《金属熔化焊原》PPT课件

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1、二 . 金属熔化焊原理 1.焊条和母材的熔化 2.焊接化学冶金过程 3.焊缝结晶过程 4.焊接热影响区的组织和性能 5.控制和改善焊接接头性能的方法 一 . 焊条和母材的熔化 1.金属焊接的分类 一 . 焊条和母材的熔化 2.熔化焊过程 加热 熔化 冶金反应 结晶 固态相变 形成接头。 （ 1）熔化金属、熔渣、气相之间进行一系列的 化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱硫等。 （ 2）快速连续冷却下的焊缝金属的结晶和相变， 此时，易产生偏析、夹渣、气孔和裂纹。 控制焊接化学冶金过程、焊缝金属的结晶和相 变过程是保证焊接质量的关键。 一 . 焊条和母材的熔化 3.焊条的加热及熔化 1)电阻热 当电

2、流通过焊条，将产生电阻热。 2)电弧加热 真正使焊条、焊丝熔化的是电弧热。而 焊条本身的电阻热仅起辅助作用。 一 . 焊条和母材的熔化 4.焊条金属向母材的过渡 熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔 滴过渡。熔滴过渡对焊接过程的稳定性、焊缝成 形、飞溅及焊接接头的质量有很大的影响 . 1)熔滴过渡的形式 滴状过渡 ：粗滴过渡 .细滴过渡 电流较小，熔滴依靠表面张力的作用保持在 焊条端部自由长大，直至熔滴下落的力（如重力、 电磁力等）大于表面张力时才脱离焊条端部 ,落人 熔池，熔滴较大，电弧不稳，通常不采用 . 电流增大，熔滴变细，过渡频率提高，电弧 较稳定、飞溅减小，呈细滴过渡，电弧焊采用。

3、 一 .焊条和母材的熔化 2） 短路过渡 焊条端部的熔滴与熔池短路接触，直接向熔 池过渡称为短路过渡。 短路过渡在小电流、低电弧电压下，实现稳 定的熔滴过渡和稳定的焊接过程。短路过渡适合 于薄板或低热输入的焊接。 C02保护电弧焊。 3） 喷射过 渡 熔滴呈细小颗粒以喷射状态快速通过电弧空 间，向熔池过渡的形式称为喷射过渡。焊接时， 熔滴的尺寸随着焊接电流的增大而减小，当焊接 电流增大到一定数值后，产生喷射过渡状态。 必须要有一定的电弧长度（电弧电压）。熔 化极氩弧焊 一 . 焊条和母材的熔化 一 . 焊条和母材的熔化 5. 熔滴过渡的作用力 (1) 重力 平焊时，金属熔滴的 重力起促进熔滴过

4、渡 的作用。立焊、仰焊时 熔滴的重力阻碍了 熔滴向熔池过渡， 成为阻碍。 一 . 焊条和母材的熔化 (2)表面张力 是 在 焊条 端头上保持熔滴的 作用力 。 仰焊时，有利于熔滴 过渡。熔池金属在表面张力作 用下，倒悬在焊缝上而不易滴落； 当焊芯末端熔滴与熔池金属 接触时，由于熔池表面张力 的作用， 将熔滴拉入熔池。 平焊时表面张力对熔滴 过渡起阻碍作用。 一 . 焊条和母材的熔化 (3)电磁压缩力 垂直作用在金属熔滴表面上， 熔滴的细颈部分，也是电磁压 缩力作用最大。随着颈部逐渐 变细，电流密度增大，电磁压 缩力也增强，则促使熔滴很快 地脱离焊条端部向熔池过渡， 保证了熔滴在任何空间位置都

5、能顺利地 过渡到熔池。 所以 电磁压缩力在任何焊接位置都 是促使溶滴过渡的力。 一 . 焊条和母材的熔化 (4)斑点压力 焊接电弧中的带电微粒在 电场的作用下分别向阳极 和阴极运动，撞击在两极 的斑点上而产生的机械压 力，称为斑点压力。由于 斑点压力的方向与熔滴过 渡的方向相反，所以在任 何焊接位置都是阻碍熔滴 过渡的力。 一 . 焊条和母材的熔化 (5)气体的吹力 药皮造气剂分解产生的气 体及焊芯中碳元素氧化生 成的 CO气体从套管中喷出。 在高温状态下，体积急剧 膨胀，沿焊条的轴线方向 ，形成挺直而稳定的气流 ，把熔滴吹到熔池中。在 任何焊缝位置，这种气流 都有利于熔滴的过渡。 一 . 焊

