第二章熔化焊连接原理

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。
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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
3、气渣联合保护
4、真空保护
5、自保护
属化学保护，含脱氧、氮剂，如实芯或药芯焊丝
其中1，2，3，4属于机械保护，5是化学保护
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（三）焊接接头的形成
1、焊接接头的形成过程
焊接接头 焊接热过程 + 焊接化学冶金+ 熔池凝固和相变 过程
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2、焊接接头的组成 焊缝金属 熔合线 热影响区 母材
第二章 熔化焊连接原理
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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
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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。
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。
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不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊
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
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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

按药皮性质可分为两类：
- 酸性焊条—药皮中含有多量酸性氧化物（SiO2，MnO2 ） - 碱性焊条—药皮中含有多量碱性氧化物（CaF2，CaO）
– *碱性焊条药皮中不含有机物，产生的保护气氛中氢含
量极少，故又称为低氢焊条
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2）焊条的性能

冶金性能
工艺性能：焊条在焊接操作中的性能,包括：
焊接电弧的弧定性(稳弧性); 焊缝成形性； 全位置焊接适应性;
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。
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（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。
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药皮组成
材料为易电离或电离势低的物质。如：K2CO3、CaCO3大 理石、长石、钾水玻璃
①稳弧剂: 改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原
②造渣剂: 造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，
起到保护作用和改善焊缝成型。如：钛铁矿、金红石、
萤石、长石等。
③造气剂：造气保护 ,有机物、碳酸盐.有机物如：木
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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℃)。
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。

熔池上部熔化的母材由熔 池前部向熔池后部运动; 在熔池底部，液态金属由 熔池后部向中心运动
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（二）熔池的保护
焊接时熔化金属受到保护，保护方式有：
1、气保护 2、渣保护
电渣焊 用对焊接质量无害的气体隔离空气。如：气焊、惰性
气体保护焊、CO2气保焊
用具有一定物理化学性能的渣隔绝空气。如：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。
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一、焊接材料
（一）焊接材料的类型
焊接时所消耗的材料统称为焊接材料。
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（二）焊条
焊条的组成：焊芯、药皮 1、焊芯—焊丝 作用：作电极，产生电弧并传导焊接电流， 作填充金属，熔化后填充焊缝
焊芯材料:用量最多的是H08、H08A，还有H08E。
2、药皮 作用：机械保护（气渣配合保护） 冶金处理（脱氧、去硫、渗合金元素） 改善焊接工艺性（稳弧，减小飞溅)
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）

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。
角接接头
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坡口： Ⅰ形、V形、U形、X形
4、熔合比（θ） 焊缝金属中，局部熔化的母材质量所占的比例。常 用焊缝横截面中熔化母材截面积与整个焊缝截面积 之比表示。
Abase 100% Abase Afiller
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§1-2 熔化焊接化学冶金
焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区 内各种物质（气相、液态金属、熔渣）之间在高 温下相互作用，发生一系列化学冶金反 应的过程。
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完整的焊条型号举例如下： E 4 3 1 5
表示焊条适用于全位 置焊接
表示焊条药皮为低氢钠型， 并可采用直流反接焊接
表示熔敷金属抗拉强度 的最小值420MP
表示焊条
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结构钢焊条牌号：
J
5
0
7
低氢型药皮、直流
焊缝金属抗拉强度 不低于490MPa 结构钢焊条
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5、焊条的选用

考虑母材的化学成分与力学性能
tmax=L/v
L↑, v ↓ → tmax↑
tmax↑→有利于物质的反应, ↓气孔的形成和缺陷的产生。
3、熔池温度
熔池温度分布不均匀, 中部最高，头部次之， 其次是尾部 低碳钢熔池平均温度 为1770±℃
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4、熔池运动状态（强烈的搅拌和对流）
1）液态金属密度差引起自由
对流运动
2）表面张力差强迫对流运动 3） 熔池中各种机械力搅拌 流动状态如图所示：

熔ຫໍສະໝຸດ Baidu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

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

酸性焊条的药皮熔渣氧化性强，合金元素易烧损， 焊缝中氢、硫等含量较高，故焊缝金属的塑性、韧 性较低，抗裂性较差，适于普通结构钢件焊接。 碱性焊条的药皮含有较多的合金剂，故焊缝金属力 学性能好，抗裂性好，适于焊接焊接重要的结构件。


从焊接工艺性考虑

酸性焊条稳弧性好，飞溅小，易脱渣，对油污、水、 锈的敏感性小，焊接电流可交、直两用，工艺性好；
如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。
⑦增塑性: 便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善
涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。
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3、焊条的分类和性能 1）焊条的分类

按用途分可分为十类：
– 结构钢焊条、钼和铬钼钢焊条、低温钢焊条、不锈钢
焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及 铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条
碱性焊条稳弧性差，飞溅大，对油污、水锈的敏感性 大，焊接电源多要求直流，焊接工艺性较差。
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4、焊条的型号与牌号 结构钢焊条型号
E XX X X
与第三位组合表示焊接电流 种类和药皮类型 焊接位置 熔敷金属抗拉强度最小值 焊条
*焊接位置由数字0-4表示：

0、1--表示适合全位置焊接 2--适合平焊及平角焊 4--适合向下立焊
焊缝位置：
平焊缝、立焊缝、仰焊缝、 横焊缝
立、仰、横焊难点在于:
①重力作用下焊条熔滴不 易向熔池过渡; ②熔池金属和熔渣下流.
飞溅：焊接过程中由熔滴 或熔池中飞出的金属颗粒 脱渣性：焊后熔渣从焊缝 表面清除的难易程度
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飞溅、脱渣性；
焊条的熔化速度；
药皮发红问题.
3）酸性焊条和碱性焊条特点

从焊缝金属力学性能考虑
粉、淀粉、析出气体CO、H，碳酸盐析出气体CO2，高温 时产生CO。
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④脱氧剂: 降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的
氧。铁合金：锰铁、钛铁、硅铁、Re等。
⑤合金剂: 使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。合
金、纯金属、一般Mn-Fe、Si-Fe要纯化发醇加５％高锰酸 钾纯化
⑥粘结剂: 将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，
强度等级来选用相应的焊条。（等强原则）
1)焊接结构钢时，一般要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据钢材
2)焊接特种钢时，应选用专业焊条。保证焊缝金属的主要化学成分及性 能与母材相同（等成分原则）。 3)焊接异种钢时，采用低匹配原则。低碳钢与低合金钢焊接时，可按异 种钢接头中强度较低的钢材来选用焊条。
3、熔化焊接头形式 对接接头 搭接接头 T型接头 角接接头
靠近焊缝的母材金属由于受到 热循环作用，在一定范围内发 生组织和性能变化的区域称为 热影响区（HAZ)
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3、熔化焊接头形式

对接接头


搭接接头
T型接头
应力分布不均匀，接头强度较 低，常用于焊前准备和装配要 求简单的板类焊件结构中 应力分布较复杂，但焊透的T 形接头在任一载荷下都具有很 高的强度。常用于船体结构中
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

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