吴限笔记焊接学学习报告.doc

高等焊接学学习报告概 述3第1章 焊接方法及设备51.1压力焊61.1.1电阻焊61.1.2摩擦焊81.2电弧焊91.2.1手弧焊91.2.2埋弧焊101.2.3钨极气体保护电弧焊101.2.4等离子弧焊111.3钎焊111.4气焊与气割12第2章 熔焊原理122.2.2焊剂172.2.3焊丝172.2.4焊接结晶过程182.2.5焊缝金属的一次组织182.2.6焊缝金属的二次结晶192.2.7焊缝中的夹杂和气孔192.3焊接接头202.3.3焊接热影响区212.3.4焊接裂纹24第3章 弧焊电源273.1发展和种类273.2焊接电弧及其电特性283.2.1焊接电弧283.2.2焊接电弧的电特性303.2.3最小电压原理33第4章 焊接结构364.1焊接应力与变形374.1.1内应力及变形的基本概念374.1.2长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力384.2 焊接残余变形384.3 焊接接头424.3.1接头型式设计424.3.2坡口型式设计424.4 选择合理的装配焊接顺序42第5章 无损检验475.1 射线探伤475.1.1 X射线产生的条件475.1.2射线照相法探伤495.1.3电离法525.1.4荧光法525.2超声波探伤535.2.2超声波的性质53概 述经过一学期的学习，我对于焊接学方面有了些许了解和认识。焊接技术是一种重要的加工工艺，随着人类社会科技的不断发展，焊接技术也已经成为一门独立的学科，它广泛应用于各种金属结构的工业领域。将高等焊接学这门课分成了焊接原理、焊接方法及设备、弧焊电源、焊接结构和焊接检验五大部分内容，进行详细学习。目前，现代工业中应用最多的还是金属的焊接，众所周知，金属是依靠金属健结合在一起。当原子间的距离为rA时，结合力最大。对于大多数金属，rA0.30.5nm，当原子间的距离大于或小于rA时，结合力都显著减小。在第一节课就了解了焊接的定义，焊接就是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性的连接的工艺过程。而焊接方法的发展由是以电弧焊和电阻焊为起点的，到1970年，在工业生产中应用的焊接方法已有二十多种，主要分类为熔化焊接、固相焊接和钎焊。熔化焊接是使被连的构件表面局部加热熔化成液体，然后冷却结晶成一体的方法。既然构件表面加热熔化，那么其中关键是要一个温度高、能量集中的局部加热热源。按照热源形式可将熔化焊接基本方法分为：气焊、铝热焊、电弧焊、电阻焊、缝焊、电渣焊、电子束焊、激光焊等。熔化焊接过程一般都必须采取有效的隔离空气的保护措施，其基本形式是真空、气相和渣相保护三种其目的是为了防止局部熔化的高温焊缝金属因跟空气接触而造成成分、性能的恶化，以致于影响焊缝成型。固相焊接是利用加压、摩擦、扩散等物理作用克服两个连接表面的不平度，除去氧化膜及其他污染物，使两个连接表面上的原子相互接近到晶格距离的一种焊接方法。由于这种焊接方法必须采用加压的方法，因此也可称为压力焊。一般可分为：冷压焊、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、电阻对焊、闪光对焊等。而钎焊是一种利用某些熔点低于被连接构件材料熔化金属（钎料）作为连接的媒介物在连接界面上的流散浸润作用，然后冷却结晶形成结合面的焊接方法。钎焊过程也必须采取加热和气保护，然而它与其他熔化焊接方法不同的就是在焊接过程中钎料熔化，而母材不熔化。钎焊按照热源和保护条件不同可分为：火焰钎焊真空或充气感应钎焊、电阻炉钎焊、盐浴钎焊等若干种。在焊接过程中，应该正确认识其物理本质，这对于保证焊接质量，提高焊接技术的水平和开发新的焊接方法都具有重要的意义。从焊接的定义可以看出，能量是实现焊接的基本条件。至今所采用的焊接能源从基本性质来看主要是热能和机械能。作为焊接热源应当是能量密度高度集中、快速实现焊接过程，并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的热影响区，最终形成良好的焊接接头。焊接接头是由焊缝和热影响区组成，其间有过渡区，称为熔合区。焊接时除了要保证焊缝金属的性能之外，还必须保证焊接热影响区的性能。在焊接过程中，由于焊接热源作用集中性与瞬时性，以及焊接温度场的特点，使得焊接局部受到不均匀加热而导致焊接金属受热膨胀及冷却的程度不同，而导致焊接应力和焊接变形的存在。焊接应力与变形对结构的制造质量和使用性能影响非常大。 在完成焊接过程后，为了确保焊接结构制造质量以及其使用的安全性和可靠性可进行焊接检验。焊接检验是焊接结构制造过程中一项不可缺少的重要工序，按照检测方法和试验手段可分为破坏性检验、非破坏性检验和生发射检验三类。第1章 焊接方法及设备焊接就是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性的连接的工艺过程。焊接与其它连接方式不同，不仅在宏观上形成了永久性的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系。