大连理工材料加工原理(焊接)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料加工原理（焊接）,内容：,绪论,熔化焊热过程及接头形成,熔化焊接化学冶金,熔化焊接头的组织与性能,焊接接头缺欠,1,材料加工原理(焊接)_,绪 论,材料连接(Joining)的分类：,机械连接：,用螺钉、螺栓和铆钉等,可拆或不可拆接头,物理和化学连接：,胶接、封接（异种材料、非金属间连接）,通过毛细作用、分子间力作用或者相互扩散及化学,反应作用，将两个分离表面连接成不可拆接头的过程。,冶金连接(Welding)：,焊接（用于金属材料间连接）,通过加热或加压（或两者并用）使两个分离表面的原,子达到晶格距离，并形成金属键而获得不可拆接头的工,艺过程。,2,冶金连接的物理本质：,宏观上形成永久性接头；微观上形成了金属键。,原子间的结合力：,如图（见下页）,键结合条件：,两分离表面接近到 r,A,距离。,连接工艺措施：,对被连接的材质施加压力：破坏表面氧化膜,对被连接的材料加热（局部或整体）：,焊接时所需的压力与温度之间存在一定关系：,纯铁,材料加工原理(焊接)_,绪 论,3,材料加工原理(焊接)_,绪 论,4,焊接技术的分类：,从冶金角度上，,液相连接、固相连接、液-固相连接,传统分类，,熔化焊、压力焊、钎焊, 熔焊（熔化焊）：,利用局部热源加热被焊金属的连接处及填充金属，使其熔化，互相熔合、冷却凝固形成永久连接。,材料加工原理(焊接),_,绪 论,5, 压焊（压力焊）：,在加热或不加热的情况下，对焊接区施加一定压力，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离，形成金属键，使两金属联为一体。, 钎焊：,熔化的钎料（熔点低于钎件的熔点）对固态钎件浸润以保证液态钎料填满钎缝，液态钎料与连接件的表面由分子或原子互相扩散结合冷凝后形成联为一体的接头。,材料加工原理(焊接)_,绪 论,6,熔 化 焊,7,压力焊,8,钎 焊,9,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,熔化焊过程：,加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变,熔化焊的本质：,小熔池熔炼和铸造,10,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,熔化焊热过程及接头形成：,一、熔化焊热源的种类及特征,二、熔化焊热效率,三、熔化焊温度场,四、焊接热循环,五、熔化焊接头的形成,11,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,焊接热过程：,与冶金反应、凝固结晶、固态相变、焊接温度场和应力变形等均有关系。,一、熔化焊热源的种类及特征,种类：,电弧热 等离子弧,电阻热 电子束,高频热源 激光束,摩擦热 化学热,特征：,见下表,12,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,13,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,二、熔化焊热效率,以电弧焊为例：,电弧的热功率：,q,o,= 0.24 U,h,I,h,(cal/s),有效功率：,q = q,o,p,热效率：,p,14,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,三、熔化焊温度场,热传递：,传导、,对流、辐射,温度场：,某瞬时焊件上各点,温度的分布。,温度场描述：,等温线,等温面,温度梯度：,稳态温度场,非稳态温度场,准稳态温度场,三维、二维、一维,15,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,四、焊接热循环,焊接热循环：,焊件上某点的温度随时间的变化过程。,不均匀的热过程引起接头组织和性能的不均匀及复杂的应力状态。,16,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,1. 焊接热循环的主要参数,加热速度,H,：,最高加热温度,T,m,：,在相变温度以上,的停留时间,t,H,：,冷却速度,C,：,（冷却时间t,8/5、,t,8/3、,t,100,）,冷却速度是决定热影响区,组织和性能的主要参数。,17,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,2. 焊接热循环的影响因素,被焊材料的材质：热物理性能,接头形状尺寸：板厚相同时，T型接头比对接接头冷速大,坡口形式相同，厚板比薄板冷速大,焊道长度：焊道短，冷速大,预热温度：增加,t,H,和 t,8/5,；对,T,m,附近的停留时间影响不,明显,焊接线能量：使,T,m,、,t,H,和t,8/5,增大；而,C,随之降低。,18,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,五、熔化焊接头的形成,1. 焊接材料熔化与熔池形成,（1）焊接材料熔化,熔化焊接材料的热能：电弧热、电阻热,关于焊条熔化的,基本参数,：,熔化系数,g,M,：单位时间内熔化的焊芯质量或长度。,与焊接电流成正比。,熔敷系数,g,H,：,损失系数,：飞溅、氧化、蒸发,g,H,= (1 -,）,g,M,熔化速度反映着焊接生产率,19,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,（2）熔滴过渡,熔滴,过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅大小、焊缝成形好坏和产生焊接缺陷的可能性,。,金属熔滴上的作用力,作用：,促进、阻碍,熔滴过渡,1.,熔滴重力,平焊时是熔滴过渡的动力，仰焊时是阻力，横焊时是侧向力。,2.,表面张力,熔滴在焊条端时是阻力，熔池端时是动力,（尤其仰焊时作用更明显）。,20,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,3.,气体的压力,促进,焊条金属中溶解的气体，由于温度升高，产生爆破，从而使熔滴碎裂促进熔滴过渡，但也易产生飞溅。,4.,带电质点的撞击力（极点压力）,阻碍,极点压力是由于带电质点对电极表面的撞击而形成的，主要作用在斑点上。