金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性.ppt

金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,绪论一、焊接在现代制造技术中的作用及其发展趋势现代制造技术概括起来分为两种：成形和改性。成形是把工件按照设计要求加工成相应的形状，同时保证尺寸精度的过程。改性是利用各种方法，改进工件的性能和延长工件使用寿命的过程。焊接方法的优点如下：1、焊接具有永久性2、焊接具有非常高的可靠性3、焊接具有良好的适应性4、焊接具有广泛的应用性,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,焊接技术的发展趋势：1、焊接的对象不仅是同种材料，还包括异种材料。2、随着科技的发展，对焊接技术的要求也越来越高。3、采用新能源、信息化和自动化技术是发展的趋势。4、现代焊接技术的范围将扩展。,二、学习的目的、方法及要求1、目的 通过学习，掌握规律，分析各种常见金属在熔焊条件下的焊接性，为制定合理的焊接工艺、提高焊接质量提供理论依据。2、学习方法及要求 通过一定的专业生产实训，把积累的基础知识与本课程的知识点相结合，才能学以致用、融会贯通。理论联系实际，培养分析问题和解决实际问题的能力。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,基础模块单元一 熔化焊的加热特点及焊接接头单元二 焊接冶金基础单元三 常见的焊接缺欠单元四 金属焊接性及试验方法,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,单元一 熔化焊的加热特点及焊接接头 概述熔化焊（简称熔焊）是指将待焊处的母材金属熔化后，形成焊焊缝的焊接方法。熔焊时，被焊金属和填充金属在焊接热源作用下发生局部的熔化，冷却后形成牢固的焊接接头。而焊接热源的特性、焊接热循环等因素与焊接冶金反应、熔池结晶、焊接接头的组织和性能、应力和应变等有着密切的关系，是影响焊接质量和效率的重要因素。因此，为能主动控制焊接质量，首先必须掌握熔焊的加热特点和焊接接头的知识。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,项目一 焊接热源和焊接热效率 任务一、焊接热源的种类电弧：利用电弧把外界提供的能量转化为熔焊所需的热量（是目前应用最广泛的一种焊接热源）。如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊。化学热：利用可燃气体（如乙炔、液化石油气等）和助燃气体（如氧气）或铝、镁发热剂作为焊接热源。如气焊、铝热焊。电阻热：利用电流通过导体时所产生的电阻热作为焊接热源。采用电阻热作为热源的焊接方法，机械化和自动化程度高，但需要强大的电力。如电渣焊、电阻焊。等离子弧：利用把普通电弧经过相应的压缩作用后，变为高温、高电离度、高能量密度的等离子弧作为焊接热源。如等离子弧焊接。摩擦热：利用机械摩擦产生的热能。如摩擦焊。电子束：利用高压高速的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使高速运动电子的动能转化为热能。如电子束焊。激光束：利用受到激辐射后，放射出的增强光（激光）经过聚焦产生的能量高度集中的激光束作为焊接热源。如激光焊。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,焊接热源的主要特性,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,任务二、焊接热效率（一）焊接传热的基本形式热传递有传导、对流辐射三种基本形式。熔焊过程中，三种传热方式同时存在，在不同的阶段有不同的主要传热方式。研究结果表明：在熔焊条件下，当焊接热源传热给焊件时，热传递以辐射和对流为主；当焊件和焊条（或焊丝）获得热量后，热传递则以传导为主。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,（二）焊接热效率 焊接热源提供的热量Q0，真正用于熔焊的热量为Q，那么焊接热效率可以定义为 Q/Q0焊接热效率主要决定于焊接方法。但对于同一种焊接方法，当电流种类和大小、焊接速度等参数改变时，焊接热效率也会发生改变。如果不需精确考虑，可以认为焊接热效率只与焊接方法有关。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,焊接电弧热效率,焊条电弧焊,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,1、是在焊件的局部进行的，熔池 质量小，加热极不均匀。2、是一个瞬时进行的过程，加热 速度快，冷却速度快，熔池存 在时间短。