焊接冶金基础.ppt

焊接技术主编叶琦化学工业出版社,绪论一、焊接技术在工程建设中的作用与地位钢材冶炼炼钢（保证钢材成分）→轧钢（改变钢材形状）金属材料加工方法冷加工车、刨、钻、铣、磨..热加工铸、锻、焊、热处理。～50％的钢铁材料需要经过焊接加工。钢铁构件在使用过程中，焊接接头是最容易发生事故的部位。,二、焊接的本质及分类1焊接的定义被焊工件通过加热或加压或两者并用，用或不用填充材料，使被焊材料之间达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。,2熔接的本质只有当被连接金属原子之间距离接近rA（rA≈0.30.5nm）时，金属键才能起作用，这时金属原子之间的结合力最大。,为了使金属表面紧密接触，焊接通常采取以下几种措施1对被焊接金属施加压力或不断地摩擦，破坏接触表面的氧化膜，使结合处紧密接触。2将金属加热到塑性状态，施加压力使接触面的氧化膜被破坏。加热也增加原子的振动能，促进扩散和结晶过程的进行。3通过液态中间材料，如粘结剂或低熔点金属，将两个固态金属连接在一起。因液态金属原子之间的距离很容易达到rA，所以加热熔化金属，凝固后两块金属即可实现连接。,焊接方法分为熔焊焊接接头加热熔化，使原子相互扩散接触，凝固结晶连接。压焊对焊件加热加压，使焊接接头之间接触，原子扩散连接。钎焊通过低熔点钎料将焊接接头连接在一起。,三、焊接技术的发展古代热锻连接，熔化焊、钎焊19世纪末碳弧焊；20世纪初气焊、电弧焊；20世纪中高效焊接技术，如埋弧焊、气体保护焊等；20世纪末至今高能、高质量焊接，如电子束焊、激光焊，计算机技术在焊接中的应用。各种金属、非金属、复合材料的焊接等。,四、学习建议本课程包括焊接冶金基础、焊接应力与变形、焊接材料、焊接工艺、焊接方法、常用金属的焊接、焊接缺陷的产生与防止、焊接结构、焊接检验等。内容量大、涉及面广、实践性强。学好基础理论，理论与实践结合，培养分析问题和解决问题能力。,第一章焊接冶金基础熔焊过程加热→熔化→冶金反应→结晶→固态相变→接头。熔化焊的冶金反应金属、熔渣、气相之间的反应。,第一节焊接热过程焊接加热特点局部、高温、加热冷却速度快、热源运动。一、常用焊接热源（一）常用热源电弧热、化学热、电阻热、摩擦热、高能束。焊接热源发展趋势是高能（激光）、高效（高熔覆率）、低能耗（热效率）、高质量（气保焊）、低劳动强度（自动焊）。,（二）焊接加热效率式中q－电弧有效功率W；I－焊接电流A；U－电弧电压V；η－焊接热效率。η与焊接方法、焊接材料、焊接工艺等因素有关。,TIGtungsten-inert-gasarcwelding钨极惰性气体保护焊MIGmetal-inert-gasarcwelding金属熔化极惰性气体保护焊,焊接线能量式中E－焊接线能量J/cm；v－焊接速度cm/s。（三）焊接传热的基本方式1传导金属固体的内部、焊缝对熔渣之间的热传递。2对流液态金属和液态熔渣的内部热传递。3辐射焊条端部对熔池、热金属对大气之间的热传递。,二、焊接温度场指焊接某一区域某一瞬间温度的分布。也可以说，温度是空间某点位置和时间的函数。Tf（x,y,z,t）式中T－焊件上某点某瞬时的温度；x,y,z－焊件某点的坐标；t－时间。因为焊接热源是按一定速度匀速运动，所以焊接温度场则是一个椭圆。,（一）焊接温度场的特点等温线、等温面温度场中温度相等各点的连线和连面。在温度场内，不同温度的等温线或等温面不会相交。