第二章焊接冶金与焊接材料.docx

第二章 焊接冶金与焊接材料几个概念（1）焊接冶金：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总称为焊接冶金过程。它研究焊接化学冶金与焊接物理冶金的基本规律，为制订各种金属材料的焊接工艺建立必要的理论基础。它对焊缝的化学成分和焊接质量（包括接头的力学性能、物理化学性能、金相组织及有无裂纹、气孔等工艺缺陷）有着决定性的影响。（2）焊接冶金过程的特点：电弧区温度高可达60008000；熔池体积小，存在时间短成分布均匀；熔池金属不断更新；反应接触面大，搅拌激烈；反应时间短0.010.1s。（3）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，称为焊接化学冶金过程，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。（4）焊接物理冶金过程：研究焊接条件下材料的物理冶金问题，对材料受焊后的组织、性能、化学成分的变化和产生缺陷的原因进行分析，为进一步提高焊接质量、防止各种焊接缺陷（特别是裂纹）提供理论依据。2.1 焊接化学冶金过程的任务与特点2.1.1 几个基本概念（1）母材金属：被焊金属材料的统称。（2）填充金属：焊芯或焊丝。焊条是指药皮里面的焊芯，其它熔化焊方法中指焊丝。（3）熔敷金属：完全由填充金属熔化后所形成的焊缝金属。由于熔滴在落入熔池过程中与周围的熔渣和气体发生了激烈的冶金反应，所以它的成分和填充金属的有很大的不同。（4）焊缝：熔敷金属与熔化的母材金属激烈反应混合，构成熔池内的液态金属，冷却凝固后即形成焊缝。（5）熔合比（稀释率）：熔池中母材金属所占比例称熔合比。焊缝的成分取决于熔合比大小，熔合比数值与焊接方法、焊接规范、接头型式、坡口形式及母材热物理性质有关。当焊接异种金属或合金堆焊时，熔合比又可称为“稀释率”。2.1.2 焊接化学冶金的任务（1）首要任务就是对金属加强保护，防止有害气体的作用（2）焊接化学冶金的第二个任务就是对熔化金属进行冶金处理2.1.3 焊接化学冶金的特点普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放在特定的炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。（1）二者共同点：金属冶炼加工。（2）不同点：原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。 目的不同 普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能 焊接冶金和普通化学冶金相比也有它的特殊性，其中最重要的特点是：焊接冶金反应是分区连续进行的分区表示反应区不仅熔池一处，连续表示各区反应依次连续进行；各区的反应条件（反应物的性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流和搅拌运动等）也有较大差异。2.1.3.1 药皮反应区 温度范围从100到药皮的熔点（钢焊条约为1200）。也就是说，在焊条端部的固态药皮中就开始发生物化反应，主要是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。2.1.3.2 熔滴反应区是指从熔滴形成、长大、过渡到高速飞入熔池前这一阶段。该区有以下特点：（1）熔滴的温度高18002400；（2）各相之间的反应时间（接触时间）极短平均时间0.01-1S；（3）熔滴金属与气体和熔渣的接触面积大熔滴的比表面积（熔滴表面积与质量之比）要比炼钢时大1000倍，可达100010000 cm2/kg；（4）熔滴金属与熔渣发生强烈的混合，所以冶金反应最强烈，对焊缝成分影响最大。 在熔滴反应区进行的主要物化反应有：气体的高度分解；氮和氢的激烈溶解；强烈的增氧与渗合金；金属的蒸发；去氢反应等。2.1.3.3 熔池反应区 指熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材混合，与此同时各相进一步发生物化反应，直至金属凝固，形成焊缝这一阶段。