第二章熔化焊连接原理..
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第二章 熔化焊连接原理
1
§1-1 焊接热过程和接头形成 §1-2 熔化焊化学冶金 §1-3 熔化焊接头组织与性能 §1-4 焊接冶金缺陷
2
本章重点
焊接冶金过程的特点。
焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷及合金化。
焊缝金属的结晶过程及组织。
焊接热影响区的构成、组织与性能。
焊缝中气孔的产生与防止方法。
短段多层焊操作繁琐，生产率低，除非特殊的情况才采用。
四、熔化焊接头的形成 （一）焊接材料的熔化与熔池形成
1、焊接材料的加热（加热→熔化→ 形成熔滴）
Baidu Nhomakorabea
电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。当电阻热过大时，易引起
焊芯和药皮温度过高，造成飞溅增加，药皮开裂、脱落或失去保护、冶金作 用，在焊条电弧中应尽量少用，但在电渣焊中却是主要能量。
焊接裂纹的产生、形成及防止措施。
3
§1-1 焊接热过程和接头形成
一、焊接热源
（一）种类
1.
2. 3. 4. 5. 6. 7.
电弧热：利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产生的热能为
焊接热源（应用最广泛）。
电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。
电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使
这种动能转化为热能作为焊接热源。
激光束：经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源 等离子焰：电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流 化学反应热：利用助燃（氧气）和可燃气体（乙炔）或铝、镁热剂进行
化学反应时所产生的热能作为焊接热源。
其它热：如摩擦能量、高频感应电流等。
4
不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊
相邻各层之间 有依次热处理 的作用，为防 止最后一层淬 火，可多加一 层退火焊道。
不适于焊接淬硬倾向大的钢种。焊接这种钢时，应特别注 意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。
2）短段多层焊接热循环
短段多层焊——就是每层的焊缝长度较短 (约 50～400mm ) ，还未等前一层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始了 下一层的焊接。 对于晶粒 易长大而 又易淬火 钢种的热 影响区和 焊缝具有 改善作用。
电子束及 电渣焊 激光焊
TIG焊 钢
MIG焊 铝
h
0.77~ 0.77~ 0.87 0.90
>0.9
0.83
0.68~ 0.85
0.66~ 0.69
0.70~ 0.85
三、焊接温度场和焊接热循环
（一）焊接温度场
1.定义：
焊接过程中，焊件上各点的温度随时 间而变，我们将某一瞬间焊接接头上各点 温度的分布状态称为焊接温度场。
αp为焊条熔化系数
①定义：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分 金属的质量
②计算式：gH=GH/t =αH I
αH为焊条熔敷系数
13
损失系数：Ψ
①定义：焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的 那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。 ②计算式：Ψ=(G-GH)/G=(gM-gH)/gM=1-αH/αP
研究熔滴阶段各种物理化学反应必不可少的重要参数； 理论上精确计算困难； 实测手工电弧焊碳钢焊条熔滴平均温度： 1800~2400℃
小结：熔滴更多的以细滴过渡，熔滴与周围介质作用时间 很短(0.1~1.0s)，但熔滴比表面积大，温度高，冶金反应 激烈充分。
15
4、熔池的形成 定义：熔焊时，母材上由熔化的焊接材料和局部熔 化的母材组成的具有一定几何形状的液体金属区域 1）熔池的形状和尺寸
8
离焊缝中心远近不一的各点其热 循环各不相同，离焊缝越近的点， 其加热速度越快，峰值温度越高， 冷却也越快，加热到最高点所用 时间也最短。
加热到最高温度的时间 相对于冷却到室温的时 间要短，在相变温度以 上停留时间越长，越有 利于奥氏体均质化。
9
3、多层焊焊接热循环
1）长段多层焊接热循环
长段多层焊——每次焊缝的长度较长( 1.0～1.5m )，当焊完 第一层再焊第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度(约 100～200℃)。
最高加热温度Tm：
Tm过高，将使晶粒严重长大， 甚至产生过热的魏氏体组织，造成 晶粒脆化。
7
相变温度以上的停留时间t H ：
在相变温度以上的停留时间越大，越有利于奥氏体均 质化，但晶粒长大越严重。
冷却速度ωc和冷却时间
冷却速度，特别是在固态相变 温度范围内冷却速度，即 800 ～ 500℃ 及800～300℃ 时的冷却速 度是焊接热循环中极其重要的参数， 它将影响到固态相变组织及性能。 准确地测量瞬时冷却速度有一 定地困难，多采用一定温度范内的 冷却时间来代替冷却速度， 如t8/5
电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。是熔化焊条、焊丝、母材的主
要能量。
化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（只占
1%~3%可忽略不计）。
12
2、焊接材料的熔化
焊条金属的平均熔化速度：gM
①定义：单位时间内熔化的焊芯的质量或长度 。
②计算式：gM=G/t =αpI
焊条的平均熔敷速度：gH
2.特点：
温度场呈一系列椭圆形的等温线离热 源越近，等温线越密，远则稀，焊接速度 越快，椭圆长轴越长，短轴越短。
3.作用：
便于分析接头各处温度高低，组织与 性能的变化。
6
（二）焊接热循环
1.定义：在焊接热源作用下,焊件上某点的温度随时间的变
化过程叫作焊接热循环.
