焊接冶金基礎講義

1、Advanced Materials Research Center焊接冶金基礎王萌 山東電力高等專科學校材料科學與工程系第一頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center焊接技術應用電力、石油化工、航天航空、海洋工程、核動力工程等工業(yè)部門 第二頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 焊接的本質被焊材質，通過加熱或加壓或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質達到原子間的結合而形成永久性連接的工藝過程。原子之間的作用力與距離的關系第三頁，共四十頁。Advanced Materials Research Cent

2、er如何實現(xiàn)焊接?加熱、加壓 或 加熱加壓能量:熱能、機械能第四頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center電弧焊焊條電弧焊 第五頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center埋弧焊 第六頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center鎢極氬弧焊第七頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center熔化極氣體保護焊（CO2、MIG或MAG）第八頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center焊接冶金基礎電弧焊過程加熱熔化冶

3、金反應凝固結晶焊縫固態(tài)相變形成接頭第九頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center焊接熔池的形成 定義： 熔化焊時，焊接電弧作為熱源，對焊接材料和焊件進行加熱，在焊接熱源的作用下，焊件上所形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分熔池。 組成： 熔池由熔化的焊接材料和局部熔化的母材（焊件）金屬組成。 形狀： 近似呈半橢球狀第十頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center焊接熔池的溫度分布 溫度分布： 熔池溫度分布非常不均勻，在熔池前部在電弧熱的作用下，母材不斷地熔化，溫度較高；在熔池得尾部，熔池金屬不斷地凝固，溫度逐漸降低。

4、第十一頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center焊接化學冶金 氣相與焊縫金屬的作用： 1、氣體的來源 焊接時焊接區(qū)內充滿了大量氣體。這些氣體主要來自焊接材料、焊接熱源周圍的氣體（空氣等），也可能來自焊絲表面上的雜質（如油污、鐵銹、吸附的水分等）。2、氣體的種類 電弧區(qū)內的氣體主要有CO、CO2、H2O、O2、H2、N2以及由這些氣體分解的產物及金屬和熔渣的蒸氣組成。第十二頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center焊接化學冶金 N2與焊縫金屬的作用： 氮主要來自大氣。盡管焊接時采取了各種保護措施，但周圍空氣中的氮總或

5、多或少地侵入焊接區(qū)。根據氮與金屬的作用可將金屬分為兩類： （1）不與N2發(fā)生作用的金屬（Cu、Ni等），這類金屬既不溶解氮，也不反應形成氮化物； （2）與N2發(fā)生作用的金屬（Fe、Ti等），這類既能溶解氮，也能與氮形成穩(wěn)定的化合物。第十三頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 氮的危害：（1）形成脆化 在碳鋼焊縫中氮是極有害的雜質。 由于室溫下-Fe中氮的溶解度很小，僅為0.001。如熔池中含有較多的氮，焊接時冷卻速度很大，一部分將以過飽和的形式存在于固溶體中，另一部分以針狀氮化物(Fe4N)形式析出，分布于晶界或晶內，使低碳鋼焊縫金屬的強度、硬度升

6、高，而塑性和韌性，特別是低溫韌性急劇下降。 焊縫金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間的延長，也將逐漸析出針狀Fe4N，使焊縫金屬時效脆化。而對于低合金鋼，氮促使島狀馬氏體的形成，也降低焊縫韌性。第十四頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 氮的危害：（2）形成氣孔 液態(tài)金屬在高溫時可以溶解大量的氮、而在凝固時氮的溶解度突然下降。這時過飽和的氮以氣泡的形式從熔池中向外逸出，當焊縫的結晶速度大于氣泡的外逸速度時，就形成氣孔。第十五頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 防止措施：a. 加強焊接區(qū)的保護 氮和