,直流正接时，阳离子撞击焊条表面，阳离子质量较大，故对电极撞击力较大，对熔滴过渡阻力较大。,直流反接时，主要是电子撞击焊条端部斑点处，因电子质量较小，撞击力较小因此对熔滴过渡的阻力较小。,21,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,5.,气体吹力,促进,6.,电磁力 ,促进,电磁力始终指向电弧中心使其,收缩，且电磁力的大小和电流的平,方成正比，电流越大则电磁力越大，,熔滴尺寸越细小，越有利于熔滴过渡。,22,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,熔滴的过渡形式,1.,短路过渡,短弧焊时，,2.,颗粒状过渡,长弧焊时，,细丝、大电流可使,熔滴变细。,3.,射流过渡,大电流焊时，,熔滴细、过渡频率高、,飞溅小、过程稳定、,熔深大、焊缝成形美观,23,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,（3）熔池的形成,熔池:,母材上，,母材（填充金属）熔化,熔池的形成实际上是一个动态平衡过程。当焊接稳定一定时间后，熔池状态基本恒定，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化。只取决于被焊材质与焊接规范，并随热源移动作同步运动。,电弧焊熔池形状如图：,24,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,熔池尺寸,随焊接电流增大，熔池的最大深度度增大，,熔池的宽度相对减小；,随焊接电压的升高，最大熔深减小，,最大熔宽增大,。,熔池的质量与存在时间,熔池的质量：,实际证明，与,q,2,/,v,成正比,手工电弧焊熔池质量为0.616,g,，多数为5,g,以下；,埋弧自动焊焊接低碳钢时，熔池质量小于100,g,。,25,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,存在时间：,几秒 几十秒。,熔池存在的最长时间（t,max,）：,t,max,熔池最长存在时间；,L,熔池长度；与电弧功率有关,V,焊接速度,熔池的温度,熔池各点的温度是不均匀的；,取决于母材的性质及散热条件；,低碳钢熔池的平均温度：,2050 100K,26,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,（4）熔池中液相的运动状态,熔池中的液相发生强烈的,搅拌作用,。,熔池中液相运动的原因：,a.,熔池中温度分布不均匀引起液态金属密度差，使液相从低温区向高温区流动，产生后对流运动。,b. 熔池中温度分布不均匀引起表面张力分布不均匀，产生的表面张力差将使液相发生对流运动。,c. 焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。,熔池中液相运动的原因：,工艺参数、电极直径、焊炬倾角等。,27,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,（5）熔池的保护,目的：,免受空气的有害作用,作用：,减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损,失，使焊缝金属得到合适的化学成分。,方式：,如表。（机械保护）,28,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,2. 焊接接头的形成,（1）焊缝的形成,形成：,焊缝金属组成：,熔滴熔化母材,结晶特点：,结晶中心：熔池壁,长大方向：垂直熔池壁,焊缝组织：,束状晶体,29,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,（,2）焊缝的形状,几何参数：,熔深：H,熔宽：B,余高：e,成形系数：,熔合比：,熔合比不同，焊缝成分不同，性能不同。,熔合比与焊法、工艺参数、接头和坡口形状、母材热物理性能有关,30,材料加工原理(焊接)_,熔化焊热过程及接头形成,（3） 焊接接头的组成,组成：,焊缝 + 热影响区,接头形式：,对接接头、角接头、丁字接头、搭接接头,坡口：,31,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,化学冶金：,金属（固态、液态）、熔渣和气体三者之间相,互作用的过程。,如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、渗合金,冶金的目的：,去除杂质，调整成分，以获得所需成分和性,能的材料。,焊接冶金：,影响焊缝的成分、组织、性能及焊接工艺性能。,最终决定焊缝质量。,普通冶金是一个人为过程，而焊接冶金是客观存在。,32,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,熔化焊接化学冶金：,一、焊接材料,二、焊接熔渣,三、焊接化学冶金反应区,四、焊接气氛及其与金属的相互作用,五、硫、磷的作用,六、焊缝金属的合金化,33,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,一、焊接材料,1. 焊接材料类型,焊接材料：,焊接时所消耗的材料。,常用焊接材料：,焊条,焊剂,焊丝,保护气,通用焊条,专用焊条,熔炼焊剂,非熔炼焊剂,实芯焊丝,药芯焊丝,惰性气体,活性气体,焊接材料,焊接方法不同，采用的焊接材料不同,34,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,2. 焊条,（1）焊条的组成,组成：,焊芯 + 药皮(涂料),焊芯的作用：,导电和填充金属,药皮的作用：,保证焊接顺利进行（电弧稳定燃烧）；,防止空气对熔化金属的有害作用；,保证焊缝的化学成分和力学性能。,35,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,（2）焊芯,成分 ：,符合国标（如表）,36,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,焊芯牌号：,首位字母“,H”,代表,“焊”，后面数字代表含碳 量，其它合金元素含量表示方法与钢材表示法相同，尾部“,A,”表示优质钢，“,E,”表示特优质钢。