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1、焊接冶金学及金属材料焊接（第二版） 课题一课题一 控制焊缝熔合比控制焊缝熔合比 课题二课题二 焊接熔渣对焊接冶金的作用焊接熔渣对焊接冶金的作用 课题三课题三 控制气相对熔池金属的危害控制气相对熔池金属的危害 课题四课题四 焊缝金属的合金化途径焊缝金属的合金化途径 课题五课题五 焊缝金属的脱硫、脱磷方法焊缝金属的脱硫、脱磷方法模块一模块一 焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程课题一控制焊缝熔合比一、熔池形成过程 定义：熔焊时在焊接热源作用下，焊件上由熔化的填充金属和熔化的母材组成具有一定几何形状的液体金属部分叫做熔池。 （一）熔池的形状和尺寸图1-1 熔池示意图回目录 （二）熔池的质量和存在时间 t
2、max在几秒与几十秒之间变化。焊缝轴线上各点在液态停留的时间最长，离轴线越远，停留的时间越短。一般情况下，熔池存在的时间与熔池长度成正比，与焊接速度成反比。 （三）熔池的温度图1-3 熔池的温度分布 1-熔池中部、2-熔池头部、3-熔池尾部课题一控制焊缝熔合比（四）熔池中液态金属的流动使熔池中液态金属发生运动的主要原因如下：1、液态金属的密度差所产生的自由对流运动2、表面张力所引起的强迫对流运动3、热源的各种机械力所产生的搅拌运动正是这些运动促使熔池中的冶金反应剧烈发生，对保证焊接质量的稳定性具有重大的意义。课题一控制焊缝熔合比二、对焊接区金属的保护 保护提供良好的工艺性能渗合金保证冶金反应过
3、程焊条药皮的作用1.保护的必要性1）提高焊接过程稳定性，减少飞溅2）减少合金烧损3）防止产生焊接缺陷，以保证力学性能课题一控制焊缝熔合比 2、保护方式及效果保护方式课题一控制焊缝熔合比1）气保护2）渣保护3）气渣联合保护4）真空保护5）自保护保护效果用焊缝金属中的氮含量来衡量三、焊接化学冶金反应区 特点：分区域连续进行。反应相：熔化金属、熔渣电弧气氛。 1.药皮反应区的特点：（100至药皮的熔点约1200）达到100 时，水分蒸发；超过200时，有机物分解；超过200时，结晶水蒸发；继续升高温度，碳酸盐开始分解。课题一控制焊缝熔合比2.熔滴反应区的特点（从熔滴形成、长大，到过渡到熔池之前）特点
4、：焊接反应焊接反应最为激烈最为激烈的部位的部位课题一控制焊缝熔合比熔滴比表面积大；液体金属与熔渣发生强烈的混合。熔滴的温度高；作用时间短；3.熔池反应区的特点特点：课题一控制焊缝熔合比1）熔池的平均温度较低；2）比表面积小，反应时间较长；3）熔渣参与反应较多。四、焊接化学冶金反应的条件和特点课题一控制焊缝熔合比（1）温度高 （2）比表面积大（3）时间短 （4）处于不停的运动之中 （5）反应条件不断变化五、焊接参数与焊接化学冶金的关系1.焊接参数影响冶金反应的条件和作用时间熔滴阶段的反应时间（熔滴存在的时间）随着电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。因此可以断定反应进行的完全程度将随着电流
5、的增加而减少，随着电弧电压的增加而增大。试验表明试验表明课题一控制焊缝熔合比2.焊接参数影响参加冶金反应的熔渣量六、熔合比的控制 定义：在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比 。 影响因素：课题一控制焊缝熔合比（1）预热的影响 （2）焊接参数的影响 （3）焊接方法的影响 （4）坡口形式和焊接层数的影响 一、焊接熔渣1.熔渣在焊接过程中的作用回目录课题二 焊接熔渣对焊接化学冶金的作用（1）机械保护作用（2）改善焊接工艺性能（3）冶金处理作用 （4）改善热规范 2.熔渣的成分和分类（1）盐型熔渣 主要有CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6， Ba
6、F2-MgF2-CaF2-LiF等。 （2）盐-氧化物型熔渣 主要有CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al203-SiO2、CaF2-CaO-SiO2-MgO等。 （3）氧化物型熔渣 主要有FeOMnO-SiO2、CaOTiO2-SiO2、MnO-SiO2等。课题二 焊接熔渣对焊接化学冶金的作用二、熔渣的冶金作用 （一）熔渣的性质 1.熔渣的碱度 分子理论： 从理论上讲，B11时，熔渣为碱性熔渣；B10时，则熔渣为碱性熔渣；当B2ZrTiSiVMnCrMoWFeCoNiCu%1000 xxdx课题四 焊缝金属的合金化途径2.合金元素的物理性质的影响合金元素的沸点越低，饱和蒸气压越大
7、，焊接时的蒸发损失越大，其过渡系数越小。如锰很容易蒸发，故在其他条件相同的情况下，其过渡系数较小。3.焊接区介质的氧化性的影响焊接区介质的氧化性的强弱是影响过渡系数的重要因素。在焊接高合金钢或某些合金时，在弱氧化性介质或惰性气体中进行焊接时，其合金元素的过渡系数大，将有利于合金元素的过渡。 课题四 焊缝金属的合金化途径4.合金元素浓度的影响随着药皮（或焊剂）中合金元素浓度的增加，其过渡系数在开始时相应地增大，当它的含量超过某一数值时，其过渡系数将趋于一个定值 5.合金元素的粒度加大合金元素的粒度，其表面积减小，氧化损失减小，而残留在渣中的损失不变，所以过渡系救提高。但粒度过大不易熔化，使渣中的