与熔滴反应区相比，该区具有如下特点：（1）平均温度低（16001900，低于熔滴温度）；（2）比表面积小（3130cm2/kg）；（3）反应时间稍长（手工焊38秒，埋弧焊625秒）；（4）搅拌没有熔滴阶段激烈，不过比炼钢要强烈的多，而且它反应的结果决定了焊缝最终的成分和性能；（5）熔池的突出特点之一是温度分布极不均匀：2.2 焊接熔渣焊接冶金过程是包括金属、熔渣、气体三者在内的一个体系，熔渣是其中一个极为重要的因素，这一节主要介绍熔渣的作用和熔渣的物理化学性质两方面。2.2.1 熔渣的作用熔渣在焊接冶金过程中的作用主要有以下三个： 机械保护作用 改善焊接工艺性能的作用 冶金处理作用2.2.2 熔渣的组成钢焊条的熔渣是由各种氧化物及其盐类组成的，碱性焊条和焊剂形成的渣中还含有氟化物。 焊接熔渣中的氧化物按其性质可分为三类：酸性氧化物按酸性由强变弱的顺序有SiO2、TiO2、P2O5等；碱性氧化物按碱性由强变弱的顺序有K2O、Na2O、CaO、 MgO、BaO、MnO、FeO等；中性氧化物Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。这些氧化物是呈酸性还是呈碱性，决定于熔渣的性质。在强酸性渣中它呈弱碱性，在强碱性渣中它呈弱酸性。2.2.3 熔渣的物化性质2.2.3.1 熔渣的碱度碱度是衡量熔渣酸碱性的指标，是熔渣的重要化学性质，其它物化性质都与碱度由密切关系，它可以反映熔渣的冶金反应能力和物理性质。熔渣的碱度的定义可以表示为： （2-1）为计算方便，氧化物含量也可以改为质量百分比： （2-2）根据B值就可以将熔渣分为酸性渣和碱性渣。当B>1.3时为碱性渣；当B<1.3时为酸性渣。酸性渣的焊条我们称为酸性焊条，碱性渣的焊条我们称为碱性焊条。它们的冶金性能、焊接工艺性能以及焊缝的成分和性能都有显著不同。但利用上面的计算公式实际计算出来的B值是不准确的，因为它既没有考虑到氧化物酸性和碱性的强弱程度，也没有考虑酸性氧化物与碱性氧化物形成复合物的情况。比较精确的计算公式是：（2-3）式中的氧化物以质量百分比计算。当B1大于1时为碱性渣，小于1时为酸性渣，等于1时为中性渣。这个公式计算起来比较麻烦，所以清华大学的陈伯蠡教授建议采用下列修正式： （2-4）当B1大于1.5时为碱性渣，小于1.0时为酸性渣，11.5时为中性渣。2.2.3.2 熔渣的粘度熔渣粘度是指液态渣内部相对运动时各层之间产生的内摩擦力（在单位速度梯度下，作用在单位面积上的内摩擦力），它的单位是帕秒（Pa·S），用表示。粘度的倒数=1/叫流动性，粘度越小，流动性越大。粘度是焊接熔渣重要的物理性质之一，对渣的保护效果、飞溅、焊接操作性、焊缝成型、熔池中气体的外逸、合金元素在渣中的残留损失、化学反应的活泼性等都有显著的影响。粘度过大，渣冶金反应能力降低，焊缝成形不良且易产生气孔等缺陷；粘度过小，渣覆盖性差，降低保护效果，焊缝成形差且不能全位置焊。粘度变化的影响因素熔渣的粘度决定于温度和渣的成分。（1）温度的影响温度与粘度的关系为，其中：A为取决于熔渣本性的常数；E为质点移动所需要的活化能；R为气体常数；T为绝对温度。（2）熔渣成分的影响焊钢用熔渣的粘度在1500左右时为0.10.2 Pa·S比较合适。2.2.3.3 表面张力熔渣的表面张力实际上是熔渣与气相接触时的比表面能，而熔渣和金属间的比表面能称为界面张力。它们对熔滴过渡、焊缝成型、脱渣性及冶金反应等都有很大影响。比如，熔渣的表面张力大的话会阻碍熔滴过渡，因为熔滴大。2.2.3.4 密度熔渣的密度影响熔渣在熔池金属中的浮出速度。密度越小，渣轻越容易浮出，不易产生夹渣。2.2.3.5 线膨胀系数它主要是影响脱渣性。渣的线膨胀系数与焊缝金属的相差越大，越容易脱渣。2.2.3.6 熔化性（熔点、凝固温度范围）一般：焊芯的熔点>药皮的熔点>熔渣的熔点温度差值：T=100-200。2.3 焊缝金属中的气体夹杂2.3.1 氢对金属的作用及控制一般熔焊时总是或多或少的氢与金属发生作用，而且氢是与所有金属都能够发生作用的活泼元素。对于大多数金属，氢是有害的，它是造成广泛采用的低合金高强钢焊接结构出现氢脆、冷裂纹、氢气孔等缺陷的最主要原因。2.3.1.1 氢的来源（1）焊材中的水分（2）药皮中的有机物（3）焊丝和母材坡口表面上的铁锈、油污（4）电弧周围空气中的水分2.3.1.2 氢在金属中的溶解对于氢氧氮这样的双原子气体来说，必须分解为原子或离子才能溶于金属。一定温度下，气体在金属中的最大含量称为此气体的溶解度（氢的溶解度用SH表示）。氢在铁中的溶解度与温度的关系见图2-1。