焊接冶金与焊接性

一焊接温度场和焊接热循环1焊接传热所涉接的主要是工件的温度分布及温度随时间的变化，即焊接温度场和焊接热循环。

2焊接温度场——将某瞬时温度在工件上各点的分布，称为焊接温度场。

3焊接温度场可以用等温线或等温面的分布来表征。

（等温线或等温面就是某瞬时工件上温度相同的各点连接在一起所形成的线或面）4焊接温度场的类型：1）按温度变化情况：1）稳定温度场2）非稳定温度场3）准稳定温度场2）按焊接传热类型：1）三维温度场2）二维温度场3）一维温度场5焊接温度场的影响因素：1）热源的特性2）焊接参数3）母材的热物理性质4）工件的形态对温度场有显著影响的是热导率λ和热扩散率а6焊接热循环——在焊接过程中，工件上某点的温度随时间由低到高，升至最大值后又由高到低的变化过程称为焊接热循环。

7对整个工件而言，焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。

8焊接热循环参数：1）加热速度（Vи）2）峰值温度（Tm）3）高温停留时间（tи）3）冷却速度（vc）或冷却时间（t8/5,t8/3,t100）9焊接热循环的特点：1）加热速度快2）峰值温度高3）高温停留时间短4）冷却速度快5）局部加热二焊条药皮的作用及焊条的工艺性能1药皮的作用：1）机械保护作用2）冶金处理作用3）工艺性能改善作用2焊条的工艺性能：1）焊条电弧的稳定性2）焊接位置的适应性3）焊缝成形4）焊接飞溅与熔敷效率5）脱渣性6）焊接烟尘7）焊条药皮的发红三试比较E4303与E5105焊条的工艺性能和冶金性能1工艺性能焊条类型药皮类型熔渣性质电弧稳定性焊接位置的适应性焊缝成形焊接飞溅和熔敷效率脱渣性焊接烟尘E4313 碳钙型酸性短渣稳定平焊易上焊易下焊易仰焊稍易外观美观脚形状平熔深中咬边少飞溅少效率中好少E5015 低氢钠型碱性短渣较差平焊易上焊易下焊易仰焊稍难外观稍粗平或凹熔深中咬边少飞溅较多效率中较差多2冶金性能1）对氧的控制E4303熔渣中的SiO2和焊接气氛中的含氧气体将铁氧化成FeO而使焊缝增氧，采用锰铁脱氧。

E5015焊接气氛中的CO2和其他含氧气体将铁氧化成FeO而使焊缝增氧，采用硅－锰和硅－钛联合脱氧2）对氢的控制E4303熔渣中的强氧化物SiO2，MnO，及FeO等具有一定的脱氧能力，但含氢量还相对较高。

E5015焊接气氛中的CO2具有较强的脱氢能力，而药皮中的氟石脱氢能力更强，含氢量很低。

3）对氮的控制E4303含有大量的造渣剂和相当数量的造气剂，形成以渣为主的渣－气联合保护，含氮较低。

E5015含有大量的碳酸盐作造气剂和造渣剂，同时还有相当数量的其他造气剂，含氮量更低。

4）对硫的控制E4303药皮中的锰铁具有较好的脱硫作用，同时熔渣中MnO和CaO也能起到脱硫的作用，但由于酸性渣的碱度较低以及FeO含量较高而使脱硫的效果有所减弱。

E5015熔渣中含有大量的CaO和很少的FeO，熔渣碱度相对较大，有利于脱硫，而且药皮中的氟石也起到增强脱硫的作用脱硫效果不佳。

5）对磷的控制E4303熔渣中的FeO和CaO共同起到脱磷作用，但由于酸性渣的碱度较低以及CaO含量较少而使脱磷效果变差。

E5015也是通过熔渣中的FeO和CaO起到脱磷作用，由于碱度和CaO含量较高，且有大量氟石上网辅助作用，脱磷效果好于E4303，但总的来说脱磷效果仍受到限制。

四焊条电弧焊化学冶金的三个反应区1）药皮反应区2）熔滴反应区3）熔池反应区五氢在焊缝中的扩散行为由于焊接冷却速度快，液态金属所吸收的氢只有一部分能在熔池凝固过程中逸出，还有相当多的氢来不及逸出而被留在固态焊缝金属中。