3、加热温度高，电弧最高温度 50006000，对于低碳钢，熔池温度1770左右，熔滴 2300 左右，熔渣1550。4、不断运动的热源，受热区域不 断变化，热过程具有不均匀性。,焊接热过程特点,项目二 焊接热循环 任务一、焊接热循环的概念,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,在电弧焊中，热能传给焊件主要是传导和辐射两种方式。焊件受电弧热源加热，温度就升高。由于焊接热过程的特点，离开热源不同的距离，在不同的时刻，焊件上各点温度不同。焊接温度场就是在焊接过程中的某一时，焊件上各点的温度分布。用等温线或等温面来表示。,焊接温度场,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,焊接热循环,焊件上某一点在焊接热源的作用下，其温度随时间变化由低到高，再由高到低的过程，称焊接热循环。其主要参数是：加热速度（H),加热最高温度(TM),相变温度以上停留时间(t过),冷却速度（8/5)。具有两个特征：,1、加热峰值温度高，冷却速度快，加热速度更快。2、焊件上各点热循环不同。靠近焊缝中心，峰值温度高，加热速度和冷却速度也大，反之亦然。3、局部加热，熔焊时，焊接热源只是对待焊部位进行了局部的集中加热，并且随热源的移动，加热的范围也随之移动。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,任务三、焊接热循环的影响因素（一）焊接参数：熔焊时，焊接参数的改变（如焊接电流、焊接速度、电弧电压等）实质上是使焊接热源输入到单位长度焊缝上的热量发生变化，这种变化并不是由一个参数单独决定的。（二）预热温度和层间温度：焊前预热是防止裂纹产生的比较有效的工艺措施。控制层间温度的作用与控制预热温度的作用一样。（三）焊接方法：熔焊时，由于不同的焊接方法有不同的焊接热源特性，因此，焊件经历的焊接热循环也不相同。（四）其他因素,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,项目三 焊接接头的组织和性能 任务一、焊接接头的构成1、焊接接头焊接接头、是指把两个或两个以上的零件用焊接方法连接而得到的接头。焊接接头在焊接结构中起到两个方面的作用：一是连接，把原来分离的零件连接成一个整体；二是传递载荷，即传递结构所承受的载荷。焊接接头示意图1一焊缝；2 一熔合区；3焊接热影响区（HAZ）:4 一母材,母材上由熔化焊材与母材组成的具有一定几何形状的液体金属称熔池。熔池的形成需要一定的时间，就进入准稳定时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不在变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件，并随热源作同步运动。其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。,2、熔池的形成,焊接教学,一般情况下，随着电流的增加，熔池的宽度Bmax减小，熔深Hmax增大；随着电弧电压的增加，熔宽增大，熔深减小。增大电弧能量（电流或电弧电压），熔池长度也随着增大。,熔池的温度分布是不均匀的，平均温度取决于母材的性质和散热条件。低碳钢熔池的平均温度为1770100。,焊接熔池是运动的，熔池中液态金属必然处在运动状态。在电弧力作用下，液态金属向熔池尾部运动，尾部表面的液态金属在重力作用下，又有向熔池中心降落的趋势。所以，熔池中液态金属的相对运动，可出现对流和搅拌。液态金属的强烈运动，使母材和填充金属混合均匀，有利于气体和非金属夹杂物外逸，还可以加速冶金反应，消除焊接缺陷，提高焊接质量。,3、熔池中液态金属的运动状态。,在液态金属与母材交接处，液态金属的运动受到限制，因此，该处常出现化学成分的不均匀性。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,任务二、焊接接头的组织和性能（一）焊缝的组织和性能1、熔池一次结晶 特点:熔池体积小，冷却速度快;熔池金属处于过热状态;熔池 在运动状态下结晶.组织特征:柱状晶是熔池一次结晶 的组织特征。熔池运动状态下的结晶 改善措施:常采用变质处理的办法来细化晶粒 变质处理是通过焊接材料（如焊条、焊丝、焊剂）向熔池中加入某些可细化晶粒的合金元素，如V、Mo、Ti、Nb、Al、B和RE等，以细化晶粒，得到细晶组织，从而既可提高焊缝金属的强度和塑性，又可保证焊缝金属的抗裂性。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,2、焊缝二次结晶低碳钢焊缝的二次结晶组织:一般为粗大的柱状F+少量的P。低合金高强钢焊缝的二次结晶组织:合金元素含量较少的低合金高强钢，其焊缝金属二次结晶组织与低碳钢的焊缝金属组织接近。