熔焊基本过程

1、2013癸巳年焊接成形焊接成形通过通过加热或加压，或两者并用，使工件加热或加压，或两者并用，使工件达达到到结合的一种方法结合的一种方法。实质实质：通过适当的通过适当的物理物理-化学过程，使两个化学过程，使两个分离固体表面分离固体表面的的 金属金属原子接近到晶格距离原子接近到晶格距离（0.30.6nm），形成），形成金属键，从而使两金属键，从而使两个分离的固体个分离的固体实现永久性实现永久性的连接。的连接。过程装备过程装备 制造过程中，焊接方法主要是采制造过程中，焊接方法主要是采用熔化焊（简称为熔焊），其中最常用的到用熔化焊（简称为熔焊），其中最常用的到有电弧焊、电渣焊。有电弧焊、电渣焊。熔焊是

2、利用一定的热源，使构件的被连接位熔焊是利用一定的热源，使构件的被连接位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成一体的局部熔化成液体，然后再冷却结晶成一体的方法。方法。1 电弧电弧焊的热过程焊的热过程2 熔池熔池的的结晶结晶3 焊接焊接热影响区的组织与性能热影响区的组织与性能4 熔熔焊的冶金反应焊的冶金反应5 焊接应力与变形焊接应力与变形1 电弧焊的热电弧焊的热过程过程 1.1 热过程热过程特点特点 加热熔化、 冷却凝固 (1)局部局部集中性集中性钨极氩弧焊焊接1mm厚钢板，加热速度为1700s；电弧焊熔池的平均温度17001800，熔滴温度l800-2400 (2)瞬时性瞬时性 达不到平衡 (3)热源

3、的热源的运动运动 随热源逐渐远离时冷却降温1.2焊接温度场和焊接热焊接温度场和焊接热循环循环 焊接温度场焊接温度场 焊件上(包括内部)各个点在某一瞬时的温度分布 焊接传热的基本形式焊接传热的基本形式 传导、对流和辐射 电弧焊时,电弧所产生的热能以辐射和对流的形式传给焊件 母材和焊条在获得热能以后,主要是以热传导的形式在内部进行扩散。 温度场的变化主要是热传导作用，其次是辐射和对流的作用。焊接温度场的一般焊接温度场的一般特征特征 非稳定温度场 正常焊接条件下的移动热源，开始温度是非稳定的；一定时间后，焊件上会形成准稳定温度场 影响温度场的影响温度场的因素因素 热源、焊接材料、焊接工艺 热源的热源

4、的性质性质 气焊，热源作用面积较大，热能集中程度小，焊接温度场大，焊件上温度梯度小。 等离子弧焊接，热能集中程度高。温度场小，焊件上温度梯度大；焊接工艺参数焊接工艺参数焊接能量q为常数时，焊接速度v增加，某一温度的等温线所包围的范围显著缩小，温度场的宽度和长度都变小，温度场的形状变得细长。当焊接速度v为常数时，增加焊接能量q，某一温度的等温线所包围的范围显著随之增大焊接线能量E=q/v（单位长度焊缝上所接受的能量）为常数时，同时增大q、v，则此时会使等温线所包围的范围被拉长，宽度变化不大。被焊金属材料的热被焊金属材料的热物理性质物理性质热导率 、比热容c、容积比热容c、热扩散率，材料的各种热物

5、理性能参数都是温度的函数，热物理参量采用在温度变化范围内的平均值。 热物理参量热物理参量单位单位焊接焊接条件下选取的平均值条件下选取的平均值 低碳钢低合金钢低碳钢低合金钢 不锈钢不锈钢 铝铝 紫紫铜铜 W(cm) 0.3780.5040.1680.3362.653.78 c J(g) 0.6250.7560.420.501.01.32 cJ(cm3)4.835.463.364.22.633.99 =/ c cm2s 0.070.100.050.071.00 0.95 焊件的焊件的板厚板厚及形状及形状 几何形状、尺寸及环境状态（如环境温度、湿度、预热及后热等等）影响。预热预热实践证明预热对于11

6、00高温区等温线范围大小影响不大，主要影响800以下中低温区，使中低温区等温线范围扩大明显，使得8001100温度区等温线范围有一定扩大；使焊件温度梯度降低。 焊接热焊接热循环循环在焊接热源的作用下，焊件上某一点的温度随时间的变化过程，称为焊接热循环。焊接热循环的特点焊接热循环的特点热源沿焊件的某一方向移动，在其热量所及的焊件上任一点的温度，都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。距焊缝不同位置的各点所经历的这种热循环是不同的，离焊缝越近的点，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大。焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，也可以说是一种特殊的热处理过程焊接热循环的主要

