熔焊接头熔合比计算和焊缝成分预测

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1、第36页 共37页 目录摘要1前言21绪论31.1 焊缝成形及熔合比研究现状31.2 焊缝成分检测与预测方法研究71.3 研究内容和意义 112堆焊接头熔合比计算与焊缝成分预测122.1试验条件 122.2实验结论 183平板对焊接头熔合比计算与焊缝成分预测193.1 对接接头的特点193.2实验组一的相关计算203.3实验组二的相关计算234角接接头熔合比计算与焊缝成分预测264.1 角接接头的特点264.2角接接头熔合比和焊缝化学成分的计算275结论与展望 335.1结论335.2展望34致谢 35参考文献36熔焊接头熔合比计算和焊缝成分预测学生：钟成指导老师：王燕三峡大学机械与材料学院摘

2、要: 本文主要研究在不同焊接方法，不同的焊接材料，以及不同焊接工艺焊接参数下，通过实验确定熔合比，并由熔合比计算出焊缝的化学成分，这样就能达到预测焊缝质量，从而提高生产效率。课题的研究，旨在计算各种焊接接头中的焊缝熔合比及由熔合比推测焊缝中各化学元素的质量分数。研究对象为：CO2气体保护焊药芯焊丝和实芯焊丝堆焊接头、CO2气体保护焊实芯焊平板对接接头以及角接接头的焊缝熔合比和焊缝成预测。通过应用计算机绘图软件Photoshop CS4对焊缝金相图片进行染色，并应用该软件对染色面积进行计算，从而计算出熔合比和焊缝化学成分。关键字：熔焊接头；熔合比；焊缝成分；焊缝质量Abstract: This

3、paper mainly studies the different welding method for different material, welding, and welding process of welding parameters, determined by experimental fusion ratio, and the fusion ratio calculated from the chemical composition of the weld, such able to predict the weld quality, thereby improving t

4、he production efficiency .The topic research, aims to calculate the welding in the weld fusion and fusion ratio of weld by speculation in the chemical element mass fraction. The experimental research object mainly is surfacing in CO2 gas shielded arc welding core electrode and solid core welding wir

5、e for welding, butt joint in CO2 gas shielded arc welding welding process parameters under different welding and corner joints in CO2 gas shielded arc welding under different welding parameters of welding seam weld and weld after chemical element mass fraction. Through the application of computer dr

6、awing software Photoshop CS4on weld seam metallography dyeing, and the application of the software on the stained area were calculated, which calculated the fusion ratio and chemical composition of weld. This study hope from the weld fusion ratio and the chemical composition of weld angle, predict t

7、he weld quality, thus in the production practice by changing the parameters of welding process to weld fusion ratio and weld chemical composition change, to improve the welding quality target.Keyword: Welded joint, The fusion ratio, Weld metal composition, Weld quality前言 焊接方法发展的历史可以追溯到几千年前，据考证，在所有的焊

8、接方法中，钎焊和锻焊是人类最早使用的方法。早在5000年前，古埃及就已经知道用银铜钎料钎焊管子，在4000年前，就知道用金钎料连接护符盒。我国在公元前5世纪的战国时期就已经知道使用锡铅合金作为钎料焊接铜器，从河南省辉县玻璃阁战国墓中出土的文物证实，其殉葬的本体，耳，足都是利用钎焊连接的。在明代科学家宋应星所著的天工开物一书中，对钎焊和锻焊技术做了详细的叙述1。19世纪80年代，焊接只用于铁匠锻造上。工业化的发展和两次世界大战的爆发对现代焊接的快速发展产生了影响。基本焊接方法电阻焊、气焊和电弧焊都是在一战前发明的。但20世纪早期，气体焊接切割在制造和修理工作中占主导地位。过些年后，电焊得到了同样