为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：1）对被焊接的材质施加压力 目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。2）对被焊材料加热（局部或整体） 对金属来讲，使结合达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原子的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。全面了解焊接方法，掌握焊接学知识，就此着重学习了以下几种焊接方法。1.1压力焊焊接过程中，必须对焊件施加压力 （加热或不加热），以完成焊接的方法称为压力焊。为了降低加压时材料的变形抗力，增加材料的塑性，压焊时在加压的同时常伴随加热措施。按所施加焊接能量的不同，压力焊的基本方法可分为：电阻焊 （包括点焊、缝焊、凸焊、对焊）、摩擦焊、超声波焊、扩散焊、冷压焊、爆炸焊和锻焊等。工艺过程：. 预压(不带电的). 通电(正弦波、直流波、阶梯波等)经过通电使得温度升高，材料变软.断电(会形成疏松或裂纹)注意：要及时断电，否则会形成后期飞溅.再给个更大的压力1.1.1电阻焊 电阻焊又称接触焊，属压焊范畴，是主要的焊接方法之一。在航空、汽车、锅炉、地铁车辆、自行车、量具刀具、无线电器件等工业中都得到广泛应用。1.电阻焊的定义将准备连接的工件置于两极之间加压，并对焊接处通以电流，利用工件电阻产生的热量并形成局部熔化(或达塑性状态)，断电后，在压力继续作用下，形成牢固接头，这种工艺过程称为电阻焊。电阻焊有如下两个最显著的特点：采用内部热源利用电流通过焊接区的电阻产生的热量进行加热。必须施加压力在压力作用下，通电加热、冷却，形成接头。要形成一个牢固的永久性的焊接接头，两工件间必须有足量的共同晶粒。熔化焊是利用外加热源使连接处熔化、凝固结晶而形成焊缝；而电阻焊则利用本身的电阻热及大量塑性变形能量，形成结合面的共同晶粒而得到焊点、焊缝或对接接头。从连接的物理本质来看，两者都是靠工件金属原子之间的结合力结合在一起，但他们之间的热源不同，在接头形成过程中有无必要的塑性变形也不同，即实现接头牢固的途径不同。这便是电阻焊与一般熔化焊的不同之处，由此可见，要获得适当的电阻热，必须有外加电源，并始终在压力作用下进行焊接。2.分类焊接接头分为搭接电阻和对接电阻。结合工艺方法可分为：点焊、缝焊(滚焊) 、对焊。1）点焊点焊是利用电流通过圆柱形电极和搭接的两焊件产生电阻热，将焊件加热并局部熔化，形成一个熔核，然后在压力作用下熔核结晶，形成一个焊点。点焊时，工件间靠尺寸不大的焊点形成牢固接头。按对工件供电的方向，点焊可分为单面点焊和双面点焊。单面点焊，由工件一侧供电，多在工件较大，夹距笨重，移动不便，或受通电焊机机臂尺寸限制时使用。用单面点焊可以直接装配夹具装配，能较好的保证装配精度，在汽车、飞机等薄板冲压件装配焊接的生产线上采用甚多。双面点焊，是由工件两侧对两个零件供电，可用两个电极，或一面是电极，另一面是导电垫板，以保护焊件表面涂覆层。影响焊点质量的主要因素除了点焊工艺参数外，焊件表面状态影响很大。在点焊焊前必须清除焊件表面氧化物和油污。2）缝焊缝焊和点焊都属于搭接电阻焊，其焊接过程与点焊相似，只是采用滚盘代替电极，通常把一个个焊点相互重叠起来，形成类似连续点焊的焊缝。焊缝依滚盘转动与馈电方式分为：连续缝焊（滚盘连续转动，电流连续接通）、断续缝焊（滚盘连续转动，电流间歇接通）、步进式缝焊（滚盘滚动与通电均为间歇式，电流在滚盘不动时输入）。按供电方向或一次成缝特点也可分为单面缝焊、双面缝焊，及单缝缝焊、双缝缝焊等。3）对焊对焊件均为对接接头，按加压与通电方式分为：电阻对焊、闪光对焊及滚对焊。电阻对焊时，将零件置于电极中夹紧，并使两零件端面压紧，然后通电加热；当零件端面及附近金属加热到一定温度时，突然增大压力进行顶锻，两零件便在固态下形成牢固的对接接头。 电阻对焊的接头较光滑，无毛刺，在管道、拉杆以及小链环中采用较多。由于对接面易受空气侵袭，形成夹杂物而降低接头冲击性能，所以受力要求较高的焊件应在保护气氛下进行电阻对焊。 闪光对焊是将焊件置于钳口中夹紧后，先接通电源，再使焊件缓慢靠拢接触，因端面个别点的接触而形成火花，加热达一定程度（端面有熔化层，并沿长度有一定塑性区）后，突然加速送进焊件，并进行顶锻。这时熔化金属被全部挤出结合面之外，而靠大量塑性变形形成牢固接头。闪光对焊可焊大截面工件。闪光焊的工艺过程：通电轻接触形成小桥高温熔化、气化飞溅施加力后快速顶锻保持压力特点：清理较小，生产率高，接头质量较高。闪光焊：点焊、缝焊 设备投资好4）凸焊凸焊是点焊的一种，主要用于将较小的零件焊到较大零件上去，或两种均为大面积零件的焊接。凸焊时，工件首先在预制的凸点、凸环或零件原有倒角、凸肩处相接触。开始通电时，电流在凸点处密集，提高了电流密度。加热后，凸点变形、熔化而形成焊点。3.