合金元素含量较多的低合金高强钢，其焊缝二次结晶组织为低碳马氏体或贝氏体；高温回火后为索氏体。铬钼耐热钢焊缝的二次结晶组织:当珠光体耐热钢中的合金元素含量较少，且处于焊前预热、焊后缓冷的条件下，焊缝组织为珠光体和一部分淬硬组织；高温回火后为珠光体组织。奥氏体不锈钢焊缝的二次结晶组织:一般为少量的铁素体（2一6%）加奥氏体组织。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,3、焊缝组织与性能的关系:一次结晶组织与性能的关系:熔池一次结晶组织特征是柱状晶组织，晶粒的粗细将决定焊缝金属的性能。粗大的柱状晶会降低焊缝金属的强度、塑性和韧性，细小的柱状晶比粗大的柱状晶的性能要好一些。二次结晶组织与性能的关系:焊缝金属的最终组织取决于焊缝金属二次结晶组织的类型、特征和形态。钢焊缝的晶组织主要是铁素体、珠光体、贝氏体和淬硬组织等。珠光体的强度比铁素体的高，塑性和韧性比铁素体的低；铁素体、奥氏体的强度比珠光体的低，塑性和韧性较好，具有较好的抗裂性；粒状贝氏体的强度、塑性和韧性介于马氏体和铁素体之间；马氏体是一种淬硬组织，强度高。含碳量高的马氏体硬而脆，而含碳量低的马氏体则具有较高的强度和良好的塑性和韧性。总之，焊缝金属的性能决定于焊缝的化学成分和组织。焊缝金属的强度可以达到与母材金属等强度，但塑性和韧性一般比母材金属低。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,4、焊缝的偏析与夹杂物 熔池具有体积小、冷却速度快的特征，在一次结晶时，熔池中的合金元素没有充分的时间扩散均匀；同时，熔池中某些非金属杂质也来不及浮到熔池表面，容易形成焊缝的偏析和夹杂。偏析是指合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。偏析对焊缝的质量影很大，不仅是化学成分不均匀、杂质聚集、性能改变，同时也是产生裂纹、气孔和夹杂的主要原因之一。熔焊中产生的偏析主要有以下三种。显微偏析、区域偏析、层状偏析 夹杂物：熔池在结晶过程中凝固很快，焊后在焊缝中可能残留各种微观非金属杂质，称为焊缝中的夹杂物。夹杂物主要有氧化物、氮化物、硫化物。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,（二）熔合区的组织和性能 熔合区的范围虽然很窄，但熔合区晶粒非常粗大，冷却后组织为粗大的过热组织；同时熔合区存在严重的化学和物理不均匀性。熔合区是整个焊接接头中的一个薄弱地带，有时甚至是焊接接头中性能最差的区域。许多焊接结构的失效常常是由熔合区的某些缺陷引起的，如冷裂纹、再热裂纹和脆性破坏等常起源于熔合区，因此对于熔合区必须引起足够的重视。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,（三）焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区又称为“近缝区”，其特点是位于母材上，受到焊接热源作用但末被熔化，熔焊过程中，焊接热影响区上各点离焊缝远近的不同，各点所经历的焊接热循环也不同，使整个焊接热影响区出现不同的组织和性能。研究和了解不同钢种的焊接热影响区在熔焊过程中的组织和性能，对于提高焊接质量有十分重要的意义。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,1、不易淬火钢的焊接热影响区的组织和性能 不易淬火钢的焊接热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。I一过热区；一正火区：一部分相变 区；W一再结晶区；V一母材（l）过热区（粗晶区）该区紧邻焊缝，加热温度范围是从晶粒急剧 长大的温度开始，一直到固相线温度为止。过热区由于晶粒粗大，与母材金属相比，其韧性很低。因此，过热区和熔合区一样，都是焊接接头的薄弱地带。过热区的大小与焊接方法、热输入、焊件厚度等因素有关。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,(2)正火区（重结晶区或细晶区）该区的温度低于过热区，其温度范围是从Ac3到晶粒急剧长大之前，在此温度范围内加热时，晶粒没有急剧长大；空冷后，得到的是均匀细小的铁素体和珠光体组织，相当于热处理时的正火组织，故称为正火区。正火区的晶粒细小而均匀，既有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，甚至具有比母材金属还好的综合力学性能，(3)部分相变区（不完全重结晶区或不完全正火区）该区的温度为 Ac1一Ac3，在此温度范围内加热时，母材金属中的一部分铁素体组织和珠光体组织转变为奥氏体组织，另外一部分铁素体组织在加热时始终未熔人奥氏体组织中,空冷时导致该区域的组织和性能不均匀，力学性能略有下降。