焊接概念及原理

焊接概論第

一

部分：焊接原理§1.1什么是焊接一、焊接的定義：焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達(dá)到原子結(jié)

合的一種加工方法。其主要的加工材料是金

屬。Metal

rail相斥力原子之間的作用力與距離的關(guān)系l-斥力，2-引力，3-合力二、

焊接的實(shí)質(zhì)：焊接過程的實(shí)質(zhì)就是采用物理化學(xué)方法克服被連接物體(金屬)表面的凹凸不平、表面氧化物及其他表面雜質(zhì)，使被連接物體(金屬)

能接近到原子晶格距離并形成結(jié)合力。在工程上已獲得廣泛應(yīng)用的焊接方法很多，

盡管實(shí)現(xiàn)焊接的方法和手段不同，但它們所達(dá)到的效果是相同的，即實(shí)現(xiàn)原子間的冶金結(jié)合。三

、焊接方法的分類焊接方法種類繁多，新的方法仍在不斷涌現(xiàn)，對焊接方法進(jìn)行分類的方法也有所不同。

有的根據(jù)焊接方法的熱源和保護(hù)方法來分類，有的根據(jù)工藝特征來分類，由此出現(xiàn)了一元坐

標(biāo)法、二元坐標(biāo)法、族系法等分類方法。其中，

最常見的是族系法，按照焊接工藝特征來進(jìn)行

分類。按照這種分類方法，可以把焊接方法分

為熔焊、壓焊和釬焊三大類，在每一大類方法

中又分成若干小類，如下圖所示。焊條電弧焊埋弧自動(dòng)焊氬弧焊CO?氣體保護(hù)焊鎢極氬弧焊原子氫焊等離子焊烙鐵釬焊

火焰釬焊

浸漬釬焊

真空釬焊

感應(yīng)釬焊電阻釬焊爐釬焊_電子束釬焊鍛焊摩擦焊電阻焊一變形焊超聲波焊

爆炸焊

擴(kuò)散焊非熔化極點(diǎn)焊對焊縫焊閃光焊氣焊一

鋁熱焊電渣焊電弧焊激光焊電子束焊氧-乙炔

空氣-乙炔

氫-氧焊接方法的分類基本焊接方法熔化極壓焊熔焊釬焊四、

焊接生產(chǎn)的特點(diǎn)1、

可減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省金屬材料；2、

可以制造雙金屬結(jié)構(gòu)；3、

能化大為小，以小拼大；4、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，產(chǎn)品質(zhì)量好；5、

焊接時(shí)噪音小，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，伸長率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。缺點(diǎn)：由于焊接過程是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過程，焊接后會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。*熔化焊時(shí)焊接接頭的形成一般都要經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變等過程，最后形成焊接接頭。這一過程可從焊接熱過程、焊接化學(xué)冶金過程、焊接時(shí)的金屬凝固和相變過程三個(gè)方面加以學(xué)習(xí)?！?.2

焊接原理§1.2.1焊接熱過程一

、焊接熱過程的特點(diǎn)1、

焊接熱過程：在焊接過程中，被焊金屬由于熱的輸入和傳播，而經(jīng)歷加熱、熔化(或達(dá)到熱塑性狀態(tài)),稱之為焊接熱過程。2、

焊接熱過程的特點(diǎn)√

局部性√

熱源的運(yùn)動(dòng)性√

瞬時(shí)性√

傳熱過程的復(fù)合性3、

焊接熱過程的作用√

熱量大小和分布狀態(tài)決定了熔池的形狀和尺寸決定了焊接熔池進(jìn)行冶金反應(yīng)的程度√

影響熔池金屬凝固、相變過程不均勻的加熱和冷卻，造成不均勻的應(yīng)力狀態(tài)√

冶金、應(yīng)力和被焊金屬組織的共同影響，可能產(chǎn)生各種焊接裂紋和其他缺陷√

影響熱影響區(qū)金屬的組織的轉(zhuǎn)變和性能的變化決定母材和焊材的熔化速度，因而影響焊接生產(chǎn)率二、

焊接熱源及焊接方法電弧熱：利用氣體介質(zhì)中的電弧放電過程所產(chǎn)生的熱能作為

熱源(手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊、

TIG/MIG、MAG

等

)√

化學(xué)熱：利用可燃?xì)怏w(液化氣、乙炔)或鋁、鎂熱劑與氧

或氧化物發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱能作為熱源(氣焊、熱劑焊)電阻熱：利用電流通過導(dǎo)體及其界面時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱作為

