 Q345（16Mn）鋼熱影響區(qū)CCT圖（wC=0.

49、16% wSi=0.35% wMn=1.35% wS=0.026% wP=0.014%）奧氏體形成溫度TA越高、在該溫度下的保溫時(shí)間A越長(zhǎng)，過(guò)冷奧氏體越穩(wěn)定。奧氏體化溫度TA對(duì)CCT圖的影響（爐中緩慢加熱）對(duì)45鋼來(lái)說(shuō)，TA提高使鋼中的C全部溶入奧氏體，組織很均勻且明顯粗化，從而使A分解時(shí)的成核率降低，孕育期加長(zhǎng)，所以曲線右移。而在40Cr鋼中，由于含有碳化物形成元素Cr，在快速加熱高溫停留時(shí)間短時(shí)，碳化鉻來(lái)不及分解仍保留在A中。這樣使奧氏體中溶解的碳化鉻減少，而使其穩(wěn)定性下降，同時(shí)保留下來(lái)的碳化鉻質(zhì)點(diǎn)還可成為新相得晶核，提高了A的分解時(shí)的成核率，其結(jié)果是縮短了孕育期，CCT圖曲線左移。兩點(diǎn)結(jié)

50、論：1、焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)，決定了在研究熱影響區(qū)金屬連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)應(yīng)該用焊接條件下特定的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。（焊接條件下的組織轉(zhuǎn)變不僅與等溫轉(zhuǎn)變不同，也與熱處理?xiàng)l件下的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變不同 ）2、焊接加熱特點(diǎn)對(duì)過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性的影響因鋼的化學(xué)成分不同而異。1.CCT圖的建立：采用焊接熱模擬試驗(yàn)裝置來(lái)建立某種鋼的CCT圖。2.意義：在大量鋼種出現(xiàn)之前,可預(yù)先估計(jì)熱影響區(qū)的組織性能,或作為制定工藝,焊接線能量的依據(jù)。3.CCT圖的應(yīng)用：通過(guò)CCT圖可得到在不同的冷卻速度下的組織,即估計(jì)組織。 焊接CCT圖圖4-6 焊接熱影響區(qū)的組織接頭不同部位，經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，便有不同的組織特點(diǎn)。焊接結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)

51、熱處理特性不同分為兩類：淬火鋼,不易淬火鋼,分別講述淬火鋼和不易淬火鋼的組織分布。1.不易淬火鋼： 如低碳鋼,某些不易淬硬的低合金鋼,如16Mn、15MoV、15MnTi等2-過(guò)熱區(qū)；3-相變重結(jié)晶區(qū)；4-不完全重結(jié)晶區(qū)；5-母材；6-完全淬火區(qū)；7-不完全淬火區(qū)；8-回火軟化區(qū)焊接熱影響區(qū)的組織分布特征不易淬火鋼易淬火鋼不易淬火鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布熔合區(qū)： 又稱半熔化區(qū)，是焊縫與母材的交界區(qū)。加熱溫度： 14901530（固、液相線之間）組織： （未熔化但因過(guò)熱而長(zhǎng)大的）粗晶組織和（部分新凝固的）鑄態(tài)組織。特點(diǎn)： 該區(qū)很窄，組織不均勻，強(qiáng)度下降，塑性很差，是裂紋及局部脆斷的發(fā)源地。過(guò)熱區(qū)

52、： 緊靠熔合區(qū)加熱溫度： 11001490（1100固相線）組織： 粗大的過(guò)熱組織。特點(diǎn)： 寬度為13mm，塑性和韌性下降； 焊接剛度大的結(jié)構(gòu)時(shí)，該區(qū)易產(chǎn)生裂紋； 低碳鋼的過(guò)熱區(qū)主要是魏氏組織。相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū))： 緊靠著過(guò)熱區(qū)加熱溫度： 8501100 （AC3至1100）組織： 均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體組織（近似于正火組織）特點(diǎn)： 寬度約1.24.0mm，力學(xué)性能優(yōu)于母材。不完全重結(jié)晶區(qū)：加熱溫度： Ac1Ac3之間組織： F+P (F粗、細(xì)不均)特點(diǎn)： 部分組織發(fā)生相變，晶粒大小不一，組織不均勻，力學(xué)性能差。時(shí)效脆化區(qū)（亞熱影響區(qū)）：加熱溫度： Ac1300 組織： 在顯微鏡下觀察不

