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1、第九章 金属焊接成形工艺基础l熔焊接头金属的组织与性能。l焊接应力与变形l金属的焊接性第一节 熔焊接头金属的组织与性能一、熔焊的本质及特点1)熔焊的本质是小熔池熔炼与冷凝，是金属熔化与结晶的过程；2)熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大；3)冷却速度快，结晶后焊缝易生成粗大的柱状晶。q可能出现下列问题：1)空气及杂质中分解的氧、氢和氮等侵入焊接区；2)部分氧化物熔渣残存在焊缝中，形成夹渣、气孔，使焊缝力学性能降低；3)氮(N)和氢(H)使焊缝的脆性增大。二、熔焊的三要素1.热源n要求能量集中，温度高。电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。（1）电弧：p两个电极之间强
2、烈而持久的气体放电现象。l气体放电电压和电流的关系不遵循欧姆定律，而呈现几段曲线。合适的热源、良好的熔池保护和焊缝填充金属。电弧分为三个区：阴极区，即电子发射区；阳极区，即接收电子并产生正离子区；弧柱区，即气体电离区。当用钢芯焊条作电极时，弧柱区的温度为60008000K，阳极区2600K左右，阴极区2400K左右。(2)等离子弧n与自由电弧相比，等离子弧是被压缩的电弧，其弧区的能量密度集中，温度高，挺直度好。l等离子弧的温度达24000-50000K，能量密度达105-106W/cm2，可焊接厚钢板，焊缝和热影响区较小。(3)电渣热l当特制的电渣由一些金属盐和氧化物组成时，熔融过程中会形成大
3、量离子，如果接通电源，正负离子将产生定向移动而导电并释放热量，使渣池的温度达到2000-2200K。这一温度足以使大多数金属熔化。(4)电子束p当钨被加热到2600K时，能产生大量的电子，在强电场作用下，电子被加速到160000 km/s，撞击在金属表面时将产生106-108W/cm2的能量密度，比电弧产生的能量密度大1000倍，能使金属瞬间熔化或气化。电子束的穿透能力强，可一次焊接厚度达200 mm的钢板。(5)激光束激光具有单波长和单色性，方向性强，能量密度高达105-1013W/cm2，可使金属产生瞬间熔化或气化。但材料的光热效应通常只发生在表层，因此，激光的穿透能力较差，熔池较浅，只能
4、用来焊接微小件和薄壁件。2熔池保护n熔池金属在高温下与空气作用会产生诸多不良反应，形成气孔、夹杂等缺陷，影响焊缝品质。渣保护、气体保护或渣-气体联合保护法可隔绝空气，防止熔池氧化，并可脱氧、脱硫、脱磷，向熔池过渡合金元素，以改善其性能。(1)渣保护n在熔池上覆盖一层熔渣。防止金属氧化、吸气和向熔池过渡合金元素，改善焊缝性能；稳定电弧，减少散热，提高生产率。渣保护的材料有焊剂和电渣两类。焊剂n由SiO2、MnO、MgO及CaF等组成的硅酸盐。l应保证热源稳定，硫、磷含量低，熔点和粘度合适，脱渣性好，不析出有害气体，不吸湿。l有熔炼焊剂和非熔炼焊剂两类，非熔炼焊剂又分为烧结焊剂和粘结焊剂。l熔炼焊
5、剂主要起保护作用；非熔炼焊剂除起保护作用外还可起渗合金、脱氧、去硫等冶金作用。电渣n除应有焊剂的基本性能外，还应有合适的电导率、高的蒸发温度。lSiO2含量愈高，电导率愈低，粘度愈高；钙和其它元素氟化物和钛氧化物使电导率增大，粘度减小。l电渣分高电导率、中等电导率和低电导率三类。(2)气体保护n在高温下不分解的惰性气体(如氩气)或低氧化性的、不溶于液态金属的气体(如CO2)，也可用混合气体。保护气体还应能稳定热源，密度应比空气大，以便排开空气，在熔池上方形成气量。喷嘴结构应尽可能使气体以层流状态流出。(3)渣-气体联合保护l具体起保护作用的有焊条的药皮和二氧化碳加药芯。药皮a.含造气剂和造渣剂
