熔化焊與熱切割第二章基礎(chǔ)知識

第二章熔化焊與熱切割基礎(chǔ)知識于強興安盟特種設(shè)備檢驗所2/1/20231內(nèi)容提要一、基礎(chǔ)知識1、概述2、金屬學(xué)與熱處理知識3、金屬材料的基本知識4、焊接工藝及切割工藝簡介2/1/20232第一節(jié)焊接與切割的基本原理

及分類一、基本原理：1、焊接：是通過對物體加熱、加壓或兩者并用，使焊件連接處達到原子力的相互作用，使分離的物件連接成一個整體的加工工藝。2/1/202332、焊接的特點:①、焊接與其它連接方法有本質(zhì)的區(qū)別,不僅在宏觀上建立了永久性的聯(lián)系,在微觀上也建立了組織之間的原子級的內(nèi)在聯(lián)系.②、焊接比其它連接方法具有更高的強度,密封性,且質(zhì)量可靠,生產(chǎn)率高,便于實現(xiàn)自動化③、節(jié)省金屬,工藝簡單,可以很方便的采用鍛-焊,鑄-焊等復(fù)合工藝,生產(chǎn)大型復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)和零件.④、焊接是一個不均勻加熱的過程,焊后的焊縫易產(chǎn)生焊接應(yīng)力,易引起變形.2/1/20234第一節(jié)焊接與切割的基本原理及分類二、焊接的種類:根據(jù)焊接的過程可分為三類:1、熔化焊:將待焊處的母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法.主要有電弧焊,氣焊,電渣焊,等離子弧焊,電子束焊,激光焊等.2、壓力焊:通過加壓和加熱的綜合作用,以實現(xiàn)金屬接合的焊接方法.主要包括電阻焊,摩擦焊,爆炸焊等.3、釬焊:以熔點低于被焊金屬熔點的焊料填充接頭形成焊縫的焊接方法主要包括軟釬焊和硬釬焊.2/1/202352/1/20236三、切割的方法和分類：1、火焰切割：（氣割）操作簡單2、電弧切割：①、等離子弧切割：設(shè)備比較簡單，易普及②、碳弧氣割：主要用于中高碳鋼3、冷切割：變形小①、激光切割：②、水射流切割：高壓水（200兆帕——200兆帕）2/1/20237特種作業(yè)是指容易發(fā)生人員傷亡事故，對操作者本人、他人的生命健康及周圍設(shè)施的安全可能造成重大危害的作業(yè)。直接從事特種作業(yè)的人員稱為特種作業(yè)人員。焊接作業(yè)具有高危險性火災(zāi)爆炸觸電中毒燙傷2/1/20238上海靜安區(qū)住宅樓導(dǎo)致53人死亡，另有70人正在醫(yī)院接受治療，其中17人傷勢嚴(yán)重。2/1/20239第二節(jié)金屬材料及熱處理常識一、純金屬的構(gòu)造：晶體：原子在空間是按一定的幾何規(guī)律排列。首先想到的是：寶石、鉆石晶體：鹽、冰、雪花、金屬制品（外形不規(guī)則）非晶體：木材、玻璃、棉花原子在空間是無秩序而雜亂排列。2/1/202310㈠純金屬的晶體結(jié)構(gòu)：1、體心立方晶格：致密度（68%）：68%原子占據(jù)，32%間隙常溫下的純鐵（α鐵）、鉬、鎢、釩2、面心立方晶格：致密度（74%）溫度在910°～1390°的純鐵（γ鐵）、銅、鎳2/1/202311第二節(jié)金屬材料及熱處理常識3、密排六方晶格：致密度（74%）鋅、鎂、鋇㈡液體金屬結(jié)晶過程：結(jié)晶：金屬由液體凝固為固體的過程。晶核的形成與長大。1、晶核的形成：2、晶核的長大：3、晶粒的邊界：2/1/202312第二節(jié)金屬材料及熱處理常識二、合金的晶體構(gòu)造及鐵碳平衡相圖㈠、合金的晶體構(gòu)造合金的晶體構(gòu)造分三類：固溶體、金屬化合物和共析體（機械混合物）。（1）、固溶體：所謂固溶體是指溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相。兩組元在液態(tài)下互溶，固態(tài)也相互溶解，且形成均勻一致的物質(zhì)。形成固溶體時，含量大者為溶劑，含量少者為溶質(zhì)；溶劑的晶格即為固溶體的晶格。2/1/202313A、固溶體的分類按溶質(zhì)原子在晶格中的位置不同可分為置換固溶體和間隙固溶體。