7、氧不同，一旦進入液態(tài)金屬就比較難于去除，又由于氮主要來源于焊接區(qū)周圍的空氣，所以加強焊接區(qū)的保護，防止空氣與液態(tài)金屬接觸，是控制焊縫含氮量最主要、最有效的措施。如采用氣-渣聯(lián)合保護、保護氣體等。b. 優(yōu)化焊接工藝參數 焊接工藝參數對焊縫含氮量有明顯的影響。增加電弧電壓即增加電弧長度，導致焊接區(qū)保護變壞，氮與熔滴作用時間長，使焊縫金屬含N量增加。 在自保護藥芯焊絲焊接情況下，這一影響尤其顯著。因此，應盡量采用短弧焊。增加焊接電流，熔滴過渡頻率增加，氮與熔滴作用的時間縮短，增加焊絲伸出長度，降低熔滴過熱等都使焊縫含N量下降。值得注意的是，多層焊縫含N量比單層焊時高，這與氮的逐層積累有關。第十六頁，

8、共四十頁。Advanced Materials Research Center 防止措施：c. 利用合金元素脫氮 Ti、Al、Zr和稀土元素對氮有較大的親和力，能形成穩(wěn)定的氮化物，且它們不溶于液態(tài)金屬而進入熔渣；這些元素對氧的親和力也很大，可減少氣相中NO的含量，所以可減少焊縫w(N），起到了控氧和控氮的綜合作用。 增加焊絲或藥皮中的含碳量也可降低焊縫中的w(N)，這是因為碳能降低氮在鐵中的溶解度；碳氧化生成CO和CO2加強了保護，降低了氣相中氮的分壓；碳氧化引起的熔池沸騰有利于氮的逸出。 自保護焊時，就是根據上述道理在焊絲中加入這一類元素脫氮和消除氮氣孔的。第十七頁，共四十頁。Advance

9、d Materials Research Center焊接化學冶金 O2與焊縫金屬的作用： 氧的主要來源 氧主要來自空氣中的氧、焊接材料中的氧化物和母材表面的鐵銹、水分的分解物。根據氧與金屬的作用可將金屬分為兩類： （1）不溶解氧，但與O2發(fā)生反應（Mg、Al等），這類金屬無論在固態(tài)或液態(tài)都不溶解氧，但焊接時會發(fā)生激烈氧化，生成的氧化物以薄膜或顆粒形式存在，容易一起夾雜及未焊透，并惡化焊接工藝性能。 （2）有限溶解氧，與O2發(fā)生反應的金屬（Fe、Ni、Cu、Ti等）。焊接時與O2發(fā)生作用，生成氧化物能溶解于相應的金屬中。第十八頁，共四十頁。Advanced Materials Research

10、 Center 氧對焊縫質量的影響：（1）與鐵和其他合金元素發(fā)生氧化反應，造成合金元素燒損，降低焊縫性能。 氧化物（MnO、SiO2、TiO2、Al2O3）一般浮到熔渣中，但有的來不及浮出形成夾雜物，并以不規(guī)則的點狀、或沿晶界成細小疏松的褐色網狀分布，導致組織變脆。 焊縫含氧量增加 強度、塑性和韌性顯著降低，尤其是低溫沖擊韌性急劇降低。第十九頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center(2)CO氣孔 形態(tài)特征：內部氣孔，沿柱狀晶晶界呈條蟲狀分布，內壁光滑，呈深蘭色。 尺寸：橫向0.5mm; 縱向1.0-3.0mm 形成原因： 溶池冶金反應,脫氧不充分,存在

11、氧化物FeO、MnO，且晶界C偏析，局部CO濃度增加，促進C的滲入脫氧，析出CO氣泡；FeO+C Fe+CO -Q，促使T進一步降低；金屬粘度增加，結晶速度增加。第二十頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 防止措施：a. 選擇無氧或低氧的焊接材料 根據氧的主要來源是焊接材料，如焊條藥皮、焊劑、保護氣體、焊絲或工件表面的鐵銹、油污及水分等。因此，降低氧的來源，可以有效降低焊縫中氧的含量。 氣體保護焊時盡可能采用高純度的惰性氣體。b. 加強脫氧 通過焊接材料加入一些脫氧劑（Ti、Mn、Si等），與氧發(fā)生反應形成氧化物而進入熔渣，達到保護的目的。c. 控

