熔化焊接的特点及机理

1、熔化焊接的基本概念第一节 熔化焊接的特点熔化焊接（简称熔焊）是利用热能（如电能、化学能等）将两个分离的金属工件局部加热、熔化，藉原子或分子间的结合与扩散，紧密而牢固地连成一个整体的工艺过程。熔焊与冶炼钢铁基本相同，以熔化和结晶两个阶段实现其工艺过程，但从工艺特点看，却截然不同。焊接的工艺特点是：一、热源为移动的一、热源为移动的焊接时，热源（如电弧、气体火焰等）沿着接口按一定方向由一端向另一端做有规律的移动。由于热源移动的不稳定，焊接参数的多变性，增大了熔池的温度控制和焊缝质量的保证难度。二、热源温度高而集中二、热源温度高而集中热源在自身（如焊条直径）或外界因素的作用下，体积被压缩得很小，相应的

2、温度也很高。如气焊的火焰温度约3000K；电焊的弧柱温度约50008000K；钨极氩弧焊的弧柱温度则高达10000K以上。三、受热金属体积小三、受热金属体积小焊接时，热源只作用在整体金属工件的局部，受热面积很小，熔池的尺寸依焊材及热源的截面积确定，一般只有210立方厘米。四、熔凝时间短促四、熔凝时间短促施焊时，每一焊点的金属从加热熔化到冷却凝固的时间非常短促，通常以分或秒计。五、具有高的温度梯度五、具有高的温度梯度被焊金属工件上的某一点在热源的作用下熔化，距离热源越远，金属受热温度越低，这种温度差别叫温度梯度。温度梯度的大小与被焊工件的厚度、焊接线能量和金属导热系数有关，焊件越厚，线能量越大，

3、导热性越差，所形成的温度梯度也越大。六、化学反应不平衡六、化学反应不平衡焊接过程中，由于熔融金属的熔凝时间短，金属、气体和溶渣之间的化学反应尚未充分进行便已凝固，焊缝内部的气体、渣物来不及脱出，便以气孔、夹渣等缺陷形态残留在焊缝内。同时，某些化学元素也在尚未达到均匀分布的情况下固定下来，而形成偏析。七、化学成分和金相组织的变化七、化学成分和金相组织的变化溶池和焊材溶滴与周围空气接触，金属表面的油、锈、漆蒸发分解以及潮湿环境，均会将氧、氮、氢等有害气体残留在焊缝中，形成各类不同的缺陷。同时，金属中的化学成分在高温作用下，严重被烧损或发生迁移、扩散现象，造成化学成分的不均匀性。在热源作用下，金属的

4、金相组织也会发生变化，如典型的、粗大的铸造组织就是一例。由于金属的熔凝速度很快，对淬硬倾向大的焊件还易出现马氏体的淬火组织。八、基本金属的组织变化八、基本金属的组织变化靠近熔池未被溶化的基本金属会因受热而发生组织的转变，该部分称为热影响区。对碳素钢来说，这个区不可避免地存在着过热组织（如魏氏组织）。对合金钢来说，极易出现淬硬组织。由此可见，溶化焊接虽有一定优点，但因为上述工艺特点，给施焊过程带来了一系列的难度。为此，必须从设备、焊材及工艺技术等方面加以更新和改善，方能获得优良的焊接接头。第二节 焊接过程的机理不同热源和施焊方式、方法，经历的过程也有很大的差异，但它们的共同点都是经过加热熔化和冷

5、却凝固两个阶段而形成焊缝的。前一个阶段叫冶金过程，后一个阶段叫结晶过程， 这两个过程的总体就是焊接过程。步骤是：加热熔化冶金反应固态相变形成焊接接头。（见图21）TmTsTAcTOtwtlt，stnTo初始温度Tm最高加热温度Ts 金属凝溶温度TAc金属下临界相变点tw加热时间tl 冷却时间tn 液态金属停留时间图21 焊接过程示意图一、熔焊冶金过程一、熔焊冶金过程被焊金属局部在热源作用下熔化，进行一系列的物理变化和化学反应，这种现象称为焊接热过程。焊接热过程主要体现在溶化金属、气相和熔渣的冶金反应，这种反应直接影响焊缝金属的化学成分、组织和性能。因此，控制好冶金过程是提高焊接质量的重要环节。

6、1、金属与气相间的作用熔焊过程中，焊接区的熔化金属（焊条熔滴和熔池）经常受到周围大气中的氧、氮等的侵袭，同时也吸收来自焊条涂料、焊剂等产生的气体以及金属表面的铁锈、油脂、漆物等分解出来的气体，这些气体不断地与液态金属发生化学反应，自由排出，或以化合物形态浮于焊缝表面。来不及排出者便残留在焊缝内，形成程度不一的各种焊接缺陷。氧、氮、氢对焊缝质量极为有害，故重点叙述。（1）、氧的影响氧在高温作用下由分子氧分解成原子氧。原子氧的化学性能比分子氧更为活泼，使铁或其他元素形成氧化物，如氧融入铁中则形成氧化铁（Fe+OFeO）；与锰化合物形成氧化锰（Mn+O MnO）；与硅化合物形成二氧化硅（Si+2O

