金属熔化焊基础及常用金属材料焊接性.ppt
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1、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
2、、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(
3、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、
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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。,
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、。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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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