电阻焊的优缺点 1）因为内部热源，热量集中，加热时间短促，在焊点形成过程中始终被塑性环包围，故电阻焊冶金过程简单，热影响区小，变形小，易于获得质量较好的焊接接头。2）与铆接结构相比，重量轻，结构简化，易于得到形状复杂的零件。3）电阻焊因机械化、自动化程度高，可提高生产率，改善工作条件。4）表面质量较好，易于保证气密。尽管电阻焊具有很多优点，但仍存在一些问题：1）缺少简单而又可靠的无损检验方法2）设备复杂，功率大，投资较多3）焊件的尺寸、形状、厚度受到设备的限制4）点焊与缝焊多采用搭接接头，增加了构件的重量，焊缝受力时会有附加力拒，使承载条件变坏，降低了承载能力1.1.2摩擦焊1.定义：两工件在接触后加压、相互运动、摩擦，使工件表面发生机械咬合、撕裂，进而形成塑性变形和塑性流动，在合适的温度场中形成顶锻、保压的一种焊接方法。其可分为：连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊两大类。2.摩擦焊有以下特点：生产率高(焊接时间短)质量稳定(接头质量好)很容易自动化和电脑化智能控制环境好、无弧光、无粉尘摩擦焊特别适合于异种材料的焊接一般只能焊回旋体一次性投资较大3.工艺过程：接触摩擦(出现机械咬合、撕裂) 温度升高，应力下降温度从高处向低处传导变形环不断扩大温度达到合适、变形合适、变形均匀顶锻，刹车焊口封闭1.2电弧焊电弧焊是现代焊接方法中应用最为广泛，因而也是最为重要的一类焊接方法。它包括有：手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。绝大部分电弧焊是以电极与工件之间燃烧的电弧作热源。在形成接头时，可以采用也可以不采用填充金属。所用的电极是在焊接过程中熔化的焊丝时，叫作熔化极电弧焊，诸如手弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊、管状焊丝电弧焊等；所用的电极是在焊接过程中不熔化的碳棒或钨棒时，叫作不熔化极电弧焊，诸如钨极氩弧焊、等离子弧焊等。1.2.1手弧焊 手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。手弧焊设备简单、轻便，操作灵活。可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及其合金。 1.2.2埋弧焊 埋弧焊是以连续送时的焊丝作为电极和填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化，形成焊缝。在电弧热的作用下，上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶金反应。熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保护焊缝金属，防止空气的污染，避免形成气孔以及有害气体的进入而造成焊接缺陷，影响焊接接头质量，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢泠却。埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手弧焊相比，其最大的优点是焊缝质量好，焊接速度高。因此，它特别适于焊接大型工件的直缝的环缝。而且多数采用机械化焊接。埋弧焊已广泛用于碳钢、低合金结构钢和不锈钢的焊接。由于熔渣可降低接头冷却速度，故某些高强度结构钢、高碳钢等也可采用埋弧焊焊接。 1.2.3钨极气体保护电弧焊 这是一种不熔化极气体保护电弧焊，是利用钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。焊接过程中钨极不熔化，只起电极的作用。同时由焊炬的喷嘴送进氩气或氦气作保护。还可根据需要另外添加金属。在国际上通称为TIG焊。钨极气体保护电弧焊由于能很好地控制热输入，所以它是连接薄板金属和打底焊的一种极好方法。这种方法几乎可以用于所有金属的连接，尤其适用于焊接铝、镁这些能形成难熔氧化物的金属以及象钛和锆这些活泼金属。这种焊接方法的焊缝质量高，但与其它电弧焊相比，其焊接速度较慢。钨极气体保护电弧焊根据保护气体不同而不同，常应用与焊接生产过程中的有钨极氩弧焊。钨极氩弧焊又称钨极惰性气体保护焊，是航空航天和民用工业中的一种主要焊接方法，可用于不锈钢、高强钢、耐热合金、铝合金、镁合金、钛合金以及铜合金等构件的焊接。它是使用纯钨或活化钨电极，以惰性气体氩气作为保护气体的气体保护焊方法。钨棒电极只起导电作用不熔化，通电后在钨极和工件间产生电弧。在焊接过程中可以填丝也可以不填丝。填丝时，焊丝应从钨极前方填加。钨极氩弧焊又可分为手工焊和自动焊两种，以手工钨极氩弧焊应用较为广泛。它具有以下优点：(1) 氩气是惰性气体，与熔化金属不起反应，不会引起金属元素间的氧化损烧，氩气不溶于液态金属，不生成气孔，因此氩气保护效果十分良好，且电弧稳定，飞溅少，氩气的热容量和导热性小，弧柱处在保温状态下，因此一旦燃烧，氩气能在较低电压下稳定燃烧。(2) 氩气不易电离，引弧时要求较高的引弧较高的电压。