焊接熱源(電阻焊和電渣焊、高頻感應(yīng)熱)√

摩擦熱：由機(jī)械高速摩擦所產(chǎn)生的熱能作為熱源(摩擦焊、

攪拌摩擦焊)電子束：在真空中利用高壓下高速運(yùn)動(dòng)的電子猛烈轟擊金數(shù)

局部表面，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能(電子束焊)激光束：利用受激輻射而增強(qiáng)的光，經(jīng)聚焦產(chǎn)生能量高度集

中的激光束作為焊接熱源(激光焊接與切割)等離子焰：電弧放電或高頻放電產(chǎn)生高度電離的離子流，它

本身攜帶大量的熱能和動(dòng)能，利用該能量可作為焊接熱源。熱

源最小加熱面積cm2最大功率密度W.cm-2溫度乙炔火焰10-22

×1033200℃金屬極電弧10-31046000K鎢極氬弧焊(TIG)10-31.5

×1048000K埋弧焊10-32×1046400K電渣焊10-21042000℃熔化極氬弧焊(MIG)10-4104~105CO?氣體保護(hù)焊10-4104~105等離子焰10-51.5

×10518000K~24000K電子束10-7107~109激光束10-8107~109各種焊接熱源的特點(diǎn)1、焊接溫度場的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)(1)正常焊接條件下，焊接

熱源是以一定速度沿焊縫移動(dòng)

的。(2)在加熱開始時(shí)，溫度升高的范圍會(huì)逐步擴(kuò)大，而達(dá)到

一定極限后，不再變化，只是

隨熱源移動(dòng)。這種狀態(tài)稱為準(zhǔn)

穩(wěn)態(tài)。(3)功率不變的焊接熱源，在厚大焊件、薄板或細(xì)棒上作

勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度場是準(zhǔn)

穩(wěn)態(tài)溫度場。三、

典型的焊接溫度場a)坐標(biāo)示意圖b)xoy面上沿x軸的不同溫度分布2、

厚大件上點(diǎn)狀移動(dòng)熱源的溫度場厚大件上點(diǎn)狀移動(dòng)熱源的溫度場c)xoy面上的等溫線c)-2d)yoz

面上沿y軸的不同溫度分布

e)yoz

面上的等溫線厚大件上點(diǎn)狀移動(dòng)熱源的溫度場1.400e+0031.260e+0031.120e+0039.800e+0028.400e+0027.000e+0025.600e+0024.200e+0022.800e+0021.400e+0020.000e+000X-Y方向溫度場分布X-Y方向溫度場分布/全圖三維溫度場分布實(shí)測結(jié)果T/K(c)a)v=0.5m/minb)v=1m/minc)v=1.5m/min

d)=2m/min四、

影響焊接溫度場的主要因素1、

熱源的種類和焊接工藝參數(shù)(b)(d)oL300℃200℃200℃

100-160

-120-80-40-160

-120坐標(biāo)

x/mm40?=600-400℃

200℃80r40E2、

被焊金屬的熱物理性能參數(shù)不同材料板上線熱源周圍的溫度場y鋼(奧氏體)

xy鋼q=4.19kJ/s

v=2mm/sδ=10mm

T?=0℃400C200℃」y鋼(鐵素體)y鋁合金fòoc40坐標(biāo)y/mm3、

焊件的形態(tài)焊件的幾何尺寸、板厚和所處的狀態(tài)(預(yù)熱和環(huán)境溫度)。4、

熱源的分類瞬實(shí)集中熱源：點(diǎn)焊連續(xù)作用的熱源：固定不動(dòng)、

正常移動(dòng)和高速移動(dòng)。五

、焊接熱循環(huán)及其主要參數(shù)1、定義：焊接過程中，熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)的溫度由低而高，達(dá)到最大值后，又由高而低的變化稱為焊接距焊縫不同距離各點(diǎn)的焊接熱循環(huán)熱循環(huán)。加熱速度加熱的最高溫度(Tm)在相變以上的停留時(shí)間(ta)冷卻速度(T8/5)2、焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的參數(shù)3、

焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)1)加熱的溫度高熱處理：AC3以上100-200℃,例如45號(hào)鋼AC3:770焊接近縫區(qū)：接近熔點(diǎn)，鋼的熔點(diǎn)1350℃2)加熱的速度快比熱處理快幾十倍甚至上百倍。3)高溫停留時(shí)間短手工電弧焊：4-20S,

埋弧焊：20-40S。4)自然條件下連續(xù)冷卻5)局部加熱§1.2.2焊接化學(xué)冶金*熔焊時(shí)，焊接區(qū)內(nèi)的各種物質(zhì)，即液態(tài)金屬、熔渣和氣相之間在高溫下進(jìn)行的極為復(fù)雜的物理化學(xué)變化的過程，稱為焊接化學(xué)冶金過程。焊接化學(xué)冶金過程對焊縫金屬的成分、性能、焊接缺陷(如氣孔、裂