Ⅰ、置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點位置而形成的固溶體稱置換固溶體。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差不大，一般在15％以內(nèi)時，易于形成置換固溶體。銅鎳二元合金即形成置換固溶體，鎳原子可在銅晶格的任意位置替代銅原子（銅、鎳無限互溶）。鋅在銅中溶解極限：39%2/1/202314另外，按溶質(zhì)元素在固溶體中的溶解度，可分為有限固溶體和無限固溶體。但只有置換固溶體有可能成為無限固溶體。Ⅱ、間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬，而溶質(zhì)是直徑很小的碳、氫等非金屬元素。其形成條件是溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比必須小于0.59。如鐵碳合金中，鐵和碳所形成的固溶體――鐵素體和奧氏體，皆為間隙固溶體。B、固溶體的結(jié)構(gòu)：Ⅰ、晶格畸變Ⅱ、偏聚與有序2/1/202315Ⅲ、有序固溶體（更接近化合物）硬度及脆性增加、塑性和電阻降低C、固溶體的性能當(dāng)溶質(zhì)元素含量很少時，固溶體性能與溶劑金屬性能基本相同。但隨溶質(zhì)元素含量的增多，會使金屬的強度和硬度升高，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。置換固溶體和間隙固溶體都會產(chǎn)生固溶強化現(xiàn)象。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，可明顯提高強度和硬度，同時仍能保證足夠高的塑性和韌性，所以說固溶體一般具有較好的綜合力學(xué)性能。因此要求有綜合力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料，幾乎都以固溶體作為基本相。這就是固溶強化成為一種重要強化方法，在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用的原因。2/1/2023162、金屬化合物兩種元素，按一定的原子數(shù)量之比相化合金屬化合物是兩組元相互作用形成的新相，它的晶體結(jié)構(gòu)與兩組元都不相同，并具有金屬性質(zhì)。金屬化合物有多種，它們的共同特點是熔點高、硬度高，一般都作為合金中的硬化相。如碳鋼中的Fe3C，合金鋼中的TiC、VC、W2C等。①正常價化合物Mg、Mn與S、Sn、Si、Pb化合②、電子化合物（可以看作是以化合物為基的固溶體）熔點、硬度、脆性高2/1/202317③間隙相高熔點、高硬度具有明顯的金屬特性3、共析體合金中以單相的固溶體或金屬化合物的形式存在的情況很少，大多以兩相的機械混合物形式存在。如碳鋼中的珠光體，就是由固溶體（鐵素體）和金屬化合物（滲碳體Fe3C）組成的機械混合物。2/1/2023182/1/2023192/1/202320a奧氏體b鐵素體c亞共析鋼d共析鋼e過共析鋼f亞共晶白口鑄鐵g共晶白口鑄鐵h過共晶白口鑄鐵2/1/202321鐵碳平衡圖釋義：純鐵有兩種同素異構(gòu)體,在912℃以下為體心立方的α－Fe；在912～1394℃為面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔點)又呈體心立方結(jié)構(gòu),即δ－Fe。當(dāng)碳溶于α－Fe時形成的固溶體稱鐵素體(F)、溶于γ-Fe時形成的固溶體稱奧氏體(A)，碳含量超過鐵的溶解度后，剩余的碳可能以穩(wěn)定態(tài)石墨形式存在，也可能以亞穩(wěn)態(tài)滲碳體(Fe3C)形式存在。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩(wěn)定相。但這過程在室溫下是極其緩慢的；即使加熱到700℃，F(xiàn)e3C分解成穩(wěn)定相也需幾年(合金中含有硅等促進石墨化元素時,Fe3C穩(wěn)定性減弱)，石墨雖然在鑄鐵(2～4％C)中大量存在,但在一般鋼(0.03～1.5％C)中卻較難形成這種穩(wěn)定相。