(3) 直流反极性钨极氩弧焊时，会发生阴极变化现象，接负极的熔池表面受到正离子的猛烈撞击，高熔点的金属氧化膜被打碎清除，此现象称为阴极雾化。(4) 明弧焊接，焊接过程中，电弧采用交流电的加热熔化和焊缝成形清晰可见，便于焊工操作及调整工艺参数，焊接质量易于控制。(5) 电弧加热集中，热影响区窄，焊接应力和变形都比较小，适用于薄板焊接。(6) 应用范围广。而钨极氩弧焊缺点：是氩气成本高，还有钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发。1.2.4等离子弧焊 等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊。它是利用电极和工件之间地压缩电弧（叫转发转移电弧）实现焊接的。所用的电极通常是钨极。产生等离子弧的等离子气可用氩气、氮气、氦气或其中二者之混合气。同时还通过喷嘴用惰性气体保护。焊接时可以外加填充金属，也可以不加填充金属。等离子弧焊焊接时，由于其电弧挺直、能量密度大、因而电弧穿透能力强。等离子弧焊焊接时产生的小孔效应，对于一定厚度范围内的大多数金属可以进行不开坡口对接，并能保证熔透和焊缝均匀一致。因此，等离子弧焊的生产率高、焊缝质量好。但等离子弧焊设备（包括喷嘴）比较复杂，对焊接工艺参数的控制要求较高。钨极气体保护电弧焊可焊接的绝大多数金属，均可采用等离子弧焊接。与之相比，对于1mm以下的极薄的金属的焊接，用等离子弧焊可较易进行。1.3钎焊钎焊是一种利用某些熔点低于被连接构件材料熔化金属（钎料）作为连接的媒介物在连接界面上的流散浸润作用，然后冷却结晶形成结合面的焊接方法。母材不熔化(但在现在高温条件下，母材也有少量熔化)，钎料熔化，而且也不需施加压力。钎焊可分为低温钎焊(350450)、高温钎焊和液相钎焊。钎焊三要素：母材、钎料、钎剂。钎剂是使母材和钎料得到更好的结合。他的作用主要有去除、破坏氧化膜；改善润湿性、更好地普展开、降低表面张力；改善工艺性。钎料应具有合适的熔点与良好的润湿性，能与母材形成牢固结合，得到一定的机械性能与物理化学性能的接头。钎料的主要用途（功能要求）为导电性、耐高温性、耐腐蚀性。1.4气焊与气割气焊与气割在我们的生产应用中较为广泛，它具有成本低，设备简单，操作方便，在电力供应不足的地方需要焊接时，气焊可以发挥更大的作用。1.4.1气焊气焊是用气体火焰为热源的一种焊接方法。气体为可燃气体，一般为氢、甲烷、乙炔、天然气、丙烷。其中，应用最多的是以乙炔气作燃料的氧乙炔火焰。由于设备简单使操作方便，但气焊加热速度及生产率较低，热影响区较大，且容易引起较大的变形。气焊可用于很多黑色金属、有色金属及合金的焊接。一般适用于维修及单件薄板焊接。气焊枪可分为射吸式和中压式。射吸式：先开氧气，形成了射吸流，再开乙炔。中压式：用于中、大、厚板。1.4.2气割气割是利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使金属剧烈氧化并放出热量，利用切割氧流把熔化状态的金属氧化物吹掉，而实现切割的方法，这种气割方法属于氧化切割或燃烧切割。气割中大多数采用氧乙炔切割。 气割时应用的设备器具除割炬外均与气焊相同。气割过程是预热一燃烧一吹渣过程，但并不是所有金属都能满足这个过程的要求，只有符合下列条件的金属才能进行气割。金属在氧气中的燃烧点应低于其熔点；气割时金属氧化物的熔点应低于金属的熔点；金属在切割氧流中的燃烧应是放热反应；属的导热性不应太高；金属中阻碍气割过程和提高钢的可淬性的杂质要少。第2章 熔焊原理在焊接过程中，伴随着热过程，在焊接区气体、熔化金属和焊接熔渣之间进行着复杂的相互作用过程。这个过程对于焊缝金属的化学成分、组织形态、性能以及某些焊接缺陷、焊接工艺性能都有很大的影响。焊接物理冶金反应与冶炼、铸造在原理上是相近的，其主要表现为： 温度高：因此反应激烈 时间短：因此反应不彻底 体积小：比表面积大，反应剧烈2.1气体和主要元素 熔化焊时，焊接区存在着大量的气体，这些气体会不断的与金属产生各种冶金反应，从而影响焊缝的化学成分和性能。弄清楚焊接区气体的来源、产生、成分及其分布，对于研究气相与熔化金属的相互作用具有重要意义。2.1.1氢气对于许多金属及合金，氢对焊接质量是有害的。如果氢含量很高，氢源速度小于金属凝固速度，可能会导致气孔；如果氢以单质形式存在，就会固熔在焊接接头，形成过饱和不稳定，形成扩散；扩散会导致氢气孔，氢致裂纹，氢脆，氢白眼；材料的脆性升高，韧塑性大大下降。对于氢气主要来源于焊接材料(焊剂、药皮中有氢)和焊接时周围的环境(空气、防止水、锈、油、漆)。氢引起的缺陷有暂态缺陷有氢脆、白点；永久性缺陷有气孔和裂纹，其中裂纹有氢致裂纹及延迟裂纹。影响氢脆的因素有：a焊缝中的氢含量，含量越大，越易产生氢脆；b温度极高或极低，越不易产生氢脆；c在常温下，易产生氢脆；d变形速率很大或很小，越不易产生氢脆；e常温拉伸，变形速率与氢的扩散速率差不多，极易产生氢脆；f不平衡组织，易产生氢脆。