(4）再结晶区该区的温度为450一Ac1，,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,2、易淬火钢的焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区一般分为完全淬火区和不完全淬火区；如果焊前母材处于调质状态，还会形成一个回火区。I一完全淬火区；一不完全淬火区；一回火区 易淬火钢焊接热影响区划分示意图 完全淬火区:该区的温度范围是从Ac3到固相线的范围。该区在组织特征上都是马氏体.不完全淬火区:该区的温度处于Ac1一 Ac3的范围内。该区是马氏体加铁素体组织,不完全淬火区的组织和性能是很不均匀的。回火区:易淬火钢母材处于调质状态，发生不同程度的回火处理，形成回火区。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,任务三、控制和改善焊接接头性能的措施焊缝可通过调整化学成分适当的焊接工艺措施来保证性能的要求；焊接热影响区其性能的控制和改善不可能通过调整化学成分实现。（一）选择合适的焊接材料（二）选择合理的焊接方法（三）调整恰当的熔合比（四）选择合理的焊接参数（五）焊接操作（六）焊后热处理,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,焊接冶金过 焊接电弧产生以后，焊接区的物质在电弧高温作用下，会发生激烈的物理化学反应，反应的过程称为焊接冶金过程。包括：焊接冶金过程的特点气体对焊缝金属的影响焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷焊缝金属的渗合金,焊接冶金过程,焊接冶金过程的特点,热过程的特性确定了冶金过程的特点：1、电弧温度高。药皮中物质的分解产出大量的气 体，在熔池周围形成一个保护层；同时，2、2等大量分解出来的气体原子或离子 很容易溶入到熔池金属中，由于冷却速度快，溶解度不断下降，结果来不及析出而残留在焊 缝中；电弧高温作用下，还会产生金属蒸汽，合金元素易被氧化，即烧损，使焊缝合金元素 的含量下降，分布不均匀。,2、熔池反应时间短。焊缝金属的冶金反应不充分，组织成分差异较大。3、熔池体积小，而反应接触面积大。以焊条电弧焊为例熔池质量仅为35克，而熔滴的表面积可达1102/g，比炼钢时大1000倍，使反应冶金激烈，并有强烈的混合作用。4、熔池反应是运动的。焊接熔池不断地移动，参与反应的物质不 断改变，使焊接熔池冶金反应更为复杂。,任务一、对熔池的保护 1、保护的必要性焊条电弧焊时，如果采用没有药皮的光焊丝在空气中焊接，熔化的金属将会与周围的空气发生激烈的化学反应。空气中的氧和氮将会侵人到熔池中，使焊缝金属的含氧量、含氮量显著增加；并使 Mn、Si等有益合金元素烧损严重，导致焊缝金属的力学性能和母材的大大下降。另外，采用光焊丝焊接时，还存在引弧困难、电弧不稳定、焊条易黏在焊件上、飞溅大、焊缝成形差、容易产生气孔等问题。所以，光焊丝焊接的操作性和实用性非常差，在生产上没有实用价值。,2、保护方式和效果熔焊方法保护方式埋弧焊、电渣焊、不含造气物质的焊条或药芯焊丝焊接熔渣保护气焊、在惰性气体或其他保护气体（如CO2、混合气体）保护中的焊接气体保护含有造气物质的焊条或药芯焊丝的焊接熔渣和气体联合保护真空电子束焊排除空气用含有脱氧、脱氮剂的“自保护”焊丝的焊接自保护,任务二、焊接冶金反应区焊接冶金反应区示意图I一药皮反应区；一熔滴反应区；一熔池反应区；T1一药皮开始反应温度；T2一焊条末端熔滴温度；T3 一弧柱间熔滴温度；T4 一熔池最高温度；T5一熔池凝固温度,（一）药皮反应区 在电弧热作用下，焊条端部固态药皮中的物质随温度的升高会发生相应的物理和化学反应，如水分的蒸发、物质的分解和铁合金的氧化。药皮反应区的反应温度范围是从100到药皮的熔点（对于钢焊条大约为1200）。药皮反应阶段为熔滴和熔池阶段提供了反应产物，可看成是焊接冶金反应的准备阶段，对整个焊接冶金反应和焊接质量有一定的影响。（二）熔滴反应区 熔滴反应区包括熔滴形成、长大直至过渡到熔池中的整个过程。该区的反应特点是反应时间短、温度很高、熔滴金属与气体和熔渣的接触面积大、熔滴金属与熔渣发生强烈的混合作用。许多冶金反应都在该阶段进行，如气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属的氧化和还原以及焊缝金属的合金化等。该区冶金反应最为激烈，对焊缝金属成分的影响最大。,（三）熔池反应区 熔池反应区是指熔滴和熔渣落人熔池中，与熔化的母材金属相混合或接触后，各相进一步发生物理和化学反应，直到冷却凝固，形成焊缝金属的过程。熔池反应区与熔滴反应区相比，其物理和化学条件有所不同。熔池阶段的突出特点是熔池的温度分布极不均匀，熔化和凝固同时进行。