8、残留损失增加，过渡系数将下降。 实验表明实验表明课题四 焊缝金属的合金化途径6.药皮(焊剂)的成分药皮或焊剂的成分决定了气相和熔渣的氧化性、熔渣的碱度和粘度等性能，因而对合金过渡系数影响很大。7.药皮的重量系数和焊接参数 当药皮成分一定时，药皮重量系数增加，合金元素的过渡系数减小。 课题四 焊缝金属的合金化途径一、焊缝金属的脱硫1.硫的危害以低熔点共晶(Fe+FeS，熔点为985)的形式呈分布于晶界，增加了焊缝金属结晶裂纹的倾向；与Ni形成熔点更低的共晶(NiS+Ni，熔点664)，产生结晶裂纹的倾向更大。 回目录课题五 焊缝金属的脱硫、脱磷方法2.脱硫的方法（1）选择对硫亲和力比铁大的元素进
9、行脱硫 FeS+Mn=（MnS）+Fe （2）熔渣脱硫利用熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO等进行脱硫的方式。其反应如下： FeS+（MnO）=（MnS）+（FeO） FeS+（CaO）=（CaS）+（FeO）增加熔渣增加熔渣的碱度可的碱度可以脱硫以脱硫课题五 焊缝金属的脱硫、脱磷方法二、焊缝金属的的脱磷1.磷的危害磷与铁和镍形成低熔点共晶，如Fe3P+Fe（熔点1050）、Ni3P+Fe(熔点880),增加了焊缝金属的冷脆性。 2.脱磷的方法脱磷反应可分为两步进行：第一步是将磷氧化成P2O5，其反应式为： 2Fe2P5（FeO）P2O59Fe 2Fe3P5（FeO）P2O511Fe 课题五
10、 焊缝金属的脱硫、脱磷方法第二步使之与渣中的碱性氧化物CaO生成稳定的复合化合物进入熔渣，其反应式为： P2O53（CaO）（CaO）3P2O5 P2O54（CaO）（CaO）4P2O5 由于碱性熔渣中含有较多的CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣好。课题五 焊缝金属的脱硫、脱磷方法（第二版）焊接冶金学及金属材料焊接课题一课题一 熔池的凝固熔池的凝固课题二课题二 焊缝组织与性能控制焊缝组织与性能控制模块二 焊缝组织与性能的控制课题一 熔池的凝固定义：熔焊时母材上所形成的具有一定几何形状的液体金属部分叫熔池。一、熔池凝固的特点和规律（一）熔池结晶的特点 回目录熔池的体积小，冷却速度大。（1）熔池中的液
11、态金属处于过热状态（2）（二）熔池结晶的一般规律1.熔池中晶核的形成非自发晶核依附在熔合区附近半熔化状态基本金属表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心成长，形成所谓的交互结晶（或称联生结晶），如图所示。熔合区母材晶粒表面上生长的柱状晶熔合区母材晶粒表面上生长的柱状晶型奥氏体不锈钢焊缝联生结晶型奥氏体不锈钢焊缝联生结晶课题一 熔池的凝固 2.熔池中的晶核长大熔池金属开始结晶时，总是从靠近熔合线处的母材上联生地长大起来。当晶体最易长大方向与散热最快方向（或最大温度梯度方向）相一致时，则最有利于晶粒长大，便优先得到生长，可以一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。焊缝中柱状晶优先生长方向焊缝中柱状晶优先
12、生长方向 课题一 熔池的凝固二、熔池结晶的形态焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。每个柱状晶内还有不同的结晶形态（如平面晶、胞晶和树枝状晶等），而等轴晶内一般都呈现树枝晶。 （一）纯金属的结晶形态冷却速度越大，过冷度（T）越大，过冷度的大小只决定于温度的梯度。1.正温度梯度（G0）纯金属焊缝凝固时，一般均属于这种情况，如下图b所示。课题一 熔池的凝固纯金属的结晶形态纯金属的结晶形态a)G0时的温度分布 b)G0时的界面结晶形态c)G0是的温度分布 d)G0时的界面结晶形态TM纯金属的凝固点 T过冷度 课题一 熔池的凝固2.负温度梯度（G0） 由于液体内部的温度比界面低，过冷度大，伸入液体
13、金属内部的晶体成长速度很快，除了主干之外，还有分支，形成所谓树枝状晶，如图2-4d所示。树枝状晶体的立体模型如图所示。树枝状晶体模型树枝状晶体模型课题一 熔池的凝固 （二）固溶体合金的结晶形态（二）固溶体合金的结晶形态合金的结晶温度与成分有关，合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷之外（温度过冷），还存在由于固-液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶时不必很大的过冷就可以出现树枝结晶。由于过冷程度的不同，就会使焊缝组织出现不同的形态。经分析、归纳，大致可分为以下五种结晶形态。 课题一 熔池的凝固纯铌板焊缝平面晶纯铌板焊缝平面晶 （三）成分过冷对结晶形态的影响1.平面结晶 多发
14、生在高纯度的焊缝金属，如纯铌板氩弧焊时，就是以平面结晶的形态进行长大，如图所示。课题一 熔池的凝固 2.胞状结晶 因平面结晶界面处于不稳定的状态，凝固界面长出许多平行束状的芽胞伸入过冷的金属内，断面是六角形的胞状结晶形态，如同细胞或蜂窝状。金相照片如图所示。胞状晶组织胞状晶组织课题一 熔池的凝固3.胞状树枝结晶 焊缝中出现的胞状树枝结晶如图所示。焊缝中的胞状树枝晶焊缝中的胞状树枝晶a) 含Ti的HY80钢的TIG焊焊缝中的胞状树枝晶 b)316L不锈钢焊缝中的胞状树枝晶课题一 熔池的凝固 4.树枝状结晶 304不锈钢不锈钢TIG焊缝中心部位的树枝状晶焊缝中心部位的树枝状晶课题一 熔池的凝固5.