9、的认可。19世纪末，一种氧乙炔火焰的气焊在法国出现了。大约在1900年,Edmund Fouche 和Charles Picard造出了第一支焊炬。实验证明焊炬发出的火焰炙热，大约在3100C以上。后来焊炬成为了焊接切割钢时的重要工具。1810年，Humphrey Davy在电路的两极造了一个稳定的电弧-电弧焊的基础。在1881年的巴黎“首届世界电器展”上，俄罗斯人Nikolai Benardos展示了一种电弧焊的方法。他在碳极和工件间打出一个弧。填充金属棒或填充金属丝可以送进这个电弧并熔化。那时他是法国Cabot实验室的学生，和他的朋友Stanislav Olszewski一道于1885年至

10、1887年间在几个国家得到了专利权。该专利展示了早期电极夹，参见图2。到19世纪末和20世纪上半叶，碳弧焊越来越流行。此后，在20世纪30年代，又发明了不少新焊接法。直到那时，所有的金属电弧焊都是通过手工焊的方法完成的。人们不断尝试用连续丝让该工艺自动化。最成功的发明是埋弧焊，在这种焊接方法中，电弧埋在一层粒状熔剂里。19世纪末以前没有出现电焊的理由之一就是缺乏合适的电源。18世纪末期，意大利人Volta 和Galvani成功发现了电流。1831年, Michael Faraday创立了变压器和电机原理，这是对电源的重要发展。直到20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器，接

11、着很快出现了硅整流器。此后，硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。这些整流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。等离子焊接出现时，实验证明它是更集中、更炙热的能源，利用它可以提高焊接速度，减少线能量。20世纪60年代出现的激光电子束焊接也与之有相似的好处。质量提高，容差减小，超过了以前可能达到的标准。对新材料和不同金属组合都能进行焊接。电子束狭窄，要求必需使用机械化设备。所以说自公元19世纪80年代开始，随着近代工业的兴起，焊接技术进入了飞速发展的时期，新的焊接方法伴随着新的焊接热源的出现竞相问世。如今焊接技术主要应用在金属母材上，常用的有电弧焊，氩弧焊，CO2保护焊，氧气-乙炔焊，激

12、光焊接，电渣压力焊等多种，塑料等非金属材料亦可进行焊接。金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。焊接作为先进制造技术的重要组成部分在国民经济的发展和国家建设中发挥了重要的作用。焊接技术的优秀成果在航空航天，核能，船舶，电力，电子，海洋钻探，高层建筑等领域得到广泛的应用2。随着科学的发展和技术的进步，焊接已经逐渐脱离了单纯工艺和技术的层面而走向科学的范畴，并且在与其他科学知识的不断碰撞和交融中，展现出来旺盛的生命力。新材料的不断生产，新能源的不断开发和新结构的不断涌现，对焊接技术提出了新的挑战。随着工业化进程的不断提速，时代对焊接质量也提出了新的要求，如何科学的得到优质的，可靠

13、的，稳定的，经济的焊缝，这是所有业内人士都在积极探索的。想解决这一难题，就需要我们深入的研究焊接熔合比，以及仔细分析焊缝成分才能得到，因为焊缝成分对焊缝质量有着决定性的作用。1绪论1.1 焊缝成形与熔合比研究现状 “熔焊时，被熔化的母材部分在焊道金属中所占的比例”称为熔合比。在焊缝中，母材金属熔合比的增加，意味着熔池中母材金属所占的比例增大、填充金属元素被稀释， 从而改变焊缝的成分、组织性能以及形貌3。特别对于异种金属或复合板的焊接，由于母材与填充金属成分差别较大，母材的熔化对焊缝的成分、组织和性能的影响更大。为了获得合适的焊缝成分、组织和性能， 需将母材的熔合比控制在特定的范围内。因而，测定

14、对接焊缝熔合比的大小可以为异种材料或复合板焊接时焊接工艺参数、焊接材料的选择提供一定的依据，具有重要的意义。焊缝熔合比主要影响焊缝的化学成分、金相组织和力学性能。这是因为当发生变化时，填充金属在整个焊缝金属中所占的比例发生了变化，这就导致焊缝成分与性能的变化。当熔合比小时，焊缝金属中填充金属量多，由填充金属带入焊缝金属中的合金元素或杂质元素就多，焊缝金属的成分和性能由填充金属材料起主导作用；相反，当熔合比大时，焊缝金属中母材的金属量多，由母材金属材料的熔化而进入焊缝中的合金元素或杂质元素就多，此时，焊缝金属的成分和性能由母材金属起主导作用。通过选择填充金属成分和控制熔合比，能在相当宽的范围内调

