金属成型6.焊接缺欠及控制.ppt

1、6 焊接缺欠及控制,材料成形原理（焊接部分）,6.1 焊缝中的化学成分不均匀性,什么叫偏析 为什么会出现偏析 偏析的危害 偏析的分类,焊缝金属非平衡凝固导致焊缝金属的化学成分不均匀性，即出现所谓的偏析现象,偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散不充分引起的,偏析对焊接接头的力学性能、抗裂性能及耐腐蚀性能等有程度不同的损害,宏观偏析、显微偏析、熔合区偏析,偏析现象,一、显微偏析,显微偏析是指放大的微观组织中晶内与晶界间及晶界间的化学成分不均匀。显微偏析又称微观偏或晶间偏析，也称晶界偏析。 对于分配系数Ko1的合金溶质元素 先结晶的固相含溶质的浓度较低 后结晶的固相含溶质的浓度较高，并集合

2、了较多的 杂质。 焊接时冷却速度快，固相内的成分来不及扩散，焊后在相当大的程度上保持着成分不均匀性。 发生在柱状晶晶内以及柱状晶晶界 常见于液相线与固相线温度区间较宽的钢或合金焊缝中,一、显微偏析,当焊缝结晶以胞状成长时（如图a） 先结晶的胞状晶中心含溶质浓度最低 相邻胞状晶的接界处溶质浓度最高 当固相以树枝状成长时（如图b） 先结晶的树干含溶质浓度最低 后结晶的树枝中溶质浓度略高 最后结晶的部分（即相邻树枝晶之间）溶质浓度最高 合金元素交互作用往往促进偏析。S、P、C是最容易偏析的元素，焊接过程中要严加控制 晶粒尺寸对显微偏析也有影响，较细的晶粒由于晶界面积增大，偏析分散，偏析程度减弱。,区

3、域偏析和层状偏析 1、区域偏析 区域偏析熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移把杂质推向熔池中心，使熔池中心的杂质比其他部位多，这种现象称为区域偏析。,二、宏观偏析,对于窄而深的焊缝（如图a），各柱状晶的交界在焊缝中心，这时极易形成热裂纹。 对于宽而浅的焊缝（如图 b），杂质聚集在焊缝的上部，这种焊缝具有较强的抗热裂纹能力。 因此，可利用这一特点来降低焊缝产生热裂纹的可能。如同样厚度钢板，用多层多道焊比一次深熔焊产生热裂纹的倾向小得多。,2、层状偏析 层状偏析焊缝金属截面经浸蚀，可看到颜色深浅不同的分层结构。这些颜色不同的分层是由化学成份不均匀引起的，因此称为层状偏析。,二、宏观偏析,层状偏

4、析对焊缝质量的影响： 层状偏析会使焊缝金属力学性能不均匀，抗腐蚀性能不一致， 有时还会沿层状线产生裂纹或气孔等缺陷。 右图所示是由于层状偏析所造成的气孔。,二、宏观偏析,层状偏析特征： 每一结晶层大致分为三个特征区 初始区是溶质富集区，溶质浓度高于平均浓度。在浸蚀后，呈现出最暗黑色。 中间区为平均浓度区。在此区中溶质成分比较均匀，这一区较宽，浸蚀后颜色较暗。 结尾区为溶质贫化区，在此区中溶质浓度低于平均浓度，浸蚀后呈现浅淡颜色。结尾区也较宽且与下一结晶层的初始区相衔接,层状偏析产生原因： 这种偏析是由于晶粒成长速度发生周期性变化而引起的 结晶潜热和熔滴过渡时热输入周期性变化引起冷却速度的周期性