6、条和母材的熔化 6.母材的熔化 熔池 焊接时，熔池随热源 的移动作同步运动。 其大小、存在时间对 焊缝性能影响很大。 电流增大，熔池深度 增大，熔池宽度相对 减小；电压升高，深 度减小，宽度增大。 二 .焊接化学冶金过程 焊接化学冶金过程指焊接区中各种物质（熔化金属、熔 渣、气体）之间在高温下相互作用的过程。 1、对焊接区金属的保护 防止空气的有害作用 ,通过熔化金属、气体、熔渣之 间的冶金反应来消除焊缝金属中的有害杂质，增加有益 的合金元素，保证性能。 2、焊接化学冶金过程的特点 (1)温度高，温度梯度大 焊接电弧的温度高， 6 000-8 000度，金属剧烈蒸发， 电弧周围 C02、 N2

7、、 H2等大量分解，分解后的气体原子 或离子溶解在液态金属中形成气孔。 熔池温差大，平均温度在 2 000以上，并被周围的冷 却金属包围，温度梯度大，焊件易产生应力并引起变形， 甚至产生裂纹 二 .焊接化学冶金过程 （ 2)熔池体积小，熔池存在时间短 焊接熔池的体积极小，质量在 0.6 - 16 9之间 . 加热及冷却速度很快，由局部金属开始熔化形成 熔池，到结晶完成的全部过程只有几秒的时间， 整个冶金反应不能充分进行，易形成偏析。 (3)熔池金属不断更新 . (4)反应接触面大、搅拌激烈 . 熔化金属是以滴状从焊条端部过渡到熔池的， 熔滴与气体及熔渣的接触面大，有利于冶金反应 快速进行。同时

8、气体侵入液体金属中的机会也增 多，焊缝金属易产生氧化、氮化及气孔 。 二 .焊接化学冶金过程 三、有害元素对焊缝金属的作用 有害元素 ： 氧、氢、氮、硫、磷。 1氧对焊缝金属的作用 1) 使有益元素大量烧损，降低焊缝的强度、塑 性、硬度和冲击韧性 . 2) 降低焊缝金属的导电性和抗腐蚀性 . 3) 与碳、氢反应，生成不溶于金属的 co和 H20， 结晶时易在焊缝内形成气孔 . 4)产生飞溅，影响焊接过程稳定。 二 .焊接化学冶金过程 (3) 控制氧的措施 1）加强保护，采用短弧焊，防止空气侵入。 2）清理焊件表面的水分、油污、 锈迹，按规定温 度烘干焊条等。 2氢对焊缝金属的作用 (1)氢的来

9、源 主要来自受潮的药皮 ,空气中的水分、焊件表面的 铁锈、油脂及油漆等。 (2)氢对焊接质量的影响 1)形成气孔 熔池结晶时氢的溶解度突然降低，容易造成氢残 留在焊缝金属中，当焊缝金属的结晶速度大于逸出速 度，形成气孔。 二 .焊接化学冶金过程 2) 产生白点和氢脆 （ 1）白点 焊缝含氢量高时，在焊缝拉断面上出现如鱼目 状的直径为 0.5-5 mm的白色圆形斑点。 （ 2）氢脆 氢在室温时使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。 白点和氢脆使焊缝金属塑性严重下降。 3) 产生冷裂纹 (3)控制氢的措施 1)焊前清理干净焊件及焊丝表面的铁锈、油污、 水分等污物。 2)焊前按规定温度烘干焊条， 二 .