6、，涂敷在焊条外。b.含稳弧剂、合金剂、脱氧剂、脱硫剂和去氢剂等。c.还配有粘结剂、增塑剂等。l原料有矿石、铁合金、有机物和化工产品等四类。a.酸性药皮工艺性好，碱性药皮工艺性差。b.碱性药皮中有益元家多，有害元家少，从而使焊接接头的力学性能得到改善。c.碱性药皮中不合有机物而含有氟石，有去氢作用，可以降低焊缝中氢合量，提高焊缝金属的抗裂性，所以也称低氢型药皮。d.碱性药皮氧化性强，对锈、油、水的敏感性大，易产生飞激和C0气孔。e.碱性药皮在高温下易生成较多的有毒物质(如HF等)，因此操作时应注意通风。二氧化碳加药芯l单一CO2气体保护产生飞溅、气孔和合金元素的氧化烧损，其应用受到一定限制。n药
7、芯是空心金属筒中心包裹有与药皮成分相同的粉剂，可实现渣-气体联合保护。优点：a.与单一CO2气体保护相比，飞溅少，且飞溅颗粒细，容易清除,形状更美观；b.与单一药皮保护相比，电弧热效率高，熔深大，因而生产率高，填充金属用量少。c.调整药芯成分可焊接不同的钢材，抗气孔能力比单一CO2气体保护强。3焊缝填充金属l焊缝填充金属指的是焊芯与焊丝。当焊缝较宽时，靠母材的熔化不能填满焊缝，这时，必须外加焊丝补充；对于低合金钢焊件，为提高焊缝性能，使焊缝与母材强度相等，必须用合金焊丝和焊芯(填充金属)过渡合金元素。常用的焊条钢芯及焊丝为碳素钢丝、合金钢丝和不锈钢丝。l碳、硅含量较低，磷和硫的质量分数小于0.
8、03%，以保证焊缝有较高的强度和韧性。l牌号中H代表焊接用钢丝，其后的两位数字代表碳的质量分数的万分之几，A为高级优质钢，E代表特级优质钢。三、熔焊冶金过程必须采取的工艺措施1)减少有害元素进入熔池：l其主要措施是机械保护，如选用气体或熔渣保护，能使电弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝，防止空气进入，还应清理坡口及两侧的锈、水、油污，并烘干焊条，去除水分等。2)人为渗入被烧损的合金元素：l通常是在焊条药皮(或焊剂)中加入锰铁等合金。3)清除已进入熔池中的有害元素：l通过添加一些铁合金等，进行脱氧、脱硫、脱磷，从而保证和调整焊缝的化学成分，如添加锰铁、硅铁等焊接材料等。四、焊接热循环l各点金属所在位置
9、及与焊缝中心的距离不同，各点最高加热温度及达到最高加热温度的时间不同。焊接热循环：焊缝及其母材上某点温度随时间变化的过程。v加热和冷却速度都很快。热循环使焊缝附近金属相当于受到一次不同规范的热处理。对易淬火钢，焊后会发生空冷淬火，产生马氏体组织；对其它材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。焊接热循环曲线五、熔焊接头金属组织与性能l现以低碳钢为例，说明焊接过程造成的金属级织性能的变化。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织和性能发生变化的区域，称为焊接热影响区。熔焊焊缝和母材的交界线称之为熔合线。熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区，也称半熔化区。p焊接接头常由焊缝区、熔合区、热影
10、响区组成。低碳钢焊接热影响区的组织变化(一)焊缝区l热源移走后，熔池中的液体金属立刻开始冷却结晶，从熔合区许多未熔化完的晶粒开始，以垂直熔合线的方式向熔池中心生长为柱状树枝晶。p焊缝组织是由液体金属结晶成的铸态组织，宏观组织是柱状粗晶粒，成分偏析严重，组织不致密。熔池金属受电弧吹力，保护气体吹动和焊条摆动等干作用，使焊缝柱状晶呈倾斜层状，且使晶粒有所细化。利用焊接材料的渗合金作用，可调整其合金元素含量，从而使焊缝金属的力学性能不低于母材。焊缝及热影响区的组织(二)熔合区l熔合区是焊缝向热影响区过渡的区域，是焊缝和母材金属的交界区，其加热温度处于固相线和液相线之间。焊接过程中，部分金属熔化，部分
11、未熔化，冷却后，熔化金属成为铸态组织，未熔化金属因加热温度过高而形成过热粗晶组织。这种组织使此区强度下降，塑性、韧度极差，常是裂纹及局部脆性破坏的发源区。p在低碳钢焊接接头中，尽管此区很窄(仅0.11mm)，但在很大程度上决定着焊接接头的性能。(三)热影响区l热影响区是焊接过程中，母材因受热(但未熔化)而发生组织性能变化的区域。由于其中各点受热程度不同，故热影响区常由以下几部分组成：1过热区l指热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域，宽约13mm。加热温度在1100至固相线间。由于加热温度高，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后得到粗晶组织，该区金属的塑性、韧度很低。焊接刚度大的结构或含碳量较高的易