15、等轴结晶晶粒的四周不受阻碍，可以自由生长，形成等轴晶，如图所示。铝板铝板TIG焊时焊缝等轴晶焊时焊缝等轴晶课题一 熔池的凝固 总括以上，五种不同的结晶形态都是具有内在的因素。大量的实验证明，结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度、结晶速度（或晶粒长大速度）和液相中温度梯度的综合作用。它们对结晶形态的影响关系如图所示。C0、R、G对结晶形态的影响对结晶形态的影响 课题一 熔池的凝固（四）焊接条件下的熔池结晶形态如图示意地表示了结晶形态的变化过程。焊缝结晶形态变化示意图焊缝结晶形态变化示意图课题一 熔池的凝固除了焊缝金属成分对结晶形态有影响之外，焊接工艺参数也有很大的影响。1)焊接速度的影响 2)焊接
16、电流的影响三、焊缝金属的化学成分不均匀性 （一）焊缝中的化学不均匀性（一）焊缝中的化学不均匀性定义：焊缝金属在结晶过程中，由于合金元素来不及扩散而存在化学成分的不均匀性。 1.显微偏析由于焊接过程中冷却较快，固相的成分来不及扩散，而在相当大的程度上保持着由于结晶有先后所产生的化学成分不均匀性。 课题一 熔池的凝固2.区域偏析当焊接速度较大时，成长的柱状晶最后都会在焊缝中心附近相遇。使溶质和杂质都聚集在那里，凝固后在焊缝中心附近出现区域偏析。3.层状偏析焊缝断面经浸蚀之后，可以明显的看出层状分布。实验证明，这些分层是由于结晶过程周期性变化而化学成分分布不均匀造成的，因此成为层状偏析，如后图所示。
17、层状偏析常集中一些有害的元素（碳、硫、磷等），因而缺陷也往往出现在偏析层中。课题一 熔池的凝固焊缝的层状偏析焊缝的层状偏析 层状偏析与气孔层状偏析与气孔 a)手弧焊 b)电子束焊课题一 熔池的凝固（二）熔合区的化学成分不均匀性1.熔合区的形成对于不同的晶粒，熔化程度可能有很大的不同。如图所示，有阴影的地方是熔化了的晶粒，其中有些晶粒有利于导热而熔化的较多（1、3、5），而有些晶粒熔化较少（2、4）。所以母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区，即所谓熔合区。课题一 熔池的凝固熔合区晶粒熔化情况熔合区晶粒熔化情况2.熔合区宽度熔合区的大小决定于材料的液-固温度范围、被焊材料本身的热物理性质和
18、组织状态，可以按下式进行估计：对于碳钢、低合金钢熔合区附近的温度梯度约为300-800mm，液-固相线的温度差约为40。因此，一般电弧焊的条件下，熔合区宽度：A=40/（300800）=0.1330.15(mm)对于奥氏体钢的电弧焊时A=0.060.12 mm。YTTsTL /A=课题一 熔池的凝固3.熔合区的成分分布在固-液界面溶质浓度的分布如图所示，界面附近溶质浓度的波动比较大。固固-液界面溶质浓度的分布液界面溶质浓度的分布实线表示液固共存时溶质浓度的变化 虚线表示凝固后溶质浓度的变化课题一 熔池的凝固 一、焊缝金属的固态相变焊缝金属的固态相变遵循一般钢铁相变的基本规律。一般情况下，相变形
19、式取决于焊缝金属的化学成分和连续冷却过程的冷却速度。 （一）低碳钢焊缝的固态相变（一）低碳钢焊缝的固态相变 由于低碳钢的含碳量较低，故焊缝的相变后的二次组织主要是铁素体+少量的珠光体。冷速越高，珠光体比例越大，与此同时，组织细化，硬度上升。 回目录课题二 焊缝组织与性能控制（二）低合金钢焊缝的固态相变（1）铁素体转变1）先共析铁素体 当高温停留时间较长，冷速较低时，先共析铁素体数量增加。2）侧板条铁素体 侧板条铁素体的析出抑制了焊缝金属的珠光体转变，因而扩大了贝氏体转变的范围。3）针状铁素体 针状铁素体组织具有优良的韧性。冷速越高，针状铁素体越细，韧性越高。4）细晶铁素体 细晶铁素体通常形成于
20、含有细化晶粒元素（如Ti、B等）的焊缝金属中。课题二 焊缝组织与性能控制（2）珠光体转变一般情况下，低合金钢焊缝中很少会发生珠光体转变，只有在冷却速度很低的情况下，才能得到少量的珠光体。 （3）贝氏体转变当冷却速度较高或过冷奥氏体更稳定时，珠光体转变被抑制而出现贝氏体转变。（4）马氏体转变过冷奥氏体保持在Ms点一下，就会发生扩散型的马氏体转变。 1）板条马氏体通常出现在低碳合金钢焊缝中，因而又称为低碳马氏体。 2）片状马氏体 片状马氏体一般出现于含碳量较高（wC0.40）的焊缝中。 课题二 焊缝组织与性能控制二、焊缝金属组织与性能的改善 （一）焊缝金属的固溶强化和变质处理 定义：焊接时通过焊接