10、焊接化学冶金过程 3) 尽量选用低氢型焊条 ,采用直流反接 ,短弧操作 . 4)焊后消氢处理 . 即焊后立即将焊件加热到 250 - 350 ，保温 2-6h， 使焊缝金属中的扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响 中的氢含量。 3氮对焊缝金属的作用 (1)氮的来源 (2)氮对焊接质量的影响 1)形成气孔 . 2）影响焊缝的力学性 以针状夹杂物形式存在于焊缝金属中，使硬度和 强度提高，塑性、韧性降低 . 二 .焊接化学冶金过程 4焊缝金属中硫、磷的控制 (1) 硫、磷的来源 . 来自母材、焊丝、药皮 . (2) 硫、磷的危害 S以 FeS形式存在，易在晶界处开裂，产生热裂 纹。硫还能引起偏析，降低焊

11、缝金属的冲击韧性和 耐腐蚀性能 . P与铁形成低熔点共晶体，聚集于晶界，产生热 裂纹。磷化物还削弱了晶粒间的结合力且本身既硬 又脆，使冲击韧性降低，造成冷裂。 (3)脱硫和脱磷的措施 1)酸性焊条脱硫、脱磷效果较差。 2)碱性焊条脱硫、脱磷能力比酸性焊条强 。 三 . 焊缝结晶过程 焊缝金属从熔池中高温的液体状态冷却至常温 的固体状态，经历了两次结晶过程，即从液相转变 为固相的一次结晶和在固相焊缝金属中出现同素异 构转变的二次结晶 . 气孔、裂纹、夹杂、偏析在熔池结晶时产生的。 1、焊缝金属的一次结晶 一次结晶基本过程：生核和长大 随着电弧的移去，熔池液体金属温度降低，熔合 线处的散热条件好，

12、温度最低，当液体金属达到凝 固温度时，熔合线上的半熔化晶粒就成为附近液体 金属结晶的晶核 ,随着熔池温度的降低，晶核开始朝 着与散热方向相反的方向长大，向两侧较缓慢地长 大，形成柱状结晶。当柱状晶体不断长大至互相接 触时，焊缝的一次结晶过程结束。 三 . 焊缝结晶过程 2、焊缝结晶过程中的偏析 焊缝金属中化学成份分布不均匀的现象称为偏 析。 偏析主要是在一次结晶时产生的，偏析的化学 成分不均匀产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷。 (1)显微偏析 在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布 不均匀的现象。 焊缝结晶时，最先结晶的结晶中心 (金属最纯 )， 最后结晶的是晶粒的外缘和前端（含合金元素和

13、杂 质最高）。 一个柱状晶粒内部化学成分分布不均匀的现象叫 晶内偏析。 三 . 焊缝结晶过程 一方面是在结晶 的轴向延长，另 一方面是径向扩 展 。 三 . 焊缝结晶过程 焊缝结晶过程是无数个柱状晶粒同时生 长的过程，每个晶粒都有自己的结晶轴， 很多相邻的晶粒都以自己的晶轴为中心向 四周和前方发展，所以相邻晶粒之间的液 体结晶最迟，含有较多的合金元素和杂质， 这种晶粒之间化学成分分布不均匀的现彖 称为晶间偏析。 三 . 焊缝结晶过程 2区域偏析 熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推 移，把杂质推向熔池中心，这样熔池中心的杂质 含量要比其他部位高，这种现象称为区域偏析。 熔焊时，在单道焊缝横截

14、面上焊缝宽度（ B） 与焊缝计算厚度（ H）的比值（ =B/H）。 焊缝成形系数小时形成窄而 深的焊缝，在焊缝中心由于区域 偏析会聚集较多的杂质，抗热裂 纹性能差，形成系数值不能太小。 三 . 焊缝结晶过程 焊缝成形系数不同， 其偏析的地方也不 一样。焊缝成形系 数小，焊缝窄而深， 各柱状晶粒的交界 在中心，使窄焊缝 的中心聚集较多杂 质，易形成热裂纹； 三 . 焊缝结晶过程 焊缝成形系数大，焊缝宽而浅，杂质聚集 在焊缝上部，这种焊缝具有较强的抗热裂纹 能力。 利用这一特点可以降低焊缝产生热裂纹的 可能。如同样厚度的钢板，用多层多道焊要 比一次深熔焊的焊缝抗热裂纹的能力强。 三 . 焊缝结晶过