影响白点的因素：a焊缝中的氢含量，含量越大，越易产生白点；b温度极高或极低，越不易产生白点；c在常温下，易产生白点；d在组织上，铁素体、奥氏体不锈钢现象不明显。如果熔池吸收了大量的氢，那么在它凝固时由于溶解度的突然下降，使氢处于过饱和状态，当旗袍外逸速度小于凝固速度时，就在焊缝中形成气孔。冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，其危害很大。氢是促使产生这种裂纹的主要原因之一。既然氢气对于焊接质量是有害的，那么我们又如何去除呢？杜绝来源：a.焊条烘干 b.严格清理工件 c.加强保护反应去氢：a.在药皮和焊剂中加入氟化物 b.控制焊接材料的氧化还原势c.在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素d.控制焊接工艺参数e.焊后脱氢处理去氢热处理(使氢通过扩散跑掉)焊缝金属中的氢是以分子、原子、阴、阳离子的形式存在的其扩散可分为扩散氢和残余氢两类。2.1.2氮气焊接区周围的空气是气相中氮的主要来源。尽管焊接时采取了保护措施，但总是或多或少的氮侵入焊接区与熔化金属发生作用。氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。如果熔池中含有较多的氮，则由于焊接时冷却速度很大，一部分氮将以过饱和的形式存在于固熔体中，还有一部分氮以针状氮化物的形式析出，分布于晶界或晶内。因此使焊缝金属的强度、硬度升高，而塑性和韧性，特别是低温韧性急剧下降。氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。在焊缝金属中加入能形成稳定氮化物的元素，如钛、铝、锆等，可以抑制或消除时效现象。1)来源：空气2)防止：最主要手段是隔绝空气但在金属中的溶解规律与氢相似。2.1.3氧气根据氧与金属作用的特点，可把金属分为在固、液态都不溶解氧（活性金属）和在固、液态能够溶解一定的氧（铁、铌、铜、钛等）氧气大量存在于空气当中，所以周围空气和环境（水、锈、油、漆）以及焊接材料是氧气的主要来源。所以，为了防治氧对于焊缝成形的影响要首先从隔绝来源（空气、水、锈、油、漆）着手；还有就是在冶金反应中进行脱氧以及采用扩散脱氧的方法，扩散脱氧是使渣和金属发生扩散、置换、形成FeO。氧在金属中的溶解：溶解与温度有关，都是以氧化物形式存在。氧对焊接质量的影响： 随着氧含量增加，强度、韧性、塑性下降，尤其冲击韧性急剧下降。 形成一氧化碳气孔 会使合金元素烧蚀 氧会使焊接工艺性变坏，飞溅大 少量氧在焊接某些合金钢时有一定的好处氧的控制a纯化焊接材料b保护好c控制规范：短弧焊d脱氧2.1.4碳碳是金属主要的强化元素，含碳量增加，强度增加，韧性下降。碳可以与氧气结合，形成CO气孔。在焊缝处降低含碳量，在焊缝的熔敷金属中的含碳量都比母材低。在含碳量降低时，钢的强度降低，于是加入Mn，Si以置换的方式来增加钢的强度。由碳引起的裂纹为冷裂纹。2.1.5焊缝中硫、磷的控制1.焊缝中硫的控制硫的危害：存在形式：硫化铁，易形成低熔点共晶物，使焊缝产生裂纹倾向增大，降低材料的各种性能。硫的控制a限制原材料中硫的含量：母材、焊丝、药皮、焊剂。b用冶金方法脱硫：碱性渣较酸性渣脱硫效果好2.焊缝中磷的控制磷的危害：存在形式：磷化二铁和磷化三铁，都是低熔点共晶物，使焊缝产生裂纹倾向增大；磷是易偏析元素，易在晶界分布，使冲击韧性下降。磷的控制a限制原材料中磷的含量：主要的b用冶金方法脱磷2.2焊接材料2.2.1焊条1.焊条组成：焊芯+药皮药皮类型：氧化钛型、氧化钛钙型、钛铁矿型、氧化钛型、纤维型、低氢型、石墨型、盐基型。药皮作用：造渣；造气；脱氧；合金化；稳弧；粘结；成型。药芯：进行手弧焊时，焊芯受热熔化并作为焊缝的填充金属。因此，焊芯的化学成分和性能对于焊缝金属的质量有着直接的影响。2.焊条的工艺性能：焊条的工艺性能是指焊条在焊接操作中的性能。它是衡量焊条质量的重要指标之一。包括焊接电弧的稳定性、焊缝成形、各种焊接位置的适应性、脱渣性、飞溅、药皮发红程度、尘毒、焊条熔化速度。焊接电弧的稳定性电弧稳定性就是指电弧保持稳定燃烧的程度。电弧稳定性直接影响着焊接过程的连续性及焊接质量。焊接电源的特性、焊接工艺参数、焊条药皮类型及组织物等许多因素都影响着电弧的稳定性。焊缝成形良好的焊缝成形要求表面光滑，波纹细密美观，焊缝的几何形状及尺寸正确。焊缝应圆滑地向母材过渡，余高符合标准，无咬边等缺陷。焊缝表面成形不仅影响美观，更重要的是影响焊接接头的力学性能。形成不好的焊缝会造成应力集中，引起焊接部件的早期破坏。影响焊缝成形的因素除操作原因外，主要是熔渣凝固温度，高温熔渣的粘度、表面张力以及密度。各种位置焊接的适应性工艺性能良好的焊条能适应空间全位置焊接。不同类型的焊条在各种位置上焊接的适应性是不同的。飞溅焊接过程中由熔滴或熔池中飞出的金属颗粒称为飞溅。飞溅不仅弄脏焊缝及其附近的部位，增加清理工作量，而且过多的飞溅还会破坏正常的焊接过程，降低焊条的熔敷效率。熔渣的粘度较大或焊条含水量过多、焊条偏心率过大等均会造成较大飞溅。增大焊接电流及电弧长度，飞溅也随之增加。