中國石油大學(xué)焊接冶金

焊接冶金機(jī)電工程學(xué)院材料系幾個概念：

母材金屬；填充金屬；熔敷金屬；焊縫；熔合比熔化焊時，伴隨著金屬熔化、凝固、固態(tài)相變以及形成接頭等過程，焊接區(qū)內(nèi)的熔化的金屬、熔渣與氣體三者間所進(jìn)行的一系列化學(xué)反應(yīng)過程以及金屬的結(jié)晶相變過程焊接化學(xué)冶金焊接物理冶金焊接冶金焊接化學(xué)冶金

的任務(wù)與特點(diǎn)一、定義焊接化學(xué)冶金熔焊過程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程，主要研究在各種焊接工藝條件下，冶金反應(yīng)和焊縫金屬成分、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律?；瘜W(xué)冶金任務(wù)二、任務(wù)防止或減少有害雜質(zhì)侵入減少合金元素?zé)龘p對熔化金屬進(jìn)行冶金處理三、特點(diǎn)分區(qū)連續(xù)進(jìn)行熔滴反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)水分的蒸發(fā)物質(zhì)的分解合金的氧化有機(jī)物分解礦物的分解氣體高度分解氮?dú)浼ち胰芙庠鲅跖c滲合金金屬的蒸發(fā)去氫反應(yīng)溫度高攪拌強(qiáng)烈

反應(yīng)時間極短冶金反應(yīng)劇烈反應(yīng)物接觸面積大平均溫度低比表面積小溫度分布極不均勻反應(yīng)時間稍長攪拌不太激烈焊縫金屬中

的氣體雜質(zhì)氣體焊接材料氫氣氣體來源氣體成分氣體介質(zhì)油污、鐵銹等金屬和熔渣蒸汽氮?dú)庋鯕饨饘俸腿墼羝鸆O2、CO、H2O氣體來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施一、氫氣氣體來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施主要內(nèi)容焊材中的水分藥皮中的有機(jī)物油污、鐵銹等電弧周圍空氣中的水分氫的來源氫的溶解存在形式擴(kuò)散氫殘余氫總氫量氫脆氫氣孔冷裂紋氫的影響永久現(xiàn)象機(jī)理鋼在室溫下塑性嚴(yán)重下降焊縫拉伸或彎曲試件斷面上出現(xiàn)的光亮圓形斑點(diǎn)拉伸位錯運(yùn)動、堆積空腔H擴(kuò)散聚集空腔H+H→H2壓力變脆氫的誘捕理論氫白點(diǎn)暫態(tài)限防脫控制措施限制來源工藝措施冶金措施脫氫處理電壓電流電源種類及極性焊速提高氣相氧化性加微量稀土元素氟化物除氫二、氮?dú)鈿怏w來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施主要內(nèi)容氮的來源焊接周圍的空氣氮在金屬中的存在形式氮原子NO氮離子氮的溶解氮的影響機(jī)械性能氮?dú)饪讜r效脆化限防控制措施限制來源工藝措施冶金措施采用短弧焊增大焊接電流采用直流反接增加碳含量加與氮親和力大的合金元素三、氧氣氣體來源在金屬中的溶解存在形式對焊接的影響控制措施主要內(nèi)容CO2O2H2O氧的來源藥皮中的碳酸鹽弧氣周圍的空氣藥皮中的高價氧化物藥皮中含水物質(zhì)及鐵銹保護(hù)氣或空氣中的水分弧氣中的氧化性氣體氧的溶解及存在形式原子氧FeO總氧量降低焊縫的力學(xué)性能增加焊縫的冷脆與熱脆敏感性降低焊縫導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、耐蝕性等使合金元素?zé)龘p，造成飛濺和氣孔氧的影響控制措施限制氧的來源工藝措施冶金措施－脫氧劑二、硫、磷的作用與控制硫的影響存在形式硫的危害控制措施MnSFeS低熔共晶降低韌性限制來源冶金脫硫元素脫硫稀土脫硫熔渣脫硫磷的影響存在形式磷的危害控制措施Fe3PFe2P低熔共晶冷脆性↑限制來源冶金脫磷焊縫金屬化學(xué)