图2-1 氮、氢在铁中的溶解度与温度的关系（）从图2-1中可以看出：（1） 液态铁中当T<2400时， 随温度升高，氢的溶解度增大（TSH）。（2） 在液固转变点氢的溶解度发生突变，急剧下降。这往往是造成氢气孔的主要原因。（3） 固态组织的相变氢在不同晶体结构中的溶解度是不同的，一般在面心立方晶格的奥氏体钢中的溶解度要比体心立方晶格的铁素体+珠光体钢中的溶解度要大。2.3.1.3 氢在固态金属中的扩散固溶在钢焊缝中的氢原子和氢离子，由于半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，所以称为“扩散氢”。部分氢扩散集聚到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂等空隙中，结合成为氢分子，因为半径大，不能自由扩散，所以称为“残余氢”。由于扩散，所以焊后随放置时间增加，扩散氢减少，残余氢增多，总氢量降低。氢在焊接接头中，既能在焊缝中扩散，也能向近缝区扩散，并能扩散到近缝区相当大的深度。在焊缝中，氢沿焊缝长度方向的分布基本均匀，只是在弧坑处含氢量高，所以在弧坑处容易产生氢缺陷。在近缝区，熔合线处的含氢量高低影响到此接头是否容易在此处产生冷裂纹。含氢量越高越容易产生冷裂，因为氢的存在是接头产生冷裂的三大因素之一。扩散氢的测定方法有甘油法、水银法、气相色谱法等，其中最常用的是甘油法。2.3.1.4 氢的作用结果（对焊接质量的影响）氢几乎对所有的金属焊接都有害，氢的有害作用可分为两种：暂态现象脆化、白点，经时效、热处理可消除；永久现象气孔、冷裂纹，不可消除。氢脆（氢致塑性损失）氢脆是氢在室温附近使钢的塑性指标（如延伸率和断面收缩率）严重下降的现象。氢脆是溶解在金属晶格中的氢引起的。在焊缝拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，结果形成显微空腔。与此同时，溶解在金属晶格中的原子氢不断沿着位错运动的方向扩散，最后聚集在显微空腔内，结合为分子氢。这个过程的发展使空腔内产生很高的压力，导致金属变脆。白点（fisheye，鱼眼）是含氢量高的碳钢或低合金钢焊缝，在拉伸或弯曲试件断面上出现的银白色圆形斑点。许多情况下，白点的中心有小夹杂物或气孔，好象鱼眼一样，所以又称为鱼眼。白点是在塑性变形过程中产生的，使焊缝塑性严重下降。 “诱捕理论”解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙，好象“陷阱”一样捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子，在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附。由于塑性变形新产生的微裂纹表面上，分解成原子氢，原子氢扩散到微裂纹金属晶格内，引起金属脆化。 氢气孔因为在焊接过程中如果熔池吸收了大量的氢，那么在它结晶时由于溶解度的突然下降，使氢处于过饱和状态 ，这将促使2H=H2反应发生。反应生成的分子氢不溶于金属，于是在液态金属中形成气泡。当气泡外逸速度小于结晶速度时，就在焊缝中形成气孔。冷裂纹冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，危害很大。2.3.1.5 控制氢的措施（1）限制氢的来源 合理选择药皮原材料严格烘干焊接材料气保护焊时，限制保护气中的含水量，必要时可采取去水、干燥等措施。清除焊丝和焊件表面上的油、锈、吸附水等杂质。可以采取机械或化学方法清除。为防止焊丝生锈，许多国家都采用表面镀铜处理。（2）冶金措施提高气相的氧化性（OH夺H）氟化物除氢（HF夺H）药芯或药皮中加入微量稀土元素（3）工艺措施焊接规范对H也很有影响。电流 一般，由于I电弧温度高，氢分解度大；熔滴温度高，氢溶解度大，所以H电压电压U弧长熔滴与H作用时间H应短弧操作电流的种类和极性直流反接（试件接负极，焊把接正极）氢量最少，交流最多。焊速焊速对焊缝中的总含氢量没有影响，但对扩散氢与总氢量的比值有很大影响。（4） 焊后脱氢处理焊后加热焊件，促使氢扩散外逸，从而减少接头中含氢量的工艺叫做脱氢处理。焊后将焊件加热到350保温一小时，或加热到250保温6-8小时，可促使大部分氢扩散逸出。2.3.2 氮对金属的作用及控制2.3.2.1 氮的来源焊接周围的空气是电弧气相中氮的主要来源。