21、材料（焊条、焊丝或焊剂）在金属熔池中加入少量某些合金元素，使结晶过程发生明显变化，从而使晶粒细化的方法叫做变质处理。目前变质处理常用的元素有o、V、Ti、Nb、Zr、Al及稀土元素。 1.Mn和Si对焊缝性能的影响 Mn和Si是一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素。它们一方面起到脱氧作用另一方面通过固溶强化作用提高焊缝金属的抗拉强度。课题二 焊缝组织与性能控制 2.铌（Nb）和钒（V）对焊缝性能的影响 只有经过正火处理的焊缝，才能改善韧性和降低强度。在这种情况下才可以通过焊接材料向焊缝添加Nb或V。 3.钛（Ti）、硼（B）对焊缝韧性的影响 低合金钢焊缝中有Ti、B存在可以大幅度地提高
22、韧性。 4.钼（Mo）对焊缝韧性的影响 低合金焊缝中加入少量的Mo不仅提高强度，同时也能改善韧性。 5.稀土元素对焊缝金属性能的影响 稀土降低焊缝中的扩散氢含量，改善焊缝的抗热裂倾向，特别是稀土能改善焊缝金属的韧性。 课题二 焊缝组织与性能控制 （二）调整焊接工艺课题二 焊缝组织与性能控制1.调整焊接工艺参数 2.振动结晶 3.焊后热处理 4.多层焊 5.跟踪回火 6.锤击坡口或焊道表面焊接冶金学及金属材料焊接（第二版）课题一课题一 焊接温度场的控制焊接温度场的控制课题二课题二 焊接热影响区的组织与性能控制焊接热影响区的组织与性能控制模块三 焊接热影响区组织与性能控制定义：1.热影响区（Hea
23、t Affected Zone，简称 HAZ）所谓焊接热影响区就是靠近焊缝的母材在焊接热源的作用下，发生金相组织和力学性能变化的区域，有时也称此区为近缝区。2.焊接接头:由两个主要部分所组成，焊缝和焊接热影响区（见示意图）课题一 焊接温度场的控制 回目录 焊接热影响区示意图焊接热影响区示意图熔合区熔合区课题一 焊接温度场的控制一、焊接热循环的基本概念课题一 焊接温度场的控制焊接过程中，热源沿焊件移动，焊件上某点（坐标x、y、z）温度T随时间t由低到高，达到最大值后，又由高到低的变化过程，叫做该点的焊接热循环（见图），其数学表达式为： （、）f（） 焊接热循环TC-C点瞬时温度 TH-相变温度课
24、题一 焊接温度场的控制低碳钢手弧焊距焊缝不同距离各点的焊接热循环二、焊接热循环的基本参数表征焊接热循环的参数主要有加热速度、加热的峰值温度、相变温度以上的停留时间和冷却速度或冷却时间。（一）加热速度（H）工件上某点的加热速度可用数学表达式表达如下： H T相变 A均质化和碳化物溶解越不充分tTH = 课题一 焊接温度场的控制（二）加热的峰值温度（Tm）加热的峰值温度Tm，也就是热影响区某点在焊接热循环中所经历的最高温度。低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由于温度高（13001350），晶粒发生严重长大，从而使韧性严重下降。 （三）相变温度以上的停留时间（tH)为了便于分析研究，有时
25、把高温停留时间分为加热过的停留时间t和冷却过程的停留时间t，即tHt+ t。 tH 越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但tH 越长，奥氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如1100以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。课题一 焊接温度场的控制（四）冷却速度（c）和冷却时间（tc ）1.冷却速度是一个不易准确描述的变化量，在工程实际应用中常用冷却时间t85、t83或t100来表述焊接冷却过程2. t85、t83为焊接冷却过程中温度从800500 或800300 的冷却时间。3. t100为焊后冷却到100 所用时间。课题一 焊接温度场的控制三、多层焊接热循环的特点及控制比起单层焊接
26、来，多层焊接在工艺上不受焊缝截面尺寸限制，可以在更大范围内调整线能量和其它工艺参数。在相邻焊层之间，彼此遭受预热或后热之类的热处理，从而使焊接接头某点所经历的热循环以及金属的组织和性能所发生的变化不尽相同于单层焊接。多层焊可分为“长段多层焊”和“短段多层焊”。 （一）长段多层焊所谓长段多层焊，就是每道焊缝的长度较长，例如手弧焊时在1m以上。 课题一 焊接温度场的控制长段多层焊接热循环长段多层焊接热循环a)焊接各层时，近缝区1、2、3点的热循环 b)各层焊缝断面示意图课题一 焊接温度场的控制（二）短段多层焊所谓短段多层焊，就是每层（或每道）焊缝长度较短，例如手弧焊时约为50400 mm。短段多层