低氢型焊条的电弧稳定性较差，熔滴多为大颗粒短路过渡，所以飞溅较大。脱渣性熔渣性是指焊后从焊缝表面清楚渣壳的难以程度。脱渣性差的焊条不仅造成清渣的困难，降低焊接生产率，而且在多层焊施工时，还往往会产生夹渣的缺陷。影响脱渣性的因素很多。焊条熔化速度焊条药皮发红焊条药皮发红，是指焊条在使用到后半段时由于药皮温升过高而发红、开裂或药皮脱落的现象。焊接烟尘3.焊条的分类：按焊条的用途按焊接熔渣的碱度分按焊条药皮的类型2.2.2焊剂焊剂是焊接时能够熔化形成熔渣和气体，对熔化金属起保护和冶金处理作用的一种颗粒状物质。在焊接过程中焊剂的作用是：隔离空气、保护焊接区金属使其不受空气的侵害，以及进行冶金处理作用。因此，焊剂与焊丝配合使用是决定焊缝金属化学成分和力学性能的重要因素。焊剂可分为两大类，一是熔焊焊剂，二是非熔焊焊剂，其中后者又分为粘结焊剂和烧结焊剂。焊剂与焊丝的匹配原则为高硅无锰焊剂+高锰焊丝高硅中锰焊剂+含锰焊丝高硅高锰焊剂+含锰焊丝。2.2.3焊丝焊丝是焊接时作为填充金属或同时作为导电用的金属丝。在气焊和钨极气体保护电弧焊时，焊丝用作填充金属；在埋弧焊、电渣焊和其他熔化极气体保护电弧焊时，焊丝既是填充金属，同时也是导电电极。焊丝可分为气体保护焊丝、药芯焊丝、埋弧焊丝、电渣焊丝和氩弧焊焊丝同母材。2.2.4焊接结晶过程1.结晶特点和形态特点：熔池体积小；冷却速度快；温度梯度大；过热度大；结晶过程是在运动下完成缺陷少，致密；联生结晶。柱状晶的成长：包括形核和核长大；在母材的基础上长大；生长快慢与冷速有关。熔池结晶形态纯金属：温度梯度大于0，平面晶；温度梯度小于0，树枝状晶。固溶体合金的结晶过程成分过冷：合金凝固时，由于固、液界面成分起伏引起的过冷。成分过冷对熔池结晶形态的影响：没有成分过冷时，平面结晶；有一定成分过冷时，胞状结晶；有较大成分过冷时，胞状树枝晶；有大成分过冷时，树枝状结晶；有很大成分过冷时，等轴晶。焊缝金属的化学不均匀性显微偏析：先结晶的金属纯度高，后结晶的金属杂质浓度高。区域偏析、层状偏析、熔合区偏析。熔合区的不均匀性：化学的不均匀性，母材和焊缝成分不同；物理的不均匀性。熔合区是接头最薄弱的区域。2.2.5焊缝金属的一次组织焊接条件下的一次组织形态焊接速度：焊速越高，结晶速度越大，成分过冷越大，结晶形态从平面晶向等轴晶过渡。焊接电流：电流越大，晶粒也越粗大1） 一次组织的影响：晶粒越大，性能越差（强度、韧性）2） 一次组织的改善变质处理，常用变质剂：钼、钒、钛、铌、锆、铝、硼、氮、稀土等，其使晶粒不易长大并且形核质点多。 振动结晶：低频机械振动；高频超声振动；电磁振动，其细化晶粒，打乱枝晶生长方向，形成等轴晶。2.2.6焊缝金属的二次结晶1.低碳/低合金钢的二次组织一般低碳/低合金钢室温组织：珠光体和铁素体，但是在焊接时，急冷急热易出现高碳钢的行为，即转变为马氏体。2.二次组织的改善 焊后热处理，这是最好、最有效的方法。锤击焊道多层焊，这种也是经常使用的一种方法，其作用是细化晶粒，第一道对第二道有预热作用，第二道对第一道有热处理作用。跟踪回火：第一道正火；第二道高温回火；第三道回火。2.2.7焊缝中的夹杂和气孔焊缝中的夹杂种类：氧化物：主要是块状二氧化硅、氧化锰、氧化铝、二氧化钛 氮化物：主要是针状氮化四铁 硫化物：主要是硫化亚铁、硫化锰危害：二氧化硅，以硅酸形式存在，呈密集块状，易引起热裂纹和层状撕裂。 出现气孔的原因：规范不恰当；焊接材料含有水分；保护不好；破口表面不干净。气孔的危害：降低焊缝有效承载面积；对疲劳强度影响较大；降低致密性；会造成应力集中。气孔类型及其特征 第一类气孔：溶解气体形成的气孔：氢气孔；氮气孔 第二类气孔：由冶金反应生成的气体所致：一氧化碳气孔常见的三种气孔有氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔。其中氢气孔是近表面气孔，形状似喇叭；氮气孔是表面气孔，形状似蜂窝，主要是保护不好所致；一氧化碳气孔的形状似条虫，在焊丝中加入足够的脱氧剂和限制焊丝的含碳量，就可有效地防止CO气孔产生。气孔形成的机理： 气泡的形核条件：液体中存在有大量过饱和气体，同时有现成的表面存在。 气泡长大条件：气泡内部压力大于外部压力。 气泡上浮：润湿角越大，越不易上浮；润湿角越小，越易上浮；与上浮速度也有关。最终滞留于焊缝中的气泡就有可能形成气孔。影响形成气孔的因素及预防措施： 冶金因素a熔渣的氧化性：氧化性越强，越易形成一氧化碳气孔，不易形成氢气孔；氧化性降低，越易形成氢气孔，不易形成一氧化碳气孔。b焊条药皮或焊剂成分：低氢型焊条，加氟化物可以减少焊缝中的氢含量。c含有脱氧元素的焊丝，形成一氧化碳气孔倾向降低d水、锈。工艺因素a规范参数 焊接时间越长，形成气孔倾向降低；电流越大，形成氢气孔倾向增大；电压越高，形成氮气孔倾向增大。b极性：直流反接好于直流正接，交流最差。直流正接有阳极溶解。c操作：焊条、焊剂烘干；保证电弧稳定。防止焊缝中夹杂物的措施主要：正确选择焊条、焊剂，使之更好脱硫、脱氧等。其次：选用合适的焊接规范；多层焊，应注意清除前层焊缝熔渣；焊条适当摆动；熔池保护。