12、制焊接工藝參數 增加電弧電壓，空氣容易侵入，因此應盡量采用短弧焊，降低電弧電壓。第二十一頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center H2與焊縫金屬的作用： 氫的主要來源 氫主要來自焊條藥皮中的水分及有機物、焊件、焊絲表面的水分、鐵銹、油污、油漆等。氫與金屬的作用特點 （1）有些金屬如Zr、Ti、V、Nb等，在加熱到300-700時，可在固態(tài)下吸收大量氫并形成穩(wěn)定氫化物，將嚴重損害金屬的性能。 （2）對于Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等金屬不能與氫形成氫化物，但能溶解氫，并隨溫度的升高，氫的溶解度增加。第二十二頁，共四十頁。Advanced Material

13、s Research Center 氫對焊縫質量的影響： 氫的危害氫脆白點氣孔冷裂紋 液態(tài)金屬吸收大量的氫，一部分可在熔池結晶時逸出。但由于熔池結晶速度很快，相當多的氫來不及逸出而以原子或質子的形式殘留在焊縫中。對于金屬及合金焊接而言，氫是有害。第二十三頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 氫在焊接接頭中的分布： 在具有奧氏體和馬氏體時效鋼焊縫的情況下，無論母材是淬火鋼還是非淬火鋼，近縫區(qū)給定點氫的濃度都是下降的。而在具有鐵素體焊縫，近縫區(qū)氫的濃度最大，而且在母材中氫的擴散系數越小，達到最大值所需要的時間越長。第二十四頁，共四十頁。Advanced

14、 Materials Research Center（二）焊縫金屬中氫及其擴散焊后隨著放置時間的延長，焊縫金屬中擴散氫減少，殘余氫增加，總氫量減少。焊縫金屬中氫剩余氫：H2擴散氫：H、H+、H-第二十五頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 氫脆： 在工件拉伸過程中金屬中的位錯發(fā)生運動和堆積，形成顯微空腔。拉伸的同時溶解于金屬晶格中的原子氫，會沿著位錯運動的方向擴散，最后聚集到焊縫中缺陷部位或顯微空腔內聚集，并形成氫分子（ H+H=H2 ），使體積膨脹，并產生很高的壓力，而引起鋼塑性下降。含氫量越高，脆變傾向越大。 特征： 拉伸時伸長率和斷面收縮率顯

15、著下降，而強度幾乎不受影響。焊縫經過去氫處理后，其塑性可恢復。第二十六頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center 白點： 碳鋼或低合金鋼焊縫，含氫量高時，常常在其拉伸或彎曲的斷面上出現(xiàn)銀白色圓形局部脆斷點白點。 危害： 白點造成焊縫的塑性大大降低。 特征： 白點的直徑一般為0.5mm，周圍為塑性斷口，用肉眼可辨認。在許多情況下白點的中心有小夾雜物或氣孔。影響因素含氫量變形速度金屬組織 含氫量越多，出現(xiàn)白點可能性越大。如果預先經過去氫處理，則可消除白點。 含氫量越多，出現(xiàn)白點可能性越大。如果預先經過去氫處理，則可消除白點。第二十七頁，共四十頁。Advanc

16、ed Materials Research Center 氫氣孔： 特征：多出現(xiàn)在焊縫表面，斷面形狀多為螺釘狀，從焊縫表面看呈園喇叭口形，氣孔的四周有光滑內壁，白亮。有個別殘存在內部，以小圓球狀存在。 尺寸：橫向0.51.0mm 縱向24mm 產生原因： 1)焊接過程中，熔池金屬吸收大量的氫氣，在冷卻和結晶過程中，氫的溶解度降低，尤其是液相轉變?yōu)楣滔鄷r,溶解度急劇下降; 2)熔池冷卻速度快，H來不及逸出，殘存在內部，發(fā)生了氫的過飽和，使焊縫中形成具有喇叭口形的表面氣孔。 第二十八頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center（四）控制氫的措施1、限制焊接材料