紋等)以及焊接工藝性能都有重要的影響。一

、焊接化學(xué)冶金的特點(diǎn)1、

焊接區(qū)金屬的保護(hù)>必要性：如果在空氣中不采用任何保護(hù)方式進(jìn)行焊接，主要帶來兩方面的問題。(1)焊接工藝性能差光焊絲無保護(hù)焊接時(shí)電弧空間電離度低，電弧不穩(wěn)定，飛濺大，焊縫表面質(zhì)量差，焊縫易產(chǎn)生各類氣孔。(2)焊縫金屬成分和性能變化大光焊絲無保護(hù)焊接所得

到的焊縫金屬與母材和焊絲相比，其成分和性能都發(fā)生了

較大變化。因高溫熔化的金屬與周圍空氣中的氣體發(fā)生劇

烈反應(yīng)，使焊縫金屬中氧和氮的含量顯著增加，而錳、碳

等合金元素由于蒸發(fā)和燒損而減少，這使得焊縫金屬的塑

性和韌性顯著降低，但由于氮的強(qiáng)化作用，焊縫金屬強(qiáng)度的變化不大。*上述兩方面的問題使光焊絲無保護(hù)焊接在

工程中沒有實(shí)用價(jià)值。因此，焊接化學(xué)冶

金的首要任務(wù)就是對金屬加強(qiáng)保護(hù)，使其免受空氣中氣體的有害作用，從而減少焊縫中有害雜質(zhì)的含量，減少有益合金元素

的損失，使焊縫金屬得到合適的化學(xué)成分，

提高焊接質(zhì)量。>

保護(hù)方式和效果所謂的保護(hù)就是采用某種介質(zhì)把焊接區(qū)與周圍的空氣隔離開

來。從保護(hù)的介質(zhì)來看，保護(hù)方式有氣體保護(hù)、熔渣保護(hù)、渣-

氣聯(lián)合保護(hù)、真空保護(hù)和自保護(hù)等幾種方式。不同的焊接方法所采用的保護(hù)方式是不同的。(1)氣體保護(hù)就是利用外加氣體對焊接區(qū)加以保護(hù)的方法。保

護(hù)的效果取決于保護(hù)氣體的性質(zhì)和純度、焊炬的結(jié)構(gòu)以及氣流的特性等。保護(hù)氣體有惰性氣體和活性氣體兩種。常用的惰性

氣體主要有氬氣和氦氣。惰性氣體的保護(hù)效果很好，適用于焊

接合金鋼和化學(xué)活性金屬及其合金。常用的活性氣體主要是CO?氣體，保護(hù)效果也比較好。(2)熔渣保護(hù)就是利用焊劑、焊條藥皮或藥芯熔化形成的熔渣

覆蓋在熔滴和熔池表面而起到的保護(hù)作用，熔渣凝固后所形成的渣殼覆蓋在焊縫上面可防止高溫的金屬與空氣接觸。焊劑及

熔渣的保護(hù)效果與焊劑的結(jié)構(gòu)和松裝密度有關(guān)：多孔性的浮石

狀焊劑具有較大的表面積，吸附的空氣較多，保護(hù)效果較差；而玻璃狀的焊劑保護(hù)效果較好。隨著松裝密度的增加，焊劑透氣性變差，保護(hù)效果增強(qiáng)。(3)渣-氣聯(lián)合保護(hù)就是通過焊條藥皮或藥芯中的造渣劑和造氣劑在焊接過程中形成熔渣和氣體共同起到保護(hù)

作用的。渣-氣聯(lián)合保護(hù)的效果主要取決于焊條藥皮或藥

芯中保護(hù)材料的含量、熔渣的性質(zhì)和焊接參數(shù)等。(4)真空保護(hù)真空保護(hù)就是利用真空環(huán)境進(jìn)行焊接以達(dá)到隔離空氣的作用。真空很難做到完全隔絕空氣，但

是隨著真空度的提高，空氣中的氧和氮的有害作用可降至最小，所以真空焊接的保護(hù)效果是最理想的。(5)自保護(hù)自保護(hù)就是在實(shí)芯或藥芯焊絲中添加脫氧和脫氮?jiǎng)?，使由空氣進(jìn)入熔化金屬中的氧和氮進(jìn)入熔渣