在熔池的头部发生金属熔化和气体的吸人反应，在熔池的尾部发生金属凝固和气体的逸出反应。另外，在气流、电弧吹力等作用下，熔池发生有规律的搅拌运动，加快反应速度，为熔池中的气体和夹杂物外逸创造了有利的条件。熔池反应阶段比熔滴反应阶段的反应速度要小，对整个冶金反应过程的贡献较小。总之，焊接冶金反应过程是分区域连续进行的。在熔滴阶段进行的反应，多数在熔池阶段将继续进行，但有的也会停止或向反方向改变。以上各阶段冶金反应的综合结果将决定焊缝金属的最终成分。,任务三、接冶金反应与焊接工艺条件的关系 焊接冶金反应与焊接工艺条件有密切的关系。改变焊接工艺条件必然会改变焊接冶金的反应条件，从而影响焊接冶金反应的过程。当母材金属确定时，影响焊缝金属成分的因素主要有两个：一是焊接材料，其种类和成分不仅影响焊接冶金全过程的发展，而且决定焊缝金属的合金系统，所以调整焊接材料是控制焊缝金属成分的主要手段；二是焊接参数，它在一定程度上影响冶金过程的发展，但不能决定焊缝金属的合金系统，所以调节焊接参数是控制焊缝金属成分的辅助段，一旦焊接参数选定，应保持不变，以保证焊缝金属成分和性能的稳定。焊接冶金过程是一个复杂的、高温多相反应的过程。不同的焊接方法有不同的组成相，如焊条电弧焊和埋弧焊时，系统中有三个相互作用的相：液态金属、熔渣和电弧气氛；气体保护焊时，主要是气体相和金属相的相互作用；电渣焊时，是熔渣和金属间的作用。由于焊接区还有温度高、冶金反应过程短暂、反应物复杂以及变化急剧等特点，所以整个焊接冶金过程是个不平衡的过程，这是焊接冶金反应的又一个特点。,项目二 焊接熔渣和焊接区内的气体 任务一、焊接熔渣焊接熔渣是指在焊接过程中，焊条药皮、焊剂与非金属夹杂物互相熔解，发生化学反应后形成的覆盖在焊缝表面的非金属物质。（一）焊接熔渣的作用、成分和分类 1、焊接熔渣在焊接过程中的作用 机械保护作用：防止高温状态下的焊缝金属受到空气的有害作用。冶金处理作用：调整和控制焊缝金属的成分和性能。改善焊接工艺性能作用：通过向熔渣中加人适当的物质，调整熔渣成分，可使电弧容易引燃并燃烧稳定，飞溅减少，保证良好的脱渣性、操作性，改善焊缝成形。,2、熔渣的成分和分类 第一类盐型熔渣：金属的氟化物、氯化物和不含氧的化合物.该渣系的氧化性很小，主要用于焊接铝、钛及其化学性质活泼的金属及合金，也用于焊接含活性元素的合金钢.第二类盐一氧化物型熔渣:氟化物和强金属氧化物.该渣系的氧化性较小，常用于焊接合金钢及合金.第三类氧化物型熔渣：各种金属氧化物.该渣系的氧化性较强，常用于焊接低碳钢和低合金钢.,（二）焊接熔渣的性质1、熔渣碱度 熔渣碱度是表示熔渣碱性强弱程度的一个量。碱度是熔渣十分重要的化学性质，它与熔渣的其他性质如活性、黏度、表面张力等有密切的关系。碱度B的计算方法：B=碱性氧化物的百分含量/酸性氧化物的百分含量 碱性氧化物的百分含量是熔渣中所有碱性氧化物的百分含量；酸性氧化物的百分含量是熔渣中所有酸性氧化物的百分含量。理论上认为，当Bl时为碱性熔渣，B1.3 时，熔渣才为碱性。碱度B的倒数称为熔渣的酸度，即酸度=l/B。,2、熔渣黏度 它表示液态熔渣流动的难易程度。黏度越大，液态熔渣的流动性越差。黏度对熔渣的保护效果、飞溅、焊接的可操作性、焊缝成形、熔池中气体的逸出、合金元素在熔渣中的残留损失等都有显著的影响。因此，控制熔渣的黏度对保证焊接过程的顺利进行、焊缝成形和防止气孔、夹渣等缺陷的产生都有十分重要的作用。生产中发现，含有SiO2较多的酸性渣在凝固时的凝固时间较长，称其为长渣，不适合立焊和仰焊；碱性渣在凝固时的凝固时间短，称其为短渣，可用于立焊和仰焊。3、熔渣性质的判断 根据焊工的实践经验，可以从凝固后熔渣的断面状态和断面颜色来判断熔渣性质。,（三）对焊接熔渣的要求l）熔渣不应熔解在液态金属中。2）熔渣的熔点要合适。熔渣的熔点过高，将影响焊缝成形或焊接过程的稳定性；而熔点过低，则会失去熔渣的保护作用，甚至产生蒸发。一般要求焊条药皮或焊剂熔点比焊芯或焊丝金属的熔点低100 250，而熔渣的熔化温度还要比焊条药皮或焊剂熔点低100200。3）液态熔渣应比液态金属轻。4）熔渣的黏度也要合适。在焊接温度下，黏度小的熔渣虽然流动性好，使冶金反应加快，但会失去熔渣的保护作用；黏度大的熔渣，其流动性差，使冶金反应缓慢，从而导致焊缝成形不好。5）在固态时，应有良好的脱渣性和透气性能。6）焊接过程中不会析出有害气体。,焊接冶金过程,任务二、焊接区内的气体,气体来源于焊接材料、焊件坡口的铁锈、油污和吸附的水分；也可能来自于大气。由于焊接方法、焊接电流、药皮和焊剂成分不同，气体成分 为CO、2和水分等，由于熔池 保护不当、空气中的N2混入熔 池。这些气体一旦侵入熔池，将对焊缝的性能产生极为 不利的影响。,CO,2,20,N2,N2,CO,N2,焊接冶金过程,氧化性气体与金属的作用,1、自由氧对金属作用。药皮中高价氧化物（Mn2O2、Fe2O3）分解或空气中氧的侵入。