5、变化 熔池结晶时，结晶前沿液态金属中溶质浓度高，当冷速慢时，溶质通过扩散均匀化以减少偏析 当冷速快时，含溶质高的液态来不及“均匀化”就已凝固，从而形成含溶质或杂质高的结晶层,二、宏观偏析,三、熔合区偏析,1、熔合区的形成 熔合线焊接接头横断面宏观腐蚀所显示的焊缝轮廓线，或焊缝金属与母材的分界线。称为熔合线。 熔合区焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域称为熔合区。,多晶体受热熔化的特点是在一个温度范围内进行的，这个温度范围就是液相线和固相线之间的垂直距离。 处于这两个等温面之间的晶粒，由于各向异性，晶粒的导热方向彼此不同，有的熔化快，有的熔化慢，这样，固-液相界面就是一个起伏不平的椭球面 所以，

6、母材与焊缝的交界处并不是一条线而是一个区，即熔合区。,2、熔化区宽度 熔合区的宽度决定于母材液-固相线之间的温度区间、被焊材料的热物理性能和组织状态，可按下式估算：,三、熔合区偏析,式中：A熔合区的宽度（mm） G温度梯度(/mm) TL被焊金属的液相线() TS被焊金属的固相线(),一般电弧焊条件下： 碳钢、低合金钢的熔合区的宽度约为0.1330.50mm； 奥氏体钢的熔合区宽度约为0.060.12mm。,3、熔合区的成分分布 熔合区中存在强烈的元素扩散转移现象的原因： 1）熔池液态金属的成分与母材不一致 2）溶质在固相金属中的溶解度低于在液相金属中的溶解度 由于这两方面的原因，在熔合区中，

7、既发生母材中元素向焊缝中的扩散、溶解过程，也发生液态金属中的元素向母材晶粒中的扩散过程。 凝固后，元素将发生相反的扩散，若来不及均匀化，就会形成了一个化学成分很不均匀的过渡区。 在碳钢焊接时，S、P、C、B、O、N等强偏析元素的不均匀分布尤其明显。,三、熔合区偏析,用放射性同位素S35测定的熔合区硫的分布,三、熔合区偏析,低碳钢与奥氏体焊缝(Cr23Ni13)熔合区元素的分布(质量分数E=23.94kJ/cm),6.2 焊缝中的气孔和夹杂,一 、气孔的类型,1、气孔的类型及其分布特征 1）按气孔的形状分 球形气孔、条形气孔、虫形气孔等 2）按气孔的聚集形态分 均布气孔、局部密集气孔、链状气孔等

8、 3）按表面现象来分 表面气孔、焊缝内部气孔 4）按产生气孔的气体种类分 氢气孔、氮气孔、CO气孔等。 5）按产生气孔的气体来源分 析出型气孔：因气体在液、固金属中的溶解度差造成过饱和状态的气体析出所形成的气孔，如H2、N2等。 反应型气孔：熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金属的气体而生成的气孔，如CO、H2O等。,2、氢气孔 原因：氢在高温熔池和熔滴的溶解度很高，若在液体金属中吸收了大量氢气。冷却时氢在金属中的溶解度急剧下降（如铁中，溶解度从32ml/100g到10ml/100g ），因熔池冷却快，氢来不及逸出，就在焊缝中生成气孔。,位置： 焊接低碳钢和低合金钢时，在大多数情况下，气孔出现在

9、焊缝的表面； 含氢量过高或焊铝、镁合金时，气孔常出现在焊缝的内部。 形状： 断面如同螺钉状，从焊缝表面看呈喇叭口形。,氢气孔的特征,一 、气孔的类型,3、氮气孔 原因： 形成机理同氢气孔相似。在焊接生产中引起的氮气孔较少，主要原因是保护不好，较多空气侵入熔池所致。 位置： 对低碳钢和低合金钢焊接而言，气孔也多在焊缝表面。 形状： 多数情况下成堆出现，与蜂窝相似。,一 、气孔的类型,4、CO气孔 原因： 在焊接碳钢时，当液态金属中的碳含量较高而脱氧不足时会通过冶金反应生成CO。 如： C + O = CO FeO + C = CO + Fe MnO + C = CO + Mn CO不溶于金属，高