2.基本参数：
加热速度：
随着速度增加，相变温度提高， 奥氏体均质化和碳化物溶解也越不 充分，影响冷却后组织与性能。
熔池为不标准的半椭球， 轮廓为温度等于母材熔点 的等温面 几何尺寸：L=P2IU，
P2是比例系数， 大小取决于焊接 方法与焊接电流，
Bmax， Hmax
影响因素
I↑→Bmax↓，Hmax↑
U↑→Bmax↑，Hmax↓
16
2、熔池质量和存在时间
熔池质量：多数<5g，手弧焊0.6-16g，埋弧焊<100g 存在时间：几秒~几十秒，取决于熔池长度L和焊速v
三者的关系：αH=(1-Ψ)
αP gH=(1-Ψ) gM
3、熔滴过渡
1）熔滴过渡形式 短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡
14
2) 熔滴的比表面积S
熔滴的表面积与其质量之比。
S=Ag/ρ Vg=4π R2/(4/3π R3ρ )=3/Rρ I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。
3) 熔滴的温度
tmax=L/v
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§1-1 焊接热过程和接头形成 §1-2 熔化焊化学冶金 §1-3 熔化焊接头组织与性能 §1-4 焊接冶金缺陷
2
本章重点
焊接冶金过程的特点。
焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷及合金化。
焊缝金属的结晶过程及组织。
焊接热影响区的构成、组织与性能。
焊缝中气孔的产生与防止方法。
短段多层焊操作繁琐，生产率低，除非特殊的情况才采用。
四、熔化焊接头的形成 （一）焊接材料的熔化与熔池形成
1、焊接材料的加热（加热→熔化→ 形成熔滴）
Baidu Nhomakorabea
电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。当电阻热过大时，易引起
焊芯和药皮温度过高，造成飞溅增加，药皮开裂、脱落或失去保护、冶金作 用，在焊条电弧中应尽量少用，但在电渣焊中却是主要能量。
焊接裂纹的产生、形成及防止措施。
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§1-1 焊接热过程和接头形成
一、焊接热源
（一）种类
1.
2. 3. 4. 5. 6. 7.
