焊工(中級(jí))國(guó)家職業(yè)資格培訓(xùn)教材第9章

1、國(guó)家職業(yè)資格培訓(xùn)教材 國(guó)家職業(yè)資格培訓(xùn)教材編審委員會(huì) 編 吳全生 主編 依據(jù)依據(jù)勞動(dòng)和社會(huì)保障部勞動(dòng)和社會(huì)保障部 制定的制定的國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求編寫要求編寫 了解焊接接頭形成的過程、焊接熱循環(huán) 的特點(diǎn)、焊縫熔池一次結(jié)晶組織和二次結(jié)晶 組織的性能，從而盡力控制焊縫金屬有害元 素的來源。 第九章 焊 接 接 頭 目目 錄錄 一、焊接接頭的組成 二、焊接接頭的形式 一、焊接熱循環(huán)的主要特點(diǎn) 二、影響焊接熱循環(huán)的因素 一、焊縫熔池的一次結(jié)晶 二、焊縫金屬的二次結(jié) 三、焊接熱影響區(qū)的組織與性能 第九章 焊 接 接 頭 目目 錄錄 一、選擇合適的焊接工藝方法 二、選擇合適的焊接參數(shù) 三、選擇合適

2、的焊接熱輸入 四、選擇合理的焊接操作方法 五、正確選擇焊接材料 六、正確選擇焊后熱處理方法 七、控制熔合比 一、焊縫金屬中的氧 二、焊縫金屬中的氫 第九章 焊 接 接 頭 目目 錄錄 三、焊縫金屬中的氮 四、焊縫金屬中的硫 五、焊縫金屬中的磷 第九章 焊 接 接 頭 用焊接方法連接的接頭稱為焊接接頭。 焊接方法應(yīng)用最廣泛的能源是使焊接材料和母材熔化的電能源。 熔焊焊接接頭是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的焊件或零件用熔焊焊接方 法連接的接頭，它由焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)組成。熔焊焊接 接頭組成見圖9-1。 圖9-1 熔焊焊接接頭組成 a)對(duì)接接頭 b)搭接接頭 c)角接接頭 1焊縫金屬 2熔合區(qū) 3熱影響

3、 區(qū) 4母材 第九章 焊 接 接 頭 焊縫金屬：是指焊件在焊接熱源的作用下，由母材和焊材熔化 后組成，也可以不添加焊材全部由熔化的母材組成，其組織和化學(xué) 成分、力學(xué)性能都不同于母材。 熔合區(qū)：它剛好是焊接接頭在焊接熱源作用下，被加熱至熔 點(diǎn)與凝固溫度區(qū)間的部分， 是焊縫金屬向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域，在焊接熱循環(huán)的影響下，金屬 組織和力學(xué)性 能都發(fā)生很大變化。 母材與焊縫交界的地方并不是一條線，而是一個(gè)狹窄區(qū)，這就 是熔合區(qū)。 熔合區(qū)是焊接接頭的薄弱地帶，晶粒非常粗大，冷卻后的組織 是粗大過熱組織，塑性和韌性很差。此外，這個(gè)地區(qū)還存在著嚴(yán)重 的化學(xué)不均勻性、物理不均勻性，是熔合區(qū)性能下降的另一個(gè)主要

4、 原因。 熱影響區(qū)：母材在焊接過程中因受加熱的影響（但是沒有熔 化），而發(fā)生的金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。 第九章 焊 接 接 頭 1.對(duì)接接頭 2.搭接接頭 3.角接接頭 4. T形接頭 5.端接接頭 對(duì)接接頭是指兩件表面構(gòu)成 大于或等于135，小于或等于 180夾角的接頭。 搭接接頭是指兩件部分重疊 構(gòu)成的接頭。 T形接頭是指一件之端面與 另一件表面構(gòu)成直角或近似直角 的接頭。 端接接頭是指兩件重疊放 置或兩件表面之間的夾角不大 于30構(gòu)成的端部接頭。 角接接頭是指兩件端部構(gòu)成 大于30、小于135夾角的接 頭。 第九章 焊 接 接 頭 反映焊件上的某一點(diǎn)，在焊接熱源的作用下，其溫度隨著