15、程 3层状偏析 熔池始终是处于气流和熔滴金属的脉动作用 下，无论是金属的流动或热量的提供和传递都具 有脉动的性质。 熔池结晶过程中放出的结晶潜热，造成结晶 过程周期性停顿，使晶体长大速度出现周期性增 加和减少。晶体长大速度的变化，引起结晶前沿 液体金属中夹杂浓度的变化，这样就形成周期性 的偏析现象，称为层状偏析。 层状偏析常集中了一些有害的元素，因而缺陷 也往往出现在偏析层中。 三 . 焊缝结晶过程 三 . 焊缝结晶过程 3、焊缝金属的二次结晶 一次结晶结束后，熔池金属就转变为固态的焊缝。 高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的相 变过程，这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。 对低碳钢而言

16、，焊缝的常温组织，即二次结晶后 的组织为铁素体加珠光体。 焊接时，由于冷却速度较快，焊缝组织中珠光体 含量一般含量较大。冷却速度越快，珠光体含量越 多，焊缝的硬度和强度增加，塑性和韧性降低。 三 . 焊缝结晶过程 4.焊缝中的夹杂物 由焊接冶金反应产生的，焊后残留在焊 缝金属中的非金属杂质，称为夹杂物。 夹杂物主要有硫化物和氧化物。 硫化物夹杂主要是 FeS和 MnS，硫化 亚铁对焊缝的危害很大，是使焊缝产生热裂 纹的主要原因。 氧化物夹杂主要是二氧化硅 ( Si02)、氧化 锰 (Mn0)、氧化钛 (Ti02)等会降低焊缝的力学 性能。 四 .焊接热影响区的组织和性能 焊缝在电弧的作用下从熔

17、化到固态相变等变化， 焊缝两侧未熔化的母材也会因热传递的影响而产 生组织和性能变化。 1.熔合区的组织和性能 熔合区是指在焊接接头中，焊缝向热影响区过 渡的区域。 该区范围很窄，在显微镜下也很难分辨。该区 金属处于部分熔化状态，晶粒非常粗大，冷却后 组织为粗大的过热组织，塑性、韧性很差。 由于熔合区具有明显的化学不均匀性及组织不 均匀性，是产生裂纹或局部脆性破坏的发源地， 是焊接接头中性能最差的区域。 四 .焊接热影响区的组织和性能 2、焊接热影响区的组织和性能 焊接热影响区就是指在焊接过程中，材因 受热影响（但未熔化）而发生金相组织和力 学性能变化的区域。 焊接热影响区的组织和性能，基本上反

18、映 了焊接接头的性能和质量。 低碳钢及低合金高强度结构钢 ( Q295、 Q345、 Q390)，焊接热影响区分为过热区、 正火区、不完全重结晶区和再结晶区 。 四 .焊接热影响区的组织和性能 四 .焊接热影响区的组织和性能 （ 1）过热区 焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大 的区域称为过热区，又称粗晶区。 过热区温度在 1100 C0左右，在高温下，奥氏体 晶粒严重长大，冷却后呈现为晶粒粗大的过热组织。 过热区塑性、韧性很低，是热影响区中性能最差 的区域。 （ 2）正火区 加热时该区的铁素体和珠光体全部转变为奥氏体， 由于温度不高，晶粒长大较慢，空冷后，获得均匀 而细小的铁素体和珠光

19、体，相当于热处理时的正火 组织，也称为细晶区。 力学性能略高于母材，是热影响区中综合力学性 能最好的区域。 四 .焊接热影响区的组织和性能 （ 3）不完全重结晶区 加热时该区的部分铁素体和珠光体转变为奥氏体， 冷却时奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体；而未 溶人奥氏体的铁素体不发生转变，晶粒长大粗化， 成为粗大的铁素体。 这个区的金属组织是不均匀的，一部分是经过重 结晶的晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分是粗 大的铁素体。由于晶粒大小不同，力学性能不均匀 （ 4）再结晶区 对于焊前经过冷塑性变形（冷轧、冷成型）的母 材，将发生再结晶。经过再结晶，塑性、韧性提高 了，但强度却降低了。 四 .焊接热