7、参数焊接热循环的主要参数试验和实测的方法求得根据焊接传热学的理论建立数学模型，进行理论计算主要是加热速度wh、峰值温度max、高温停留时间tH、冷却速度wC、冷却时间tC加热速度加热速度wh 加热速度比一般热处理时的加热速度快得多。一般随着加热速度的提高，相变温度也提高；同时也影响到奥氏体的均质化及碳化物的分解重溶。峰值温度峰值温度max峰值温度将直接影响到焊接接头热影响区的组织和性能。峰值温度过高，将使晶粒急剧长大，造成接头的粗晶脆化。还会影响到焊接接头的应力应变，形成较大的焊接残余应力。高温停留时间高温停留时间tH 包含加热过程高温停留时间和冷却过程高温停留时间。相变温度以上停留的时间对奥

8、氏体的均质化及晶粒度都有很大的影响。相变温度以上停留的时间越长，越有利于奥氏体的均质化，但温度太高，如1100以上停留的时间过长，会使奥氏体晶粒剧烈长大而造成粗晶脆化。 冷却速度冷却速度wc 决定焊接接头的组织性能及接头质量，在固态相变温度范围内的冷却速度，即800500及800300时的冷却速度尤为重要。冷却时间冷却时间 试验准确测量瞬时冷却速度有困难 采用一定温度范围内的冷却时间来代替冷却速度低合金高强钢的冷却时间是从奥氏体开始分解的温度Ar3到奥氏体最不稳定的温度或马氏体开始转变的温度Ms，这一时间即为t8/5或t8/3 。例如：对于一般碳钢及低合金结构钢，常采用固态相变温例如：对于一般

9、碳钢及低合金结构钢，常采用固态相变温度范围内的冷却时间，即由度范围内的冷却时间，即由800冷却至冷却至500的冷却时的冷却时间间t8/5；而对淬硬倾向比较大的钢种，采用从；而对淬硬倾向比较大的钢种，采用从800冷却冷却至至300的冷却时间的冷却时间t8/3或由峰值温度冷至或由峰值温度冷至100时的冷时的冷却时间却时间t100。多层焊的热循环多层焊的热循环特点特点多层焊热循环是单层焊热循环的交替综合作用。多道焊中开始焊接后一道焊缝时，前一道焊缝所具有的最低温度对于后一道焊缝而言，相当于预热温度；后一道焊缝对于前一道焊缝，相当于在焊接热循环条件下的后热处理。焊缝两侧各部位所经历的热循环不同，决定了

10、其组织性能的非均匀性。特别是熔合区和粗晶区是焊接接头的薄弱环节。实际生产中，主要是通过提高初始温度即预热温度来降低冷却速度，延长t8/5时间；对于较厚构件焊接时，多采用多层多道焊；其目的是改善热影响区组织与性能。2. 熔池的结晶熔池的结晶2.1熔池的结晶过程熔池的结晶过程高温热源的作用下，母材发生局部熔化，并与熔化了的焊丝金属混合形成熔池熔池内进行短暂而复杂的冶金反应热源离开后，熔池金属开始结晶，焊缝金属形成焊接熔池的金属由液态变为固态的过程称为一次结晶，结晶过程包括晶核形成和晶核长大两个过程。焊缝结晶的特点焊缝结晶的特点一种是熔池内合金元素或杂质的悬浮质点第二种是熔池与母材交接处没有完全熔化

11、的半熔化的晶粒表面结晶长大方向总是与最大散热方向相反。熔池的最大散热方向垂直于熔合线（熔焊焊缝与母材的交界）指向金属内部焊缝结晶过程中的成分偏析焊缝结晶过程中的成分偏析熔池体积小，冷却速度很快，合金元素来不及扩散均匀，出现所谓偏析现象，主要有：显微偏析、区域偏析等。显微偏析显微偏析 焊缝金属在凝固过程中，先凝固的固相含低熔点杂质少，后凝固的固相含低熔点杂质多，晶粒外富集杂质。 区域偏析 由于柱状晶不断长大推移，把溶质和杂质推向熔池的中心部位，使最后凝固部位产生区域偏析如图。焊缝的形状系数焊缝的形状系数形状系数：=c/hc一熔宽,mmh一熔深,mm。当1时,杂质将集中于焊缝中间,易形成热裂纹;当

12、1.32.0时, 焊缝有足够的宽度,则杂质将集中在焊缝上部, 它的影响较小。2.2焊缝组织性能的改善方法焊缝组织性能的改善方法变质处理变质处理 通过焊接材料向熔池掺入某些能细化晶粒的合金元素，如钼、钒、钛、铌、锆、铝、硼、氮、稀土等等高熔点合金和高熔点合金和细化晶粒元素，增加溶池晶核数量，即增加晶粒数，使晶细化晶粒元素，增加溶池晶核数量，即增加晶粒数，使晶界增多，防止杂质膜的界增多，防止杂质膜的连通连通，提高强度和韧性以及抗裂性能。焊后热处理焊后热处理焊焊后正火等热处理，改善组织和性能后正火等热处理，改善组织和性能。如如电渣焊焊后一般都要进行正火热处理，以细化晶粒，改电渣焊焊后一般都要进行正火