53、到組織上的變化特點(diǎn)： 由于熱應(yīng)力及脆化物析出，經(jīng)時(shí)效而產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。部位加熱溫度范圍組織特征及性能焊縫1500鑄造組織柱狀樹(shù)枝晶熔合區(qū)及過(guò)熱區(qū)14001250晶粒粗大，可能出現(xiàn)魏氏組織與不均勻晶粒合并，塑性差12501100粗晶與不均勻晶粒合并，塑性差相變重結(jié)晶1100900晶粒細(xì)化，力學(xué)性能良好不完全重結(jié)晶900730粗大鐵素體和細(xì)小的珠光體，鐵素體力學(xué)性能不均勻時(shí)效脆化區(qū)(亞熱影響區(qū))730300由于熱應(yīng)力及脆化物析出，經(jīng)時(shí)效而產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，在顯微鏡下觀察不到組織上的變化母材300室溫沒(méi)有受到熱影響的母材部分低碳鋼熱影響區(qū)的組織分布特征及性能16Mn鋼焊接熱影響區(qū)焊縫金屬母材熔合區(qū)過(guò)熱區(qū)不

54、完全重結(jié)晶區(qū)相變重結(jié)晶區(qū)2.易淬火鋼 此類鋼熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前熱處理有關(guān)。退火,正火,調(diào)質(zhì)(淬火+高回火) 1)完全淬火區(qū) 2)不完全淬火區(qū) 3)如母材焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，除存在完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)外，還存在一個(gè)回火軟化區(qū)。1）完全淬火區(qū)焊接時(shí)處于Ac3以上的區(qū)域，與不易淬火鋼的過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)對(duì)應(yīng)。在緊靠焊縫相當(dāng)于低碳鋼過(guò)熱區(qū)的部位，得到粗大的馬氏體，而相當(dāng)于正火區(qū)的部位則得到細(xì)小的馬氏體。2）不完全淬火區(qū)母材被加熱到Ac1Ac3溫度之間的熱影響區(qū)，相當(dāng)于不易淬火鋼的不完全重結(jié)晶區(qū)。在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝氏體、索氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在隨后快冷時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)

55、變?yōu)轳R氏體，原鐵素體保持不變，并有不同程度的長(zhǎng)大，最后形成馬氏體加鐵素體的混合組織。如含碳量和合金元素含量不高或冷卻速度較小時(shí)，奧氏體也可能轉(zhuǎn)變成索氏體或珠光體。3）回火軟化區(qū)如母材焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，焊接熱影響區(qū)的組織分不除存在完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)外，還存在一個(gè)回火軟化區(qū)。在回火區(qū)內(nèi)組織和性能發(fā)生變化的程度決定于焊前調(diào)質(zhì)的回火溫度t ：熱循環(huán)溫度低于t 的部位，其組織性能不發(fā)生變化，而高于t 的部位，將發(fā)生軟化現(xiàn)象3.注意問(wèn)題 1) 熔合區(qū)，熱影響區(qū)中過(guò)熱區(qū)晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，是焊接接頭的薄弱地帶。2)低碳鋼的不完全重結(jié)晶區(qū),在急冷急熱的條件下,會(huì)表現(xiàn)出高碳鋼的行為。 3)成分偏析嚴(yán)重，C、P、S

56、高時(shí)易產(chǎn)生淬硬組織、裂紋。 問(wèn)題的嚴(yán)重性：焊縫可以通過(guò)化學(xué)成分的調(diào)整再配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噥?lái)保證性能的要求，而熱影響區(qū)性能只能通過(guò)控制焊接熱循環(huán)作用來(lái)改善。焊接熱影響區(qū)的硬化焊接熱影響區(qū)的脆化焊接熱影響區(qū)的軟化焊接熱影響區(qū)的性能控制四 焊接熱影響區(qū)的性能 1.焊接熱影響區(qū)的硬化 HAZ的硬度 高低取決于母材的淬硬傾向（內(nèi)因）HAZ的冷卻速度（外因）化學(xué)成分焊接規(guī)范圖4-9 相當(dāng)于20Mn鋼的焊接HAZ的硬度分布 一般情況下，隨著硬度上升，鋼的塑性、韌性下降，抗裂能力減弱。因此，熱影響區(qū)中硬度最高的部位往往就是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)，而且最高硬度值越高，接頭的綜合力學(xué)性能就越低，產(chǎn)生裂紋等缺陷的可能性就