电弧热：利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产生的热能为
焊接热源（应用最广泛）。
电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。
电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使
这种动能转化为热能作为焊接热源。
激光束：经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源 等离子焰：电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流 化学反应热：利用助燃（氧气）和可燃气体（乙炔）或铝、镁热剂进行
化学反应时所产生的热能作为焊接热源。
其它热：如摩擦能量、高频感应电流等。
4
不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊
相邻各层之间 有依次热处理 的作用，为防 止最后一层淬 火，可多加一 层退火焊道。
不适于焊接淬硬倾向大的钢种。焊接这种钢时，应特别注 意与其他工艺措施的配合，如预热和层间温度的控制等。
2）短段多层焊接热循环
短段多层焊——就是每层的焊缝长度较短 (约 50～400mm ) ，还未等前一层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始了 下一层的焊接。 对于晶粒 易长大而 又易淬火 钢种的热 影响区和 焊缝具有 改善作用。
电子束及 电渣焊 激光焊
TIG焊 钢
MIG焊 铝
h
0.77~ 0.77~ 0.87 0.90
>0.9
0.83
0.68~ 0.85
0.66~ 0.69
0.70~ 0.85
三、焊接温度场和焊接热循环
（一）焊接温度场
1.定义：
焊接过程中，焊件上各点的温度随时 间而变，我们将某一瞬间焊接接头上各点 温度的分布状态称为焊接温度场。
αp为焊条熔化系数
①定义：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分 金属的质量
②计算式：gH=GH/t =αH I
αH为焊条熔敷系数
13
损失系数：Ψ
①定义：焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的 那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。 ②计算式：Ψ=(G-GH)/G=(gM-gH)/gM=1-αH/αP
研究熔滴阶段各种物理化学反应必不可少的重要参数； 理论上精确计算困难； 实测手工电弧焊碳钢焊条熔滴平均温度： 1800~2400℃
小结：熔滴更多的以细滴过渡，熔滴与周围介质作用时间 很短(0.1~1.0s)，但熔滴比表面积大，温度高，冶金反应 激烈充分。
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4、熔池的形成 定义：熔焊时，母材上由熔化的焊接材料和局部熔 化的母材组成的具有一定几何形状的液体金属区域 1）熔池的形状和尺寸
8
离焊缝中心远近不一的各点其热 循环各不相同，离焊缝越近的点， 其加热速度越快，峰值温度越高， 冷却也越快，加热到最高点所用 时间也最短。
加热到最高温度的时间 相对于冷却到室温的时 间要短，在相变温度以 上停留时间越长，越有 利于奥氏体均质化。
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3、多层焊焊接热循环
1）长段多层焊接热循环
长段多层焊——每次焊缝的长度较长( 1.0～1.5m )，当焊完 第一层再焊第二层时，第一层已基本冷却到较低的温度(约 100～200℃)。
最高加热温度Tm：
Tm过高，将使晶粒严重长大， 甚至产生过热的魏氏体组织，造成 晶粒脆化。
7
相变温度以上的停留时间t H ：
在相变温度以上的停留时间越大，越有利于奥氏体均 质化，但晶粒长大越严重。
冷却速度ωc和冷却时间
冷却速度，特别是在固态相变 温度范围内冷却速度，即 800 ～ 500℃ 及800～300℃ 时的冷却速 度是焊接热循环中极其重要的参数， 它将影响到固态相变组织及性能。 准确地测量瞬时冷却速度有一 定地困难，多采用一定温度范内的 冷却时间来代替冷却速度， 如t8/5
电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。是熔化焊条、焊丝、母材的主
要能量。
化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（只占
1%~3%可忽略不计）。
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2、焊接材料的熔化
焊条金属的平均熔化速度：gM
①定义：单位时间内熔化的焊芯的质量或长度 。
②计算式：gM=G/t =αpI
焊条的平均熔敷速度：gH
2.特点：
温度场呈一系列椭圆形的等温线离热 源越近，等温线越密，远则稀，焊接速度 越快，椭圆长轴越长，短轴越短。
3.作用：
便于分析接头各处温度高低，组织与 性能的变化。
6
（二）焊接热循环
1.定义：在焊接热源作用下,焊件上某点的温度随时间的变
化过程叫作焊接热循环.
2.基本参数：
加热速度：
随着速度增加，相变温度提高， 奥氏体均质化和碳化物溶解也越不 充分，影响冷却后组织与性能。
熔池为不标准的半椭球， 轮廓为温度等于母材熔点 的等温面 几何尺寸：L=P2IU，
P2是比例系数， 大小取决于焊接 方法与焊接电流，
Bmax， Hmax
影响因素
I↑→Bmax↓，Hmax↑
U↑→Bmax↑，Hmax↓
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2、熔池质量和存在时间
熔池质量：多数<5g，手弧焊0.6-16g，埋弧焊<100g 存在时间：几秒~几十秒，取决于熔池长度L和焊速v
三者的关系：αH=(1-Ψ)
αP gH=(1-Ψ) gM
3、熔滴过渡
1）熔滴过渡形式 短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡
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2) 熔滴的比表面积S
熔滴的表面积与其质量之比。
S=Ag/ρ Vg=4π R2/(4/3π R3ρ )=3/Rρ I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。
3) 熔滴的温度
tmax=L/v