7、SiO2);与碳化合物形成一氧化碳(C+O CO)等。这些氧化物大部分都以焊渣或气体形态排出焊缝外，部分则以夹渣、气孔方式残留在焊缝中，同时一些有益的元素（如锰、硅等）因被氧化而损失掉，致使焊缝的性能大为降低，尤其是冲击韧性降低的更为明显。热态金属中存有过剩氧时，晶粒有长大的趋势。冷凝后，以四氧化三铁（Fe3O4）及三氧化二铁(Fe2O3)化合物形式，呈不规则分布的点状凝集物或沿晶粒边界以下不完整褐色的细网存在，对焊缝性能有很大的影响。（2）、氮的影响氮易溶解于铁中而形成稳定的化合物。氮在溶池中的溶解方式有原子氮形式（单一气体）、氧化氮形式和离子形式三种。在不同的条件下，有时以一种形式为主，有

8、时几种形式同时存在。原子氮在高温时化学性能非常活泼，与许多元素化合成氮化物，并在一定的温度下处于稳定状态。氮化锰（MnN）在1300下稳定；氮化硅（SiN）在1500下稳定，并残留在焊缝中形成缺陷。氮对金属的机械性能影响很大，氮含量增加，焊缝强度和硬度升高，塑性和韧性急骤下降，原因是溶池的骤冷，使一部分原子氮以过饱和的形式存在于固溶液体中，另一部分则以针状氮化物形式析出，分布在晶界和固溶体上，改变了焊缝的机械性能。另外，焊缝中过饱和的氮是处于不稳定的状态，随着时间的延长而被析出、长大，形成稳定的针状氮化物，使焊缝的塑性和韧性大为下降。（3）、氢的影响通常，氢与其它金属元素不起化合作用，但能与铁

9、、镍、铬、铜、钼等形成固溶体。氢在铁中的溶解度与温度和铁的同素异构体以及氢的压力有关。氢以原子或离子状态溶入铁中，温度越高，溶入的数量也越多。铁在同素异构转变时，氢的溶解度会发生突变。（见图22）-Fe(体）体）-Fe(面）-Fe(体）液体910o1390o0.00050.00100.00150.00200.002510001400TooC氢的溶解度图22 0.1MPa时氢在铁中的溶解度氢的溶解度与焊缝冷却速度有关，当焊缝金属的结晶速度大于氢从焊缝中逸出速度时，会形成氢气孔存在于焊缝中。过饱和氢所形成的局面压力可达1000MPa，还会使焊缝或熔合线处产生微裂纹。对淬硬倾向较大的合金钢，氢的扩散

10、可使焊缝产生冷裂纹。2、金属与溶渣间的作用焊接过程中，焊条药皮所形成的溶渣对熔融金属起到气体机械保护、稳定电弧燃烧、改善焊缝化学成分、掺入合金元素的作用。这些功能，主要在焊条药皮中含有一定量的、能防止或排除有害气体及杂质的有害气体及杂质的有益成分（如锰铁、硅铁、钛铁、铝铁以及石墨等），这些成分在冶金过程中，不但具有强的脱除氧、氮等有害气体的能力，而且对硫、磷等的亲和力也很强，形成各种化合物由焊缝内脱出。同时，这些成分还补充了被烧损或冶金过程以渣形式排出的损失量，而不降低焊缝的性能。二、焊缝的结晶过程二、焊缝的结晶过程熔池温度随着热源的远离逐渐冷却、凝固而成焊缝。这种由液态金属转变成固态金属的过

11、程就是金属的结晶过程。液态金属在冷却过程中，凝结成本身所具有的晶体结构，这个过程就叫结晶。我们知道，一切物质都是由原子组成，而物质内部的原子按一定的规则排列成一种格体，每一单位格体叫晶格（立体的），无数晶格的堆集而成晶粒，晶粒之间的分界线叫晶界，无数晶粒的合成就是晶体，金属就是结晶体。金属的晶体结构形式约20余种，常见的有面心晶格、体心晶格和六方晶格等三种。它们的形态已在金属材料学中介绍，故不再阐述。熔焊时，固态金属在热源的作用下，将规则排列的晶格结构破坏，而形成液体（这时，金属原子处于自由而紊乱状态）。冷却时，又逐渐恢复原有的晶体结构，这就是金属的结晶过程。而晶体结构的恢复，是通过两次结晶过

12、程完成的。1、一次结晶过程金属从液态金属转变成固态金属时的结晶过程叫一次结晶过程。开始结晶时，并非突变，是通过产生晶核（结晶中心）和晶核长大两个过程进行的。晶核的生成和长大是随冷却速度快慢而定，冷却速度越快，生成的晶核就越多，晶体长大的速度也越慢，形成的晶粒尺寸（晶粒度）就越小。熔融金属冷却结晶，由熔池与焊件未熔化的交界面（即融合线）处开始，大的温差使晶核集此生成和长大。晶体长大的方向是沿垂直于熔合线向熔池中心发展长大（或按散热相反的方向长大，见图23），直至各个晶体相互接触，液态金属消失，一次结晶过程方才结束。这时焊缝温度为1480左右（系指20号钢），金相组织为柱状晶粒。熔合线两侧狭窄部分称为晶内结晶区，是被焊金属与焊缝间形成的共同晶体区。若熔池较大，冷却速度较慢，使焊缝中心的液态金属凝固拖慢，形成的晶粒为不规则的等轴晶粒（见图24）