在钢焊缝中，大部分氢以H或H﹢形式存在，并与焊缝金属形成间缝固溶体，而且由于H或H+半径很小而能在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢。

六氢对焊接质量的影响和控制1氢对焊接质量的影响：1）氢脆2）白点3）形成气孔4）产生延迟裂纹2氢的控制：1）控制氢的来源①限制焊接材料的含氢量②清除焊丝和焊件表面上的杂质2）采取冶金措施脱氧①在焊接材料中加入氟化物②增加焊接材料的氧化性③在焊接材料中加入稀土金属4）采取工艺措施减氢①控制焊接参数②进行焊后脱氢处理七焊接熔渣对金属的氧化及脱氧1焊接熔渣对金属的氧化1）置换氧化（被焊金属与其他金属或非金属的氧化物发生置换反应而导致的氧化）2）扩散氧化（熔渣中的氧化物通过扩散进入被焊金属而使焊缝增氧）2焊缝金属的脱氧：1）脱氧剂的选择①脱氧剂对氧的亲和力②脱氧产物的物理性质③脱氧产物的其他影响2）先期脱氧①脱氧反应——在焊条电弧焊中，药皮反映区内的脱氧剂与高价氧化物和碳酸盐分解出的O2和CO2起反应。

从而降低电弧气氛氧化性的脱氧方式。

②脱氧效果先期脱氧的效果与脱氧剂的种类、数量、粒度以及焊接参数有关，尤其是脱氧剂对氧的亲和力。

先期脱氧的过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系，而且由于反应温度低、传质条件差，故先期脱氧的效果是不充分的,仍需进一步脱氧。

3）沉淀脱氧（主要方式）利用溶解在液态金属中的脱氧剂将被焊金属及其合金从其氧化物中还原出来，并使脱氧产物浮到熔渣中去的脱氧方式。

①锰的脱氧温度降低有利于反应向右进行②硅的脱氧温度降低有利于反应向右进行由于脱氧产物SiO2的熔点高，一般处于固态，难于聚合为大的质点，不利于上浮，而且SiO2与钢液的界面张力小，一般不单独用硅进行脱氧。

4）扩散脱氧被焊金属的氧化物通过扩散从液态金属进入熔池，从而降低焊缝含氧量的一种脱氧方式。

①脱氧因素：温度越低，L越大有利于脱氧，扩散脱氧主要发生在熔池后部的低温区。

酸性渣比碱性渣有利于扩散脱氧②脱氧特点：扩散脱氧是在熔池尾部的低温区进行的，加上焊接冷速大，氧的扩散时间短，因而导致扩散脱氧的不充分，由于扩散脱氧是在液态金属与熔渣的界面上进行的，因而不会造成夹杂问题。

八氧对焊接质量的影响及控制1样对焊接质量的影响1）降低焊缝的力学性能强度、塑性和韧性显著降低，元素烧损，热脆、冷脆和时效硬化2）影响焊接过程和质量2氧的控制1）限制焊接材料的含氧量2）选择合适的焊接方法及参数3）采取冶金措施脱氧九什么是熔合比，他对焊缝成分有何影响？熔合比——指焊缝金属中局部融化的母材所占的比例，即θ=mb／（mb＋md）依据熔合比的定义可以计算出焊缝金属中任意合金化元素的质量分数，即ω（Mw）=θω（Mb）＋（1－θ）ω（Md）十焊接熔池的结晶特点，熔池结晶线速度与结晶形态的关系1焊接熔池的结晶特点1）非平衡的动态结晶①熔池体积小、冷却速度大②熔池过热、温度梯度大③熔池在动态下结晶2）联生结晶和竞争成长3）结晶速度和方向动态变化①结晶速度的表达式R≈vcosα≈vcosβ②成长速度和方向的变化在焊接速度v一定的条件下，晶粒成长速度R仅取决于结晶等温面法线方向与焊接方向的夹角α或晶粒成长方向与焊接方向的夹角β。

将α和β统称为晶粒成长的方向角，由于熔池边界上不同位置处的等温线方向不同，因而晶粒成长过程中其成长方向在不断的放生变化，其成长速度也在发生变化。

熔池两侧开始结晶成长方向由垂直于焊接方向转向焊接方向③焊接速度对成长速度和方向的影响快速焊接时，结晶方向几乎垂直于熔池中心线使溶质及低熔物推向中心2熔池结晶线速度与结晶形态的十一焊接CCT图和线算图的概念1焊接CCT图是焊接条件下连续冷却组织转变图的简称，它给出了一定成分的焊缝或热影响区组织与冷却时间的关系。