5、時(shí) 間的變化由低到高，再由高到低的過程稱為焊接熱循環(huán)。焊接熱循 環(huán)的主要參數(shù)是加熱速度、加熱最高溫度、相變溫度以上的停留時(shí) 間和冷卻速度。焊接熱循環(huán)的特征： 1）雖然焊接過程加熱溫度高，加熱速度和冷卻速度都大，但 是，加熱速度比冷卻速度更大。 2）焊件各點(diǎn)的熱循環(huán)不同。越靠近焊縫中心位置，峰值溫度 越高，加熱速度和冷卻速度也越大，反之亦然。焊接接頭熱循環(huán)見 圖9-4。 （1）焊接熱輸入（2）焊接方法（3）焊前預(yù)熱 （4）層間溫度（5）其他因素 1）焊件厚度影響。 2）接頭形式的影響。 3）熱導(dǎo)率的影響。 第九章 焊 接 接 頭 圖9-4 焊接接頭熱循環(huán)圖 第九章 焊 接 接 頭 1.焊縫熔池一

6、次結(jié)晶的特點(diǎn) （1）焊縫熔池體積小，冷卻速度快 （2）焊縫熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài) （3）焊縫熔池金屬是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶 2.焊縫熔池一次結(jié)晶組織的特征 從熔合線未完全熔化的晶粒上開始，沿著垂直熔合線的方向， 向與散熱方向相反的方向長(zhǎng)大，形成柱狀晶。焊縫熔池一次結(jié)晶示 意圖見圖9-5。 圖9-5 焊縫熔池一次結(jié)晶示意圖 a)焊縫窄而深 b)焊縫寬而淺 第九章 焊 接 接 頭 3.焊縫熔池一次結(jié)晶的組織性能 焊縫熔池金屬由液態(tài)凝固后所得到的組織是一次組織。 粗大的柱狀晶不但降低焊縫的強(qiáng)度，而且還降低焊縫的韌性， 對(duì)高溫合金和高溫不銹鋼等材料的影響就更為嚴(yán)重。 焊縫的一次結(jié)晶形態(tài)還對(duì)產(chǎn)生裂紋、

7、氣孔、夾渣、腐蝕等都有 很大的影響。 4.焊縫中的偏析 焊縫中的偏析可分為顯微偏析、區(qū)域偏析和層狀偏析三種。 （1）顯微偏析 焊縫熔池在結(jié)晶過程中，先結(jié)晶的固相比較純，后結(jié)晶的固相 含合金元素和雜質(zhì)略高，最后結(jié)晶的固相含合金元素和雜質(zhì)最高。 （2）區(qū)域偏析 第九章 焊 接 接 頭 焊接過程中，焊縫熔池在結(jié)晶時(shí)隨著電弧向前移動(dòng)，熔池中的 柱狀晶也在不斷地推移和長(zhǎng)大，此時(shí)會(huì)把未凝固的合金成分和雜質(zhì) 推向焊縫熔池中心，使中心的雜質(zhì)濃度逐漸升高，形成區(qū)域偏析。 （3）層狀偏析 在焊縫斷面上，不同分層的化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象稱為層 狀偏析。 1.焊縫金屬的二次結(jié)晶組織 隨著高溫的焊縫金屬被逐漸冷卻到室

8、溫，焊縫金屬組織將進(jìn) 一步發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種組織變化的過程被稱為焊縫金屬的二次結(jié)晶。 （1）低碳鋼的焊縫組織 低碳鋼焊縫組織含碳量較低，一次結(jié)晶得到的組織是奧氏體， 當(dāng)冷卻到相變溫度時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體，冷卻速度越 第九章 焊 接 接 頭 （2）低合金鋼焊縫組織 快，珠光體組織的數(shù)量就越多、鐵素體組織就越少。如冷卻速度過 慢，高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)，則鐵素體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w組織。 1）鐵素體轉(zhuǎn)變：焊縫中鐵素體的類型主要有：粒狀鐵素體、 側(cè)板條鐵素體、針狀鐵素體和細(xì)晶鐵素體等四種。這四種類型的鐵 素體形態(tài)是低合金鋼焊縫中的主要組成。 2）珠光體轉(zhuǎn)變：很少能得到珠光體組織，除非在緩慢的冷卻 條件下（