27、焊接热循环短段多层焊接热循环a)点1的热循环 b)点4的热循环课题一 焊接温度场的控制 四、焊接温度场的特征焊接时，工件上焊接区内任何地点的温度将随着时间t和该点的位置（坐标x、y、z）的不同而变化。其中，某点温度随时间的变化T(x、y、z）=f ()就是焊接热循环。而在某个瞬间（=定值k）工件上各点的温度分布，则称作焊接温度场。在研究温度场时则通常用等温线或等温面来表示。所谓等温线或等温面，就是温度相等各点的连线或连面。在作图或数学解析取坐标系时，通常是以原点O为热源所处位置，X轴为热源移动方向，Y轴为宽度方向，Z轴为厚度方向（如图）。课题一 焊接温度场的控制温度场示例温度场示例a)焊件上的
28、坐标轴 b)XOY面的等温线和最高温度点曲线（虚线）c)沿X轴的温度分布曲线 d) 沿Y轴的温度分布曲线准稳定温度场的特征是：取以热源为坐标原点的移动坐标系，该坐标系中各点的温度与时间无关，只决定于该点所处的位置。由此可见，准稳定温度场中的温度分布，实质上相应于热饱和状态下某瞬时固定坐标系中的非稳定温度场温度分布。课题一 焊接温度场的控制（一）工件的尺寸形状和热源的种类特征（二）焊接规范（三）金属热物理性质五、影响温度场的因素一、焊接热循环条件下金属的组织转变特点 （一）焊接加热过程的相变特点焊接时的快速加热、高温停留时间短暂等特点，将使相图中的临界转变点提高，使毗邻熔合线的近缝区晶粒可能显著
29、长大，同时使奥氏体的化学成分不均匀性和组织不均匀性倾向增大。 （二）焊接冷却过程的相变特点1.铁素体、珠光体区的转变特点 如果焊接工艺不当，这个地段将出现魏氏组织铁素体，金属性能将更为下降。魏氏组织是在高温下形成的，转变时碳和合金元素均有扩散能力。在魏氏组织形成过程中，先析出的铁素体中的碳将向两侧的奥氏体母相中扩散，从而使奥氏体中碳的浓度不断增高，最终转变为珠光体。 回目录 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制2、马氏体区的转变特点溶入奥氏体中的不同合金元素对MS点有不同的影响。钴和铝提高MS点，硅和硼基本上不影响MS点，其它绝大多数合金元素均不同程度地降低MS点。合金元素对MS点的影响还与钢
30、的含碳量有关。含碳量越高，合金元素的影响越强烈。3、贝氏体的转变特点焊接热循环的影响主要体现在冷却速度上。冷却速度太大，主要将发生马氏体和下贝氏体转变；冷却速度太小，则富碳奥氏体以及M-A组元也会分解，主要生成贝氏体。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制二、焊接热影响区的组织 （一）淬硬倾向较小的钢种（1）熔合区随着焊缝和母材中合金元素的增加，其化学成分和组织性能上的不均匀性随之增加，很可能引起力学性能如塑性、韧性以至强度的下降。（2）过热区（粗晶粒区）处于过热状态，奥氏体晶粒易于发生严重的长大现象，从而在冷却后获得晶粒粗大的、甚至出现魏氏组织的所谓过热组织。 （3）相变重结晶区（细晶粒区）
31、塑性和韧性等力学性能都比较好，通常是焊接接头中最不容易产生缺陷的地区。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制（4）不完全重结晶区（不完全相变区）金属组织不均匀，晶粒大小不一，力学性能也不太高。（5）再结晶区母材在经过冷加工导致塑性变形时，将发生晶粒破碎，等轴晶变成非等轴晶等过程。从而使强度升高，塑性、韧性下降。当这样的母材经受焊接，其热影响区的某一地段所经历的峰值温度处于再结晶开始温度（对于低碳钢约为450500 ）至Ac1之间时，金属将因受热再结晶而使遭受破坏的晶粒生长成为新的等轴晶，力学性能得到恢复。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制（6）蓝脆区蓝脆区所经历的峰值温度约为200500
32、，因此时强度略有升高，塑性韧性下降（尤以200300 ）为甚，金属表面呈现蓝色得名。 （二）淬硬倾向较大的钢种（1）熔合区由于这里的冷却速度大，对于淬硬倾向较大的钢种还需要考虑到所发生的马氏体转变或淬硬组织的生成等情况。 （2）过度淬火区（过热区）过热区所经历的峰值温度处在固相线与奥氏体晶粒迅速长大的温度之间，因此金属处于过热状态，奥氏体晶粒易发生严重的长大想象。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制焊接冷却之后很可能得到粗大的马氏体组织，相应与热处理淬火时加热温度过高的情况，从而得名过度淬火区。粗大的马氏体组织塑性及韧性很差，易于产生冷裂纹。在焊接条件下，过度淬火区经常是这类钢种焊接接头的裂