2焊条电弧焊时t8／5与焊接工艺参数关系的线算图P108十二不易淬火钢与易淬火钢的热影响区的组织特征1不易淬火钢热影响区的组织分布1）过热区（又称粗晶区）特征：晶粒粗大的铁素体和珠光体，甚至形成魏氏组织2）完全重结晶区（又称正火区或结晶区）特征：晶粒细小而均匀的铁素体和珠光体3）不完全重结晶区（又称不完全正火区或部分相变区）特征：晶粒大小不一的铁素体和细小的珠光体4）再结晶区特征：等轴晶粒5）蓝脆区特征：塑性和韧性显著低于母材2易淬火钢热影响区的组织分布1）完全淬火区特征：粗细不同的马氏体与少量贝氏体的混合物，它们同属于马氏体类型2）不完全淬火区特征：马氏体、铁素体以及中间体构成的混合组织3）回火区特征：回火温度越低，热影响区中的回火区越大，组织和性能变化越大十三M-A组元脆化的概念焊接低碳低合金钢，热影响区处于中温上贝氏体的转变区间，先析出含碳很低的铁素体，随着铁素体区域的不断扩大，使碳大部分富集到被铁素体包围的岛状奥氏体中，冷却到400~350度时残余奥氏体中的碳可达0.5%~0.8%，在随后的一定冷却速度下，这些高度富碳的奥氏体可转变为高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，即M—A组元。

十四焊缝中气孔的类型及其形成机理1）按照气孔的形状：球形气孔，条形气孔和虫行气孔2）按照气孔的聚集形态：均布气孔、局部密集气孔和链状气孔3）按照产生气孔的气体来源：析出型气孔和反应型气孔4）按照产生气孔的气体种类：氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔十五结晶裂纹的形成机理、影响因素及其防止措施结晶裂纹——焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于固态金属的收缩，残余液态金属不足，不能及时填充收缩留下的空间，在拉应力的作用下发生沿晶开裂。

1结晶裂纹的形成机理：2结晶裂纹的影响因素：影响结晶裂纹的本质因素只有两类：冶金因素和应力因素1）冶金因素：①结晶温度区间。

结晶温度区间越大，脆性温度区间也越大，结晶裂纹的倾向也大。

②低溶共晶的形态。

增大低溶共晶物的表面张力，有利于避免结晶裂纹的形成。

③一次结晶的组织。

晶粒粗大，柱状晶的方向越明显，越容易形成连续的液态薄膜，产生结晶裂纹。

④合金元素的种类。

合金元素通过影响结晶温度区间大小、低溶共晶形态以及一次结晶的组织而影响结晶裂纹的形成。

分两种影响：一种是促进结晶裂纹形成的元素，如硫、磷、碳和镍等；另一种是抑制结晶裂纹形成的元素，如锰、钛、硅、锆和稀土元素。

2）应力因素3防止措施：1）冶金措施：①控制焊缝中硫、磷和碳等有害杂质的含量。

②改善焊缝的一次结晶组织③限制熔合比④利用“愈合作用”。

2）应力控制：①选择合理的接头形式（使熔深减小）②确定合理的焊接顺序（尽量使大多数焊缝在较小的钢度条件下焊接）3）确定合理的焊接参数（适当降低热输入，预热使冷速下降）十六延迟裂纹的形成机理、影响因素及其防止措施延迟裂纹——焊接结构在焊接过程结束一段时间以后出现的一种冷裂纹。

（氢致裂纹）主要出现在中碳钢、高碳钢及合金结构钢的焊接接头中。

1形成机理：2影响因素：1）熔敷金属中氢的行为。

氢在奥氏体中的溶解度大，扩散速度小。

在铁素体中的溶解度小，扩散速度大。

2）材料的脆硬倾向。

各种不同组织对冷裂纹的倾向：（增大）铁素体或珠光体→下贝氏体→条状马氏体→上贝氏体→粒状贝氏体→岛状M-A组元→片状马氏体3）焊接接头的应力状态3防治措施：1）冶金措施①改进母材的化学成分。