成分的控制

成分控制氧化與還原硫、磷的作用和控制焊縫金屬的合金化一、氧化與還原氧化途徑氧化性氣體活性熔渣焊件表面氧化物CO2O2H2O置換氧化擴(kuò)散氧化L=(FeO)/[FeO]擴(kuò)散定律脫氧親和力先期脫氧脫氧措施-脫氧劑脫氧方式脫氧產(chǎn)物焊縫成分、性能工藝性能擴(kuò)散脫氧沉淀脫氧成本脫氧方式沉淀脫氧擴(kuò)散脫氧先期脫氧藥皮反應(yīng)區(qū)固態(tài)藥皮中的脫氧劑與藥皮組成物分解的O2和CO2之間的反應(yīng)脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴不發(fā)生直接關(guān)系部位過程特點(diǎn)先期脫氧擴(kuò)散脫氧沉淀脫氧擴(kuò)散脫氧液態(tài)金屬與熔渣界面部位特點(diǎn)以分配定律為理論基礎(chǔ)不會因脫氧而造成夾雜不是脫氧主要途徑部位過程特點(diǎn)置換脫氧熔滴和熔池內(nèi)溶于液態(tài)金屬中的脫氧劑和[FeO]反應(yīng)，把鐵還原，且要求脫氧產(chǎn)物浮入渣中碳脫氧錳脫氧硅脫氧硅錳聯(lián)合脫氧最主要的脫氧方式二、硫、磷的作用與控制二、硫、磷的作用與控制硫的影響存在形式硫的危害控制措施MnSFeS低熔共晶降低韌性限制來源冶金脫硫元素脫硫稀土脫硫熔渣脫硫磷的影響存在形式磷的危害控制措施Fe3PFe2P低熔共晶冷脆性↑限制來源冶金脫磷三、焊縫金屬的合金化目的方式把需要的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬中的過程補(bǔ)償損失消失缺陷改善組織提高性能獲特殊性能合金焊絲藥芯焊絲合金藥皮合金粉末燒結(jié)焊劑置換脫氧合金過渡系數(shù)定義焊縫中的

氣孔與夾雜

一、作用機(jī)械保護(hù)作用冶金處理作用改善工藝性能二、組成三、堿度B1大于1時為堿性渣，小于1時為酸性渣，等于1時為中性渣

B1大于1.5時為堿性渣，小于1.0時為酸性渣，1～1.5時為中性渣

四、其他性質(zhì)熔渣的粘度表面張力密度線膨脹系數(shù)熔化性一、焊縫中的氣孔致密性溶解度突降氣孔的危害氣孔的類型減小有效截面積應(yīng)力集中塑韌性下降不溶于金屬的氣體疲勞強(qiáng)度下降氫、氮CO、H2O等多出現(xiàn)在焊縫表面溶解度突降形貌產(chǎn)生原因斷面如螺釘表面呈喇叭口形內(nèi)壁光滑內(nèi)部—小圓球狀氫氣孔`溶解度突降產(chǎn)生原因多出現(xiàn)在焊縫表面形貌和蜂窩相似多數(shù)成堆出現(xiàn)氮?dú)饪桩a(chǎn)生原因形貌冶金反應(yīng)產(chǎn)生CO出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部沿結(jié)晶方向分布形狀像蟲子CO2氣孔二、焊縫中的夾雜夾雜物分類控制措施存在形式危害氧化物硅酸鹽形式片狀連續(xù)分布，熱裂紋Fe4N氮化物硫化物MnS、FeS塑、韌性急劇下降低熔共晶，熱裂紋正確選擇焊條、焊劑的渣系選用合適的焊接規(guī)范，并擺動焊條多層焊時注意清渣，盡量采用短弧焊焊接接頭的

組織與性能

焊接接頭焊接部位的總稱。焊接接頭示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-HAZ；4-母材一、焊接熔池凝固的特殊性

特殊性熔池體積小、冷卻速度快熔池中的金屬處于過熱狀態(tài)熔池是在運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶二、焊接熔池凝固的特點(diǎn)

特點(diǎn)聯(lián)生結(jié)晶擇優(yōu)生長偏向晶與定向晶三、焊縫的凝固偏析

凝固偏析枝晶偏析區(qū)域偏析層間偏析改善措施工藝措施冶金措施提高冷卻速度采用多層焊振動結(jié)晶加入變質(zhì)劑加入能夠細(xì)化晶粒的元素四、改善凝固組織的措施

低碳鋼二次組織改善措施控制冷卻速度采用多層焊焊后熱處理五、焊縫金屬的固態(tài)相變F+PW低合金鋼二次組織改善措施錘擊焊縫表面采用多層焊焊后熱處理BMF：塊、板、針、條P跟蹤回火六、焊接熱循環(huán)

1、定義在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)溫度隨時間的變化過程。溫度場2、焊接熱循環(huán)的特征參數(shù)峰值溫度Tp冷卻速度t8/5冷卻速度t8/3高溫停留時間加熱速度影響因素接頭的尺寸與形狀焊件尺寸焊道長度E＝36UI／VT0多層多道焊3、影響焊接熱循環(huán)的因素七、HAZ的組織與性能

1、HAZ固態(tài)相變特點(diǎn)相變特點(diǎn)加熱速度快高溫停留時間短自然條件下連續(xù)冷卻加熱溫度高局部加熱2、HAZ的組織與性能不易淬火鋼易淬火鋼易淬火鋼焊前熱處理狀態(tài)對熱影響區(qū)硬度的影響

焊接裂紋機(jī)電工程學(xué)院材料系焊接熱裂紋焊接熱裂紋－結(jié)晶裂紋

1.