热源中心为原点，焊接方向为X轴，焊件宽度为Y轴（移动坐标系）。焊接温度场对Y轴对称，对X轴不对称。,（二）影响温度场的因素热源性质热源能量越集中，加热面积越小。焊接工艺参数a热源功率不变、焊接速度变；b焊接速度不变，热源功率变；c热源功率和焊接速度都变，但比值一定。,被焊金属物理性质热导率、比热容、热扩散率、表面散热系数等。,焊件的几何形状厚板焊接结构三维传热，热源可视为点状；薄板焊接结构二维传热，热源可视为线状；丝状焊接结构一维传热，热源可视为面状。,三、焊接热循环（一）焊接热循环的概念焊件上某一点从低温到高温，又从高温降到低温，温度随时间的变化称为焊接热循环。焊接热循环包括加热的速度（ωH）、最高加热温度（Tm）、相变温度以上停留的时间（tH）和冷却速度或冷却时间（t8/5）。,（二）焊接热循环的主要参数及特点1加热的速度（ωH）ωH非常快，使相变温度提高，并造成奥氏体均匀化和碳化物溶解都不充分。2加热的最高温度（Tm）Tm越高，晶粒越粗大，焊接冶金速度越快。3相变温度以上停留的时间（tH）tH越长，越有利于奥氏体均质化。但晶粒也越易长大。tH包括加热时的停留时间tˊ和冷却时的停留时间t〞。tH＝tˊt〞4焊接热影响区的冷却速度（Tc）和冷却时间（t8/5t8/5－焊件从800℃冷至500℃所需的时间，对焊接质量影响很大，尤其是易淬硬钢的焊接。,（四）影响焊接冷却速度（热循环）的因素（1）金属热物理性质金属的导热系数越大，冷却速度就越快。（2）钢板厚度钢板的尺寸越大、越厚，冷却速度就越快。但板厚超过25mm后，冷却速度趋于一定值。,（3）钢板初始温度初始温度越高，冷却速度越低。预热是控制淬硬组织、避免产生冷裂纹的重要手段。（4）焊接线能量增加焊接线能量（UI/v），可降低冷却速度。,（5）焊接接头的形状角焊缝、T字接头的冷却速度比对接焊缝的冷却速度要快得多。,焊件不同位置的焊接热循环的值不同。,（三）多层焊的焊接热循环1长段多层焊（1m）焊第二道焊缝时，第一道焊缝已降至低温（600℃，铁合金开始被氧化。,2熔滴反应区主要反应有气体的溶解和分解、金属的蒸发、金属及其合金的氧化和还原、高价氧化物分解成低价氧化物6Fe2O3（赤铁矿）4Fe3O4O24MnO2（锰矿）2Mn2O3O2,3熔池反应区熔池温度前高后低，所以熔池前后的反应不同。前面金属熔化、吸收气体；后面金属凝固、气体逸出。熔池强烈搅拌，有利反应和气体、夹杂逸出。所以熔池阶段的反应速度要比熔滴阶段小得多。,三、焊接熔渣1熔渣的作用（1）机械保护作用覆盖在金属外表面，隔离空气。（2）改善焊接工艺加入稳弧剂等成分使焊条容易引弧、稳定燃烧、减少飞溅、保证焊缝成形、脱渣等。（3）冶金作用熔渣与金属发生脱氧、脱硫、除氢、合金化等冶金反应。焊条药皮的原材料是一些矿物质，熔渣是由许多成分组成，构成复杂的渣系，如MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2、CaF2-CaO-SiO2等，以保证熔渣的熔点、粘度等工艺指标。,3熔渣的碱度（分子理论）按分子理论，渣中氧化物分为1）酸性氧化物按酸性强弱顺序为SiO2、TiO2、P2O5等。2）碱性氧化物按碱性强弱顺序为Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等。3）中性氧化物如Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。