中的一種方法。前保護(hù)方式都是機(jī)械隔離空氣的方法，

而自保護(hù)是利用化學(xué)反應(yīng)來防止氧和氮進(jìn)入到焊縫中的冶金保護(hù)方法，保護(hù)效果較差。2、

冶金反應(yīng)區(qū)*焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域(或階段)連續(xù)進(jìn)行的，各區(qū)的反應(yīng)物性質(zhì)和濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間、相接觸面積、對流及攪拌運(yùn)動(dòng)等反應(yīng)條件也有著較大的差異。反應(yīng)條件的差異就影響著反應(yīng)進(jìn)行的可能性、

方向、速度及限度。不同的焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)。不填絲的鎢極氣體保護(hù)焊和電子束焊只有熔池反應(yīng)區(qū)；熔化極氣體保護(hù)焊有熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)兩個(gè)反應(yīng)區(qū)；焊條電弧焊有三個(gè)反應(yīng)區(qū)：藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)，可見焊條電弧焊的反應(yīng)區(qū)最多，具有一定的代表性。焊條電弧焊的焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)I-藥皮反應(yīng)區(qū)Ⅱ-熔滴反應(yīng)區(qū)

Ⅲ—熔池反應(yīng)區(qū)T?一藥皮開始反應(yīng)溫度T?

一焊條端部熔滴溫度T?

一弧柱中部熔滴溫度T?—熔池最高溫度Ts—熔池最低溫度3、

冶金反應(yīng)的影響因素1)熔合比的影響熔焊時(shí)的焊縫金屬由熔化的母材與填充金屬組成。熔合比是指熔焊時(shí)被熔化的母材在焊縫金屬中所占的百分比。熔合比與焊接方法、工藝參數(shù)、焊縫和坡口的形式及尺寸、母材性質(zhì)以及焊接材料種類等許多因素有關(guān)。當(dāng)填充金屬與母材的化學(xué)成分不同時(shí)，熔合比對焊縫金屬的成分就有很大的影響。2)熔滴過渡特性的影響焊接工藝參數(shù)對熔滴的過渡特性有很大的影響，因此必然對冶金反應(yīng)發(fā)生影響。試驗(yàn)表明，熔滴階段的反應(yīng)時(shí)間(即熔滴存在的時(shí)間)隨著焊接電流

的增加而變短，隨著電弧電壓的增加而變長。因此，

可以斷定隨著焊接電流的增加，冶金反應(yīng)進(jìn)行的程度會(huì)不完全。而電弧電壓的增加會(huì)使反應(yīng)進(jìn)行的更充分。*焊接過程中，在焊接區(qū)內(nèi)存在著大量的氣體，這些氣體不斷地與熔化金屬發(fā)生冶金

反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的成分和性能。1、

氣體的來源和組成二、

氣體對金屬的作用>

氣體的來源(1)焊接材料焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來源于焊接材料。

一般焊條藥皮、焊劑及焊絲藥芯中都含有造氣劑，藥皮

及焊劑中的高價(jià)氧化物和水分也是氣體的重要來源。氣

體保護(hù)焊時(shí)，焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要來自所采用的保護(hù)氣

氛及其雜質(zhì)，如氧、氮、水氣等。(2)熱源周圍的氣體介質(zhì)熱源周圍的空氣是難以避免

的氣體來源，而焊接材料中的造氣劑所產(chǎn)生的氣體，并

不能完全排除焊接區(qū)內(nèi)的空氣。(3)焊絲和母材表面上的雜質(zhì)焊絲表面和母材坡口附

近的鐵銹、油污、氧化鐵皮以及吸附水等，在焊接過程

中受熱而析出氣體進(jìn)入氣相中。(4)被焊金屬及其合金的蒸發(fā)在焊接電弧的高溫作用

下，被焊金屬元素和熔渣的各種成分也會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，形成金屬蒸氣和熔渣蒸氣。>

氣體的產(chǎn)生除直接輸送和侵入焊接區(qū)的氣體外，焊接過程中所進(jìn)行的物化反應(yīng)也產(chǎn)生了很多氣體。(1)有機(jī)物的分解和燃燒焊條藥皮中常含有的淀粉、纖維素、

糊精、藻酸鹽等有機(jī)物和焊絲和母材表面上的油污等，這些物質(zhì)受熱以后，發(fā)生復(fù)雜的分解和燃燒反應(yīng)，放出氣體，反應(yīng)產(chǎn)物主要是CO?,

并且還有少量的CO、H?

、烴和水氣。(2)碳酸鹽和高價(jià)氧化物的分解焊接材料中常用的碳酸鹽有

CaCO?

、MgCO?

、白云石(CaCO?

+MgCO?