2、CO2对金属作用。药皮中碳酸盐分解或CO2气体保护焊。3、H2O对金属作用。焊接区水蒸气在高温下分解。,Fe+1/2 O2=FeO+26.97KJ/mol Fe+O=FeO+515.76KJ/mol CO2=CO+1/2 O2 H2O=H2+1/2 O2 H2O=1/2 H2+OH H2O=H+OH H2O=2H+O,原子氧对金属的作用比分子氧更激烈。水蒸气能分解出氧与金属作用，也能分解出氢，使焊缝增氢，所以，应限制水分的来源。,第三节 焊接冶金过程,2、置换氧化 焊缝金属与熔渣中浓度高易分解的氧化物发生置换反应而被氧化的过程，称置换氧化。(SiO2)+FeSi+2FeO(MnO)+FeMn+FeO SiO2、MnO浓度高反应向右，浓度低反应向左；温度高 反应向右，温度低反应向左。置换氧化发生在熔池熔滴阶段 及熔池头部高温区。反应结果焊缝中硅、锰、氧都增加。低碳钢低合金钢焊 接由于硅锰增加，抗裂性能提高；高合金钢和合金焊接中，由于硅的增加，使力学性能首先是低温冲击韧性显著变坏，应设法降低SiO2的含量。,熔渣中氧化性熔渣与金属的作用扩散与置换,生成的FeO，一部分进入熔渣，一部分进入熔池，使焊缝增氧。,焊接冶金过程,焊件和填充金属表面的氧化物与金属的相互作用。,焊件和填充金属表面氧化物主要是铁锈焊接时发生分解。2Fe(OH)3 Fe2O3+3H2O 分解出来的水进入气相，增加了气相的氧化性，Fe2O3和液态 Fe继续发生作用：Fe2O3+Fe 3FeO 氧化皮的主要成分是Fe3O4，它也与液态Fe发生作用：Fe3O4+Fe 4FeO 反应生成的FeO大部分进入熔渣，小部分进入焊缝，使焊缝 增氧。所以，焊前对焊接区的清理、打磨除油除锈是必要的。,焊接冶金过程,氧在焊缝中有两种形式同时存在，以原子状态单独溶解在金属中，但数量极小；大多数以夹杂物点状分布或沿晶界形成细小疏松的网状分布。无论何种形式含氧量增加，将使金属的硬度、强度、塑性明显下降，尤其是低温冲击韧度集聚下降，还会引起红脆、冷脆和时效硬化。氧还会与液态金属中的C反应生成CO，引起飞溅，导致焊缝产生气孔。焊接有色金属时，氧的危害更加突出。脱氧是分阶段、分区域连续进行的，按脱氧的方式和特点分为先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧。,氧对焊缝金属的危害,焊接冶金过程,脱氧的目的与脱氧剂的要求,脱氧的目的就是要减少焊缝中的含氧量。通过焊丝、焊剂或焊条药皮中加入某些对氧亲和力较大的合金元素，使它们在焊接过程中夺取气相或氧化物中的氧而自身被氧化，从而减少焊缝金属中的氧化及焊缝含氧量。脱氧剂应该是在焊接温度下对氧的亲和力比被焊金属大，焊接铁基合金时，生产中常用Al、Ti、Si、Mn等的铁合金或金属粉作为脱氧剂，元素对氧的亲和力越大，脱氧的能力就越强。脱氧的产物不能溶于液态金属，密度小于液态金属的密度，以便脱氧产物上浮到熔渣中去，减少焊缝金属的夹杂物。,焊接冶金过程,先期脱氧,先期脱氧发生在药皮或焊剂加热而未熔化前的过程中。其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。当药皮或焊剂加热到450时以上时，药皮中的高价氧化物及碳酸盐等受热分解产生CO2或氧与药皮中的脱氧剂发生置换反应，生成的氧化物转入熔渣固定下来。Fe2O3+Mn=MnO+2FeO、FeO+Mn=MnO+Fe、2CaCO3+Si=2CaO+SiO2+2CO、2CaCO3+Ti=2CaO+TiO2+2CO CaCO3+Mn=CaO+MnO2+CO 反应的结果使气相的氧化性减弱。由于药皮焊剂加热阶段温度低，先期脱氧不完全，尚需进一步脱氧。,脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、粒度、氧化剂和脱氧剂的比例，及焊接工艺参数。,焊接冶金过程,沉淀脱氧Mn的脱氧,沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的。特点是脱氧剂和Fe0直接反应，将铁还原，使脱氧产物转入熔渣而被清除。1、Mn的脱氧反应：Mn来自药皮和焊丝 Mn+Fe0=Fe+(Mn0)脱氧效果与Mn的含量有关，增加Mn的含量可提高脱氧效果；与渣的酸碱度有关，在含有较多SiO2、TiO2 的酸性熔渣中Mn0与其复合成稳定的Mn0SiO2、Mn0TiO2减小了Mn0的活度，脱氧效果好；在碱性熔渣中SiO2、TiO2 的 含量少，因而Mn0活度大，不利于脱氧。故酸性焊条多采用Mn脱氧。,焊接冶金过程,沉淀脱氧Si的脱氧,2、Si的脱氧反应：Si对氧的亲和力比Mn大 Si+2Fe0=2Fe+(Si02)提高Si的含量和熔渣的碱度，可提高脱氧效果，但生成的Si02熔点高，黏度大，不宜从液态钢中分离，易造成夹渣，故一般不单独用Si脱氧。Si在碱性熔渣中脱氧效果好，酸性熔渣中脱氧效果差。