分子理论的碱度公式是式中R2O、RO－碱性氧化物摩尔分数；RO2－酸性氧化物摩尔分数。B1碱性渣，B1.3渣才呈碱性。,金属中溶氢量与气相中的氢分压符合平方根定律。平衡常数KH2和温度有关。温度越高，吸氢量越大。所以焊接中吸氢主要是在熔滴阶段。由于在焊接电弧中，大部分氢分子已分解成氢原子、离子，所以实际吸氢量高于平方根定律。在晶格变化时，金属的吸氢量有突变。,,2氢与金属的作用方式根据氢在金属中的溶解量，可分为两大类第一类吸氢金属，如Zr、Ti、V等，能形成稳定氢化物MxHy。吸氢反应是放热反应，低温吸氢，高温释放氢。第二类氢能溶入金属，但不能生成氢化物，如Al、Fe、Ni.等，溶解反应是吸热反应，温度越高，溶解度越大。,3氢在焊缝金属中的扩散凝固后焊缝金属内，氢以原子和分子两种形式留在焊缝中1扩散氢以原子形式存在，与金属形成间隙固溶体。因H半径很小，可在晶格内自由移动，所以叫扩散氢。2残余氢当扩散氢移动到金属内部的缺陷部位时，氢原子转换成氢分子，因体积增大，滞留在这些部位。焊缝金属内的含氢量与焊接方法有关。,焊缝金属中扩散氢的行为随着放置时间的延长或加热，焊缝中的扩散氢减少，残余氢增加，总的氢量减少。由于扩散氢极易扩散到近缝区，造成体积急剧膨胀，这些部位又是焊缝性能薄弱区，所以容易在这些部位发生焊接裂纹。,3氢对焊接质量的影响（1）氢脆在室温下，氢可以使钢塑性下降，但强度不变。焊缝加热除氢后，可恢复塑性。（2）白点含氢量高的焊缝破坏时，断口有一些白点，导致焊缝塑性下降。（3）形成气孔在焊缝凝固时，来不及逸出的氢就形成气泡，使焊缝强度下降。（4）产生冷裂纹焊缝冷却下来后产生的裂纹叫冷裂纹，也叫延迟裂纹。一般发生在高强钢或一些应力比较集中的部位。,（四）控制氢的措施以控制氢的来源为主。（1）减少焊接材料中的含氢（水）量在使用前应烘干，以减少焊接材料储存时吸附的水。烘干温度取决于焊条类型。（2）清理焊丝和工件表面杂质一些金属氧化物常含结晶水，如FeOH2O,AlOH3,MgOH2，在焊接高温下，释放出的结晶水会增加焊缝含氢量。,（4）冶金处理形成一些低沸点、不溶于液态金属的含氢气体，如HF和OH。1）药皮中加入氟化物氟化物（如CaF2）和SiO2可显著降低焊缝含氢量。2CaF23SiO22H2O→2CaSiO3HFHF沸点低，即使在高温下也十分稳定，所以降低了气相中氢的活度。2）提高焊接区域的氧化性氢与氧反应生成稳定的OH，降低气相中氢的分压CO2HCOOHOHOHO2H22OH,3焊后脱氢处理焊后将焊缝加热几百度并保温一段时间，可以消除绝大部分的扩散氢。,二、氮对焊缝金属的作用（一）氮的来源主要来自空气。一旦渗入焊缝金属形成氮化合物，就很难通过冶金的办法消除。（二）氮对金属的作用1不与氮发生作用的金属如铜、镍等；2容易和氮发生作用的金属如铁、钛等。,（三）氮对焊接质量的影响氮是有害元素1产生气孔高温吸收的氮在冷凝时来不及释放就形成气孔。2氮可以使焊缝金属的强度、硬度升高，塑性、韧性（尤其是低温韧性）下降。3氮可以引起焊缝金属时效脆化。,（四）控制氮的措施1加强焊接区的保护如渣保护、气保护或气－渣联合保护。2焊接工艺参数增加电弧电压将延长熔滴过渡时间，焊缝含氮量增加。3合金元素的影响碳在生成CO、CO2，加强气保护，降低氮分压。Ti、Al、Zr、RE形成稳定氮化物进入渣中。,三、氧对焊缝金属的作用在焊接中，氧既是有害元素，又是必须要利用的元素。（一）氧的来源焊接气氛中的氧化性气体（CO2、O2、H2O）、药皮中高价氧化物、焊件表面的锈。