12、淬火钢时，易在此区产生裂纹。2正火区l指热影响区内相当于受到正火热处理的区域，宽约1.24mm。其加热温度在Ac31100之间。此温度下金属发生重结晶加热，形成细小的奥氏体组织，空冷后即获得细小而均匀的铁素体和珠光体组织，因此，区的力学性能优于母材。3部分相变区l热影响区内发生部分相变的区域，其加热温度在AclAc3之间。受熟热影响，此区中珠光体和部分铁素体转变为细晶粒奥氏体，而另一部分铁素体因温度太低来不及转变，仍为原来的组织。p已发生相变组织和未发生相变组织在冷却后会使晶粗大小不均，力学性能较母材差。焊接接头中熔合区和过热区的力学性能最差。有时焊接结构的破坏不在焊缝上而在热影响区内，焊接结
13、构上，热影内响区越小越好。p热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊接规范、接头型式等因素。在热源热量集中、焊接速度快时，热影响区就小。电子束焊的热影响区最小，总宽度一般小于1.4mm；气焊的热露响区总宽度最大，可达27mm。为消除热影响区的不良影响，焊前可先预热工件，以减缓焊件上的温差和冷却速度。对于易淬硬的钢材，如中碳钢、高强度合金钢等，热影响区中最高加热温度在Ac3以上的区域，焊后易出现淬硬组织马氏体；最高加热温度在Ac1Ac3的区域，焊后易形成马氏体铁素体混合组织。故易淬硬钢焊接热影响区的硬化、脆化更为严重，且碳含量、合金元素含量的增加，其热影响区的硬化、脆化倾向愈趋严重。
14、第二节 焊接应力与变形一、焊接成形应力与变形的产生l焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。平板对焊的应力与应变1、焊接加热对平板的影响l焊接加热时，焊缝区温度最高，母材金属区的温度随距焊缝的距离增大而降低，各部位的自由伸长量不同。p各处不可能都实现自由伸长，各部位伸长量相互补偿协调，最终平板整体只能平衡伸长L。被加热到高温的焊缝金属的伸长受到两侧低温金属的限制而承受压应力；焊缝区以外的金属则承受拉应力。2、焊接冷却对平板的影响l冷却时，焊缝两侧金属阻碍焊缝金属的收缩，最终共同处于比原长短L的平衡位置上。焊缝金属受拉应力，焊缝两侧金属承受压应力。p保留到室温的应力与变
15、形称为焊接残余应力与变形，简称焊接应力与变形。焊件塑性较好、刚度较小时，结构内部的焊接应力越小，结构外部表现的焊接变形较大。二、焊接应力与变形的危害q焊接应力会使结构形状发生变化，出现内在附加应力，降低承载能力，甚至引起裂纹，导致脆断，也可能诱发应力腐蚀裂纹；q残余应力在一定条件下造成结构尺寸不稳定。v焊接变形可能使结构尺寸不合要求，焊装困难，间隙大小不一致等。三、焊接应力和变形的防止1、焊接应力的防止及消除措施设计焊缝不要密集交叉，截面和长度也要尽可能小；选择合理的焊接顺序；当焊缝处于较高温度时，锤击或碾压焊缝；采用小能量，多层焊；焊前预热到150350；焊后去应力退火。按焊缝长短确定焊接顺
16、序2、焊接变形的防止和消除措施设计焊缝不要密集交叉，截面和长度也要尽可能小；采用反变形法，焊接前正确判断焊接变形方向和大小，在焊接时让工件反向变形；采用焊接前刚性固定，约束焊接变形；采用合理的焊接规范；选用合理的焊接顺序，如对称焊、分段退焊；采用机械或火焰矫正法减小焊接变形。钢板对接反变形用夹具防止焊件变形对称焊接方法分段退焊火焰矫正法机械矫正法第三节 焊接缺陷l工件焊后在接头处存留下来的不完整性称为焊接缺陷。v主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷等。这些缺陷会减少焊缝截面，降低承载能力；产生应力集中，引起裂纹，降低疲劳强度，易引起构件破裂而导致脆断。一、焊接裂纹1、热裂纹(1)热