產(chǎn)生溫度2.斷口特征3.分布特征4.材料5.產(chǎn)生部位一、特征液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的根本原因拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件二、形成機(jī)理－液態(tài)薄膜理論三、各階段產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向四、產(chǎn)生條件五、影響結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的因素脆性溫度區(qū)間大小脆性溫度區(qū)（TB）內(nèi)金屬的塑性TB內(nèi)隨溫度降低變形的增長率六、防止結(jié)晶裂紋的措施1、冶金因素方面嚴(yán)格控制母材和焊接材料中的C、S、P含量改善焊縫一次組織細(xì)化晶粒雙相組織2、工藝因素方面－改善應(yīng)力狀態(tài)焊接工藝及規(guī)范接頭型式采用合理的焊接順序限制母材雜質(zhì)進(jìn)入焊縫焊接冷裂紋產(chǎn)生溫度斷口仍有金屬光澤裂紋的走向產(chǎn)生的鋼種和部位產(chǎn)生時間冷裂紋的一般特征焊接冷裂紋的分類延遲裂紋具有延遲現(xiàn)象決定因素淬硬脆化裂紋低塑性脆化裂紋氫致延遲裂紋決定因素鋼種的淬硬傾向擴(kuò)散氫的含量及分布焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)一、鋼種的淬硬傾向1.原因易形成脆硬組織組織中形成的晶格缺陷多2.影響因素化學(xué)成分冷卻條件

3.評定用HAZ的Hmax二、氫的作用1.氫在金屬中的溶解和擴(kuò)散αγδ

04812162024120092064036080-200奧氏體鋼鐵素體鋼溫度／℃擴(kuò)散速度×10-5［ml/(cm2?s)］2.氫在致裂過程中動態(tài)行為高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)延遲裂紋的形成過程TAFTAMF+PMA3.氫致裂紋具有延遲性的原因三向應(yīng)力區(qū)HHHHHHHH2新三向應(yīng)力區(qū)HHHHHHHH2裂紋尖端三、接頭的拘束應(yīng)力1.應(yīng)力的存在形式

熱應(yīng)力—局部加熱、冷卻相變應(yīng)力結(jié)構(gòu)自身的拘束應(yīng)力（1）拘束度R=Eh/l（2）接頭坡口型式拘束應(yīng)力增加：正Y型、X型、斜Y型、K型、半V型2.接頭拘束應(yīng)力的影響因素鋼種淬硬之后，受氫的誘發(fā)，促使脆化，在拘束應(yīng)力作用下形成裂紋四、冷裂形成機(jī)理五、冷裂判據(jù)臨界拘束應(yīng)力σcrσcr反映了產(chǎn)生延遲裂紋各個因素共同作用的結(jié)果σcr值越大抗裂能力越好σcr>σS——安全的測定：插銷試驗總原則避免出現(xiàn)脆硬組織減少焊縫金屬中的氫含量減少接頭的拘束應(yīng)力六、防治措施（1）嚴(yán)格控制氫含量焊材焊接方法（2）增韌選用塑性好的焊材加入某些合金元素（3）改進(jìn)母材化學(xué)成分，提高抗裂性能降碳加微量合金元素1.冶金措施（1）預(yù)熱+小的線能量E大，粗晶脆化E小，淬硬組織（2）焊后熱處理脫氫處理：350℃×1h2.工藝措施再熱裂紋熱裂紋產(chǎn)生部位：近縫區(qū)的粗晶區(qū)產(chǎn)生再熱裂紋具有敏感的溫度范圍有較大的內(nèi)應(yīng)力存在及應(yīng)力集中部位易產(chǎn)生再熱裂紋易產(chǎn)生在具有沉淀強(qiáng)化作用的鋼材中一、再熱裂紋的特征只發(fā)生于含沉淀強(qiáng)化元素的材料受熱前，存在較大的殘余應(yīng)力，并有不同程度的應(yīng)力集中e>ec二、產(chǎn)生條件晶界雜質(zhì)析集弱化說晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化說三、產(chǎn)生機(jī)理預(yù)熱及后熱控制焊接線能量低強(qiáng)焊縫應(yīng)用消除應(yīng)力集中源

四、控制措施層狀撕裂產(chǎn)生的部位和形狀宏觀形狀微觀形狀產(chǎn)生在厚板結(jié)構(gòu)中與母材強(qiáng)度無關(guān)，主要與鋼中的夾雜量及分布形態(tài)有關(guān)一般發(fā)生在受Z向力大的丁字接頭、角接頭層狀撕裂屬于低溫開裂

一、特征二、形成機(jī)理焊后20min焊后120min焊接Z向應(yīng)力非金屬夾雜物的層狀構(gòu)造母材性能氫的作用三、影響因素控制夾雜物設(shè)計和施工工藝上的措施改變接頭形式、降低焊接