)

和BaCO?等。當(dāng)加熱

至其分解溫度時(shí)碳酸鹽開始分解，產(chǎn)物主要是金屬氧化物和CO?

。

此外，焊接材料中常用的高價(jià)氧化物如Fe?O?

和MnO?等在

焊接過程中也會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)生成大量的氧氣和低價(jià)氧化物。(3)材料的蒸發(fā)焊接過程中，焊接材料中的水分、金屬元素和熔渣的各種成分在電弧的高溫作用下發(fā)生蒸發(fā)，形成大量的蒸汽。>氣體的分解(1)簡單氣體的分解氣相中的簡單氣體如N?

、H?

和O?等雙原子氣體，對焊接質(zhì)量的影響很大。在電弧空間，氣體受熱而使其原子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)能增加，當(dāng)原子的能量達(dá)到足夠高時(shí)，將使原子鍵斷開，分解為單個(gè)原子或離子與電子。單原子氣體在獲得足夠的能量時(shí)將發(fā)生電離，而電離所需要的能量比分解時(shí)高，因此只有在更高的溫度時(shí)才能發(fā)生熱電離。分子狀態(tài)的氣體也可以直接電離。但是，它比原子狀態(tài)氣體的電離需要更高的能量。(2)復(fù)雜氣體的分解焊接時(shí)氣相中常見的復(fù)雜氣體有CO?和H?O。在電弧熱作用下CO?可分解為CO和O?

。H?O的

分解產(chǎn)物有H?

、O?

、OH、H

及O

等。這不僅增加了氣相的

氧化性，而且增加了氣相中氫的分壓，其最終結(jié)果可能使焊縫金屬增氧和增氫。>

焊接區(qū)氣相的組成一般來說，除了外加的惰性保護(hù)氣體，焊接區(qū)內(nèi)的氣體主要有N?

、H?

、O?

、H?O、CO?、金屬蒸氣、

熔渣蒸氣以及它們分解和電離的產(chǎn)物。焊接時(shí)氣

相的成分和數(shù)量隨著焊接方法、焊接工藝參數(shù)、焊條或焊劑的類型等因素的不同而變化。使用低氫型焊條進(jìn)行焊條電弧焊接時(shí)，氣相中含H?和H?O少，所以稱它為“低氫型”。埋弧焊和采用中性焰氣焊時(shí)，由于氣相中含CO?和H?O很少，因

而氧化性很??；而焊條電弧焊時(shí)氣相的氧化性就

相對較大。2、

氣體對金屬的作用焊接區(qū)的氣體種類很多，但對焊接質(zhì)量有重要影響的主要是是N?

、H?

、O?

、H?O

和CO?

。

這些氣體與金屬的作用主要有兩種類型：氣體在

金屬中的溶解和氣體與金屬的化學(xué)反應(yīng)。(1)氮?dú)鈱饘俚淖饔眉捌淇刂瓢凑盏c金屬作用的特點(diǎn)，可將金屬分為兩

類：一種是不與氮發(fā)生反應(yīng)的金屬，如Cu、Ni、Ag等，它們既不溶解氮，又不形成氮化物，因

此焊接這類金屬時(shí)，可以使用氮作為保護(hù)氣體；另一種是與氮發(fā)生反應(yīng)的金屬，如Fe

、Mn

、Ti、Si、Cr等。它們既能溶解氮，又能與氮形成

穩(wěn)定的氮化物。因此焊接這類金屬時(shí)，防止焊縫金屬的氮化是非常重要的。>氮對焊接質(zhì)量的影響①在碳鋼焊縫中，氮是有害雜質(zhì)，是促使焊縫產(chǎn)生氣孔的主要原因之一。②氮是提高低碳鋼、低合金鋼焊縫金屬強(qiáng)度，降低塑性和韌性的元素。室溫下氮在aFe

中的溶解度僅為0.001%。若熔池中含較多的氮，由于焊接時(shí)冷卻速度很大，

一部分氮將以過飽和的形式存在于固溶體中；另一部分氮?jiǎng)t以針狀氮化物Fe?N

的形式析出，分布于晶界和晶內(nèi)，因而使焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性，特別是低溫韌性急劇下降。③氮是促使焊縫金屬時(shí)效脆化的元素。焊縫金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時(shí)間的延長，過飽和的氮逐漸析出，

形成穩(wěn)定的針狀氮化物Fe?