,要求,具有较低的,含碳量,和一定的,含锰量, 含硅,控制较严, 硫、磷含量则应低。,37,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,（3）药皮,成分与作用：,如表,38,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,（4）焊条的分类与性能,分类：,按用途分：七大类。,碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、,铸铁焊条、堆焊焊条、铜及铜合金焊条、,铝及铝合金焊条,按,熔渣,性质分：,酸性焊条、碱性焊条,性能：,工艺性能：,电弧稳定性、焊缝成形、飞溅、脱渣等,冶金性能：,焊缝成分、性能、抗裂等,酸性焊条和碱性焊条的性能有很大差别。,39,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,（4）焊条的选用,按化学成分选：七大类,按力学性能选： 牌号，,等强匹配,母材按屈服强度分类，,焊条按抗拉强度编号。,异种材料焊接按强度较低的材料选择。,按受力情况选：酸、碱焊条,40,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,3. 焊剂,埋弧焊、电渣焊用。,作用：,相当于焊条药皮,种类：,按制造方法分:,熔炼,焊剂和,陶质,焊剂两大类。,按化学成分分: Mn、Si、F,选用：,应合理选用焊丝和焊剂,41,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,4. 焊丝,埋弧焊、气体保护焊、电渣焊用,作用：导电、填充金属,种类：,实芯焊丝：,药芯焊丝：类似药皮焊条,5. 保护气体,CO,2,、Ar、He,42,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,二、焊接熔渣,熔渣：,焊接时熔化了的药皮和焊剂形成一种浮在液体,金属表面上的金属和非金属氧化物。（液体熔渣）,1. 熔渣的作用, 机械保护, 稳定电弧, 改变焊缝成分（冶金处理）,43,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,2.熔渣的成分和分类, 盐型熔渣,由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。,用于焊接铝、钛等活性金属及合金。,盐氧化物型熔渣,由氟化物和强金属氧化物组成。,用于焊接高合金钢及合金。,氧化物型熔渣,酸性氧化物：SiO,2,、TiO,2,、V,2,O,2,等,碱性氧化物：Na,2,O、K,2,O、CaO、FeO、MnO等。,用于焊接低碳钢和低合金钢。,44,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,3. 熔渣的结构,液态熔渣的结构：,组成：,分子氧化物（自由态、复合态）,（SiO,2,、FeO、 FeO* SiO,2,等）,造渣：,酸、碱性氧化物中和生盐的过程。,2CaO + SiO,2,= （CaO）,2,* SiO,2,2CaO + TiO,2,= （CaO）,2,* TiO,2,与熔融金属的反应：只有自由氧化物能反应。,(SiO,2,) + Fe = Si + (FeO),( ) 表示熔渣的成分； 表示焊缝金属的成分。,45,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,熔渣的碱度：,B 1.0 碱性渣；B 1.0 酸性渣。,酸性焊条：,B 1.0,46,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,4. 对熔渣的要求, 不溶于金属, 比重小于液态金属, 合适的流动性和透气性,固态熔渣应具有良好的脱渣性, 合适的熔点：通常低于焊缝金属熔点,200-450,47,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,三、焊接化学冶金反应区,手工焊冶金反应区：,1. 药皮反应区：,生成气体和熔渣,脱水：100,水蒸气、,400,结晶水,有机物和碳酸盐分解：,2. 熔滴反应区,3. 熔池反应区,特点：,反应温度高,反应时间短,与气相、熔渣接触反应,48,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,四、焊接气氛及其与金属的相互作用,1. 焊接区的气体,（1）气体的来源,焊接材料：,造气剂、气保焊中的保护气体,热源周围气体介质：,空气,焊丝和母材表面上的杂质：,铁锈、油污、吸附水,49,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,（2）气体的产生,有机物的分解与燃烧：,淀粉、纤维素、糊精、油污等。,200,以上分解：CO,2,、CO、H,2,等,焊条烘干不宜超过,200,碳酸盐和高价氧化物的分解：,如：,CaCO,3,=CaO + CO,2,6Fe,2,O,3,=4Fe,3,O,4,+ O,2,2Fe,3,O,4,=6FeO + O,2,材料的蒸发：,沸点低的物质蒸汽,50,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,（3）气体的分解,氢、氧大部分以原子状态存在；,氮以分子状态存在；,CO,2,分解成CO和O,H,2,O-H、O、OH等,（4）气相的成分,电弧区的气体是由CO、CO,2,、H,2,O、N,2,、H,2,、,金属和熔渣的蒸汽等,使用碱性焊条焊接时，气相中含H,2,和H,2,O很少，故称“低氢型”焊条。,51,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,2.,氢与金属的作用,(1) 氢在金属中的溶解,渣保护条件下，,氢首先溶入熔渣，以OH-形式存在，然后在渣 与金属的相界面上通过交换电子生成氢原子，以原子氢的形式溶入金属中。,若渣中含有氟化物，则OH-与F-反应生成HF，,因此，此时氢在金属中的溶解度取决于气相中氢和水蒸汽的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧量。