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第二篇! 焊接物理冶金 第六章!焊接冶金 焊接冶金过程是指熔焊时焊接区的母材和填充材料从固体熔化成液体 （熔池） 后， 又 从液体凝固成固体 （焊缝） 所发生的冶金反应过程。大致上可划分成： 液相冶金、 凝固冶 金和固相冶金三个阶段。每一阶段发生的物理化学反应， 都对焊接质量发生着重要的 影响。 第一节!液相冶金 熔焊时， 熔滴和熔池的表面充满大量气体， 有时还覆盖着熔渣。这些气体和熔渣在 焊接高温条件下与液体金属发生着一系列复杂的物理化学反应， 如元素的氧化与还原， 气体的溶解与析出， 有害杂质的去除等。这种在高温下焊接区内液体金属与各种物质之 间互相作用的过程称焊接液相冶金过程， 又称焊接化学冶金过程。 液相冶金过程对焊缝金属的成分、 性能、 焊接质量以及焊接工艺性能都有很大影响。 研究与掌握在各种工艺条件下， 这种冶金反应与焊缝金属成分、 性能之间的关系及其变 化规律， 对于合理选择焊接材料、 正确控制和调整焊缝金属的成分与性能具有重要意义。 一、 液相冶金过程特点 熔焊的过程是金属在焊接条件下的再熔煤炼过程， 与普通钢铁冶炼的过程没有本质 区别。但是， 在冶炼条件等方面却有很大不同。焊接液相冶金的最主要特点是： “） 焊接时， 不同的焊接方法对焊接区金属采用着不同的方式进行保护。如气体保 护， 熔渣保护、 气 # 渣联合保护、 真空保护等。 $） 焊接的冶金反应是在上述这些保护条件下分区域 （或分阶段） 连续地进行的。例 如， 焊条电弧焊时有药皮反应区， 熔滴反应区和熔池反应区等。 %） 反应区温度高， 但不均匀； 熔化金属与气相、 熔渣接触面积大， 反应时间短， 见表 $ #0， 比炼钢时约大 “ $ 倍， 见表 等则影响不大。 （“） 焊缝金属中的氢 焊接熔池处于液态时吸收的氢， 因凝固结晶速度很快， 来不及逸出而被留在固态的 焊缝金属中。在钢焊缝中的氢是以 、 ( 的形式存在， 它们与焊缝金属形成间隙固溶体。 由于氢原子及离子的半径很小， 它们可以在焊缝金属的晶格中自由扩散， 这一部分氢被 称为扩散氢。如果氢扩散到金属的品格缺陷、 显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空隙 中时， 可以结合成氢分子， 由于氢分子的半径大而不能自由扩散， 故称这部分氢为残余 氢。因铁与氢不形成稳定氢化物， 所以铁内扩散氢约占总氢量的 ?+=， 它对接头 性能的影响比残余氢大。 a* 第二篇! 焊接物理冶金 图 “ #$ #$! 合金元素对原子氢在 % $ 测定 扩散氢， 真空加热 测定残余氢。 ! ! ） 形成氢脆! 氢在室温附近使钢的塑性发生严重下降的现象称为氢脆。一般认为 是原子氢扩散聚集在金属晶格缺陷内 （如位错、 空位等） ， 结合成分子氢， 造成局部高压 区， 阻碍塑性变形而造成氢脆。在较高温度时， 氢扩散速度大可以迅速逸出； 在很低温度 时， 氢的扩散速度小， 氢聚集不起来， 这两种情况下都不会引起氢脆。只有在室温或稍低 于室温的情况下才发生氢脆。金属中晶格缺陷越多， 氢脆倾向越大。 /） 形成白点! 在碳钢和低合金钢焊缝中， 如含有较多的氢， 当焊后不久进行力学性 能试验时， 在试件断口上常出现光亮圆形的白点， 其直径约 (4 )-8） 时为 -1 ,+: ； 当 + 铁 转变为 ! 铁时下降到 -1 -;: 以下； 室温的 “ 铁中几乎不溶解 （ /、 %。元素与氧的亲 和力愈强， 氧的溶解度愈小。 氧在焊缝金属中， 无论是单独存在还是以氧化物存在都是有害的， 使焊缝金属强度、 塑性和韧性明显下降。 )） 氧对金属的氧化! 焊接时对金属的氧化除自由氧直接与金属发生作用外， 其余都 是在各个反应区内通过氧化性气体， 如 ./)、 ?)/ 等， 或活性熔渣与金属相互作用实 现的。 !自由氧对金属的氧化。电弧焊时， 空气中的氧总是或多或少地侵入电弧内， 焊接 -9, 第二篇! 焊接物理冶金 图 “ #$ #%- % “ .“/ （(;.） !8.“对金属的氧化。在高温下 8. “ 对液态铁和其他许多金属来说是活泼的氧化 剂。