（二）氧与焊缝金属的作用氧是以原子氧和FeO两种形式溶于液态铁中，溶解度随温度的提高而增加。,焊缝金属的氧化（1）氧化性气体对金属的氧化氧分子或氧原子对金属的氧化[Fe]OFeO；[Si]O2→（SiO2）；[Mn]O2→（MnO）CO2对金属氧化CO2→COO2H2O对金属的氧化H2O[Fe][FeO]H2,（2）置换氧化对一些易分解的氧化物，如SiO2、MnO等，如果数量较大，则有可能与液态铁发生置换反应，使铁氧化，而该氧化物被还原。如（FeO）SiO2[Fe][Si]FeO[FeO]（FeO）MnO[Fe][Mn]FeO[FeO]反应结果使焊缝中的硅、锰含量增加，铁被氧化。,（三）氧对焊接质量的影响（1）随着氧含量增加，焊缝强度、塑性、韧性（尤其是低温冲击韧性）下降。（2）和熔池中的碳反应生成CO气体，造成飞溅和气孔。（3）烧损合金元素，降低焊缝金属性能。（4）可以有效减少焊缝中的含氢量。焊缝内的含氧量与焊接方法、工艺等有关。,（四）控制氧的措施（1）严格控制氧的来源，如气保焊采用高纯惰性气体、低氧焊丝，清除焊丝和焊件表面铁锈和污物。（2）焊接工艺参数采取短弧焊，减少熔滴与气相的反应时间。（3）用脱氧剂进行脱氧处理。,（五）焊缝金属的脱氧脱氧方法与原则（1）减少气相氧化性和减少熔渣氧化性；（2）在焊丝、焊条药皮中加入对氧亲和力大于铁的合金元素，如Al、Ti、C、Si、Mn。亲和力越大，脱氧能力越强。（3）脱氧产物应不溶于液态金属，上浮进入渣中。（4）剩余脱氧剂不能对焊缝成分、性能有不利的影响。,在焊接过程中，脱氧可以分阶段进行。1先期脱氧发生在药皮反应区的脱氧反应。Fe2O3Mn→MnOFeOCaCO3Si→CaOSiO2COCaCO3Mn→CaOMnOCO反应结果是减弱气相氧化性。由于药皮反应区温度低，又处于固态，所以先期脱氧是不完全的。,2沉淀脱氧发生在熔滴反应区和熔池内的脱氧反应。液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出，进入渣中。[Mn][FeO][Fe]（MnO）[Si]2[FeO]2[Fe]（SiO2）提高[Mn]、[Si]或减少MnO、（SiO2可提高脱氧效果。虽然硅的脱氧能力比锰大，但容易在金属中造成SiO2夹杂。Mn在酸性渣中，Si碱性渣中脱氧效果比较好。Mn和Si联合脱氧，可生成复合物MnOSiO2，脱氧效果比较好。,3扩散脱氧扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，是以分配定律为理论基础的降低温度可以提高L，使[FeO]→FeO，因此扩散脱氧是发生在熔池的低温区域。,四、焊缝中硫的危害和控制（一）焊缝中硫的来源焊缝中的硫主要来自焊条药皮。（二）焊缝中硫的危害硫以低熔点共晶FeFeS（熔点985℃），或FeSFeO（熔点940℃），呈片状或链状分布于晶界，增加了焊缝金属产生结晶裂纹倾向（热裂纹）。,（三）控制措施1）限制焊接材料中的含硫量。2）冶金措施用对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫，如RE，Ca，Mg，Mn等。[FeS][Mn]→MnS[Fe]反应产物MnS熔点较高（1610℃），不溶入钢液，大部分进入熔渣。即使留在钢中也是以球状弥散分布，故危害较小。