,52,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,氢通过气相与液态金属界面向金属中溶解时，,此时氢在金属中的溶解度符合平方根规律：,s,H2,氢在金属中的溶解度；,K,H2,氢溶解的平衡常数；,p,H2,气相中氢的分压。,氢在铁水中溶解度与温度有关。,氢在面心立方晶格中的溶解度大于在体心立方晶格中。,53,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,(2) 焊缝中的氢,扩散氢：,H、H,+,、H,-,残余氢：,H,2,熔敷金属扩散氢的测定：,水银法、甘油法。,焊后焊缝金属中的含氢量,：如图。,54,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,(3) 氢对焊接质量的影响,氢脆,白点,气孔,熔池凝固时，氢大量析出并以气泡的形式向外逸,出，若逸出速度小于熔池的结晶速度便形成气孔。,冷裂纹,在焊接接头的含氢量、淬硬组织及拘束应力共同作,用而产生的。,氢原子扩散聚集在微缺陷中，结合成氢分子，使,缺陷内产生很高的压力，阻碍金属塑变的发展。,时效、热处理可消除,55,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,(4) 控制含氢量的措施, 限制氢的来源：,限制材料中的含氢量,清除焊丝和焊件表面上的杂质, 冶金反应,在高温下形成稳定且不溶于金属的氢化物（OH、HF），,降低气相中的氢分压，从而降低氢在液态金属中的溶解度。, 控制焊接规范,有很大局限性。, 焊后脱氢处理,350,、保温1小时,56,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,冶金反应：,通过氟化物反应和增加熔池中的含氧量或气相的氧化性来减少熔池中的含氢量。,2CaF,2,+3SiO,2,=2CaSiO,3,+SiF,4,SiF,4,+3H=SiF,气,+3HF,SiF,4,+2H,2,O,气,=SiO,2气,+4HF,CO,2,+H=CO+OH,O+H=OH,O,2,+H,2,=2OH,57,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,3.,氮与金属的作用,气相氮的主要来源是焊接区周围的空气。,（1）氮对焊接质量的影响, 气孔, 对焊缝金属性能的影响：,过饱和形式存在于固溶体中,以针状氮化物（,Fe,4,N,）形式析出，分布于晶界或晶内,Cu,Ni不与氮反应,保护气体,58,氮对焊缝金属性能的影响,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,59,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,（2）控制氮的措施,气渣联合保护：最有效措施,控制焊接规范：,电弧电压 氮,（弧长增加，保护效果下降）,焊接电流 氮,（熔滴过渡频率增加，氮与熔滴作用,时间缩短，含氮量降低）,直流反接 氮,（可能与氮离子的溶解有关）,焊丝直径 氮,（直径增加，熔滴增大，比表面积减,少，含氮量降低）,利用合金元素：,C: co,co2, 熔池沸腾，保护加强，氮分压,Ti,Zr,Al,Re: 与氮生成稳定氮化物，熔渣排出,60,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,4. 氧与金属的作用,氧主要以,氧化物夹杂,存在于焊缝中。,（1）氧对焊接质量的影响,氧, 焊缝性能,气孔、飞溅（CO）,（,2）控制氧的措施,纯化焊接材料,控制焊接规范：短弧焊接,脱氧 （重要措施）,药皮加热阶段(先期脱氧),沉淀脱氧,扩散脱氧,61,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,脱氧：,药皮加热阶段: Fe2O3 + Mn = MnO + 2FeO,FeO + Mn = MnO + Fe,2CaCO3 + Si = 2CaO + SiO2 + 2CO,沉淀脱氧: Mn+FeO=Fe+(MnO),Si+2FeO=2Fe+(SiO2),扩散脱氧: (FeO)+(SiO2)=FeO* SiO2,(FeO)+(TiO2)=FeO* TiO2,FeO = (FeO),MnO SiO2, MnO*TiO2复合盐进入熔渣,62,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,五、硫、磷的作用,1,、硫的危害及控制,(1),硫的危害,热脆, 结晶裂纹,形成低熔点共晶体：FeFeS (985,),FeSFeO (940,),(2),控制硫的措施, 限制材料中的含硫量, 冶金方法脱硫,锰作脱硫剂：,FeS + Mn = (MnS) + Fe,熔渣碱性氧化物脱硫：,FeS + (MnO) = (MnS) + (FeO),FeS + (CaO) = (CaS) + (FeO),FeS + (MgO) = (MgS) + (FeO),63,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,2,、磷的危害及控制,(1),磷的危害,冷脆, 冲击韧性降低、脆性转变温度升高,形成低熔点共晶体：Fe+Fe,3,P (1050,),Ni+Ni,3,P (880,),脆硬的磷化铁分布于晶界,(2),控制磷的措施,限制材料中的含磷量,冶金方法脱磷,分,两步,进行：将磷氧化、与碱性氧化物生成磷酸盐,2Fe,3,P + 5(FeO) = (P,2,O,5,) + Fe,(P,2,O,5,) + 3(CaO) = (CaO),3,(P,2,O,5,) ),(P,2,O,5,) + 4(CaO) = (CaO),4,(P,2,O,5,) ),64,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,六、焊缝金属的合金化,合金化,：,把重要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属或堆焊金属中。,目的,：,补偿焊接过程中蒸发和氧化造成的合金元素损失,消除焊接缺陷，改善焊缝性能。如过渡Ti、V,细化晶粒。,获得特殊性能的堆焊金属。