当温度高于 % 第二篇! 焊接物理冶金 采用含硅、 锰高的焊丝 （如 “#$%） 是构成焊接熔渣主要组元的物质系统。 表 “ $% $! 典型焊接熔渣的化学成分 焊条和焊 剂类型 熔渣化学成分 （质量分数）（ “=? = =a %“% a446 8*6 896 6 *6 76 *96 :9=46 *氧化物型 氧化铁型796 746 *76 46 96 96 盐 = 氧化 物型 a7*9*6 6 盐 = 氧化 物型 ! ! 4） 分子理论! 该理论是以对凝固焊渣的相分析和化学成分分析的结果为依据提出 的， 认为： !液态熔渣是由不带电的化合物的分子组成， 如氧化物分子有 /0% * 时为酸性渣； ! ) * 时为 中性渣。实际上按式 （ * 为酸性 渣。用此式计算表 = ?$= :+“较多的酸性渣中， 有较多的复杂 ;: # + 离子， 随着温 度升高， ;: # + 极性键逐渐断开， 出现尺寸较小的 ;: # + 离子， 因而粘度逐渐下降。碱性 渣中离子尺寸小， 易于移动。当高于液相线时， 粘度迅速下降， 当温度低于液相线时， 渣 中出现细小的晶体， 其粘度迅速增大。从图 “ # $ # % 看出， 当两种渣的粘度都变化 #$ 时， 含 ;:+“多的酸性渣对应的温度变化 #%“大， 即凝固时间长， 故称长渣。这种渣不适于 仰焊。而碱性渣对应的 #%小， 即凝固时间短， 故称短渣。这种渣适于全位置焊接。焊 接钢材用的熔渣粘度， 在 % ? 活性熔渣对焊缝金属的氧化 14 1%*， 见图 % 68 ,% 68 *968 5, 低氢型 68 ,9 68 %5 68 9( 68 ( 68 5% 68 ;% 68 (: 68 *9 68 ;7 68 ;* 5:, 第二篇! 焊接物理冶金 第二节!凝固冶金 一、 焊接熔池凝固的特点 焊接溶池凝固过程与铸钢锭的凝固过程基、 本相同， 都是形核和晶核长大的过程， 但 焊接熔池的凝固有其特点： “） 熔池凝固是在连续冷却条件下的非平衡结晶。熔池体积小， 焊条电弧焊的熔池约 为 “# $%#6= 69 ) *%*%5= 6% ) *%*+9= 9%,%+= 9+?= %* ) *%*9= 9*6+,= +5*= ?+ ) *%*?9= 9*+*5= 9+= * ) *%*59= ,+?= 66%= 9 * ! 增 ! 加 较多气孔 （氢） 个别气孔 （氢） 无气孔 无气孔 较多气孔 （“/） 更多气孔 （“/） ) ?9,9= 99+?+= +%+= 69 ) ?9%9= 99%*%= ,5+= , ) ?9+9= 99*= 9*%= 69 ) ?9*9= 9,59,%= ,5%= 5, ) ?9?9= 9+9%= +9,= ) ?959= ,569*= 969= 69 * ! 增 ! 加 个别气孔 （氢） 无气孔 无气孔 无气孔 更多气孔 （“/） 密集大量气孔 （“/） ! ! 铁锈是极为有害杂质， 它的成分是： :$0%/+2%/， 含有较多的 $0%/+（铁的高级氧 化物） 和结晶水， 对溶池既起氧化作用， 又析出大量的氢， 加热时的反应如下： +$0%/+(%$0+/*、 88 钢等。 （“） 防止焊缝中夹杂物的措施 防止焊缝中产生夹杂物的措施： 一是控制其来源， 严格控制母材和焊材中杂质含量； 二是正确选择焊条或焊剂， 以保证能充分地脱氧和脱硫； 三是注意工艺操作。 5$“ 第二篇! 焊接物理冶金 在工艺操作方面要注意如下几点： !选用合适的焊接工艺参数， 保证熔渣和杂质的浮出； “多层焊时， 注意清除前层焊道的熔渣； #焊条电弧焊时， 注意焊条作适当摆动， 以利于熔渣与夹杂物上浮； $加强对熔池的保护、 防止空气侵入。 第三节!固相冶金 焊接固相冶金又称物理冶金。主要研究焊缝完全凝固后， 焊缝金属和热影响区金属 的组织及性能变化的规律。研究对象主要是那些有固态相变的金属。 应用最为广泛的钢属于固态相变金属， 在固态范围内会因加热和冷却而发生组织和 性能的变化。钢的热处理就是建立在这种固态相变规律的基础上发展起来的。就焊接 而言， 在焊接热循环作用下， 焊缝金属是先熔化后凝固， 在完成一次结晶后继续冷却时发 生固态相变； 而热影响区则是被加热到某一峰值温度 （最高者已接近熔点） 后， 连续冷却 时发生固态相变。