尽管焊接时采取了保护措施（药皮保护、气保护等），但总有或多或少的氮侵入焊接区，与熔化金属发生作用。2.3.2.2 氮的作用根据氮与金属的作用特点，可分为两种情况进行讨论：与氮不发生作用的金属，如铜和镍等，它们既不溶解氮，又不形成氮化物。所以焊接这些金属时可以用氮气作为保护气体。与氮发生作用的金属，如铁、锰、钛、硅、铬等，它们既溶解氮，又形成氮化物。所以焊接这些金属及其合金时就要防止焊缝金属的氮化。2.3.2.3 氮在金属中的溶解氮在铁中的溶解度随温度的变化关系见图2-1。可以看出，和氢相似，在液态铁中2200下随温度升高氮溶解度增大，2200以上迅速减小到0；液固转变（也就是液体凝固）时溶解度突降，在固态铁中氮在不同晶格铁中的溶解度也不同。其中液固转变时溶解度突降这一点是造成氮气孔的主要原因。2.3.2.4 氮对焊接质量的影响（1） 氮气孔 （2）机械性能 提高焊缝金属的强度、硬度，降低塑性和韧性（特别是低温韧性）。（3）时效脆化（随时间延长，强度增高而塑韧性下降的现象）焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随时间延长过饱和的氮逐渐析出，形成稳定针状氮化物Fe4N，从而强度上升而塑韧性下降。2.3.2.5 控制措施（1）加强保护，防止空气与液态金属接触（2）工艺措施采用短弧焊。增大焊接电流。采用直流反接。（3）冶金措施增加焊丝或要皮中的碳含量加入钛、铝、锆和稀土等与氮亲和力大的合金元素2.3.3 氧对金属的作用及控制2.3.3.1 氧的来源（1）弧气中的氧化性气体O2、CO2和水蒸气。（2）氧化性熔渣（含FeO、MnO、SiO2）（3）焊丝、工件表面的锈（含Fe2O3）、氧化铁（Fe3O4）2.3.3.2 氧在金属中的溶解氧是以原子氧和FeO两种形式溶于液态金属中的，由于FeO中也只有一个氧原子，所以金属中两种形式的含氧量都可用O表示。氧在液态铁中溶解度与温度的关系也是溶解度随温度的升高而升高。在液态铁中加入合金元素时，随合金元素的增加氧的溶解度下降。在铁冷却过程中，氧的溶解度急剧下降。在凝固温度（1520）其溶解度为0.16%，而在室温下铁中几乎不溶解氧（<0.001%）。所以，焊缝金属和钢中所含的氧几乎全部是以氧化物和硅酸盐夹杂物的形式存在。焊缝含氧量一般是指总含氧量而言，它既包括溶解的氧，也包括非金属夹杂物中的氧。2.3.3.3 氧对焊接质量的影响焊缝中的氧不论以何种形式存在，对焊缝的性能都有很大的影响：（1） 降低焊缝的力学性能O焊缝的强度、塑性、韧性 ，尤其低温冲击韧性急剧下降（2）增加焊缝的冷脆与热脆敏感性（3）降低焊缝导电性、导磁性、耐蚀性等物化性能（4）使焊缝中有益的合金元素烧损，并造成飞溅和气孔。2.3.3.4 氧的控制措施（1）纯化焊接材料（2）工艺措施（正确选择焊接规范）（3）冶金脱氧2.4 焊缝金属化学成分的控制2.4.1 焊接化学冶金过程的氧化与还原2.4.1.1 金属的氧化焊接时金属的氧化是在各个反应区通过氧化性气体（如O2、CO2、H2O等）、熔渣以及坡口表面上的氧化物与金属相互作用实现的。（1）氧化性气体对金属的氧化 自由氧对金属的氧化 Fe+1/2O2=FeO+26.97 kJ/molFe+O=FeO+515.76 kJ/mol CO2对金属的氧化CO2=CO+1/2O22Cr+3CO=(Cr2O3)+3C H2O对金属的氧化H2O气+Fe=FeO+ H2（2）活性熔渣对金属的氧化活性熔渣对金属的氧化可分为两种基本形式：扩散氧化和置换氧化，置换氧化是金属氧化的主要途径。扩散氧化焊接钢时，由于FeO既能溶于渣又能溶于液态钢，所以它能在钢液和熔渣间进行扩散。在一定温度平衡时，它在两相中的浓度应符合：L=(FeO)/FeO在温度不变的情况下，当增加熔渣中FeO的浓度(FeO)时，(FeO)/FeO大于分配系数L，扩散平衡被破坏，渣中的FeO就会向钢液中扩散，这个过程就是扩散氧化。可以看出，由于(FeO)/FeO>L是发生扩散氧化的条件，所以L越小扩散氧化越容易发生。已经证明温度越高，L越小，所以扩散氧化主要是在温度高的熔滴阶段和熔池高温区进行。扩散氧化过程需要一定的时间，所以它不是金属氧化的主要途径。置换氧化置换氧化又叫渗锰渗硅增氧反应，是渣中的活性氧化物MnO、SiO2与钢液间发生置换氧化反应：置换氧化是吸热反应，所以主要发生在熔滴区和熔池高温区，是金属氧化的主要途径。