,第四节焊缝金属的合金化一、合金化的目的式1）补偿在焊接过程中合金元素的损失；2）保证焊缝的组织和机械性能，如加入Ti，B可以细化组织；3）消除焊接缺陷，如除硫；4）使焊缝金属具有某种特殊性能，如耐蚀性、耐磨性等。,二、合金化方式1通过焊丝过渡均匀、合金烧损少，但成本高、不易调整。2合金药皮合金元素加到药皮中，简单、成本低，但合金损失大，成分不均匀。3药芯焊丝焊丝内包裹合金粉末。可任意调整成分，损失小，但成本高。4合金粉末将合金粉末直接输入到焊接区。比例可调，合金损失小，但均匀性差。5置换反应（氧化）通过金属氧化物还原的方式来合金化。SiO2→[Si][O]MnO→[Mn][O],三、合金过渡系数及影响因素（1）合金过渡系数合金元素的过渡系数η等于它在熔敷金属中实际含量Cd与它的原始含量Ce之比一般焊丝过渡系数η～40，药皮过渡系数η～10。（2）影响过渡系数的因素1）合金元素的物化性质沸点、对氧的亲和力等。2）药皮的氧化势、合金元素及其氧化物在药皮中是否共存，以及合金元素的氧化物与熔渣酸碱度关系等。,第五节焊接接头的组织与性能焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区组成,一、熔池的凝固与焊缝金属的固态相变焊接时，先是液态金属发生短暂而复杂的冶金反应，而后凝固形成焊缝。（一）熔池的凝固1熔池凝固的特点1）熔池体积小，冷却速度大，易产生淬硬组织，甚至发生裂纹，不利于熔渣和气孔上浮，造成焊缝内部缺陷。2液态金属处于过热状态，造成合金元素烧损氧化。3熔池是在运动状态下结晶，有利于气孔、夹杂上浮。,2熔池凝固过程熔池中的液态金属遵循生核和晶核长大的过程形成焊缝。在焊接条件下，熔池中有两种现成的表面1）合金元素或杂质人为地加入一些能细化晶粒的元素，如Mo、V、Ti等。2）和液态金属相接触的母材金属液相金属依附在这个固体表面外延生长（联生结晶）。,2焊接接头的形成焊接金属经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程后，最终形成焊接接头。1热过程在热源的影响下，焊接金属发生熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变、应力变形等。2冶金反应过程在焊接过程中，金属、熔渣、气体之间发生一系列的化学反应，如氧化、还原、金属化等。3结晶相变过程焊缝由液态向固态转变过程中，发生结晶、固态相变，可能产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷。,焊接接头应包括焊缝、熔合区（过渡区）和热影响区（HAZ）三个区。,本章重点焊接化学冶金过程特点温度高、时间短、分区进行（药皮、熔滴和熔池反应区）、在非平衡条件下完成。熔滴特性温度高，比表面积S大，存在时间短，过渡形式（短路、颗粒（喷射）和附壁）。熔池特性体积小、温度不均匀、存在时间长、液态金属处于流动状态。焊接过程对焊接金属的保护气、渣、气－渣联合保护。,气相对焊缝金属的作用气体的来源，气体分解与吸收，氮、氢、氧对金属的作用和控制措施。熔渣及其对金属的作用熔渣的作用、成分、结构、物理特性、碱度、渣对焊缝金属的氧化（扩散氧化、置换氧化）与脱氧（先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧）。焊缝中硫和磷的危害及控制热脆、冷脆、Mn脱硫。焊接中的合金过渡过渡方式（焊丝、药皮、熔渣），提高过渡系数的措施。,