如过渡Cr、Mo等.,(1)合金过渡系数,合金过渡系数；,C,d,熔敷金属中某合金元素的含量；,C,DW,焊芯或焊丝中该元素的含量；,K,b,药皮重量系数；,C,药皮中该元素的含量；,65,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,(2)影响过渡系数的因素, 合金的物理化学性能：,沸点越低，饱和蒸汽压越大，焊接时损失越大，其过渡系数越小。,和氧的亲和力越大，氧化损失越多，其过渡系数越小。,在1600时各元素对氧的亲和力顺序如下：,Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al。,焊接时铁左面的元素几乎不烧损，只有残留损失，过渡系数,大；位于铁右面的几种元素氧化性逐渐增大，烧损量逐渐增加，最,右方的几种金属对氧的亲和力大，损失严重，一般很难过渡到焊缝,中去。,66,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接化学冶金,药皮和焊剂中的合金元素含量：,随着药皮（或焊剂）中的合金元素含量的增加，其过渡系数亦,增大，最后趋于稳定值。, 合金的颗粒度：,大 氧化损失小, 药皮和焊剂的成分：氧化性大,药皮或焊剂的成分决定了气相和熔渣的氧化性、酸碱度和粘度,等，因此，药皮氧化性越大合金过渡系数越小,。,67,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,焊接接头：,焊缝 + 热影响区,与母材相比，,焊缝：,由于两种以上的金属在高温下混合且伴随各种化学冶金反,应，其,成分、组织、性能,均发生变化；若反应不均匀，则,成分会不均匀，组织、性能有差异。,热影响区：,由于热循环的作用，相当于进行了短时的高温热处,理，,组织、性能,发生变化；因热效应不均匀，使材料形成,组织梯度。,68,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,一、焊缝金属的组织,焊缝从开始焊接到室温，经历了,加热熔化,、,结晶、固态相变,三个热过程。,1. 焊缝金属的结晶,结晶条件：,过冷、形核（结晶中心）、晶核长大,焊缝结晶：,现成的结晶中心（熔池壁） 主要,合金元素或杂质的悬浮质点 细化晶粒,长大最快方向（垂直熔池壁）最大温梯,晶粒形态：,柱状、等轴,69,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,由于焊缝凝固是在热源不断移动的情况下进行的，随着熔池向前推进，最大的温度梯度方向不断地改变，因此柱状晶长大的有力方向也随着变化。一般情况下，熔池呈椭圆状，柱状晶垂直于熔池边缘弯曲地 长大。如图。,70,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,2. 焊缝金属的凝固组织,凝固组织：,柱状晶,（胞状、胞状树枝、柱状树枝）,、等轴晶,凝固组织的金相形态与结晶时固液界面前方液相中成分过,冷程度有关。,对一定成分的合金焊缝，随液相,温度梯度降低,，成分过冷区将增大，凝固组织将相继是平滑界面、胞状晶、胞状树枝晶、柱状树枝晶和等轴树枝晶。,焊接工艺参数的影响：,焊接电流：,温度梯度,胞状晶、胞状树枝晶、柱,状树枝晶和等轴树枝晶。,71,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,焊接速度：,结晶生长方向的曲线族越接近直线，形成,对生,的柱状晶焊缝结构。如图。,所以，热敏感性大的奥氏体钢和铝合金焊接时不能采用大的焊接速度。,夹杂、纵向裂纹,72,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,3. 焊缝金属的化学成分不均匀性,(1) 焊缝中的偏析,偏析：宏观偏析、微观偏析,宏观偏析,：,杂质偏聚在晶间及部分地区溶质浓度升高。,a. 层状偏析：结晶速度周期性变化 周期性分布。如图。,b. 焊缝中心偏析,c. 焊道偏析,d. 弧坑偏析,微观偏析：,晶间、晶内溶质浓度不同。,先结晶的固相溶质浓度高。（晶内亚晶）,73,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（2）焊接熔合区,熔合区：,半熔化区,成分不均匀：, 液化区中浓度,固相区中浓度, C,S,P,由焊缝向母材扩散，,S,P在熔合区偏聚,因此，熔合区的组织和性能的不均匀性较母材上其它任何区都大。常成为裂纹的起点与扩展通道，为接头的薄弱地带。,74,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,4. 焊缝固态相变组织,对于低碳低合金钢，过冷奥氏体存在。随冷却速度不同，可以有铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体转变。,（1）先析铁素体,过冷奥氏体高温转变。形态、分布不同：,晶界自由铁素体,魏氏组织铁素体：条件：粗大奥氏体晶粒、含碳,0.1-0.5%、快冷,晶内等轴铁素体,晶内针状铁素体,75,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（2）共析转变产物珠光体,过冷奥氏体在Ar1以下温度转变为珠光体族的相关产物。,随着转变温度的降低，珠光体转变越快越小。,产物类型：,珠光体,索氏体 细片状珠光体,屈氏体 极细片状珠光体,76,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（3）贝氏体,中温转变产物，转变温度区域在珠光体、马氏体转变之间。,产物类型：,无碳贝氏体：,板条状贝氏体。条宽、条间距大。,粒状贝氏体：,铁素体基体上分布着许多岛（富碳奥氏体）,富碳奥氏体转变为马氏体（M-A）时，韧性降低。,部分分解为铁素体和渗碳体时，上升。,上贝氏体：,呈羽毛状。铁素体晶粒和碳化物颗粒粗大，故硬度低、,脆性大。,下贝氏体：,呈针片状。铁素体针细小而均匀分布，且其中有细小,弥散分布的碳化物，故强度高、韧性好。,77,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（4）马氏体,奥氏体过冷到Ms温度下发生转变。,产物类型：,板条马氏体：,位错马氏体、低碳马氏体,片状马氏体：,孪晶马氏体、高碳马氏体,低碳马氏体的亚结构属于位错型，使其具有高硬度、良好的,韧性；另外，低碳马氏体的,Ms点较高，有自回火现象。