焊接热影响区的固态相变过程实质上就是一个特殊热处理过程。钢 在热处理过程中发生的固态相变规律仍然是分析焊接接头组织变化的依据。但是， 必须 注意， 焊接热循环具有加热温度高、 时间短， 加热与冷却速度快的特点， 整个焊接接头的 组织在连续冷却下是非平衡组织， 它不再遵守平衡条件下的相变规律。其组织的变化除 与材料的化学成分有关外， 还和焊接工艺条件密切相关。 一、 焊缝金属的固态相变 见本章第二节。 二、 焊接热影响区的固态相变 “# 焊接热影响区的形成 （“） 形成 焊接接头是由焊缝和热影响区两部分组成。焊接热影响区是在焊接过程中母材因 受热的影响 （但未熔化） 而发生金相组织和力学性能变化的区域， 常简称热影响区， 其英 文缩写为 $%、 0、 8 等， 它们能阻止或抑制晶粒长大， 则不易产生粗晶脆化； 此外， 如果焊接 热输入过大， 则加热温度高而且高温停留时间长， 晶粒就容易长大， 产生粗晶脆化。所以 采用小热输入焊接有利于防止粗晶脆化。 表 “ #$ #“-! 不同混合组织及金相组织硬度 金相组织 （体积分数）（*）显微硬度6 ?5 铁索体 珠光体 a贝氏体 b马氏体 +铁素体 珠光体 a贝氏体 b马氏体 + 宏观维氏 硬度 ?5 -( 等） 在晶界偏析也会严重损害韧性， 钢中这些杂质元素越多、 脆性越严重。 $遗传脆化。在厚板多层焊时， 按一般的规律是第一焊道热影响区的粗晶区位于第 二焊道的正火区 （即重结晶区） 时， 该粗晶区的组织将得到细化， 从而可改善第一焊道粗 晶区的性能。但对某些钢种实际未得到改善， 仍保留粗晶形貌和结晶学的位向关系， 这 种现象称 “组织遗传” 。如果由于这种遗传而导致脆化. 就称为遗传脆化。 研究表明， 组织遗传主要发生在有淬硬倾向的调质钢， 并在快速加热和快速冷却的 非平衡组织中才能产生。组织遗传引起韧性恶化的原因， 普遍认为是由于保留了原粗晶 区的晶粒。此外， 近期研究表明， 一些调质钢焊接热影响区的非平衡组织， 经二次热循环 后在奥氏体边界出现等轴晶和 ( , - 组元。说明热影响区这种脆化不仅是粗晶再现， 而 且也有组织上的变化。 $） 热应变时效脆化! 钢材经冷塑性变形后， 其强度硬度随时间会进一步增加， 而塑 ?的焊接热循环所得到的 *3 图， 可以方便地推测出靠近热影响区熔合线部分的组织与性能。而后者是对焊缝金属模拟 熔化热循环所得到的 *3 图， 适用于焊缝金属的组织与性能分析。由于焊缝金属的 *3 图很少应用， 以至于在文献中遇到的焊接 *3 图多指焊接热影响区 *3 图。 建立钢材焊接 *3 图的方法， 当前主要采用焊接热模拟技术。利用焊接热模拟试验 装置， 模拟实际的焊接热循环， 对所研究钢材试件进行加热和冷却。同时利用各种相变 测定仪器 （如自动快速膨胀仪等） 测出该试件冷却过程发生的各种相变， 以及试件冷却到 室温的维氏硬度值。最后把测定结果制作成能反映该种钢焊缝金属或焊接热影响区 （一 般是指熔合线附近） 金属在各种连续冷却条件下， 转变开始温度和终了温度， 转变开始时 (%“ 第二篇! 焊接物理冶金 间和终了时间以及转变组织、 室温硬度与冷却速度之间关系的曲线图。 必须指出， 焊接热影响区 “# 图只适用于热影响区特定的部分， 如果没有说明， 一般 是指熔合线附近。因此， 它不能概括整个焊接热影区的组织与性能的变化。只研究熔合 线附近的金属 （其最高加热温度一般接近其熔点） 的原因是该部位的晶粒很粗大， 硬化程 度最严重， 在许多情况下是产生裂纹， 局部脆性破坏的发源地， 是人们最关心的部位。 $% 焊接 “# 图的含义 以低碳锰钢 相当于 珠光体 ; 贝氏体， 没有出现马氏 体。其平均维氏硬度为 ),-9。如果按实际焊接条件从该钢种焊接热影响区 “# 图中查出其平均硬度值 (“#， 两者比较， 当 (“#“(;9则不裂。否则， 有冷裂倾向。 必须指出， 上述三个判据只能是对冷裂倾向的粗略估计， 因为每一种判据都忽略了 引起冷裂纹的其他因素。 （-） 合理制定焊接工艺参数 我们根据设计上对某钢种焊接热影响区组织与性能的要求