N,使焊縫金屬的強(qiáng)度增高、塑性、

韌性降低。如果在焊縫金屬中加入能形成穩(wěn)定氮化物的元素，

如Ti、Al、Zr

等，則可以抑制或消除時(shí)效現(xiàn)象。>

控制焊縫含氮量的措施①加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)一旦氮溶入液態(tài)金屬中，再把它脫出來就非

常困難，所以控制含氮量的主要措施就是加強(qiáng)保護(hù)，防止空氣侵入焊接區(qū)與液態(tài)金屬發(fā)生作用。

②確定合理的焊接工藝參數(shù)增大焊接電流，可增加熔滴的過渡頻

率，從而使熔滴階段的作用時(shí)間縮短，焊縫的含氮量下降。增大電弧電壓(即加大電弧長度),使保護(hù)效果變差，氮與熔滴作用的時(shí)

間加長，所以焊縫中的含氮量增加。直流正極性焊接時(shí)焊縫含氮量

比反極性時(shí)高，這與氮離子的溶解有關(guān)。焊接速度對焊縫的含氮量

影響不大。在相同的工藝條件下，增加焊絲直徑可使熔滴變粗，因

此焊縫含氮量下降。此外，由于氮的逐層積累，多層焊時(shí)的焊縫含氮量比單層焊時(shí)高。③利用合金元素，控制焊縫含氮量

增加焊絲或藥皮中的含碳量可降低焊縫的含氮量，

一方面是由于碳能夠降低氮在鐵中的溶解度另一方面碳氧化生成CO、CO,

引起熔池沸騰，有利于氮的逸出，同

時(shí)而加強(qiáng)了保護(hù)作用，降低了氮的分壓。Ti、Al、Zr和稀土元素對氮有較大的親合力，易形成穩(wěn)定的氮化物。

并且這些氮化物不溶于鐵水，而進(jìn)入熔渣中。這些元素對氧的親力

也很大，因此，可減少氣相中NO的含量，這在一定程度上減少了焊

縫的含氮量。(2)氫氣對金屬的作用>焊接時(shí)的氫主要來源于焊接材料中的水分及有機(jī)物，電弧周圍空氣中的水分以及焊絲和母材坡口表面上的鐵銹、油污等雜質(zhì)。氫對焊接質(zhì)量是有害的。>按照氫與金屬作用的情況，可將金屬劃分為兩類：

1)能形成穩(wěn)定氫化物的金屬

如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。這類金屬吸收氫的反應(yīng)是放熱反應(yīng)。當(dāng)吸氫量較多時(shí)，可形成氫化物

(ZrH?

、TiH?

、VH、TaH、NbH);當(dāng)溫度超過氫化物保持穩(wěn)定的臨界溫度時(shí)，

氫化物發(fā)生分解，氫則擴(kuò)散逸出；當(dāng)吸氫量較少時(shí)，這類金屬與氫可形成固溶體。2)不形成穩(wěn)定氫化物的金屬如Al、Fe、Ni、Cu、Cr

、Mo等。氫能夠溶解于這類金屬及其合金中，溶解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。>在鋼焊縫中，氫是以H、H+

的形式存在，它們與焊縫金屬形成間隙固溶體。由于氫原子及離

子的半徑很小，所以它們可以在焊縫金屬的晶

格中自由擴(kuò)散，這一部分氫被稱為擴(kuò)散氫。如

果氫擴(kuò)散到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋或非金

屬夾雜物邊緣的微小空隙中時(shí)，可以結(jié)合成氫

分子，由于氫分子的半徑大而不能自由擴(kuò)散，所以稱這部分氫稱為殘余氫。>氫對焊接質(zhì)量的影響1)形成氣孔如果熔池在高溫時(shí)吸收了大量的氫，在熔池凝固結(jié)晶時(shí)，由于氫的溶解度突然下降，使氫處于過飽和狀態(tài)而形成氫氣泡。當(dāng)氣泡向外溢出的速度小于熔池的凝固速度時(shí)，就在焊縫中形成氣孔。2)產(chǎn)生冷裂紋焊接冷裂紋的危害性很大，它的產(chǎn)生與焊接接頭中的含氫量、熱影響區(qū)的馬氏體轉(zhuǎn)變、結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。

一般認(rèn)為，氫易向工件有

應(yīng)力集中的三向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，此處應(yīng)力也隨之提

高，當(dāng)此部位氫的濃度達(dá)到臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生啟裂和裂紋擴(kuò)展。3)造成氫脆氫對鋼的強(qiáng)度沒有明顯影響，而對鋼的塑性有很大的影響。氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降的

現(xiàn)象叫做氫脆。

一般認(rèn)為氫脆是由于原子氫擴(kuò)散聚集于

鋼的顯微空隙中，結(jié)合為分子氫，造成空隙內(nèi)產(chǎn)生很高

的壓力，阻礙金屬塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致金屬變脆。4)