2/1/202322珠光體馬氏體魏氏體2/1/202323有色金屬的基本知識1、銅及其合金純銅：又稱紫銅晶格類型

面心立方

原子量

63.54

密度

8.9克/cm3

熔點

1083℃

導(dǎo)電率

100-103%

±ACS

電阻率

0.01673

歐姆.mm2/m

線性膨脹數(shù)

17.6×10-6/℃

導(dǎo)熱率0-100℃

399W/mk

0.94卡/cm.s.c

電阻溫度系數(shù)

0.00393/℃

磁化率

-0.086×10-3/kg

比熱

0.092卡/克.

℃

濕度

20℃

軟態(tài)

280MPA

延伸性

≥40%

2/1/202324黃銅：簡單黃銅：銅鋅合金特殊黃銅黃銅.doc白銅：白銅.doc青銅：青銅.doc2/1/202325鋁及其合金、銀白色輕金屬。有延展性。商品常制成棒狀、片狀、箔狀、粉狀、帶狀和絲狀。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。鋁粉和鋁箔在空氣中加熱能猛烈燃燒，并發(fā)出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、鹽酸、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，難溶于水。相對密度2.70。熔點660℃。沸點2327℃。鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨特性質(zhì)，這就大大有利于這種新金屬鋁的生產(chǎn)和應(yīng)用。應(yīng)用極為廣泛。2/1/202326三、鋼的熱處理：㈠、鋼的固態(tài)相變?nèi)鐖D3所示：在緩冷、緩慢加熱的條件下：A1：加熱時Ｐ（珠光體）向Ａ(奧氏體)轉(zhuǎn)變的開始轉(zhuǎn)變溫度；冷卻時Ａ向Ｐ轉(zhuǎn)變的開始溫度；727A3：亞共析鋼加熱時全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳溫度，冷卻時先共析鐵素體的開始析出溫度；Acm：過共析鋼加熱時Fe3CⅡ全部溶入Ａ溫度，冷卻時從Ａ中析出Fe3CⅡ開始溫度；碳鋼在加熱或冷卻過程中越過上述臨界點，就會發(fā)生固態(tài)相變，所以可以進行熱處理；2/1/2023271、加熱時轉(zhuǎn)變：亞共析鋼加熱溫度超過A3，珠光體→奧氏體+鐵素體→全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。亞共析鋼加熱溫度超過1050℃以上，并停留較長的時間時，奧氏體晶粒便會迅速長大，析出針狀鐵素體，形成魏氏體，強度提高，塑性、韌性下降，易裂。2、冷卻時的轉(zhuǎn)變：過冷奧氏體：在臨界點以下存在的，不穩(wěn)定的，處于過冷態(tài)，將要發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體。

2/1/202328過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變類型：高溫、緩冷（鐵、碳均擴散）—爐冷或空冷—退火或正火—珠光體轉(zhuǎn)變。（擴散型）粒狀或片狀，小顆粒（高強度、塑性、韌性）低溫、冷速較快到Ms以下轉(zhuǎn)變（鐵、碳均不擴散）—馬氏體。（非擴散型）脆、硬2/1/202329㈡、鋼的熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，保溫一定的時間后，以一定的冷卻速度冷卻下來，通過改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)來改善鋼的性能的操作。焊接時焊縫熱影響區(qū)受到焊接熱循環(huán)的作用，實質(zhì)上經(jīng)受了熱處理2/1/202330種類：普通熱處理（退火、正火、淬火和回火）表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）形變熱處理1、退火：可作為：預(yù)備熱處理和最終熱處理；①鋼加熱到臨界點A3以上或以下，保溫后隨爐慢冷以獲得近于平衡狀態(tài)的組織的工藝。②目的：⑴消除鑄、鍛、焊件的內(nèi)應(yīng)力；⑵均勻成分、組織，細化晶粒；⑶消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化；