,高碳马氏体硬度高、脆性大。,78,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（5）低碳钢焊缝组织,含碳量少,，,组织：,铁素体 + 少量珠光体,（有魏氏组织），与焊后冷速有关。,（6）低合金钢焊缝组织,由于合金元素的加入，使连续冷却转变曲线（CCT图）右移，而贝氏体转变部分向左突出，故实际焊缝中，各种组织都可能出现。,合金元素较少时，焊缝组织与低碳钢相近；, ,多时，, ,中出现多种形态的贝氏体组织。,79,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,二、焊缝金属性能的控制,主要讨论结构钢焊缝的,强韧性,问题。,强化方式：,固溶强化、细晶强化（变质处理）、冷作强化、沉淀强化、马氏体相变强化,焊缝强化：,常用固溶强化、细晶强化,一般不采用沉淀强化、马氏体相变强化，因为它们需要焊后热处理。,焊后热处理需综合考虑：去应力、回火脆化（Nb,V,Ti）,80,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,1. 影响焊缝性能的因素：,（1）焊缝化学成分的影响,化学成分：,合金元素、杂质（S,P,N,H,O）,形态：,固溶、析出相、析集于晶界,直接影响韧性，或通过改变相变产物影响韧性。,a.,锰与硅,b.,铌与钒,c.,钛与硼,d.,钼,e.,镍,f.,稀土元素,综上，采用微合金化改善焊缝组织与性能非常复杂。,对于低碳钢焊缝，增加焊缝中的针状铁素体，抑制先析铁素体的形核长大，是最重要的韧化机制。,81,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,(2) 焊接工艺的影响,a.,焊接线能量：,影响,的转变。,b.,焊接材料：,影响焊缝中有害杂质的数量与存在形式。,c.,接头形式：,影响冷速和熔合比。,d.,多层焊接：,每层焊缝变小改善结晶条件，,后一层对前一层焊缝有附加的热处理作用,e.,焊后热处理：,82,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,2. 焊缝金属与母材的强韧匹配,考虑：,强度、韧性、裂纹倾向,对低强度钢，,等强匹配,对高强度（超高强）钢，,等强或低强匹配。,83,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,三、焊接热影响区的组织,焊接热影响区在组织性能上是一个非均匀的连续体，其根本原因在于各部分所经历的热循环不同。,1. 焊接热影响区的组织转变,基本原理与热处理的相变相同，钢的固态相变规律是分析热影响区组织转变的基础。,（1）焊接过程的特殊性,a. 加热温度高：热处理：,A3以上100-200，焊：熔合线附近,b. 加热速度快：热源强烈集中，快十甚至百倍,c. 高温停留时间短：在,A3,以上停留几秒,d. 自然条件下连续冷却：,84,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（2）焊接加热过程的组织转变,加热速度,相变点,Ac1, Ac3,Ac1-Ac3,间隔,奥氏体形成过程（形核，长大，均匀化）变化, 形核率的增加倍数大大高于长大，,故奥氏体的初始晶粒,在,Ac3,以上不太高的温度范围（,900-1100,） 可获得细小的奥氏体晶粒；,在1100,以上，奥氏体晶粒长大为主要矛盾，得到的是粗大的组织,均匀化的程度,特 点,85,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（3）焊接冷却过程的组织转变,冷却速度,平衡状态图中的,Ar1,Ar3,Acm,共晶成分由,点,变成,范围，,如图。,如：当冷却速度为,30/s,共析成分范围为：,w(c)=0.4-0.8%, 即含碳0.4%的,钢就可以得到全部为珠光体的,组织（伪共析）。,86,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,焊接条件下连续冷却组织转变图（CCT图）：,作用：,根据 t,8/5,，预测HAZ组织、硬度、冷裂纹倾向；,为选择焊接工艺参数的依据。,16Mn,CCT,87,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,16Mn,CCT,88,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,2. 焊接热影响区的组织分布,（1）不易淬火钢的热影响区组织,不易淬火钢：,低碳钢,强度级别低的低强钢,（16Mn, 15MnV, 15MnTi）,热影响区区段：,熔合区,过热区,正火区（相变重结晶区）,不完全重结晶区,89,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,90,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,各区段组织：,91,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,焊接热影响区的影响因素：,影响因素较多，如焊接方法、线能量、板厚（刚度）等。,下表给出了不同焊接方法焊接低碳钢时，热影响区的平均尺寸：,92,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（2）易淬火钢的热影响区组织,易淬火钢：,中碳钢,强度级别高的低强钢,（18MnMoNb, 30CrMnSi）,热影响区区段： 图,焊前退火态：,淬火区、部分淬火区,焊前淬火态：,淬火区、部分淬火区、回火区,93,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,四、焊接热影响区的性能,1. 焊接热影响区的硬化,决定于被焊钢种的化学成分和冷却条件；,组织,同一组织由于含碳量和合金元素含量的不同，其硬度也不相同。,F：铁素体 P：珠光体 B：贝氏体 M：马氏体,94,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（1）焊接HAZ的,硬度,如下页图。,常用,HAZ的最高硬度,HVmax,判断,HAZ,性能。