（3）焊件表面氧化物对金属的氧化2Fe(OH)2Fe2O3+3H2OFe2O3+Fe3FeOFe3O4+Fe=4FeO2.4.1.2 脱氧反应（1）对脱氧剂的要求用于脱氧的元素或铁合金叫脱氧剂。为达到脱氧目的，脱氧剂应满足下列要求：脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大。脱氧的产物应不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度，同时应尽量使脱氧产物处于液态。必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能及工艺性能的影响。成本尽量低。（2）脱氧反应先期脱氧先期脱氧发生在药皮反应区。Fe2O3 + Mn = MnO+2FeOFeO + Mn = MnO + FeOMnO2 + Mn = 2MnO2CaCO3 + TiTiO2 +2CaO + 2CO2CaCO3 + Si = SiO2 + 2CaO + 2CO先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、它的粒度、氧化剂与脱氧剂的比例、焊接电流密度、伸出长度等因素。扩散脱氧它是扩散氧化的逆反应，发生在液态金属与熔渣界面，以分配定律为理论基础。当(FeO)/FeO>分配系数L时，发生扩散氧化，温度升高L值减小有利于扩散氧化进行，所以扩散氧化发生在熔滴区以及熔池头部高温区，另外碱性渣也有利于扩散氧化进行。扩散脱氧和扩散氧化相反，当(FeO)/FeO <分配系数L时，发生扩散脱氧，温度降低L值增大有利于扩散脱氧进行，所以扩散脱氧发生在熔池尾部低温区，另外酸性渣有利于扩散脱氧进行。由于扩散脱氧发生在温度较低的熔池尾部，熔渣与金属的粘度大，而且时间短，所以扩散脱氧不是脱氧的主要途径。扩散脱氧的优点是不会因脱氧而造成夹杂。沉淀脱氧（置换脱氧）这是置换氧化的逆反应。它的原理是利用溶于液态金属中的脱氧剂和FeO反应，把铁还原，而且要求脱氧产物浮入渣中。沉淀脱氧比先期脱氧进行的彻底，是最重要的脱氧方法。下面介绍几种常见的脱氧反应：碳脱氧 C+FeO=CO+Fe锰脱氧 Mn+FeO=(MnO)+Fe硅脱氧Si+2FeO =(SiO2)+2Fe 硅锰联合脱氧2.4.2 硫、磷对焊缝金属的作用和控制2.4.2.1 硫的危害与控制（1）硫的危害硫是钢中的有害杂质之一，当它以FeS形式存在时危害最大。它容易发生偏析，以低熔点共晶Fe+FeS(熔点985)和FeS+FeO(熔点940)的形式呈片状或链状分布在晶界上，这样就增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性。（2）控制硫的措施可以从限制来源、采取冶金措施两方面加以考虑，以“限”为主。限制来源焊缝中的硫主要来源有三个：冶金脱硫方式有三种： 元素脱硫 FeS+Mn=(MnS)+Fe 熔渣脱硫 FeS+(MnO)=(MnS)+(FeO)FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)FeS+(MgO)=(MgS)+(FeO) 稀土2.4.2.2 磷的危害与控制（1）磷的危害磷在多数焊缝中都是一种有害的杂质，存在形式以Fe2P和Fe3P为主。和硫一样，磷也是在液态铁中溶解度大，在固态铁中溶解度很小，金属发生液固转变时，磷在晶界偏析形成磷化铁。磷化铁可以和铁、镍形成晶界低熔点共晶相（Fe3P+Fe：1050，Ni3P+Ni：880），促使金属热裂；即使不形成低熔点共晶相，由于磷化铁本身硬而脆，所以磷化铁的存在又会促使冷脆。（2）控制磷的措施由于磷一旦进入液态金属，脱磷就相当困难，比脱硫效果还差，所以控制P应以“限”为主。脱磷反应分为两步：将磷氧化生成P2O5使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)= (CaO)3·P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)= (CaO)4·P2O3+11Fe2.4.3 焊缝金属的合金化（渗合金）所谓合金化，就是把需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程。