9、預(yù)熱、緩冷等），才有少量的珠光體轉(zhuǎn)變。 3）貝氏體轉(zhuǎn)變：主要有上貝氏體、下貝氏體以及粒狀貝氏體 等。 4）馬氏體轉(zhuǎn)變：根據(jù)含碳量的不同，可以形成不同形態(tài)的馬 氏體，主要有板條馬氏體、片狀馬氏體等。 第九章 焊 接 接 頭 表9-3 主要合金元素對(duì)焊縫金屬二次結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變的影響 主要合金元素對(duì)焊縫金屬二次結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變的影響見表9-3。 第九章 焊 接 接 頭 2.焊縫金屬二次結(jié)晶組織的性能 1）從塑性、韌性看。 2）從抗裂性能看。 3）焊縫金屬的二次結(jié)晶組織越均勻、越細(xì)，與粗大而不 均勻的焊縫金屬二次結(jié)晶組織相比，其力學(xué)性能就越好。 1.不易淬火鋼熱影響區(qū)組織 低碳鋼及某些低合金鋼，如Q345和

10、Q390等，其熱影響區(qū)可分 為三個(gè)區(qū)域： （1）過熱區(qū) 該區(qū)的溫度范圍在12501100，低碳鋼的過熱組織為粗大 的魏氏體組織。 第九章 焊 接 接 頭 （2）相變重結(jié)晶區(qū) 母材被加熱至Ac3以上的部位，將發(fā)生鐵素體和珠光體全部 轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的轉(zhuǎn)變，即相變重結(jié)晶，經(jīng)過在空氣中冷卻，就會(huì) 得到均勻細(xì)小的珠光體和鐵素體，相當(dāng)于正火組織。此區(qū)的塑性 和韌性都比較好，該區(qū)的溫度范圍在1100900。 （3）不完全重結(jié)晶區(qū) 焊接過程中，熱影響區(qū)處于Ac1Ac3之間范圍內(nèi)，就屬于不 完全重結(jié)晶區(qū)。 2.易淬火鋼熱影響區(qū)組織 （1）完全淬火區(qū) 焊接過程中，母材金屬被加熱的溫度超過Ac3以上時(shí)，由于被 焊母材

11、金屬淬硬傾向較大，所以，焊縫冷卻后得到的是淬火組織 （馬氏體）。 第九章 焊 接 接 頭 （2）不完全淬火區(qū) 焊接過程中，被母材金屬在Ac1Ac3之間的溫度加熱時(shí)，這 個(gè)區(qū)域內(nèi)的珠光體、貝氏體等組織將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，并在隨后 的快速冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，而鐵素體組織此時(shí)并不發(fā)生 變化，只是程度不同地在長(zhǎng)大。該區(qū)最后形成的組織是細(xì)小馬氏體 -粗大鐵素體共存的組織，所以稱為不完全淬火區(qū)。 （3）回火區(qū) 被焊金屬如果在焊前處于淬火狀態(tài)，則在溫度低于Ac1的區(qū)域 內(nèi)，還會(huì)發(fā)生不同程度的回火處理，稱為回火區(qū)。 3.焊接熱影響區(qū)的性能 （1）熱影響區(qū)的硬度變化 硬度值350HVmax時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生裂

12、紋。Q345（16Mn）鋼單 道焊接熱影響區(qū)的硬度分布如圖9-6所示。 第九章 焊 接 接 頭 圖9-6 Q345鋼單道焊接熱影響區(qū)的硬度分布 第九章 焊 接 接 頭 （2）熱影響區(qū)的強(qiáng)度和塑性變化 圖9-7 熱影響區(qū)的強(qiáng)度和塑性變化 熱影響區(qū)的強(qiáng)度和塑性變化情 況如圖9-7所示。 （3）熱影響區(qū)的韌性變化 圖9-8 熱影響區(qū)沖擊韌度的變化 熱影響區(qū)沖擊韌度的變 化如圖9-8所示。 第九章 焊 接 接 頭 第九章 焊 接 接 頭 1.氧的來源 主要是來源于焊接材料中的水分、焊件周圍的水分、焊件和焊 絲表面上的鐵銹、氧化膜等。氧在焊縫金屬中的存在形式主要是 FeO。 2.氧對(duì)焊縫的影響 隨著焊縫