2/1/202331

⑷改善鋼的成型性、切削加工性；⑸為淬火作組織上的準(zhǔn)備；③按加熱溫度分：⑴、重結(jié)晶退火：Ⅰ完全退火Ⅱ擴散退火Ⅲ不完全退火Ⅳ球化退火⑵、低溫退火Ⅰ再結(jié)晶退火Ⅱ去應(yīng)力退火④按冷卻方式分：等溫退火和連續(xù)退火2/1/2023322/1/202333去應(yīng)力退火定義：為消除鑄鍛焊件的內(nèi)應(yīng)力而進行的退火叫作去應(yīng)力退火。目的：去應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，防止變形和開裂。工藝：加熱溫度：小于Ac1，500～650℃，鑄件為500～550℃，焊件為500～600℃（大焊件用火焰或工頻感應(yīng)加熱局部退火）。保溫時間：由工件的尺寸和裝爐量決定。鋼4min/mm，鑄鐵6min/mm。冷卻：緩冷，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。2/1/2023342鋼的正火（正?；虺；┒x：將鋼加熱到Ａc3（或Ａcm）以上的某溫度，完全Ａ化后，保溫，空冷以得到珠光體類型的組織，稱為正火。目的：①改善切削加工性能：②消除熱加工缺陷；③普通結(jié)構(gòu)件：要求不高，可以作為最終熱處理來應(yīng)用；適用鋼種：碳鋼，低、中合金鋼；工藝參數(shù)：加熱溫度：Ａc3（或Ａcm）＋30～50℃對一些合金鋼，Ａc3＋100～150℃；原則：晶粒不粗化的前提；2/1/202335加熱時間：工件燒透，采用經(jīng)驗公式即可，與成分、原始組織、裝爐量和加熱設(shè)備。冷卻：空冷、風(fēng)冷、正火的應(yīng)用改善鋼的切削加工性（含碳低于0.25%的---HB140-190）；消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，為球化退火作準(zhǔn)備（抑制二次碳化物的析出，獲得偽共析體。）消除熱加工缺陷（中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋件、焊接件的魏氏組織、粗大晶粒、帶狀組織）提高普通結(jié)構(gòu)件的機械性能2/1/2023363鋼的淬火定義：亞共析鋼：Ａc3＋30～50℃，保溫后以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻以獲得馬氏體（或下貝氏體）組織的熱處理工藝叫做淬火。目的：強硬化；工藝特點：關(guān)鍵：加熱溫度、冷速足夠大；帶來的問題：內(nèi)應(yīng)力；焊接含碳量高的鋼易出現(xiàn)馬氏體，產(chǎn)生冷裂紋焊接含碳量低的鋼不易出現(xiàn)馬氏體，也不易產(chǎn)生冷裂紋2/1/202337

鋼的表面淬火概念：將工件表面快速加熱到淬火溫度，迅速冷卻后，使工件表面層獲得淬火組織的熱處理方法。目的：表硬心韌；4鋼的回火定義：將淬火鋼加熱到Ａ１以下某溫度，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)?shù)姆绞剑绽洌├鋮s到室溫的熱處理工藝過程稱為回火。類型：低溫回火、中溫回火、高溫回火2/1/202338

金屬材料的性能：物理、化學(xué)、力學(xué)、工藝1、物理化學(xué)性能：不均勻熱膨脹2、力學(xué)：強度、塑性、沖擊韌性、硬度2/1/202339合金元素對焊接的影響C當(dāng)量=C+1/2V+1/2Mo+1/5Mn+1/7Si+1/7Cu+1/9Cr+1/20Ni

2/1/202340C：含量↑強度↑硬度↑耐磨↑塑性↓韌性↓抗氧化性↓Cr：含量↑強度↑硬度↑耐磨↑塑性一般韌性一般與O2形成氧化膜，穩(wěn)定性強，致密性強抑制石墨產(chǎn)生缺少：引發(fā)鋼材回火脆性Mo：提高再結(jié)晶速度，組織穩(wěn)定釩：含量↑強度↑硬度↑耐磨↑塑性↓韌性↓鋼材型號2/1/202341金屬材料的焊接性，俗稱可焊性，是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。主要指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。

焊接奧氏體不銹鋼時，很容易獲得無缺陷的焊接接頭，即接合性能好。

金屬材料的焊接性主要決定于焊接接頭的組織及其性能。一般說來，焊接同種金屬材料時，接頭組織與焊件相同或相近，焊接性較好；焊接異種金屬材料時，接頭組織至少與某一焊件不同，焊接性較差。無論采用何種材料焊接，如果焊接接頭中形成又脆又硬的組織，則焊接性就差2/1/202342一般說來，鑄造要產(chǎn)生鑄造熱應(yīng)力，鍛造要產(chǎn)生形變應(yīng)力，熱處理要產(chǎn)生組織應(yīng)力。熔焊和釬焊的焊縫金屬可以近似看成是經(jīng)歷了鑄造過程；壓焊接頭可以近似看成是經(jīng)歷了鍛造過程。焊接時局部加熱后冷卻可以近似看成是焊接接頭經(jīng)歷了熱處理過程。因此，焊接過程中焊件內(nèi)將產(chǎn)生熱應(yīng)力、形變應(yīng)力和組織應(yīng)力，它們的矢量和就是焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力將導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向和焊件的變形。如果被焊材料具有良好的塑性，將可能通過塑性變形減緩應(yīng)力，從而減少熱裂紋、冷裂紋產(chǎn)生的傾向性。因此，材料的塑性也是影響其焊接性的一個重要因素。鋼材型號2/1/202343一、金屬材料的焊接性