出現(xiàn)白點(diǎn)白點(diǎn)是出現(xiàn)在焊縫金屬拉伸或彎曲試件的斷口上的一種白色圓形斑點(diǎn)。中心含有微細(xì)氣孔或夾雜物，

周圍則為銀白色的脆化部分，其形狀類似魚眼珠中的白

點(diǎn)。它主要是在外力作用下，氫在微小氣孔或夾雜物處

的集結(jié)造成脆化。白色圓斑區(qū)常顯示有從中心向外的放

射線結(jié)構(gòu)，微觀上則顯示為小的準(zhǔn)解理斷口。>4.控制氫的措施1)限制焊接材料中的含氫量2)清除工件及焊絲表面上的油污、雜質(zhì)3)冶金處理通過控制焊接冶金反應(yīng)，降低氣相中氫的分壓，從而減少氫在液體金屬中的溶解度。具

體做法是調(diào)整焊接材料的成分，使焊接時(shí)冶金反應(yīng)

的產(chǎn)物是穩(wěn)定的HF和OH。①在焊條藥皮和焊劑中加入氟化物。②控制焊接材料的氧化還原勢，如增加氣相中的氧

化性氣體如O,和CO?.③在焊條藥皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素④控制焊接工藝參數(shù)。⑤焊后脫氫處理。(3)氧氣對金屬的作用>氧在金屬中的溶解氧是以原子氧和氧化亞鐵

(FeO)兩種形式溶于液態(tài)鐵中的。如果與液態(tài)鐵平衡的是純FeO熔渣，溫度升高時(shí)，氧在液態(tài)鐵中的溶解度增大。當(dāng)液態(tài)鐵中含有合金元素時(shí)，隨著合金元素含量的增加，氧的溶解度下降。>氣體對金屬的氧化焊接時(shí)焊接區(qū)的氧化性氣體如O?

、H?O、CO?以

及它們的混合氣體在各個(gè)反應(yīng)區(qū)與金屬發(fā)生氧

化反應(yīng)，導(dǎo)致合金元素?zé)龘p，并使焊縫增氧，

降低焊接接頭的性能。>氧對焊接質(zhì)量的影響●焊接過程中，即使母材和焊接材料的含氧量很低，但是由于氣相、熔渣與金屬反應(yīng)的結(jié)果，焊縫的含氧量總是增加的。●氧在焊縫金屬中以溶解狀態(tài)和氧化物夾雜兩種形式存在，通常所說的焊縫含氧量是指總含氧量而言的，

一般溶解在鋼中的氧很少，絕大部分氧是以夾雜物的形式存在的。

但是，氧在焊縫中不論以何種形式存在，對焊縫的性能都有很大的影響。隨著焊縫含氧量的增加，其強(qiáng)度、塑性、韌性明顯下降；尤其是焊縫金屬的低溫沖擊韌性急劇下降。此外，還會(huì)引起焊縫金屬的時(shí)效硬化、紅脆、冷脆以及物理及化學(xué)性能的變化。特別是在焊接有色金屬，難熔金屬時(shí)，氧的有害作用就更大?！?/p>

在熔池階段，溶解的氧與碳發(fā)生冶金反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是不溶于金屬的CO,

如果在熔池進(jìn)行凝固時(shí)CO

氣泡來不及逸出，就會(huì)形成CO氣孔。>

控制氧的措施●

采用純度高的焊接材料在焊接活性金屬及某些合金鋼時(shí)，應(yīng)盡量采用不含或少含氧量的焊接材料。例如，采用低氧或無氧焊條、焊劑；采用高純度的惰性氣體作為保護(hù)氣體；或者采用真空條件下焊接，這樣可以降低焊縫金屬的含氧量?！?/p>

控制焊接工藝參數(shù)焊條電弧焊時(shí)增加電弧電壓使空氣容易侵入電弧，并且增加了氧與熔滴接觸的時(shí)間，致使焊縫含氧量增加，所以，為了減少焊縫含氧量應(yīng)盡量采用短弧焊。此外，焊接方法、焊接電流種類和極性以及熔滴過渡特性等對于焊縫含氧量也有一定的影響。采用控制焊接工藝參數(shù)來減少焊縫含氧量的辦法是很有限的?！?/p>