13、中的含氧量增加，不僅焊縫的強(qiáng)度、塑性、韌性（尤 其是低溫沖擊韌性）明顯下降，而且還會(huì)引起紅脆、冷脆和時(shí)效硬 化。焊縫中的氧可以使導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性和抗腐蝕性能等降低。焊接 過程中，氧燒損鋼中的有益合金元素，使焊縫的性能變壞。 3.控制氧的措施 （1）純化焊接材料 （2）正確選擇焊接參數(shù) （3）脫氧反應(yīng) 第九章 焊 接 接 頭 1.氫的來源 氫主要來源于焊接材料中的水分、含氫物質(zhì)、電弧周圍空氣 中的水蒸氣、焊絲和被焊金屬表面上的鐵銹、油污等雜質(zhì)。 2.氫對(duì)焊縫的影響 （1）氫脆 氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象稱為氫脆。 （2）白點(diǎn) 碳鋼或低合金鋼焊縫中，如果含氫量較高，則常常在其拉伸 或彎曲試

14、件的斷面上，出現(xiàn)銀白色的圓形局部脆斷點(diǎn)，稱為白點(diǎn)。 （3）氣孔 當(dāng)氣泡向外逸出速度小于液態(tài)金屬結(jié)晶速度時(shí)，氣泡就留在焊 縫中形成氣孔。 第九章 焊 接 接 頭 （4）冷裂紋 焊接接頭冷卻到較低的溫度下產(chǎn)生的一種裂紋。有的冷裂紋 在焊后要推遲很長(zhǎng)的時(shí)間才產(chǎn)生，這種裂紋被稱為延遲裂紋。 延遲裂紋主要有三種形態(tài)： 1）焊趾裂紋 2）焊道下裂紋 3）根部裂紋 3.控制氫的措施 （1）嚴(yán)格限制焊接材料的含氫量 （2）清除焊件和焊絲表面的雜質(zhì) （3）進(jìn)行冶金處理 1.氮的來源 電弧周圍空氣中的氣相氮，是焊接區(qū)氮?dú)獾闹饕獊碓础?第九章 焊 接 接 頭 2.氮對(duì)焊縫的影響 在碳鋼焊縫中，氮是有害的雜質(zhì)，它是促

15、使焊縫產(chǎn)生氣孔的主 要原因之一。氮是提高低碳鋼和低合金鋼焊縫金屬強(qiáng)度、降低塑性 和韌性的元素，尤其是使低溫韌性急劇下降。氮還是促使焊縫金屬 時(shí)效硬化的元素。 3.控制氮的措施 （1）焊接區(qū)的保護(hù)影響 （2）焊接參數(shù)的影響 （3）合金元素的影響 1.硫的來源 2.硫?qū)缚p的影響 （1）來自母材 （2）來自焊絲 （3）來自藥皮或焊劑 第九章 焊 接 接 頭 焊接過程中，硫以FeS的形式生成低熔點(diǎn)共晶，F(xiàn)e+FeS（熔 點(diǎn)為985）或FeS+FeO（熔點(diǎn)為940）呈片狀或鏈狀分布在晶 界上，不僅增加了焊縫結(jié)晶裂紋的傾向，而且還降低了焊縫的沖擊 韌度和耐腐蝕性。 3.控制硫的措施 （1）嚴(yán)格限制焊接材

16、料中的硫含量 （2）用冶金方法進(jìn)行脫硫 1.磷的來源 焊縫金屬中的磷主要來自母材、藥皮、填充金屬和焊劑，而藥 皮和焊劑中的錳礦是導(dǎo)致焊縫增磷的主要來源。 第九章 焊 接 接 頭 2.磷對(duì)焊縫的影響 磷與鐵或鎳可以生成低熔點(diǎn)共晶，如Fe3P+Fe(熔點(diǎn)1050)， Ni3+Ni(熔點(diǎn)880)，在熔池快速結(jié)晶時(shí)，磷容易發(fā)生偏析，磷化物 常分布在晶界，從而減弱晶粒與晶粒之間的結(jié)合力，降低沖擊韌度， 使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。 3.控制磷的措施 1）嚴(yán)格限制焊接材料中（母材、藥皮、填充金屬和焊劑）的 磷含量。 2）采用脫磷的方法 1.焊接接頭所涉及的能源形式有哪幾種？ 2.簡(jiǎn)述焊接熱循環(huán)的主要特點(diǎn)。 3.影響焊接熱循環(huán)的因素有哪些？ 4.簡(jiǎn)述焊縫熔池一次結(jié)晶的特點(diǎn)。 5.焊縫中的偏析有哪幾種？ 6