,（2）化学成分的影响,与裂纹敏感系数P,cm,和碳当量C,E,之间的回归经验公式，如下：,（3）冷却条件的影响,增大t8/5，硬度降低。,（4）焊接HAZ硬化的防止措施,改变焊接条件（线能量），以降低冷速。,95,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,96,手工电弧焊焊接普通低合金钢热影响区最大硬度H,max,与裂纹敏感系数P,cm,和碳当量C,E,之间的回归经验公式，如下：,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,适合碳当量，C0.18的低合金钢,适合碳当量，C0.18的低合金钢,97,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,2. 焊接热影响区的脆化,焊接接头热影响区的脆化有多种形式：,如，粗晶脆化、析出相脆化、MA组元脆化和热应变脆化等。,右图可见，焊接接头热影响区有两个脆性转变峰值温度，即粗晶区和A,C1,以下的时效脆化区（400600）。,98,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（1）粗晶脆化,从冶金因素来看，对于淬硬倾向较小的钢粗晶脆化主要是由于晶粒长大甚至形成魏氏组织引起的。,对于易淬火钢主要是产生了硬脆的M组织。,但要看到，热影响区产生高碳M，则脆性增加，如产生低碳M反而对粗晶区的脆性有所缓解。,（2）析出脆化,某些合金，在回火时效的过程中，从过饱和固溶体中,析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其它亚稳定的中间相等,，这些新相的析出，阻碍了位错运动，使塑变难于进行，故强度、硬度、脆性增加。,99,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（3）组织脆化,对于低合金钢，焊接HAZ组织脆化主要是由于,MA组元,、上贝氏体、魏氏组织等造成。,MA组元：,是在粗大的铁素体基体上，由于先形成铁素体，而使残余奥氏体的碳浓度增高，随后转变成高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，即MA组元。脆性增加，脆性转变温度升高。如图。,100,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（4）热应变脆化,热应变热加工造成，产生塑变，脆化可以分两类,室温或低温下受到预应变后，产生强度、硬度增高，塑性、韧性下降，称为“,静应变时效,”。其主要原因是钢中存在碳、氮等自由的间隙原子，在应力的作用下，在晶格缺陷周围扩散，形成气团，对位错产生钉扎和阻碍作用，使金属强化。,另一种是在高温下（200400），预应变使轻原子向晶界偏聚，使金属脆化，称为“,动应变时效,”。通常所说的脆性就是动应变时效。,101,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（5）焊接HAZ的脆化的控制,控制组织：,控制焊接热循环控制最佳的t8/5，既要防止因过热导致晶粒粗化，又要防止急冷而致硬化。,如图，M-A组元最为有害，最佳的t8/5应避开形成该组元的区间。,焊后热处理,102,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,3. 焊接HAZ的软化,冷作强化或热处理强化的金属或合金，在焊接热影响区一般均会产生不同程度的失强现象 软化,冷作强化的金属的软化，是由再结晶引起的。,（1）调质钢焊接时热影响区的软化,调质钢焊接时热影响区的软化是不可避免的，其软化程度和调质过程中的回火温度有关，回火温度越低（即强化程度越大），焊后的软化程度越大。,103,材料加工原理(焊接)_,熔化焊接头的组织与性能,（,2）热处理强化合金的焊接热影响区的软化,焊接热处理强化合金（硬铝或超硬铝），在温度与时间的共同作用下会发生软化（强化相析出、脱溶），即“过时效软化”现象。,对硬铝（LY12 ）一般接头强度只有母材的6070，而对热处理不能强化的铝合金（LF5），这种现象并不严重。,（3）软化的控制,软化的内因是材料的强化特性，所以，防止软化，只能通过工艺手段。尽量减少焊接热作用程度总是有利于降低软化程度。,104,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,缺欠：,焊件上出现的一种不连续性，如焊件在力学特性、冶金特性或物理特性上的不均匀性。,缺欠不等同于缺陷。,焊接缺欠：,工艺因素引起的：,如咬边、未焊透、错边、角变形等,冶金因素引起的：,如气孔、各种裂纹等。,指焊接过程中，由于物理化学冶金过程未能满足一定的要求而产生的缺欠。,105,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,一、气孔,气孔：,焊缝表面或内部形成的连续或不连续的孔洞。,气孔的形成：,由于熔池金属中的气体在金属结晶凝固前未能及时逸出，从而以气泡的形式残留字啊凝固的焊缝内部或出现在焊缝表面。,危害：,降低焊缝金属的有效承载面积，降低焊缝强度；,引起应力集中、裂纹；,弥散气孔引起金属组织疏松，而导致气密性、耐蚀性降低。,106,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,1. 影响气孔形成的因素,1）熔池的凝固速度, 导热、散热、焊接工艺参数、结构形式、板厚等。,2）液体金属的粘度, 镍基金属液体粘度大，故焊接时易产生气孔。,3）液体金属的密度, 气泡上浮。轻金属（AL,Mg)焊接时易产生气孔。,4）气泡尺寸, 气泡半径越大，越有利于上浮。,107,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,2. 气孔类型及其形成原因,按气体来源不同，分为,析出型气孔,、,反应型气孔,。,（1）析出型气孔,析出型气孔：,指高温时熔池金属中溶解了角度的气体，凝固时由于气体的溶解度突然下降，气体处于过饱和来不及逸出而引起的气孔。,氢气孔、氮气孔,（2）反应型气孔,反应型气孔：,指由于冶金反应产生的不溶解于金属的 气体，如CO、H2O等引起的气孔。