3、采用Si、Mn联合脱氧。脱氧产物相互结合成熔点低，密度小的复合物进入熔渣。实践证明，当Mn/Si=37时，脱氧产物可形成Mn0Si02硅酸盐浮到熔渣中去，减小焊缝的夹杂物，降低焊缝的含氧量。碱性焊条药皮中加入硅铁和锰铁进行联合脱氧，效果较好。,第三节 焊接冶金过程,扩散脱氧,扩散脱氧是Fe0从熔池向熔渣扩散，从而降低焊缝中Fe0的浓度。扩散脱氧是扩散氧化的逆过程。FeO(Fe0)当温度下降时，反应向右进行，熔池中的Fe0向熔渣扩散。所以扩散脱氧是在熔池尾部低温区进行的，处于熔池凝固阶段。在温度不变的条件下，Fe0在渣中的活度越低，脱氧效果越好。当渣中较多的强酸氧化物SiO2、TiO2时，易于Fe0形成复合物，而使渣中Fe0的活度降低，液态金属中的Fe0便不断向渣中扩散。所以酸性渣有利于扩散脱氧，而碱性渣扩散脱氧能力较差。,焊接冶金过程,通常母材和焊材中硫磷含量较低，对焊缝影响不 大。但是，药皮焊剂中含有相当的硫磷，过渡到焊缝 就造成危害。1、FeS和MnS与液态铁能无限互熔，与铁和镍形成低熔 点共晶物，FeFeS（985），FeSFeO（940），NiSNi（644），熔池凝固时易产生偏析，增加焊 缝金属热裂纹倾向，降低冲击韧度和抗腐蚀性。当 钢中含碳量增加，会促进硫的偏析，加重硫的危害。,硫磷对焊缝金属的危害,2、Fe3P和Fe2P在液态铁中溶解度很大，磷与铁镍能形 成低熔点共 晶Fe3PFe（1050），Ni3P Fe（880）。然而，磷在固态铁 中溶解度只有千分 之 几，熔池凝固 时，磷容易发生偏析，磷化铁分 布于晶界，削弱了晶界结合力；而且本身又硬又 脆，增加了焊缝金属的冷脆性，冲击韧度降低，脆 性转变温度升高。,焊接冶金过程,选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫。最常用的脱硫剂是Mn，脱硫反应为：FeS+Mn=(MnS)+Fe MnS不溶于钢液，大部分进入熔渣，少量残留在焊缝中，以点状弥散分布，危害较小。反应为放热反应，熔池温度降低，有利于脱硫，但温度低的熔池尾部，冷却快，反应时间短，脱硫不完全。因此，增加熔池中Mn的含量才能取得好的脱硫效果。,焊缝金属的脱硫,熔渣中碱性氧化物MnO、CaO也能脱硫：FeS+(MnO)=(MnS)+FeO、FeS+(CaO)=(CaS)+FeO 生成的MnS、CaS不熔于液态钢进入熔渣。增加MnO、CaO的含量，减少FeO的含量（加强脱氧），有利于脱硫。碱性渣的脱硫能力比酸性渣强。,焊接冶金过程,药皮和焊剂中的锰矿是焊缝增磷的主要来源，以(MnO)3P2O5的形式存在，焊接时P通过(MnO)3P2O5+11Fe=3(MnO)+2Fe3P+5(FeO)-Q，反应进入熔池。这一反应为吸热反应，在熔池头部有利于磷向熔池过渡。,焊缝金属的脱磷,磷对氧的亲和力比Fe大，因此，熔渣中存在适量的碱性氧化物CaO和FeO时，就可使磷氧化，又使生成物转变为稳定的复合物进入熔渣，达到脱磷目的。2Fe3P+5(FeO)=P2O5+11Fe P2O5+3(CaO)=(CaO)3P2O5 P2O5+4(CaO)=(CaO)4P2O5提高熔渣碱度可增强脱磷效果。,碱性熔渣中不允许有较多的FeO，所以脱磷效果不理想；酸性熔渣虽然有较多的FeO，有利于磷的氧化，但碱度低，脱磷效果更差。所以脱磷比脱硫更困难。,焊接冶金过程,焊缝金属合金化的目的1、补偿焊接过程中因蒸发和氧化所引起的合金元素的损失。保证焊缝金属的成分和性能2、消除某些焊接工艺缺陷，改善焊缝金属的组织和力学性能。焊缝中Mn的含量0.6%，可以消除硫的危害；为细化晶粒提高韧性，向焊缝过渡Ti、Al、Mo等合金元素。3、获得具有特殊性能的堆焊层。生产中采用堆焊的方法，通过焊接材料向堆焊层过渡一些母材中没有的合金元素，如Cr、Mo、W、Mn等，以获得具有预期特殊性能的表面层。,大同机车技师学院,焊接教学,金属焊缝渗合金,焊接冶金过程,影响焊缝金属合金化的因数1、合金元素的物理化学性质。沸点越低越易蒸发，过渡到焊缝的合金越少；对氧亲和力越大，氧化损失越大，过渡到焊缝的合金越少。2、合金元素的含量。药皮焊剂中合金元素含量越多，过渡到焊缝的合金也就越多。3、合金元素的粒度。增大合金颗粒，其表面积减少，烧损也小，过渡到焊缝的合金也就增多。,焊接教学,金属焊缝渗合金,4、合金元素氧化物的性质。合金元素氧化物的 酸碱性与熔渣的酸碱性相同时，有利于合金 过度，反之，不利于合金过渡。如：熔渣碱 度增大，硅的过渡降低，锰的过渡增加。5、药皮重量系数和焊接参数。焊条药皮较厚，形成的熔渣也厚，合金进入熔池的路径增 长，在渣中残留量和氧化损失也增加，过渡 到焊缝的合金就少。埋弧焊时焊剂熔化率增 加过渡系数减小。电压增高，熔化率增大，反极性时，熔化率大。