13、热处理，以细化晶粒，改善性能。善性能。3、焊接热影响区的组织与性能3.1热影响区的金相组织热影响区的金相组织已凝固的高温焊缝和热影响区冷却到室温冷却到室温，要经过一系列固态相变过程，该相变称为二次结晶。较快速冷却的条件下，碳的质量分数为0.4的钢就可以得到全部为珠光体的组织(伪共析组织)； 当冷却速度增加到一定程度之后，珠光体转变将被抑制，发生贝氏体或马氏体转变。焊接热影响区的组织分布低碳钢的热影响区组织一般熔焊条件下，不易淬火钢按照热影响区中不同部位加热的最高温度及组织特征，可分为四个区。熔合区熔合区 焊缝与母材之间的过渡区域。很窄，化学成分不均匀性，引起组织、性能不均匀性，最薄弱的部位。

14、过热区过热区(粗晶区粗晶区) 加热温度在固相线以下到晶粒开始急剧长大温度(约为1100左右)范围内的区域叫过热区。塑性，韧性较差。焊接接头中最危险的区段。 正火区正火区(细晶区细晶区) ,母材金属被加热到Ac3至1100左右温度范围，其中铁素体和珠光体将全部转变为奥氏体。形成的奥氏体晶粒尺寸小于原铁素体和珠光体，然后在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。热影响区中组织性能最佳的区段。部分相变区部分相变区 相当于加热到Ac1Ac3之间的温度范围。部分铁素体溶入奥氏体，其余部分铁素体则保留下来，随着温度升高，铁素体晶粒略有长大。冷却后，奥氏体转变为细小的铁素体和

15、珠光体；冷却后晶粒大小和分布不均匀，力学性能不均匀。45钢种接头热影响区组织和性能钢种接头热影响区组织和性能完全淬火区完全淬火区 加热温度超过Ac3，冷却得到淬火组织马氏体，靠近焊缝附近（相当于低碳钢过热区）是粗大的马氏体。硬度和强度提高，塑性和韧性下降。不完全淬火区不完全淬火区 加热到Ac1Ac3温度之间，铁素体很少溶解，而珠光体转变为奥氏体，快速冷却，奥氏体转变为马氏体，原铁素体保持不变。最后形成马氏体-铁素体组织，该区性能不均匀，塑性和韧性下降。热影响区峰值温度Tmax、焊接方法、焊接规范、接头型式和焊接冷却速度等焊接方法各区平均尺寸/mm总宽/mm粗晶区(过热区)细晶区(相变重结晶区)

16、部分相变区(不完全重结晶区)手工电弧焊2.33.01.52.52.23.06.08.5埋弧焊0.81.20.81.70.71.02.34.0电渣焊18205.07.02.03.02530 不同焊接方法热影响区的平均尺寸不同焊接方法热影响区的平均尺寸3.2改善焊缝改善焊缝手工电弧焊或埋弧自动焊接一般低碳钢结构时，热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行处理即可使用。重要钢结构，必须尽量消除或减轻热影响区带来的不利影响。碳素钢与低合金结构钢构件，一般采用焊后回火处理或正火处理，改善焊缝和焊接热影响区的组织，细化晶粒，降低焊接热影响区的脆硬程度，改善焊接接头性能。4、熔焊的冶金反应、熔焊的冶金反应焊接区

17、的气体与金属、熔渣气体与金属、熔渣之间能进行一系列的化学冶金反应,如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、合金化等。冶金反应直接影响到焊缝的成分、组织、性能及焊接工艺性能成分、组织、性能及焊接工艺性能等。焊接区的气体焊接区的气体:焊接材料、热源周围气体介质、焊丝和母材表面上的杂质。焊接温度 (5000K)下,氢和氧以原子状态存在。氮以分子态存在。CO2几乎完全分解为CO和O2。水蒸气的分解是比较复杂的,分解产物有H2、O2、OH、H及O等。焊接方法焊条和焊剂类型气相成分/%备注COCO2H2H2ON2手工电弧焊钛钙型钛铁矿型纤维素型钛型低氢型氧化铁型50.748.142.346.779.855.65.9

18、4.82.95.316.97.337.736.641.235.51.824.05.710.512.613.51.513.1焊条在110烘干2h自动埋弧焊HJ330HJ43186.289939.3794.51.5焊剂为玻璃状焊接碳钢时气相冷至室温的成分焊接碳钢时气相冷至室温的成分使用低氢型焊条进行手工电弧焊接时,气相中含H2和H2O很少。使用非低氢型焊条手工电弧焊时气相中含H2和H2O较多。埋弧焊时,气相中含CO2和H2O很少;总之,电弧区内的气体是由CO、CO2、H2O、N2、H2、O2、金属和熔渣的蒸气以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。其中对于焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2及H2O等。氢的溶解度随着温度的升高,氢的溶解度增加。 氢在面心立方晶格中的溶解度大