15、整焊缝的成分及组织，改变接头的性能。在堆焊、异种金属的焊接时，通过选择填充金属材料成分和控制好熔合比的方法，使得焊缝金属组织、性能满足要求。在焊接中，焊接工艺参数和焊缝熔合比有着密不可分的关系，例如，埋弧自动焊焊接低碳钢、普通低合金钢时，常选用高锰高硅焊剂（如焊剂430、焊剂431）配合低锰焊丝（H08A）或含锰焊丝（H08MnA）,焊缝所需的合金元素锰（Mn）和硅（Si）主要通过焊剂来过渡，且过渡量比较少，有效过渡到焊缝的比列不高。此时熔合比对焊缝的影响较大，当母材中碳（C）及硫（S）、磷（P）杂质含量偏上限时，采用减少熔合的方法，能有效的减少因母材中的C、S、P等杂质的熔入而引起的焊接裂纹

16、等缺陷。在焊条电弧焊焊接含C、S、P等杂质量偏上限的碳素钢时，采用正确焊条型号的同时，降低母材熔合比的方法，即把原来不开坡口的接头改成坡口接头，或把坡口角度改得大一些进行多层多道焊，这样就会减少因母材的熔入而进入焊缝中的S、P等杂质含量，从而减少焊缝开裂的倾向。在焊条电弧焊焊接低碳钢和188型不锈钢时，采用2513型焊条，把熔合比控制在40%以下，就能够得到具有较高抗裂性能的奥氏体+铁素体双相组织的焊缝4。下面以对接焊缝为例：（1）电弧功率对熔合比的影响图1-1是熔合比随电弧功率变化的曲线。图1-1 熔合比随电弧功率的变化曲线 从图中可以看出， 在其他条件不变的情况下， 熔合比随电弧功率增大而

17、增大。这是因为： 一方面， 由于电弧功率的增大，对母材的热输入增大，熔深增大，母材熔化截面面积增加。另一方面，电弧功率增大，焊丝熔化量增加，焊缝截面积增加。但焊缝截面积随电弧功率增加的比例小于母材熔化截面积增加的比例， 因而随着电弧率的增加，熔合比增大。 （2）焊接速度对熔合比的影响图1-2 是熔合比随焊接速度变化的曲线。图1-2熔合比随焊接速度的变化曲线在其它条件不变的情况下，提高焊接速度，焊缝截面积减小。同时，单位长度上对母材的热输入减小， 因而降低了母材的熔化量，使母材熔化截面积减小。在焊接速度较低时， 电弧力作用在熔池上，部分热量造成熔池过热，减少了用于熔化母材的热量，虽然焊接速度较高

18、时， 散热作用加强， 但电弧基本上直接作用于母材，所以在本试验所采用的焊接速度范围内， 熔合比随焊接速度的降低而减小。测试数据表明： 焊接速度对熔合比的影响较小。（3）焊丝伸出长度对熔合比的影响图1-3是熔合比随焊丝伸出长度变化的曲线。图1-3 熔合比随焊丝伸出长度的变化曲线随着焊丝伸出长度的变化， 焊接电流也随之变化。当伸出长度增加时，焊接电流减小，电弧功率降低，熔合比减小。同时，随焊丝伸出长度的增加， 焊丝产生的电阻热增加， 因而增加了焊丝的熔化量，也减小了熔合比。（4） 钝边对熔合比的影响试验中只选择了两种钝边尺寸， 试验结果表明： 随钝边尺寸的变化，熔合比也发生变化，且钝边为2mm时的