33、源和脆性破坏等的区域。（3）正常淬火区正常淬火区所经历的峰值温度，是在奥氏体晶粒迅速长大温度与临界相变点Ac3温度之间，相当于前述钢种的正火区部分。所不同的是焊接冷却之后得到的不是普通的正火组织，而是相当于热处理时的正常淬火组织，如细小的马氏体等，因而得名正常淬火区。一般而言，细小的低碳钢马氏体有一定的韧性，高碳马氏体则是另一个问题，易于产生焊接缺陷。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制（4）不完全淬火区不完全淬火区所经历的峰值温度在Ac1Ac3之间。在加热时金属中原先的珠光体、托氏体、贝氏体之类转变为奥氏体，同时存在一部分未溶入奥氏体的铁素体。在随后的快速冷却过程中，奥氏体转变为马氏体，原
34、铁素体保持不变并有所长大，从而在最后得到马氏体或其它较硬相+铁素体的混合组织。这种组织很不均匀，可能会出现软点。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制（5）回火区回火区所经历的峰值温度低于相变点Ac1，因此在焊接过程中相当于经受了不同程度的各种热处理回火。至于其组织和性能，则与母材的焊前热处理状态有关。如果母材焊前处于完全退火状态，那么除经受过冷加工可有再结晶回复外，基本上不再受焊接热过程影响，硬度大体应与焊前一致，也就是与母材一致。如果母材焊前处于完全淬火状态，则回火区中距离焊缝越近的点，也就是所经历的峰值温度越高的点，受到的回火作用应当越大，硬度越低。如果母材焊前处于调质状态，回火区中组织
35、性能的变化与否应与母材焊前调质状态的回火温度有关。凡焊接时所经历峰值温度低于回火温度的地段，其组织与性能将基本不发生变化。而高于此温度的区域则进一步经受回火作用，使强度、硬度低于母材。可见，在焊接调质钢时回火区有可能出现软化现象。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制例子：16Mn钢的焊接热影响区组织见书中图。 12CrMoWVTiB氩弧焊热影响区组织见图。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制12Cr2MoWVTiB钢焊接热影响区组织a)过热区 b)正常淬火区 c)不正常淬火区三、焊接热影响区的性能（一）热影响区力学性能的一般情况以各部分所经历的焊接热循环峰值温度为横坐标，以力学性能参数为纵
36、坐标的坐标系曲线来表示。低碳低合金钢热影响区常规力学性能是随区域而变化的。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制低合金钢热影响区力学性能变化（二）焊接热影响区的硬度在焊接热影响区的诸力学性能中，作焊接性能分析时很重视其硬度分布，尤其是热影响区的最高硬度。一定钢种的硬度大小，一般地表明了该钢材的组织状态和性能情况。例如，随着硬度的升高，通常表明钢中硬组织的比例或淬硬程度的升高。随之强度上升，塑性下降，裂纹倾向增大，焊接性变差。因此，热影响区的硬度分布以及最高硬度，常用来作为确定焊接性能的一个重要参考指标。一般最高硬度都出现在过热区的靠近熔合线处。 课题二 焊
37、接热影响区的组织与性能控制不同强度的低合金钢接头硬度分布不同强度的低合金钢接头硬度分布 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制调质钢焊接热影响区硬度分布调质钢焊接热影响区硬度分布A-焊前淬火+低温回火 B-焊前淬火+高温回火C-焊前退火1淬火区 2部分淬火区 3回火区 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制 热影响区的最高硬度既可以可由实验确定，也可以根据焊接条件由该钢种的相应SHCCT图或组织图大致得知。此外还有许多估算Hmax的方法或经验公式。这些公式，尽管只是粗略的，其结果与实际可能有一定的出入。但是由于其简单易行，在估定钢材的焊接性，拟定其制作工艺方案时，很有参考价值。 （三）焊接热影响区
38、的韧性和脆性 金属的脆化可由其脆性转变温度Tcr表征。碳-锰钢焊接接头的脆化分布倾向见下图。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制碳碳-锰钢焊接接头的脆性锰钢焊接接头的脆性 转变温度分布转变温度分布 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制由图可见，从焊缝开始存在两个脆化区：其一在邻接熔合线的粗晶粒过热区，即粗晶脆化区。另一个在峰值温度较低的600400 地段，即时效脆化区，而峰值温度为900 附近的细晶粒正火区，则脆性转变温度低下，说明韧性很高。 （1）粗晶脆化、淬硬脆化和M-A组元脆化（2）相变点以下区域的脆化焊接界常把它们因焊接而脆化的原因归之为急冷时应变时效。而能产生急冷时效和应变时效的材