2.3焊接接头2.3.1焊接接头的形成1.焊接接头由焊缝组织和热影响区组成。焊缝区域由熔化金属组织，铸造、冶金发生在焊缝区域。热影响区：受温度影响发生组织性质变化的区域。2.影响焊接接头的方面：a.焊缝组织 b.热影响区 c焊前焊后的处理焊接接头的形成一般都经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。3.焊缝的组织和性能焊接热源向前移去后，溶液液体金属迅速冷却结晶。焊缝金属的结晶是从熔池底壁（即熔合线）上许多未熔化的半个晶粒开始，垂直于熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶。从熔池液体金属凝固结晶为焊缝金属，称为一次结晶。有的焊缝金属在冷却过程中处于固态还会发生组织转变，叫作二次结晶。熔合比：2.3.2熔池 熔池结晶为层状的，由于焊缝结晶的过冷度和成分过冷形式。1.熔池的凝固条件和特点焊接熔池虽小，但它的结晶规律与铸钢锭一样，都是晶核生成和晶核长大过程。然而，由于焊接熔池的凝固条件不同，与一般钢锭的结晶相比有如下的特点：a.熔池的体积小，冷却速度大b.熔池中的液态金属处于过热状态c.熔池是在运动状态下结晶2.熔池结晶的形态1）纯金属的结晶形态2）固熔体合金的结晶形态合金的结晶温度与成分有关，先结晶与后结晶的凝固相成分也不相同，造成固液界面一定区域的成分起伏，因此合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷之外（温度过冷），还存在由于固液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶时不必很大的过冷就可出现树枝状晶，而且随过冷的不同，晶体成长也出现不同的结晶形态。3）成分过冷对结晶形态的影响 a.平面结晶b.胞状结晶c.胞状树枝结晶d.树枝状结晶e.等轴结晶2.3.3焊接热影响区 焊接过程中，母材热影响区的各点最高加热温度不同，也就是说各点距焊缝的远近不同，各点所经历的焊接热循环不同，就会导致其组织变化也不相同，使整个焊接热影响区的组织和性能呈不均匀性。1500焊缝区13001100900700过热区正火区部分相变区00.82C，T，L+A0.焊缝过渡区：在焊接过程中，只要部分金属被熔化，处在熔池的液体金属和未熔化的基本金属之间，在焊接过程中，液体金属与基本金属之间的化学成分互相扩散，所以这一段的金属成分既不同于基本金属，也不同于焊缝金属，因此又叫“过渡段”。1）过热区：最高加热温度1100以上的相域，晶粒粗大，甚至产生过热组织，叫过热区。这部分金属由于加热温度高，大大超过了相变温度。所以当铁素体和珠光体转变成奥氏体后，晶粒剧烈长大，冷却后成为晶粒粗大的过热组织。在1100以上停留的时间越长，则晶粒越粗大。过热段金属的冲击韧度比基本金属低，因此为了保证焊接接头的质量，焊接时宜采用合理的焊接参数，适当地提高冷却速度，减少在高温停留的时间，从而减少过热段的宽度。 过热区的塑性和任性明显下降，是热影响区中机械性能最差的部位。2）正火区：最高加热温度从至1100的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，叫正火区。正火区的机械性能较好。3）部分相变区：最高加热温度从至的区域，只有部分组织发生相变，叫部分相变区。此区晶粒不均匀，性能也较差。一般地说，低碳钢的热影响区的性能问题还不大。总之，熔合区和热影响区中的过热区（或淬火区）是焊接接头中机械性能最差的薄弱部位，会严重影响焊接接头的质量。可从工艺上调节，采用线能量、层数、道数、坡口形式等。线能量：焊接过程中单位长度内所需的有效能量。 ：焊接电流 ：焊接电压 ：焊接速度 ：焊接时用的有效系数11.焊接热循环 1）焊接热循环及其意义热影响区中的某一点在焊接过程中温度由低到高在到低的变化过程。C800ct 加热速度；峰值温度；冷却速度、冷却时间；高温停留时间，相变温度以上的停留时间。2）多层焊热循环的特点 长短多层焊（长度大于1米）淬硬倾向高的钢不适于用长短多层焊，易产生脆硬马氏体。 长短多层焊（长度在50到400毫米之间）常用于焊接易淬硬钢材，不易淬硬钢材易长大，常采用长短多层焊。3) 调节热循环的方法： 高温停留时间短：线能量减小来控制冷却速度变缓，避免出现淬硬组织：预热来控制也可通过层数来控制热影响区，而且前一层焊接对后一层焊接起到预热作用，而后一层对前一层有回火的作用，可细化晶粒组织，所以在很多焊接上会采用多层焊。2.焊接条件下金属的组织特点 1）加热 加热速度越高，Ac1、Ac3上移，合金元素扩散系数远远小于碳的扩散系数，并且合金元素与碳结合降低了碳的扩散速度。 加热速度越高，高温停留时间越短，奥氏体均匀化程度降低。 峰值温度越高，晶粒越粗大。峰值温度越高，过热度小，形核点增加，晶粒数目多，直径小（前期）；但后期晶粒长大严重（晶粒合并）。2）冷却与热处理不一样；与平衡冷却不一样。3.