19、熔合比大于钝边为1mm时的熔合比。（5）坡口形式与装配间隙影响焊缝熔合比的大小，主要是装配间隙与坡口角度的大小。当其他条件不变时，装配间隙与坡口角度大，熔合比就小。装配间隙与坡口角度的大小，也影响焊缝的形状，特别是焊缝的熔化深度。（6） 焊道层数把单层焊改为多层焊或多层多道焊。也能有效的改变焊缝的尺寸和减小熔合比。综上所述，得到：（1） 在其它条件不变的情况下， 降低电弧功率可以减小熔合比；而焊接速度对熔合比的影响不明显。（2）随焊丝伸出长度的增加，熔合比减小。（3）坡口钝边的变化也影响熔合比。（4） 在异种材料特别是不锈钢复合板焊接中， 为获得较小的熔合比， 在一定热输入的情况下可采用较小电

20、弧功率、较低的焊接速度、较小的钝边，较大的焊丝伸出长度,增大装配间隙与坡口角度。（5）适当的控制坡口形状和装配间隙也能达到控制熔合比的目的。（6）将单层焊改为多层焊或者多层多道焊也能起到减小熔合比的作用。1.2 焊缝成分检测与预测方法研究焊缝成分取决于被焊的母材、所用的焊接材料和采取的焊接工艺，它对接头的组织和性能有决定性的影响。因此，在焊接成分中必须尽量降低氮、氧、硫和磷等有害元素的含量，同时向焊缝添加有益的合金元素，实现焊缝金属的净化和合金化，达到提高接头性能的目的5。一、氮对焊接质量的影响在焊接过程中，氮总会或多或少的侵入焊接区而残留到焊缝中，从而造成对焊接性能的影响。因而，在焊接过程必

21、须采取各种有效的控制措施，以减小氮对焊缝金属的危害作用。（1）促进焊接气孔的形成 气孔是残留在凝固金属中的充满气体的形腔。氮在液态金属中具有很高的溶解度，而在液态金属凝固时溶解度显著降低，这时过饱和的氮因脱溶析出而在液态金属中形成气泡。当气泡从液态金属中逸出的速度小于熔池的结晶速度时，气泡将残留在焊接金属中形成所谓的氮气孔。一般来讲，氮气孔的形成往往与保护不良有关，易发生在焊缝的起弧收弧位置。 （2）改变焊缝的力学性能 对于低碳钢和低合金钢的焊接来讲，氮能提高焊缝的强度和硬度，但会使焊缝的塑性和韧性降低，尤其是低温韧性显著降低。这是因为，室温下氮在铁中溶解度很小，当液态熔池快速凝固时，所溶解的

22、一部分氮将以过饱和的形式存在于固溶体中，而另一部分氮会与铁结合成针状的氮化物，它分布于晶界或晶内，起到阻碍错位运动的作用。 （3）引起焊缝的实效脆化 焊缝金属中以过饱和形式存在的氮是不稳定的，它将随时间的延长逐渐析出，形成稳定的针状碳化物，造成焊缝的强度和硬度的提高，而塑性和韧性下降，即所谓的时效脆化。当焊缝中加入像钛、铝及锆之类的能形成稳定氮化物的元素，能抑制或消除这种时效脆化现象。二、氢对焊接质量的影响大量研究表明，氢对许多金属及合金的性能都有不良的影响。对于焊接接头来讲，这种危害作用会更大。因此，应从多方面采取有效的控制措施，尽量降低焊缝中的氢的含量，以改善接头性能，焊缝质量。就结构钢而

23、言，氢对焊接质量的影响涉及两个方面，即暂态影响和永久影响。暂态影响包括氢脆和白点，可通过焊后脱氢处理予以消除。永久影响包括气孔和冷裂纹，这种影响一旦出现就无法消除。三、氧对焊接质量的影响在焊接过程中，由于焊接气氛和焊接熔渣在一般情况下具有一定的氧化性，导致焊接区的金属必然会受到不同程度的氧化，从而对焊接过程和接头性能产生危害作用。因此，必须采取各种有效的措施，降低氧对焊接质量的不利影响，提高焊接接头的性能。 （1）降低焊缝的力学性能 焊缝中的氧无论以何种形式存在，都会使焊缝的力学性能降低。随着焊缝含氧量的增加，焊缝强度、塑性和韧性显著降低，尤其是后者更为突出。此外，氧使钢中有益元素烧损也是焊缝