39、料也并不限于不易淬火钢。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制所谓时效，是指钢材或其它材料以某种状态放置后，性能随时间变化的现象。一般表现为随时间的延长，硬度升高、伸长率下降、冲击韧度降低等。总的说来，能发生时效现象的场合很多，其机理也各不相同。其中钢材被加热到相变点Ac1点以下被急冷所引起的时效称作急冷时效；钢材经冷作加工造成塑性应变所引起的时效称作应变时效。（3）热影响区的软化理论和实验结果都表明，热影响区出现软化区后，整个焊接接头的强度尚与软化区的宽度有关，而软化区的宽度则在很大程度上取决于焊接方法和焊接工艺（如焊接线能量等）。焊接线能量越大，软化区宽度越大，同时接头强度也降低越多。 课
40、题二 焊接热影响区的组织与性能控制调质钢焊接时，硬度最低的部位所经历焊接热循环的峰值温度在Ar1附近，并与焊接母材的组织状态无关。至于沉淀强化合金，则是经过固溶和时效处理的合金（镍合金、铝合金等）。其焊接接头峰值温度超过某些值的热影响区地段，将发生类似于过时效的脱溶析出平衡相过程，从而焊接强度、硬度降低。 课题二 焊接热影响区的组织与性能控制焊接冶金学及金属材料焊接（第二版） 课题一课题一 焊缝中气孔的防止焊缝中气孔的防止 课题二课题二 焊缝中夹杂物的防止焊缝中夹杂物的防止 课题三课题三 焊接裂纹的分类及其基本特征焊接裂纹的分类及其基本特征 课题四课题四 焊接热裂纹的防止焊接热裂纹的防止 课题
41、五课题五 焊接冷裂纹的防止焊接冷裂纹的防止 课题六课题六 其他焊接裂纹的防止其他焊接裂纹的防止模块四 焊接冶金缺陷的防止课题一 焊缝中气孔的防止一、气孔的分类及影响因素 回目录（一）气孔分类表面气孔内部气孔氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔析出型气孔反应型气孔1.析出型气孔 因溶解度差而造成过饱和状态的气体的析出所形成的气孔，称为析出型气孔。这类气体主要是由外部侵入熔池的氢和氮。2.反应型气孔由于冶金反应而生成所谓反应性气体，这类气体主要是一氧化碳、水蒸气，均为不溶于金属的气体。由这类反应性气体所造成的气孔，称为反应型气孔。 课题一 焊缝中气孔的防止 （二）影响气孔形成的因素 1.气体的来源 （1）
42、焊接区周围的空气侵人熔池 空气的侵入是焊缝产生氮气孔的重要原因。 （2）焊接材料吸潮 空气中的水分非常容易吸附在焊接材料上，特别是焊条和焊剂。焊接材料吸潮是氢气孔产生的重要原因之一。 （3）工件及焊丝表面物质的作用课题一 焊缝中气孔的防止2.母材对气孔的影响金属导热性好，会造成接头具有较大的冷却速度，于是提高了熔池的结晶速度，从而增大了气孔的敏感性。液态金属的粘度对气孔影响也很大，液态金属迅速进入结晶阶段后，由于粘度急剧增大，气泡浮出困难，易于形成气孔。由于气体密度远小于液态金属的密度，因而气泡的浮出速度主要取决于液态金属的密度，其值越小，气泡浮出速度越小。因此，低密度金属(如铝、镁等)焊接时
43、易于产生气孔。 课题一 焊缝中气孔的防止3.焊接材料对气孔的影响（1）熔渣氧化性的影响当熔渣的氧化性增大时，则由一氧化碳引起气孔的倾向增加；相反，当熔渣的还原性增大时，则氢气孔的倾向增加。 （2）焊条药皮和焊剂的影响一般碱性焊条药皮中均含有一定量的萤石(CaF2)，焊接时它直接与氢发生反应，产生大量的HF，这是一种稳定的气体化合物，即使高温也不易分解。由于大量的氢被HF占据，因此可以有效地降低氢气孔的倾向。 （3）保护气体的影响从防止气孔产生的角度考虑，活性气体优于惰性气体。因为活性气体可以促使降低氢的分压和限制溶氢，同时还能降低液态金属的表面张力，增大其活性，有利于气体的排除。 课题一 焊缝
44、中气孔的防止 （4）焊丝成分的影响在许多情况下，希望形成充分脱氧的条件，以抑制反应性气孔的生成。 4.焊接工艺对气孔的影响（1）焊接工艺是通过影响电弧周围气体向熔融金属中的溶入及熔池中气体的逸出而对气孔的形成产生影响的。电弧不稳定或失去正常保护作用，均促使增大外在气体的溶入，从而增大气孔的倾向。（2）电源的种类、极性和所用焊接参数对气孔的形成也有重要影响。 一般来讲，交流焊接时的气孔倾向大于直流焊，直流正接时的气孔倾向大于直流反接，降低电孤电压可以减小气孔倾向。 课题一 焊缝中气孔的防止（3）熔池存在时间对气体的溶入与排出有明显的影响。存在时间长有利于气体排出，但也会增加气体的溶人。对于反应性