10、温时生成的CO会以气泡的形式从液态金属中高速逸出形成飞溅，而不形成气孔。但在熔池结晶时，由于浓度偏析，可使熔池中某些地方 FeO、C浓度偏高，有利于以下反应： FeO + C CO + Fe 结晶时熔池粘度不断增大，上述反应又为吸热反应，促使凝固加快，CO气泡来不及逸出形成气孔。,一 、气孔的类型,形状： 由于CO形成的气泡是在结晶面上产生的，因此形成了沿结晶方向条虫状的内气孔。,一 、气孔的类型,二、气孔形成机理,气孔的形成包括三个过程：即气泡的生核、长大和上浮 1、气泡的生核 两个条件： 液态金属中有过饱和的气体 有生核所需的能量消耗,单位时间形成气泡核的数目：,正常条件下纯金属的n值非常

11、小：,极纯液态金属中形成气泡核的可能性极小,二、气孔形成机理,在焊接熔池中有现成表面存在的条件下形成气泡核所需能量：,在焊接熔池中存在大量的现成表面，如分布不均匀的溶质质点，熔渣与液态金属的接触表面，特别是熔池成长的树枝状晶粒，使气泡核的生成比较容易。,由式可知： 气泡依附在现成表面时，由于降低和提高了Fa/F的比值，故使能量Ep减少 树枝状晶相邻的凹陷处和母材金属尚未熔化晶粒的界面Fa/F的比值最大，因此，在这些部位最易产生气泡 角越大，形成气泡核所需的能量越小,2、气泡长大 气泡长大的条件： 式中：PG气泡内部压力， PG=PN2+PH2+PCO+PCO2+ 各气体分压总和； P0阻碍气泡

12、长大的外界压力， P0 Pa + Pc Pa大气压力； Pc由表面张力构成的附加压力， Pc=2/r; 金属与气体间的表面张力（J/cm2）； r气泡半径（cm）。 如：当r10-4cm时，Pc20大气压。 自发生核的气泡，体积小、r小， Pc大，很难长大。 熔池现成表面上生核的气泡，气泡不成圆形，r较大，使Pc大大减小。 同时形核的现成表面对气体有吸附作用，使局部的气体浓度大大提高，缩短了气泡长大所需的时间，所以比较容易长大。,二、气孔形成机理,3、气泡上浮 1）脱离表面 气泡脱离现成表面的能力与有关： 式中：1.g 固、气间的表面张力 1.2 固、液间的表面张力 2.g 液、固间的表面张力

13、 当90时，气泡上升中有缩颈，脱离后有残余。,二、气孔形成机理,2）气泡上浮 气泡浮出速度估算公式： 式中： v 气泡浮出速度； 1液态金属的密度； 2气体的密度； g 重力加速度； r 气泡的半径； 液态金属的粘度； 3）影响气孔生成的因素 有利于气泡逸出越不易形成气孔。 v（上浮速度），越不易形成气孔。 结晶速度越小，越不易形成气孔。,气孔的形成示意图 a)小结晶速度 b)大结晶速度,二、气孔形成机理,L型气孔是焊缝金属为液态时因气体溶解度变化而生成的气孔。 S型气孔是焊缝金属临近熔点因气体富集而引起的气孔。,1、冶金因素的影响,三、影响生成气孔的因素,1）渣的氧化性的影响,熔渣的氧化性C

14、O引起气孔的倾向 熔渣的氧化性氢气孔的倾向（H+OOH的反应减弱）,使用酸性焊条时，CO = 31.3610-4%,未出现CO气孔。 使用碱性焊条时，CO = 27.3010-4%,出现CO气孔。,碱性焊条对CO气孔与氢气孔都更为敏感。 因此，在碱性焊条焊接时，需要更严格地控制气体的来源。,2）药皮和焊剂的影响 碱性焊条中的萤石( CaF2)，与氢发生反应，产生大量的HF，是一种稳定的气体化合物（当6000k时，分解30%），可有效地降低氢气孔的倾向。 CaF2 + H2O = Ca + 2HF CaF2 + H = CaF + HF CaF2 + 2H = Ca + 2HF 低碳钢、低合金钢