焊接热影响区的组织和性能1）组织 不易淬硬钢材：碳当量低的钢，低碳钢、低合金钢 易淬硬钢材：碳当量高的钢，中、高碳钢、高强钢a 焊前退火完全淬火区（温度在Ac3以上）：F、P、B、M均加热转变为A，冷却过程中转变为M等不平衡组织。越接近熔合区，它晶粒越粗大。不完全淬火区（Ac3到Ac1）：P、B 和部分F转变为A，冷却过程中转变为M，部分F长大成为粗大F。最终组织：M+F（粗大）b焊前调质状态 除完全淬火区、不完全淬火区，还存在一个软化区。在Ac1经受了一次加热，若温度高于回火温度，将发生软化。2)焊接热影响区的性能 硬度分布：宏观与微观硬度不一样；相同组织，硬度可能不同。钢的硬度与碳当量有关，当维氏硬度计大于350，需预热。 焊接热影响区的脆化a粗晶脆化：不易淬硬钢材，产生W；易淬硬钢材产生高碳M。b组织脆化：M-A组元，形成条件：合金化程度比较高的合金中；在中等冷速下形成。高碳马氏体+残余奥氏体析出脆化：在回火或时效过程中，在基体上析出强化相。遗传脆化：常发生在多层焊当中。c热影响区热应变时效脆化 静应变时效脆化 动应变时效脆化热影响区的韧化影响因素：a母材的状态：晶粒细小；有弥散强化质点；F、P、B、M韧性依次降低。b韧化处理工艺：常用：多层焊；焊后热处理；预热；后热。少用：添加合金元素。热影响区的软化：在Ac1经受了一次加热，当温度高于回火温度，将发生软化。4.获得焊接热模拟图的方法： 1）计算（模糊的） 2）通过相关参考3）实测 焊接工艺参数就用实际的在焊缝周围打盲孔，再焊上热电偶，接在xy记录仪上，记录数据，绘制热循环图。2.3.4焊接裂纹 金属的焊接性通常表现为两方面的问题：一是焊接引起的各种缺陷，主要是焊接气孔和焊接裂纹问题；二是焊接时材料性能的变化，主要是脆化问题。1.焊接裂纹的分类 1）按裂纹所处部位分类：焊缝中的纵向裂纹；焊缝中的横向裂纹；熔合区裂纹；焊缝根部裂纹；HAZ根部裂纹；焊趾裂纹；焊道下裂纹；层状撕裂；火口裂纹。 2）按裂纹方向分类：纵向、横向、星形。 3）按断裂特征分类： 热裂纹：结晶裂纹；高温液化裂纹；多变化裂纹。 冷裂纹：延迟裂纹；淬硬脆化裂纹，低塑性脆化裂纹。 再热裂纹 层状撕裂 应力腐蚀裂纹2.焊接的结晶裂纹 1）结晶裂纹的产生 一般特征：高温下形成，沿晶界开裂。 脆性温度区间液-固二相区分成a液固阶段：液体多，固体少；b固液阶段：液体少，固体多。一般来说，液-固二相区间大，脆性温度区间增大；杂质越多，脆性温度区间大。若存在低熔点共晶物，脆性温度区间急剧增大。但对于铝合金，杂质浓度越大，脆性温度区间减小，俗称“医疗作用”。结晶裂纹产生条件：冶金因素：脆性温度区间越大，越易产生结晶裂纹；材料高温下塑性储备越少，越易产生结晶裂纹。力学因素：应变增长率越大，越易产生结晶裂纹。 2）影响结晶裂纹的因素 冶金因素： 结晶温度区间：结晶温度区间越大，脆性温度区间越大，越易产生结晶裂纹。 合金元素 a S、P，均产生低熔点共晶物，结晶温度区间增大，脆性温度区间增大，越易产生结晶裂纹。二者还是强偏析元素，对所有裂纹都敏感。 b C，含碳量增加，脆性温度区间液越大，越易产生结晶裂纹。 c Mn，一方面，其脱硫，效果好；另一方面，其为A稳定元素，效果不好。当其百分数小于0.8%，第一方面是主要的；大于0.8%，第二方面是主要的，易形成结晶裂纹。 d Si, 一方面，硅酸盐是低熔点共晶物，结晶温度区间增大，脆性温度区间增大，越易产生结晶裂纹；另一方面，其为形成元素，效果好，可以控制结晶裂纹。当其百分数小于0.4%，第一方面是主要的；大于0.4%，第二方面是主要的。 e Ti、Zr、稀土元素、活性金属，均脱硫，使产生结晶裂纹倾向降低。 f Ni，与硫易形成低熔点共晶物，易形成结晶裂纹。 g O，存在有一定好处，目前尚无定论。 一次组织：粗晶，易产生结晶裂纹；初生相为，效果好，可以控制结晶裂纹。+双相组织，产生结晶裂纹倾向降低，单相A不好。 力学因素：应力越大，产生结晶裂纹倾向越大。 产生结晶裂纹：金属在脆性温度区间内塑性比较低，脆性温度区间比较宽；金属在结晶过程中受到应力大于其所能承受的最大强度。3）结晶裂纹的预防措施冶金因素 a 控制S、P含量：母材、焊条（药皮）、焊丝、焊剂。 b控制一次晶，细小、双相组织（+）。 c “愈合”作用（铝合金焊接中可以用）工艺因素 a焊缝形状，焊缝成形系数越大，产生裂纹倾向降低。所以减少电流和提高电压均可使产生裂纹倾向降低。 b焊接速度，焊速越高，产生裂纹倾向越大。 c冷却速度，冷却时间越长，产生裂纹倾向降低。可以采用预热、后热来降低冷却速度。 d结构刚度，刚度越大，产生裂纹倾向越大。 e焊接顺序，合理，焊缝应力降低，产生裂纹倾向降低。3.焊接的延迟裂纹 1）一般特征：Ms以下形成；延迟开裂；穿晶或沿晶界开裂，在微小的结晶裂纹或其它的裂纹、缺陷的基础上形成；中碳钢、低合金钢，裂纹在热影响区产生；高强钢，裂纹在焊缝产生。 2）产生条件：淬硬倾向；氢含量；应力 钢材的淬硬倾向 a钢材中存在大量的缺陷，碳当量大，缺陷可以成为裂纹源。 b碳当量大，淬硬性倾向增大，转变为脆硬组织倾向增大。在脆硬组织中裂纹扩展所需能量很低。珠光体、铁素体下贝氏体低碳马氏体上贝氏体颗粒状贝氏体M-A组员高碳