鋼材焊接性評定的最簡便方法就是碳當(dāng)量法。在鋼材的成分中，影響最大的是碳。其次是錳、鉻、釩等，通常把鋼中合金元素（包括碳）的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量，稱為碳當(dāng)量，用符號CE來表示。碳當(dāng)量可作為評定鋼材焊接性的一種參考指標(biāo)。國際焊接學(xué)會推薦碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼按下面公式計算其碳當(dāng)量。

2/1/202344式中化學(xué)元素符號表示該元素在鋼中質(zhì)量分數(shù)的上限。實踐證明，碳當(dāng)量越大，鋼材的焊接性就越差。

根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)：

CE＜0.4%時，鋼材的淬硬傾向小，焊接性良好，焊接這類材料時一般不需預(yù)熱。只有在工件厚大或低溫下焊接時才考慮焊前預(yù)熱。

CE＝0.4%-0.6%時，鋼材的淬硬傾向較大，焊接性較差，需要采用適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、緩冷等工藝措施。

CE＞0.6%時，鋼材的淬硬傾向嚴(yán)重，焊接性差，需要進行較高溫度的預(yù)熱和采取嚴(yán)格的工藝措施。

利用碳當(dāng)量法只能簡便粗略地評定鋼材的焊接性，因為鋼材的焊接性還要受許多因素的影響。鋼材的實際焊接性，還應(yīng)根據(jù)焊件的具體情況通過試驗確定。2/1/202345鋼材的分類

鋼和鐵是黑色金屬的兩大類，都是以鐵和碳為主要元素的合金。含碳量在2．11％以下的鐵碳合金稱為鋼，含碳量2．11％～6．67％的鐵碳合金稱為鑄鐵。鋼中除了鐵、碳以外還含有少量其它元素，如錳、硅、硫、磷等。錳、硅是煉鋼時作為脫氧劑而加入的，稱為常存元素；硫、磷是由煉鋼原料帶入的，稱為雜質(zhì)元素。2/1/202346按化學(xué)成分分類(1)碳素鋼這種鋼中除鐵以外，主要還含有碳、硅、錳、硫、磷等幾種元素，這些元素的總量一般不超過2％。按含碳量多少，碳素鋼又可分為：1)低碳鋼含碳量小于0．25％。2)中碳鋼含碳量為0．25％～0．60％。3)高碳鋼含碳量大于0．60％。

2/1/202347

2)合金鋼這種鋼中除碳素鋼所含有的各元素外，尚還有其它一些元素，如鉻、鎳、鈦、鉬、鎢、釩、硼等。如果碳素鋼中錳的含量超過0．8％，或硅的含量超過0．5％時，這種鋼也稱為合金鋼。根據(jù)合金元素的多少，合金鋼又可分為：普通低合金鋼(普低鋼)，合金元素總含量小于5％；中合金鋼，合金元素總含量為5％～10％；高合金鋼，合金元素總含量大于10％。2/1/202348此外，合金鋼還經(jīng)常按顯微組織進行分類，如根據(jù)正火組織的狀態(tài)，分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼，有些含合金元素較多的高合金鋼，在固態(tài)下只有鐵素體組織，不發(fā)生鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，稱為鐵素體鋼。2/1/202349按用途分類(1)結(jié)構(gòu)鋼(2)工具鋼(3)特殊用途鋼如不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼、磁鋼等。

2/1/2023503．按品質(zhì)分類(1)普通鋼含硫量不超過0.045％～0.050％，含磷量不超過0.045％。(2)優(yōu)質(zhì)鋼含硫量不超過0.030％～0.035％，含磷量不超過0.035％。(3)高級優(yōu)質(zhì)鋼含硫量不超過0.020％～0.030％，含磷量不超過0.025％～0.030％。(3)特級優(yōu)質(zhì)鋼含硫量不超過0.015％，含磷量不超過0.020％。2/1/202351部分常用鋼材鋼號表示方法的分類說明1．碳素結(jié)構(gòu)鋼①由Q+數(shù)字+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號組成。它的鋼號冠以“Q”，代表鋼材的屈服點，后面的數(shù)字表示屈服點數(shù)值，單位是MPa例如Q235表示屈服點（σs）為235MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼。②必要時鋼號后面可標(biāo)出表示質(zhì)量等級和脫氧方法的符號。質(zhì)量等級符號分別為A、B、