2.4.3.1 合金化的目的补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因所造成的合金元素的损失。消除焊接缺陷（气孔、裂纹等），改善焊缝金属的组织和性能。获得具有特殊性能的堆焊金属。所以，研究焊缝金属的合金化具有非常重要的意义。2.4.3.2 合金化的方式常用的合金化方式有以下几种：（1）应用合金焊丝（或带极、板极）（2）应用药芯焊丝或药芯焊条（3）应用合金药皮或粘接焊剂（4）应用合金粉末（5）置换氧化2.4.3.3 合金过渡系数（1）概念合金过渡系数等于某种合金元素在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比，也就是：=Me实/Me始 某种合金元素在熔敷金属中的实际含量Me实可以用仪器直接测出来，而它的原始含量需要经过计算获得， Me始=dMe母材+(1-d)（Me焊丝+KbMe药皮）式中：d为熔合比，即在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例；Kb为药皮质量系数（药皮质量/焊丝质量）或焊剂熔化率（焊剂熔化量/焊丝质量）。 合金过渡系数通常小于1，且。（2）影响过渡系数的因素合金元素的物化性质合金元素的含量合金剂的粒度 药皮（或焊剂）的成分药皮重量系数 Kb，过渡的途径：焊接方法：一般，2.5 焊接接头的组织和性能焊接接头包括焊缝、熔合区及HAZ三部分（图2-2）。图2-2 焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-HAZ；4-母材熔池金属从液态凝固到室温，一般要经历两次组织变化：由液态转变为固体的凝固过程称为一次结晶；当温度降到相变温度后发生的组织转变称为二次结晶或固态相变，常温下的焊缝金相组织就是二次结晶组织。2.5.1 焊缝金属的凝固组织2.5.1.1 焊接熔池凝固的特殊性（1）熔池体积小、冷却速度快。（2）熔池中的金属处于过热状态（3）熔池是在运动状态下结晶2.5.1.2 熔池凝固的特点（1）联生结晶焊接条件下，一般是以熔合区附近加热到半熔化状态的母材晶粒表面为现成表面，开始形核，并且以柱状晶的形态向焊缝中心生长。这种依附母材半熔化晶粒为现成表面，并与柱状晶粒形成共同晶粒的凝固方式称为联生结晶或外延结晶。（2）择优生长柱状晶生长时它的长大趋势不同，当母材半熔化晶粒的晶格位向（晶体最易长大方向）与最大温度梯度方向（散热最快的方向）一致时，有利于柱状晶的生长。（3）偏向晶与定向晶柱状晶的生长方向和焊速还有关系。在一般焊速下，柱晶是呈朝焊缝中心生长并向焊接方向前倾的弯曲形态，称为偏向晶，焊速越慢，柱晶前倾的越厉害。如果相反，焊接速度很高，那么柱晶生长方向基本不变，它是垂直与焊缝金属边界对向生长，从而形成定向晶。2.5.1.3 焊缝凝固组织的形态焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。柱状晶的微观形态又分为平面晶、胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶。如果钢中合金元素含量增大、液态熔池内温度梯度降低或熔池凝固速度增大时，焊缝凝固组织就趋向于向等轴晶发展。如高速焊时在焊缝中心易形成等轴晶；弧坑处液相少，合金浓度高且凝固速度快，也容易形成等轴晶。2.5.1.4 焊缝的凝固偏析焊缝金属在结晶过程中，由于冷却速度快，已经凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，这就出现了凝固偏析。偏析严重，可能会导致气孔、热裂纹和夹渣等缺陷。一般焊缝中的偏析主要有三种：（1）枝晶偏析（微观偏析）（2）区域偏析（宏观偏析）区域偏析是指整个焊缝范围内的成分不均匀性。在柱晶生长中，熔池边缘先凝固，低熔点共晶物以及杂质被赶向熔池中心最后凝固形成宏观偏析。因为整个焊缝中心富集了低熔点物质，所以焊缝冷却收缩时就容易沿焊缝中心裂开，产生宏观的纵向裂纹。微观偏析导致产生的是沿晶开裂。图2-3 不同形状焊缝的区域偏析（3）层间偏析图2-4为层状偏析的情况，经过腐蚀的焊缝横断面上存在层状偏析轮廓线，它和熔合线轮廓平行，而且越靠近熔合线，层状线越密越清晰。层状偏析会导致焊缝力学性能不均匀，而且沿层状线容易产生气孔和结晶裂纹。