57、越大。 對(duì)大多數(shù)鋼來(lái)說(shuō)，最高硬度值大都出現(xiàn)在熔合線附近的熱影響區(qū)處，掌握一個(gè)鋼種焊接熱影響區(qū)最高硬度的大小，對(duì)于預(yù)測(cè)其接頭的力學(xué)性能及開(kāi)裂的傾向有重要意義。 熱影響區(qū)的最高硬度值可通過(guò)實(shí)測(cè)確定，也可根據(jù)鋼材的化學(xué)成分估算。最常用的辦法是利用碳當(dāng)量公式。碳當(dāng)量：把鋼中合金元素（包括碳）按其對(duì)淬硬（包括冷裂、脆化等）的影響程度折合成碳的相當(dāng)含量。反映鋼中化學(xué)成分對(duì)硬化程度的影響，1）碳當(dāng)量（Carbon Equivalent)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)日本焊接學(xué)會(huì)近年來(lái)常用的公式 常用焊接用鋼的碳當(dāng)量與允許的最高硬度 鋼 種bMPasMPaCEHVmaxGBT1591-94GBT1591-88非調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)非調(diào)質(zhì)調(diào)

58、質(zhì)Q34516Mn3535206370.415390Q39015MnV3925596760.3993400Q42015MnVN4415887060.4943410380（正火）14MnMoV4906087250.5117420390（正火）18MnMoNb5496688040.5782420（正火）12Ni3CrMoV6177068430.669343514MnMoNbB6867849310.459345014Ni2CrMnMoVCuB78486210300.679447014Ni2CrMnMoVCuN88296111270.67944803.焊接熱影響區(qū)的脆化 粗晶脆化 組織脆化 析出脆化

59、熱應(yīng)變時(shí)效脆化 氫脆以及石墨脆化 脆化常常是引起焊接接頭開(kāi)裂和脆性破壞的主要原因。工程上，很多焊接結(jié)構(gòu)失效都起因于熱影響區(qū)的脆化。圖4-10 碳錳鋼HAZ韌脆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變溫度分布圖4-11 淬硬傾向不大的鋼種焊接影響區(qū)的力學(xué)性能（wC=0.17%，wMn=1.28%，wSi=0.40%）1）粗晶脆化在熱循環(huán)的作用下，熔合線附近和過(guò)熱區(qū)將發(fā)生晶粒粗化。粗化程度受鋼種的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、加熱溫度和時(shí)間的影響。晶粒粗大嚴(yán)重影響組織的脆性，尤其是低溫脆性。一般來(lái)講，晶粒越粗，則脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。 2）組織脆化組織脆化：焊接HAZ中因出現(xiàn)脆硬組織而產(chǎn)生的脆化。對(duì)不易淬火鋼，焊接HAZ的組織脆化主要是形成粗大

60、魏氏組織(W)、 M-A組元、上貝氏體；易淬火鋼，主要是產(chǎn)生脆硬的孿晶馬氏體。析出脆化析出脆化：由于焊接過(guò)程的快速加熱與冷卻，其熱影響區(qū)組織處于非平衡態(tài)。在時(shí)效或回火過(guò)程中，其過(guò)飽和固溶體中將析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其它亞穩(wěn)定的中間相等，使材料的強(qiáng)度、硬度和脆性提高的現(xiàn)象。 析出脆化的機(jī)理：由于析出物出現(xiàn)以后，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使塑性變形難以進(jìn)行。 若析出物以彌散而細(xì)小的顆粒分布于晶內(nèi)時(shí)，將有利于改善韌性。但析出物以塊狀或薄膜狀沿晶界聚集時(shí)就會(huì)造成材料脆化。3.熱應(yīng)變時(shí)效脆化熱應(yīng)變時(shí)效脆化多發(fā)生在低碳鋼和碳錳低合金鋼的亞熱影響區(qū)（加熱溫度低于Ac1的部位）這種脆化，主要是由制造過(guò)程中各