45、气体而言，显然应着眼于创造有利的排除条件，即应适当增大熔池的存在时间。因此，增大热输入是有利的，适当预热也是有利的。对于氢和氮等析出性气体而言，既要考虑气体的溶人，也要考虑气体的逸出。二、氮气孔的防止1.加强焊接区的保护 2.合理确定焊接工艺1) 尽量采用短弧焊接；2) 增大焊接电流。增大焊接电流可增加熔滴过渡频率，缩短熔滴与空气作用时间，因而焊缝中含氮量可减少；3）能用直流焊就不采用交流焊，能用直流反接就不采用直流正接。 课题一 焊缝中气孔的防止3.冶金处理在焊丝或药皮中增加碳含量，可以减低产生氮气孔的敏感性。这是由于碳能降低氮在铁中的溶解度，减少焊缝中的含氮量；碳氧化生成的CO、CO2加强
46、了焊接区的保护作用和降低氮的分压；碳氧化时引起的熔池沸腾也有利于氮的逸出。 三、氢气孔的防止1.控制氢的来源（1）对焊接材料必须防潮与烘干 一般对碱性焊条烘干温度为350450 ，酸性焊条为200 。（2）严格清理焊件 严格清理工件及焊丝表面的铁锈、油污等。 课题一 焊缝中气孔的防止2.冶金处理（1）增加药皮或焊剂中的氟化物，例如萤石。 （2）增强气相中的氧化性或增加熔池中的含氧量，都能使氢转变成OH，而OH不溶于液态金属，达到减少焊缝金属中氢溶解的目的，最终消除氢气孔。 3.控制焊接工艺参数 （1）焊条电弧焊时，适当降低焊接电流。因为电流降低时，熔滴变粗，比表面积减小，熔滴吸氢量较少。（2）
47、在可能的情况下，尽量选择直流反接。因为氢是以质子的形式向液态金属中溶解的。课题一 焊缝中气孔的防止四、一氧化碳气孔的防止1.限制焊丝中的含碳量2.采取冶金措施（1）通常在焊丝中添加Si、Mn等脱氧元素，减少氧化气氛，防止CO气孔生成。（2）在药皮或焊剂中增加SiO2 、TiO2等的含量。由于这些氧化物可与FeO生成复合物FeO SiO2和FeO TiO2，使FeO减少，从而减少产生CO气孔的可能。 3.合理确定焊接工艺尽量采用短弧焊接；焊接时，焊接规范要保持稳定。课题一 焊缝中气孔的防止五、实例 1.铝及铝合金焊接 2.CO2气体保护焊课题一 焊缝中气孔的防止铝及铝合金焊接气孔的分布特征(a)
48、皮下气孔(b)密集气孔工件焊接后出的气孔一、夹杂物的种类及危害回目录（一）夹杂物种类氧化物夹杂氮化物夹杂硫化物夹杂课题二 焊缝中夹杂物的防止 （二）夹杂物的基本特征1.在熔融状态由于表面张力的作用形成的滴状夹杂物，凝固后一般呈球状存在；2.具有较规则的结晶形状；3.形成复合夹杂物；4.呈连续或断续的形式沿着晶粒边界分布；5.按夹杂物的变形性不同，可分为塑性夹杂物、脆性夹杂物及点状夹杂物； 6、根据夹杂物的大小，分为尺寸小于0.2 m的超显微夹杂物，0.2100 m的显微夹杂物和大于100 m的大型夹杂物。 课题二 焊缝中夹杂物的防止 （三）夹杂物的危害1.氧化物夹杂降低焊缝强度、塑性、韧性；2
49、.氮化物夹杂会使焊缝的硬度增高，塑性、韧性急剧下降。3.FeS多在晶界析出，并与Fe或FeO形成低熔点（988）共晶，从而为产生热裂纹创造了条件。课题二 焊缝中夹杂物的防止二、焊缝中夹杂物的控制1.严格控制母材和焊材中的杂质含量。2.合理选择焊条或焊剂，以保证充分脱氧、脱硫。3.注意工艺操作。课题二 焊缝中夹杂物的防止课题二 焊缝中夹杂物的防止 三、实例1.16Mn钢埋弧焊焊缝中的点（球）状硅酸盐夹 杂物如图所示。(a)SEM 下观察到得球状夹杂物，1000 (b)0,Si、Mn的线扫描，4000 埋弧焊焊缝中的点（球）状夹杂物2.如图是在金相显微镜下拍摄的焊缝中典型的非金属夹杂物形貌。课题二
50、 焊缝中夹杂物的防止非金属夹杂物形貌3.埋弧焊时，焊缝的夹渣还与工件的装配情况和焊接工艺有关。课题二 焊缝中夹杂物的防止(a)焊道与坡口熔合情况对脱渣的影响 (b)脱渣困难焊道与坡口熔合情况对脱渣的影响(a)脱渣容易 (b)脱渣困难多层焊时焊道大小对脱渣的影响一、焊接裂纹的危害 （1）减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结构的承载能力； （2）构成了严重的应力集中； （3）造成泄漏； （4）表面裂纹能藏垢纳污，容易造成或加速结构腐蚀。 （5）留下隐患，使结构变得不可靠。回目录课题三 焊接裂纹的分类及其基本特征二、焊接裂纹的分类从裂纹的分布形态及其产生机理两方面划分，参见图所示:课题三 焊接