17、中含氫量制造焊接材料的原材料中含有吸附水、結晶水、化合水或溶解氫再烘干可有效降低焊縫中含氫量。選用低氫焊接材料或焊接在使用前充分烘干，氣體保護焊的氣體應經去水、干燥處理后，可有效降低焊縫含氫量。第二十九頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center2、清除焊絲和焊件表面上的雜質Al、Al-Mg、Ti及其合金，由于表面層結構不致密形成Al（OH）3、Mg（OH）2含水的氧化膜，必須用機械或化學方法進行清除。3、冶金處理冶金處理去氫原理：通過調整焊接材料的成分，使氫在焊接過程中形成穩(wěn)定且不溶于金屬的化合物，如HF、OH等，減少氫在金屬中的溶解。氟化物去氫控制焊接

18、材料的氧化還原勢焊接材料中加入Re或稀散元素（Te、Se等）第三十頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center合金元素對氫在Fe中溶解度的影響Ti、Zr、Nb及Re H Mn、Ni、Cr、Mo，影響不大C、Si、Al H O能有效降低液態(tài)鐵、低碳鋼和低合金鋼中H。第三十一頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center3、在藥皮或焊芯中加入微量Re或稀散元素第三十二頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center4、控制焊接工藝參數IH UH 5、焊后脫氫處理焊件加熱到200-400，保溫

19、2h絕大部分擴散氫去除。對于易產生冷裂紋的焊件常要求脫氫處理。對于奧氏體鋼焊接接頭進行脫氫處理效果不大。采用直流反接可減少焊縫的含氫量第三十三頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center硫、磷的危害硫是鋼中有害雜質之一，常以FeS形式存在，在液態(tài)鐵中可以無限互溶，而固態(tài)時溶解度急劇下降，僅為0.015% 0.02%。在熔池結晶時容易產生偏析，以低熔點共晶Fe+FeS（熔點985）或FeS+FeO（熔點940）形式呈片狀或鏈狀分布于晶界，易引起熱脆性甚至導致焊縫產生結晶裂紋，降低焊縫的沖擊韌性和耐腐蝕性。高鎳合金鋼，Ni與S形成Ni3S2，Ni3S2又與Ni

20、形成熔點更低的共晶Ni+Ni3S2（熔點僅為644 ），增加了焊縫形成結晶裂紋的傾向。如果焊縫中碳含量高時，促進了硫的偏析，進一步增加了焊縫形成結晶裂紋的傾向。1、硫的危害第三十四頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center硫、磷的危害1、硫的危害控制S危害的措施限制焊接材料的含硫量 焊絲中70%80%的硫可過渡到焊縫中；藥皮或焊劑中約50%的S可過渡到焊縫中；母材中的S幾乎全部進入焊縫中。因此，限制焊接原材料的含S量是關鍵。采用冶金方法脫S 常采用脫S劑Mn及堿性氧化物MnO、CaO等脫硫，反應生成的MnS、CaS不溶于金屬而進入熔渣。第三十五頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center硫、磷的危害磷也是鋼中有害雜質。P在鋼中以Fe2P和Fe3P形式存在。他們與Fe、Ni形成低熔點共晶Fe3P+Fe（熔點1050 ）；Ni3P+Ni（熔點880）。磷化鐵常分布在晶界，減弱了晶粒間的結合力。Fe3P硬而脆，增加了鋼的冷脆性，降低了焊縫的沖擊韌性，提高了焊縫的脆性轉變溫度。因此，對于碳鋼和低合金鋼焊縫應控制P含量0.045%;合金鋼焊縫P應控制在0.035%以下。1、磷的危害第三十六頁，共四十頁。Advanced Materials Research Center控制P危害的措施