采用冶金方法脫氧可通過向焊絲或焊條藥皮中加入某種合金元素，使這些合金元素在焊接過程中首先被氧化，

從而保護(hù)被焊金屬及其合金元素不被氧化。這種措施在生產(chǎn)實(shí)際中是行之有效的。三、

焊接熔渣焊接時(shí)焊條藥皮、藥芯和焊劑受熱熔化并通

過化學(xué)反應(yīng)形成的多種物質(zhì)組成的體系就是

焊接熔渣。熔渣與液體金屬發(fā)生一系列的物

理化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)在很大程度上決定了

焊縫的成分和性能，在焊接過程中有非常重要的作用。1、

熔渣的作用(1)機(jī)械保護(hù)作用焊接時(shí)形成的液態(tài)熔渣覆蓋在熔滴和熔池的表面上，把液態(tài)金屬與空氣隔離開，保護(hù)液態(tài)金屬不被氧化和氮化。熔渣凝固后所形成的渣殼覆蓋在焊縫金屬上，可以使高溫的焊縫金屬不受空氣的有害作用。(2)改善焊接工藝性能在熔渣中加入某些物質(zhì)

可以使電弧容易引燃、穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，保證具有良好的操作性、脫渣性和焊縫成形等。(3)冶金處理作用在一定的條件下，熔渣可以去除焊縫中的有害雜質(zhì)，如氧、硫、磷以及氫等。

還可向焊縫金屬過渡有益的合金元素，實(shí)現(xiàn)焊縫金屬的合金化，提高焊縫金屬的性能。2、

熔渣的成分及結(jié)構(gòu)>根據(jù)焊接熔渣的渣系主要成分和特點(diǎn)，可將

焊接熔渣分為三大類，即鹽型熔渣、鹽-氧化物型熔渣和氧化物型熔渣。>熔渣的結(jié)構(gòu)理論有兩種：分子理論、

離子理

論3、

熔渣的性能>

堿度：酸性、堿性>粘度：對焊接的工藝性能、金屬的保護(hù)、焊縫成形以及焊接冶金反應(yīng)都有顯著的影響。(長渣、短渣)>表面張力：熔渣的表面張力就是氣相與熔渣之間的界面張力，它對熔滴過渡、脫渣性、

焊縫成形及冶金反應(yīng)有著重要的影響。>熔點(diǎn)：要求熔渣的熔點(diǎn)(或焊條藥皮的熔點(diǎn)、

焊劑的熔點(diǎn))與焊絲和母材的熔點(diǎn)相匹配，以滿足焊接工藝性能和焊接質(zhì)量的要求?！?.2.3焊接接頭的組織及性能熔化焊時(shí)，被焊材料在高溫?zé)嵩醋饔孟?，發(fā)生了局部熔化，并與熔化的填加材料混合形成具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬，

稱之為熔池，在此過程中，發(fā)生了冶金反應(yīng)。當(dāng)熱源離開后，

熔池開始冷卻結(jié)晶、凝固及固態(tài)相變，最終形成焊縫?？拷?/p>

池的金屬，由于經(jīng)歷了焊接高溫?zé)嵩吹臒嵫h(huán)作用，其組織和

性能也會(huì)發(fā)生變化，這一區(qū)域稱之為焊接熱影響區(qū)(HeatAffected

Zone,

簡稱HAZ)

或近縫區(qū)。介于焊縫和熱影響區(qū)之間的過渡區(qū)稱為熔合區(qū)。焊接接頭主要是由焊縫和熱影響區(qū)組

成的，如下圖所示。由于焊接接頭各組成部分經(jīng)歷的焊接熱循

環(huán)作用是不同的，所以會(huì)形成不同的微觀組織，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)

生缺陷，從而影響到整個(gè)接頭的作用。在很多情況下，焊接熱

影響區(qū)的質(zhì)量與焊縫質(zhì)量是同等重要的，有些金屬的焊接熱影

響區(qū)存在的問題比焊縫更要復(fù)雜。焊接接頭組成示意圖1-焊縫2-熔合區(qū)3-熱影響區(qū)4-母材1、

焊縫組織及性能>焊縫凝固時(shí)的晶粒主要是柱狀晶和少量等軸晶，焊接熔池完全凝固以后，隨著冷卻過程的繼續(xù)進(jìn)行，對于

鋼鐵材料來講，焊縫金屬將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變后的組織根據(jù)焊縫的化學(xué)成分和冷卻條件不同而不同。>對于低碳鋼焊縫來說，由于其含碳量較低，固態(tài)相變

后的結(jié)晶組織主要是鐵素體加少量珠光體。鐵素體一

般都是首先沿原奧氏體邊界析出，這樣就勾勒出凝固

組織的柱狀輪廓，其晶粒十分粗大。>低合金鋼焊縫的固態(tài)相變組織。低合金鋼焊縫固態(tài)相

變后的組織化