图2-4 层状偏析示意图2.5.1.5 焊缝金属的一次结晶组织（1）一次结晶形态对焊缝性能的影响焊缝一次结晶组织的形态对焊缝的性能影响很大，因为一次结晶组织如果粗大的话，后面发生固态相变时转变成的组织晶粒也会粗大，一次结晶过程中产生的化学成分偏析等现象不会消失。（2）一次结晶组织的改善 冶金措施 工艺措施a、焊后热处理b、多层焊c、振动结晶2.5.2 焊缝金属的固态相变2.5.2.1 低碳钢焊缝的二次组织低碳钢的含碳量低（0.125%），焊缝的二次组织就是由铁素体加少量珠光体构成的。铁素体沿原奥氏体晶界析出，具有一次组织的柱状轮廓，称先共析铁素体，晶粒十分粗大，有时呈粗大的魏氏组织，使得焊缝的冲击韧性大大降低。改善组织条件：1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。2 )焊后热处理：加热A3+2030，柱状晶消失。3)冷却速度：冷却速度，珠光体的比例增多且珠光体组织细化，强度、硬度，但塑性2.5.2.2 低合金钢焊缝的二次组织根据低合金钢焊缝的成分和焊接时的冷却条件，低合金钢焊缝可能会出现铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体四种转变，其中铁素体转变占主要地位。2.5.2.3 改善焊缝二次组织的途径改善二次组织是提高焊缝性能的重要途径生产上采用的方法很多，常用的方法有：（1）焊后热处理（2）多层焊（3）锤击焊缝表面（4）跟踪回火2.5.3 焊接热循环2.5.3.1 焊接热循环的概念在焊接热源作用下，焊件上某点温度随时间的变化过程称为焊接热循环。图2-5 焊接HAZ不同部位的热循环特点2.5.3.2 特征参数加热速度H峰值温度TP高温停留时间tH冷却速度c2.5.3.3 影响焊接热循环的因素线能量E表示单位长度焊缝从移动热源处获得的能量，E=36UI/V（J/cm），其中V是焊接速度（m/h）。预热温度T0接头形式和尺寸焊件尺寸焊道长度多层或多道焊2.5.4 热影响区金属的组织和性能焊接时HAZ上各点距焊缝的远近不同，它们所经历的焊接热循环也就不同，最终导致组织和性能不同。2.5.4.1 焊接热影响区的固态相变特点（1）加热温度高； （2）加热速度快；（3）高温停留时间短；（4）自然条件下连续冷却；（5）局部受热。2.5.4.2 不易淬火钢的HAZ对于一般常用的低碳钢和16Mn、15MnV、15MnTi等低合金钢，根据组织上的特征，HAZ可分为四个区（图2-6）：熔合区熔合区是母材与焊缝交界的部位，微观显示是母材半熔化的区域（温度处在母材的固液相线之间）。过热区这个区的温度范围是固相线以下到1100左右。在这个温度范围，奥氏体晶粒发生严重的长大，冷却之后就得到粗大的组织，在气焊和电渣焊条件下，还常出现魏氏组织。正火区（相变重结晶区）焊接时母材金属被加热到AC3以上的部位，铁素体和珠光体体全部转化为奥氏体，发生重结晶，随后在空气中冷却就会得到均匀细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。这个区的塑韧性都比较好。不完全重结晶区（部分相变区）焊接时处于AC1AC3之间范围内的热影响区就属于不完全重结晶区。因为只有珠光体那一部分发生了相变重结晶，冷却下来成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分始终没能溶入奥氏体的铁素体就成为粗大的铁素体。所以，这个区的特点是晶粒大小不一，组织不均匀，因而机械性能不均匀。图2-6 焊接热影响区的温度分布与状态图的关系a)热影响区的组织分布 b)铁碳状态图 c)热循环（图中Tm为峰值温度，TG为晶粒长大温度）再结晶区当母材焊前经过冷塑性变形（如冷轧钢板、冷弯、冷冲压等），则加热到500Ac1的区域将形成再结晶区。冷塑性变形后晶格歪扭或破碎的晶粒又回复为原来的等轴晶粒，加工硬化现象消除，强度与硬度降低而塑性与韧性增加，成为接头中的一个软化区。2.5.4.3 易淬火钢的HAZ这类钢包括低碳调质高强钢（18MnMoNb）、中碳钢（如45号钢）和中碳调质高强钢（30CrMnSi），焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。如果母材焊前是正火或退火状态，焊后热影响区的组织分布见图2-7。完全淬火区焊接时热影响区处于AC3以上的区域，加热时常温下的组织完全转化为奥氏体。由于这类钢的脆硬倾向大，所以焊后将得到淬火组织（马氏体）。