15、埋弧焊用的焊剂中CaF2、SiO2并存可降低氢气孔的倾向。 2CaF2 + 3SiO2 = SiF4 + 2CaSiO2 SiF4 + 2H2O = 4HF + SiO2 SiF4 + 3H = 3HF + SiF SiF4 + 4H + O = 4HF + SiO 药皮、焊剂中适当增加氧化物组分如SiO2、MnO、FeO对消除氢气孔有效。反应生成的OH稳定性仅次于HF，不溶于液态金属。 FeO + H = Fe + OH MnO + H =Mn + OH SiO2 + H = SiO + OH,三、影响生成气孔的因素,3）铁锈及水分的影响 影响较大的是铁锈、油类和水分等杂质，尤其铁锈的影响特

16、别严重。 铁锈中含有大量的Fe2O3和结晶水，加热时，其反应为： 3Fe2O3 = 2Fe3O4 + O 2Fe3O4 + H2O = 3Fe2O3 + H2 Fe + H2O = FeO + H2 由此可知，铁锈一方面增加氧化性，使CO气孔倾向增加；另一方面其结晶水分解出氢气，使氢气孔倾向增加。 氧化铁皮（ 主要是Fe3O4 ），使CO气孔的倾向增加； 焊条受潮或烘干不足，会增加氢气孔倾向。 碱性焊条烘干温度为350450； 酸性焊条烘干温度为200 左右。,三、影响生成气孔的因素,4）保护气体的影响 钢材焊接时保护气体：CO、CO2+Ar混合气。 有色金属焊接时保护气体：Ar、He、Ar+

17、 O2 ，Ar+CO2 活性气体可以促使降低氢的分压、限制溶氢； 降低液态金属的表面张力，增大其活性，有利于气体的排除。 5）焊丝成分的影响 焊丝与焊剂或保护气体不同组合会有不同的冶金反应。在许多情况下，希望形成充分脱氧的条件，以抑制反应性气体的生成。 采用MAG焊焊接钢时，气氛中的CO2在电弧作用下会发生分解反应，有强烈的氧化性。若焊丝中没有足够的脱氧元素，则必然发生铁的氧化： 2CO2 CO+O2 Fe+CO2CO+FeO 熔滴金属与熔池金属中由于增加了FeO，创造了形成CO气孔的条件。,三、影响生成气孔的因素,2、工艺因素的影响 1）焊接工艺参数 电流增加，熔池存在时间增加，有利于气体逸

18、出；但由于熔滴变细，吸收气体较多，又增加了气孔倾向； 手弧焊时，电压太高，空气侵入，氮气孔倾向增加； 焊接速度太快，结晶快，气体易残留在焊缝中。 2）电流种类和极性 交流比直流的气孔倾向大； 直流反接（溶滴为阳极）比正接（溶滴为阴极）倾向小。 3）工艺造作方面的影响 焊前应仔细清除工件、焊丝表面的污绣，特别时油污。 焊条要严格烘干，烘干后不能放置实际过长，放入保温筒内，随用随取。 焊接时规范要保持稳定，低氢焊条要尽量采用短弧焊，配合摆动，以利于气体逸出。,三、影响生成气孔的因素,影响气孔形成的诸多因素，在焊接中可以来取如下措施来防止气孔的产生。 1、消除气体来源 1）加强焊接区保护。焊接过程中不能破坏正常的防护条件。如药皮不得脱落；焊剂或保护气体不能中断送给；气体保护焊时，必须防风，气体的成分也必须控制。 2）对焊接材料进行防潮与烘干。焊条与焊剂必须防潮，使用前进行烘于并应放在专用烘箱或保温筒中保管，做到随用随取。 3）采取适当的表面清理方法。清除工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈及油污等。对于铁锈一般采用机械清理方法，对于有色金属的氧化膜常采用化学清洗与机械清理并用的方法。 2、正确选用焊接材料 1）适当调整熔渣的氧化性。如为减小CO气孔的倾向，可适当降低熔渣的氧化性；而为减小氢气孔的倾向，可适当增加熔渣的氧化性。 2）焊接有色金属时，在Ar中添加氧化性气体C