,FeO + C = CO + Fe,108,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,3. 气孔的防止,(1),消除气体来源,清理工件及焊丝表面：氧化物、锈、油污、水分。,焊条与焊剂的烘干,保护焊接区 控氮,（2） 正确选择焊接材料,熔渣的氧化性大 CO气孔倾向,还原性大 H气孔倾向,保护气体 惰性、活性,（3）优化焊接工艺：,电流、电压、线能量、预热,109,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,二、焊缝中的夹杂,夹杂：,指熔焊化学冶金过程中生成、而未来得及排出于 金属之外的氧化物等。,危害：,当其含量较高或集中分布时可降低冲击韧性；,可成为裂纹的萌生点和扩展通道。,110,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,三、焊接热裂纹,1. 热裂纹的特征与类型,产生温度：,热裂纹(高温裂纹)在,高温（凝固末期）,下产生。,存在部位：,焊缝,为主,热影响区,特征：,宏观看,沿焊缝的轴向成纵向,分布（连续或继续）也可看到缝横向裂纹，裂口均有较明显的,氧化色彩,，表面无光泽，微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于,沿晶,断裂性质,类型：,与液膜有关的（,）,与液膜无关的（,）,111,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,产生裂纹的条件：,在脆性温度区焊缝所承受的拉伸应力所产生的变形大于焊缝金属所具有的塑性时产生裂纹，即高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生塑性应变量。,形成焊接热裂纹的脆性温度区间：,如图：两个。,112,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,分类：,凝固裂纹（结晶裂纹）,液化裂纹,多边化裂纹,失塑裂纹,2. 凝固裂纹（结晶裂纹）,产生部位：,结晶裂纹大部分都沿,焊缝树枝状结晶的交界处,发生和发展的，常见,沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹,。对于低碳钢、奥氏体不锈钢、铝合金、结晶裂纹主要发生在,焊缝,上；某些高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在,焊缝,之处，还出现在,近缝区,上。, 与液膜有关,与液膜无关,113,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,（1）凝固裂纹形成机理,产生原因：,在脆性温度（,T,B,）,间，,焊缝中存在液态薄膜,（低塑性）,焊缝中有拉应力,114,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,如图，在,间，,焊缝的塑性用P表示,在某一瞬时温度时有一个,最小的塑性值,（P,min,),（出现液态薄膜时）,受拉伸应力所产生的变形,用e表示，也是温度的函数,.,即：,在脆性温度区焊缝所承受的拉伸应力所产生的变形大于焊缝金属所具有的塑性时产生裂纹。,产生条件：,115,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,结论：,脆性温度区间,T,B,大，拉应力作用时间长，产生裂纹可 能性大；,脆性温度区（T,B,）内金属的塑性,，塑性越小，越易产生结晶裂纹；,、,决定于焊缝化学成分，杂质性质与分布，晶粒大小。,冶金因素,T,B,内随温度降低的变形增长率,（拉伸应力的增长率）,临应变率CST越大,则表示材料的热裂纹敏感性越小,不易产生裂纹。,力学因素,116,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,（2）凝固裂纹形成的影响因素与防止,冶金因素：, 结晶温度区间,：,合金状态图。,脆性温度区（阴影部分）的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加；,实际焊接条件下，固相线比平衡条件下的向左下方移动。,117,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,一次结晶组织形态及组织：,晶粒大小： 晶粒粗大，裂纹的倾向,晶粒方向： 方向性越强，晶界集中较多低熔点杂质，裂,初生相：,相 裂，,相,裂 ,相,线膨胀系数小于,相 ，,相,相变应力，裂,118,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,合金元素 ,不是孤立的,a)、S、P,S、P增加结晶温度区间,脆性温度区间T,B,，裂纹,S、P产生低温共晶体, 易形成液态薄膜, 裂纹倾向,P、S引起成分偏析。,b)、C,C0.16% Mn/S无效, 加剧S、P有害作用，裂,c)、Mn,Mn具有脱S作用,d)、Si,Si是,相形成元素,e)、Ni,Ni易与,S、P形成多种低熔共晶体，裂,f)、O,O降低S的有害作用，氧、硫、铁能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成球状，裂,119,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,工艺因素：,合理选择焊接材料和控制焊接参数，从而减少有害杂质偏析，降低应变增长率。,限制熔合比：,焊接易向焊缝转移有害杂质的母材（中、高碳钢，异种金属）时，熔合比,裂,开坡口,控制成形系数：,成形系数,柱状晶成对生态,杂质偏集,裂,减少应力：,结构设计、焊缝布置、焊接顺序,120,材料加工原理(焊接)_,焊接冶金缺欠,3. 近缝区液化裂纹,在,高温,下产生。钢材或多层焊的层间金属含有低熔点化合物经,重新溶化,，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂。,4. 多边化裂纹,产生,温度低于固相线温度,。焊缝存在晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性,在高温和应力作用下,缺陷移动、聚集、在不同平面上的刃型位错攀