20、影响区的组织和性能 热影响区宽度对焊接接头中产生的影响。 热影响区越窄，焊接接头中内应力越大，越容易 出现裂纹；热影响区越宽，则变形较大。焊接生产 中，应尽量减小热影响区的宽度。 热影响区宽度的大小与焊接方法、焊接工艺参数、 焊件大小和厚度、接头形式等有关。采用小的焊接 工艺参数，如降低焊接电流、增加焊接速度，可以 减少热影响区宽度。 不同焊接方法不同热影响区宽度不同，焊条电弧 焊的热影响区总宽约为 6 mm。气焊 27 mm左右 。 五 .控制和改善焊接接头性能的方法 焊接接头是由焊缝、熔合区和焊接热影响 区组成，成分、组织和性能都不均匀，组织 和性能存在着极大的不均匀性。 1、材料的匹配

21、焊接材料与母材不同的匹配会影响焊缝金 属的化学成分和性能，不影响热影响区的组 织和性能。 对于低碳钢、低合金钢一般不要求焊缝金 属与母材成分一样，而要求力学性能与母材 相同。 五 .控制和改善焊接接头性能的方法 2、控制熔合比 熔焊时，被熔化的母 材在焊缝金属中所占的 百分比，称为熔合比。 熔合比只对焊缝金属 的化学成分有影响， 只影响焊缝金属的 性能。 五 .控制和改善焊接接头性能的方法 （ 1）焊接材料与母材的化学成分基本相同，熔合比 对焊缝和熔合区的性能无明显影响。 （ 2）母材合金元素较少，焊材合金元素较多，控制 熔合比小一些，熔合比增加会导致焊缝性能下降。 （ 3）母材合金元素较多，

22、焊材合金元素较少，增加 熔合比可提高焊缝的性能。 （ 4） 母材碳和硫、磷的含量较多，应减少熔合比， 防止产生裂纹。 在生产中，通过调节焊接坡口的大小来控制熔 合比。不开坡口，熔合比最大。坡口越大，熔合比 越小。 五 .控制和改善焊接接头性能的方法 3、焊接工艺方法的选用 （ 1）电焊的热输入较小，接头高温停留时间较短， 焊缝和热影响区的组织较细，热影响区相对较窄。 焊接接头性能较好。 （ 2） 气焊加热速度慢，焊缝和热影响区易产生过热 和过烧的组织，晶粒粗大，热影响区宽。焊接接头 性能差 （ 3） 手工钨极氩弧焊热量集中，热输入小，接头高 温停留时间短，焊缝和热影响区组织细，热影响区 窄，接

23、头性能好。 （ 4） C02气体保护焊焊缝含氢量低，抗裂性能好， 热影响区窄，接头性能较好。 五 .控制和改善焊接接头性能的方法 4、焊接热输入及焊接工艺参数的选用 （ 1）焊接工艺参数对焊接接头性能的影响。 采用小的焊接电流、较高的电弧电压，可获得宽 而浅的焊缝，结晶时凝固的低熔点杂质被推向焊缝 表面，可防止产生中心线裂纹。 采用大电流、低电压焊接时，焊缝窄而深，凝固 时形成严重的中心线偏析，易产生热裂纹。 （ 2）焊接热输入对焊接接头性能的影响及控制 . 热输入越大，高温停留时间越长，焊接热影响 区越宽，过热现象越严重，晶粒越粗大，塑性和韧 性严重下降； 热输入过小，焊后冷却速度增大，易产生硬脆 的马氏体组织，导致塑性和韧性下降，产生冷裂纹。 五 .控制和改善焊接接头性能的方法 5、焊接工艺措施 焊接工艺措施：焊接操作技术、焊前预热、 焊后后热、焊后热处理等。 焊接操作技术 ： 单道焊法和多层多道焊法、 不摆动焊法和摆动焊法等。 采用多层多道焊，可避免产生焊缝中心线 裂纹，后焊道对前焊道和热影响区有热处理 作用。 焊前预热、焊后后热、焊后热处理，对焊接 接头的性能也都有较大的影响。