17、裂纹的特征发生在焊缝并在焊缝结晶过程中形成的热裂纹叫做结晶裂纹；发生在热影响区并在加热到过热温度时因晶间低熔点杂质发生熔化并受焊接应力作用而产生的热裂纹叫做液化裂纹。热裂纹微观特征是沿晶界开裂，又称为晶间裂纹。因热裂纹在高温下形成表面有氧化色彩。(2)热裂纹产生的原因l在焊接过程中，焊缝结晶的柱状晶形态会导致低熔点杂质偏析，从而在晶间形成一层液态薄膜；在热影响区中的过热区，如晶界存在较多的低熔点杂质，也会形成晶间液态薄膜。l接头中存在拉应力，液态薄膜强度低，在拉力的作用下很易开裂，从而产生热裂纹。(3)热裂纹的防止限制钢材和焊条、焊剂的低熔点杂质，硫、磷与铁易形成低熔点共晶物，很容易产生热裂纹
18、；适当提高焊缝成形系数，防止中心偏析；调整焊缝化学成分，避免低熔点共晶物形成，缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性，减少偏析；减少焊接应力的工艺措施；施焊时填满弧坑。2冷裂纹(1)冷裂纹的形态和特征l焊继和热影响区都可能产生冷裂纹，常见的有三种焊道下裂纹。在焊道下的热影响区内形成的焊接冷裂纹，常沿平行于熔合线的方向扩展。焊趾裂纹。沿应力集中的焊趾处形成的焊接冷裂纹，在热影响区扩展。焊根裂纹。沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹，向焊缝或热影响区扩展。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型，其表面无氧化色彩。最主要、最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。(2
19、)延迟裂纹的产生原因焊接接头(焊缝和热影响区及熔合区）的淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化；焊接接头氢含量较高，接头冷凝时，大量氢分子析出并聚集在焊接缺陷处，造成非常大的局部压力，使接头脆化；存在较大的拉应力。l因氢的扩歌需要时间，所以冷裂纹在焊后延迟一段时间才出现。由于是氢所诱发的，延迟裂纹也叫氢致裂纹。(3)防止延迟裂纹的措施选用碱性焊条或焊剂，减少焊骸金属中的氢含量，提高焊缝金属塑性；焊前清理一定要严格，焊条、焊剂要烘干，焊缝坡口及附近母材要去除油、水、锈，减少氮的来源；焊件焊前预热，焊后缓冷，可降低焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，并可减少焊接残余应力；采用减小焊接应力的工艺措
20、施，如对称焊、小的线能量的多层多道焊等；焊后进行清除应力的退火处理成立即进行去氢(后热)处理。二、气孔1、气孔产生的原因n高温下溶解在焊缝液态金属中的大量气体，随着温度的下降，其溶解度降低而析出，若来不及逸出熔池表面就导致了气孔的产生。l若熔池保护不好，溶入熔池的气体就多，产生气孔的倾向就大。氢、氮在铁液中的溶解度较大，所以气孔多为氢气孔、氮气孔。熔池氧化严重时存在较多的FeO，FeO与C将发生反应，焊缝中也经常出现CO气孔。2防止气孔的方法焊条、焊剂要烘干，焊丝和焊缝坡口及其两侧的母材要去除锈、油和水；焊接时采用短弧焊采用碱性焊条，CO2气体保护焊时采用药芯焊丝或低碳材料，都可减少和防止气孔
21、的产生。第四节 金属的焊接性一、金属的焊接性概念q指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出“好焊”或“不好焊”的差别。同一种金属材料采用不同的焊接方法、焊接材料与焊接工艺(包括预热和热处理等)，其焊接性能可能有很大差别。焊接性包括两个方面：一是工艺焊接性，是指焊接接头产生缺陷的倾向，尤其是出现各种裂缝的可能性；二是使用焊接性，是指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其它特殊性能(如耐热、耐蚀性能等)。二、钢材焊接性的评价方法q影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。各种化学元素加入钢中以后