不完全淬火区母材被加热到AC1到AC3之间范围内的热影响区。在快速冷却条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转化为奥氏体。随后快速冷却时，奥氏体转化为马氏体。原铁素体保持不变并有不同程度的长大，最后形成马氏体-铁素体组织。当含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，也可能出现索氏体和珠光体。回火区如果母材在焊前是调质状态（淬火+回火），那么焊接热影响区的组织，除了上述的两个区以外，还存在一个回火区。2.6 焊缝中的气孔与夹杂气孔和夹杂是焊接生产中经常遇到的一种缺陷，对焊接接头的质量影响很大，会削弱焊缝的有效工作断面，还会引起应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度更为不利，有时气孔和夹杂还会引起裂纹。2.6.1 焊缝中的气孔2.6.1.1 气孔的类型和分布特征焊缝中能形成气孔的气体不外有两类：第一类：高温时某些气体溶于熔池金属中，当结晶和相变时，气体的溶解度突然下降而来不及逸出残留在焊缝内部的气体，比如氢和氮。第二类：由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO和H2O等。氢气孔多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面看呈喇叭口形，而且气孔的内壁光滑。有个别残存在内部，以小圆球状存在。产生原因：焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，而氢具有较大的扩散能力，极力挣脱现成表面，上浮逸出，最终形成具有喇叭口形的表面气孔。 氮气孔和氢相似，气孔也多出现在焊缝表面，但多数情况下是成堆出现，和蜂窝相似。氮气孔的产生主要是由于保护不好，有较多的空气侵入熔池造成的。如果焊接正常，生产中氮气孔很少出现。CO气孔正常情况下，CO气孔沿结晶方向分布，象条虫子卧在焊缝内部。形成原因：焊接碳钢时，由于冶金反应产生大量的CO，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。2.6.1.2 气孔的形成机理气孔的产生过程由三个相互联系又彼此不同的阶段组成，也就是：气泡形核、长大和上浮（浮出：无气孔；浮不出：气孔）。焊接条件下，容易满足气孔产生的条件。气泡形核气泡的形核至少需要具备两个条件：液态金属中有过饱和的气体（重要条件）具备形核所需的能量（有现成表面存在，可以大大降低能量消耗）气泡的长大气泡长大的条件是：Ph>Pa+Pc= Pa +2/r一般情况下，气泡核的半径很小，不容易满足上面的条件，所以气泡很难长大，但是在焊接熔池中，由于有许多现成表面，使气泡呈椭圆形而不是圆形，曲率半径增大，从而使气泡长大的条件满足。气泡上浮平衡时：分析： 当<90°：有利于气泡上浮，气泡形成的快，完全脱离现成表面。当>90°：由于形成细颈过程需要时间，结晶速度较大时，就会形成气孔。即：cos气泡易脱离现成表面cos 气泡易脱离现成表面。结晶速度RR较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；R较大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。气泡上浮速度为：由公式可知：(a) r，v易浮出(b) 液体金属密度越大，v不易形成气孔。（主要与液体金属密度有关，几乎与气泡密度无关）Al液体金属密度小，产生气孔可能性；(c) 影响最大，T，易上浮v。T，V易形成气孔。焊缝中产生气孔的条件是：VR。2.6.1.3 影响气孔产生的因素以及防止措施影响气孔产生的因素很多，这里只介绍冶金因素和工艺因素两方面的影响。冶金因素的影响 熔渣氧化性的影响 焊条药皮和焊剂的影响 焊丝成分 保护气成分 铁锈和水分对产生气孔的影响工艺因素的影响 焊接规范的影响电流：熔池存在时间，气体外逸；熔滴尺寸，比表面积，易产生气孔；熔深，不易使气体逸出；焊条电阻热，药皮提前脱落，易产生气孔。电压，N气孔。焊速，气孔增加。 电流种类和极性生产经验证明，交流焊时比直流焊时气孔倾向大，直流焊时正接比反接气孔倾向大。也就是，气孔倾向：交流焊>直流正接>直流反接 工艺操作方面的影响a. 焊前仔细清除焊件、焊丝