,金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性,单元三 常见的焊接缺欠 焊接缺欠是指在焊接过程中，焊接接头中产生的金属不连续、不致密或连接不良的现身简称“缺欠”。缺欠的分类：根据缺欠的性质、特征将其分为裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合及未焊透、形状和尺寸不良、其他缺欠六大类 焊接缺欠又可按缺欠的形态可分为平面缺欠和体积缺欠；按缺欠出现的位置可分为表面缺欠和内部缺欠；按缺欠的尺寸可分为宏观缺欠和微观缺欠；按缺欠的性质分为焊缝形状和尺寸缺欠、焊接工艺性缺欠（如裂纹、气孔、夹渣、未熔合及未焊透等）焊接缺欠的存在将影响焊接接头的质量，而焊接接头质量又会直接影响焊接结构的使用安全。为满足焊接结构的使用要求，通过研究和掌握焊接缺欠的特征、产生原因和防止措施，把焊接缺欠限制在一定范围内，使其对焊接结构的安全运行不会产生危害。,一、常见的焊接缺欠 裂纹、孔穴、夹杂和夹渣、未熔合和未焊透、形状缺陷和其它缺陷。（一）裂纹,（二）气孔（三）夹渣（四）未熔合 未焊透,（五）形状缺陷 咬边 焊瘤 烧穿和下塌,错边和角变形 焊缝尺寸不合要求（六）其它缺陷 电弧擦伤、严重飞溅、母材表面撕裂、磨凿痕、打磨过量等。,(一)焊缝尺寸不符合要求1、缺欠特征 主要表现为焊缝表面形状高低不平、宽窄不一致、焊波粗劣、尺寸过大或过小以及角焊缝尺寸不符合要求等 2、缺欠危害 焊缝尺寸过小会使焊接接头的强度降低；尺寸过大不仅浪费焊接材料，还会增加焊接应力和变形；焊缝余高过大会造成很大的应力集中。3、缺欠产生的原因 焊接坡口角度不合适或焊件装配间隙不均匀；焊接电流过大或过小；焊工操作不熟练，如运条方法不当，焊条角度不当；埋弧焊时焊接参数选用不正确等。4、防止措施 选择合适的坡口角度和装配间隙，选择合适的焊接电流，提高焊工的技能水平，选择适当的焊接参数，角焊时注意随时保持正确的焊条角度和焊接速度等。,（二）咬边 1、缺欠特征咬边是指由于焊接电流过大或焊接操作手法不正确，造成沿焊趾母材部位产生的沟槽或凹陷。在立焊及仰焊位置容易发生咬边，在角焊缝上部边缘也容易发生咬边。咬边可以是连续的，也可以是间断的 2、缺欠危害 咬边是一种比较危险的焊接缺欠。它不仅使母材金属的有效截面积减少，削弱焊接接头的强度，还会在咬边处造成应力集中现象，特别是在焊接低合金结构钢时，咬边的边缘处会产生淬硬现象，容易产生焊接裂纹。3、缺欠的产生原因 主要是由于焊接电流过大造成电弧热量过高；运条不当造成弧长过大;埋弧焊时焊接速度过快等。4、防止措施 选择正确的焊接电流和焊接速度，电弧不能拉得过长，运条均匀并保持合适的运条角度，埋弧焊时选择合适的焊接参数等。,（三）焊瘤1、缺欠特征 焊瘤是指在焊接过程中，熔化的金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。2、缺欠的产生原因 焊瘤是由于焊接电流偏大或焊接速度太慢，造成熔池温度过高，使液态金属凝固较慢，在自重作用下向下流动形成的。另外，焊接位置不同，液态金属下淌的趋势也不一样。立焊、横焊、仰焊时比平焊更容易发生焊瘤。3、防止措施 施焊时注意控制熔池，选择合适的焊接参数，如在立焊、横焊、仰焊时，热输人要比平焊小，电弧在坡口间隙处停留的时间要短（即两边慢，中间快）。,（四）烧穿 1、缺欠特征 烧穿是指焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的焊接缺欠。2、缺欠的产生原因 焊接电流过大、焊接速度过慢，使焊件加热过度；坡口间隙过大或钝边太薄；熔池金属不好观察（如焊接铝及其合金时，熔池和母材金属的颜色几乎没有分别）等。3、防止措施 选择合适的焊接电流和焊接速度，严格控制装配间隙，单面焊时采用铜垫板、焊剂垫或自熔垫，使用脉冲电流以及提高焊工操作技能等。,（五）弧坑 1、缺欠特征弧坑是指焊道末端产生的凹陷，且在后续焊道焊接之前或焊接过程中凹陷未被消除的现象。弧坑不仅使该处焊缝金属的强度严重下降，还会产生弧坑裂纹。2、缺欠产生的原因 主要是因为熄弧时间太短，没有填满弧坑；或薄板焊接时电流过大；焊工操作技能差。3、防止措施 焊条电弧焊时，必须注意焊条要在收弧处作短时间停留或作儿次环行运条，以保证有足够的焊条金属填满熔池；选择正确的焊接电流；埋弧焊时，要分两步按下“停止”按钮，以垃满弧坑。,（六）错边 错边是两个焊件表面平行对齐时，未达到规定的平行对齐要求而产生的偏差。防止错边的措施是在定位焊时要对正焊件间的中心线。（七）塌陷和凹坑 塌陷是指单面熔透焊时，由于焊接电流或装配间隙过大，造成焊缝金属过量透过背面而使焊缝正面塌陷，背面凸起的现象。,任务一金属焊接性 焊接是一个快速加热和冷却的过程，要经历升温熔化、物理化学反应、冷却结晶、固态相变等过程,(可能出现裂纹、气孔、夹渣等缺陷)。以确保采用合适的焊接材料和焊接工艺、方法获得满足要求的焊接接头。,大都是处于极不平衡条件下，被焊金属经历过这些