22、，对焊缝组织、性能、夹杂物的分布以及对焊接热影响区的淬硬程度等影响不同，产生裂缝的倾向也不同。碳的影响最明显，其它元素的影响可折算成碳的影响，常用碳当量法来评价被焊钢材的焊接性。v碳钢及低合金结构钢的碳当量()经验公式为碳当量0.6时，焊接性很差，焊前需高温预热，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后需要进行适当热处理等。硫、磷对钢材焊接性能的影响也很大，在各种合格钢材中，硫、磷要受到严格限制。利用碳当量法评价钢材焊接性是粗略的，因为钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等影响。在实际工作中确定材料焊接性，除初步估算外，还应根据具体情况进行抗裂试验及焊接接头使用焊接性试验
23、，为制定合理工艺规程与规范提供依据。第五节 焊接检验一、焊接检验过程l焊件品质检验包括焊前检验、焊接生产中的捡验和焊后成品的检验。1.焊前检验主要是指焊接原材料的检验、设计图样与技术文件的论证和焊接工人的培训考核等；2.焊接生产中的检验是指生产工序中的检验；3.成品检验指焊接产品最后的品质评定检验。二、外观检验l外观检验就是用肉限或低倍数(小于20倍)放大镜检查焊缝区有无表面气孔、咬边、末焊透、裂缝等缺陷，并检查焊缝外形及尺寸是否合乎要求。外观检验合格以后，才能进行其它方法检验。三、无损检验1、磁粉检验l磁粉检验原理是在焊件上外加一磁场，当磁力线通过完好的焊件时，磁力线是均匀的直线；当焊件有缺
24、陷存在时，磁力线就会发生弯曲；在焊缝表面撒上铁粉时，磁扰乱部位的铁粉就吸附在裂缝缺陷之上，其它部位的铁粉则不吸附。l可通过焊缝上铁粉吸附情况，判断焊缝中缺陷的所在位置和大小。2着色检验l将焊件表面打磨到Ra12.5m，用清洗剂除去杂质污垢；先涂一层渗透剂，渗透剂呈红色，具有很强的渗透性能，可通过焊件表面渗入缺陷内部；十分钟以后，将表面的溶透剂擦掉，再一次清洗，而后涂一层白色的显示剂；借助毛细作用，缺陷处的红色渗透剂即显示出来。l可用410倍放大镜形象地看出裂纹等表面缺陷位置与形状。3、超声波检验l超声波的频率在20000Hz以上，具有能透入金属材料深处的特性，而且由一种介质进入另一种介质界面时
25、，在界面发生反射。l检验焊件时，无缺陷处在荧光屏上可看到有规律的始波和底波。若焊接接头内部存在缺陷，介于始波与底波之间将另外产生脉冲反射彼。根据脉冲反射波形的相对位量及形状，即可判断缺陷的位置、种类和大小。超声波检验4x射线和射线检验lx射线和射线都是电磁彼，都能不同程度地透过金属，当经过不同物质时，射线会引起不同程度的衰减，从而使在金属另一面的照相底片得到不同程度感光。若焊缝中有未焊透、裂缝、气孔与夹渣，则通过缺陷处的射线衰减程度小，相应部位的底片感光较强，底片冲出后，就在缺陷部位上显示出明显可见的黑色条纹和斑点。四、力学性能试验l焊接接头或焊缝金属的力学性能试验，主要用于研究试制工作，如新
26、钢种的焊接、焊条试制、焊接工艺试验评定和焊工技术考核。l常做的试验是拉伸试验、冲击试验、弯曲及压扁试验、硬度试验和疲劳试验等。l试验件的形状、尺寸、截取方法及试验方法应该按有关国家标准进行。五、密封性检验1、静气压试验l往封闭的容器或管道等试验件内通入一定压力的压缩空气后，小件可放在水槽中，看其是否冒气泡；大件可在焊缝外侧涂刷肥皂水，看是否冒泡。用以检查焊缝的密封性。2、煤油检验l在检检验焊缝及热影响区的一侧涂刷石灰水，在另一侧涂刷煤油。当有微细裂缝或穿透性缺陷时，煤油穿透力较强，会渗过缺陷使石灰白粉呈现黑色斑纹。3、水压试验l水压试验用于检验压力容器、锅炉、压力管道和储题等的焊接接头致密性和强度，同时能起到降低结构焊接应力的作用。l水压试验应在焊缝内部捡验及所有检查项目全部合格后进行。l试验时，容器或管道内装满水，堵塞所有孔眼；按有关产品技术条件要求，用水泵把容器内的水压提高到焊件工作压力的1.25一1.5倍，停泵保压5min，看压力表指示的压力是否下降；再降到工作压力，全面检查试件焊缝和金属外壁是否有渗漏现象。l水压试验后，焊接构件应没有可见的残余变形。