24、性能变差，而且氧还可能引起焊缝的热脆、冷脆和时效硬化。 （2）影响焊接过程和质量 在钢材焊接中，当熔滴含氧和碳较多时，反而生成的CO气体受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，从而影响焊接过程的稳定性。同样，溶解在熔池中的氧与碳可发生反应，生成不溶于液态金属的CO气体，当液态金属凝固速度较快而CO来不及逸出时，将会在焊缝中形成CO气体。 四、硫的危害及对焊缝质量的影响硫是焊接材料和焊缝金属中的杂质，其对焊缝的危害主要表现在使焊缝产生硫化物夹杂，增大焊缝金属产生结晶裂纹倾向，降低焊缝冲击韧度和耐蚀性能。造成这些危害的主要原因如下： （1）在钢铁材料的焊接中，硫与铁可能结合为FeS，成为焊缝金属的夹杂之一

25、。FeS与液态铁无限互溶，而在固溶铁中溶解度很小，因此，当焊接熔池结晶时，在晶界处将形成这两种低熔共晶薄膜，增大了焊缝的结晶裂纹倾向，而且低熔共晶以片状或链状的形态分布于晶界，严重降低了焊缝的冲击韧度和耐蚀性能。 （2）当焊接合金钢，尤其是含镍量高的合金钢时，由于硫与镍能结合成NiS与镍能形成熔点只有637C的低熔共晶NiS+Ni，显著增大了产生结晶裂纹的倾向。 （3）当钢中含碳量增加时，更加重了硫在晶界处得偏析行为，使其危害程度进一步加大。因此，减小焊缝含硫量的同时，也应合理控制焊缝的含碳量。五、磷的危害 （1）磷在液态铁中具有较高的溶解度，而在固态铁中溶解度很小，故多以和的形式存在。当熔池

26、快速凝固时，磷易发生偏析，在晶界处形成熔点为1048C的低熔共晶，从而使结晶裂纹倾向增大。同时，本身又脆又硬，而且常分布于晶界，削弱了晶粒之间的结合力，因而增加了焊接金属的冷脆性，即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。 （2）在含镍多的钢中，磷与镍能结合成,而与镍能形成熔点为870C的低熔共晶+Ni，使结晶裂纹倾向进一步加大。 （3）当钢中含碳量增加时，会加重磷在晶界处得偏析行为及其危害程度。因此，控制焊缝含磷量的同时，也应合理控制焊缝的含碳量。综上，在焊缝中各化学成分对焊缝的质量都有不同程度的影响，要想得到高质量的焊缝，就必须先预测焊缝中各种化学元素的含量，这样才能在选择焊接参数时加以优化，如前

27、所述，焊缝的成分不仅取决于所用的焊接材料，而且也取决去被焊母材本身。为衡量二者的共同影响，才引入了熔合比的概念。在母材一定时，焊缝成分的控制主要有两个途径。一个是调整焊接材料的成分，另一个是控制焊接工艺来改变熔合比，例如，在堆焊时，应尽量降低熔合比，以减小母材对焊缝层成分及性能的影响；在异种钢焊接时，由于熔合比对焊缝成分的影响很大，应根据确定的熔合比来选择焊接材料。本文主要是研究焊缝熔合比及焊缝化学成分，所以在预测焊缝化学成分及其含量中，熔合比是不可或缺的一个重要实验数据。在本次研究中研究熔合比及焊缝化学成分的具体方法，如下：熔合比是指焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例，即（式1-1）6r-焊

28、缝的熔合比；mb-焊缝中熔化母材所占的质量；md-焊缝中熔敷金属所占的质量。如上式所述，在计算焊缝熔合比时需要焊缝中熔化母材所占的质量，焊缝中熔敷金属所占的质量，这两组数据明显不容易得到，考虑到母材和焊缝金属的密度相差不大，细微的差别可以忽略不计，不会对实验结果产生影响，所以将上式中的焊缝熔化母材所占的质量用焊缝熔化母材所占的横截面积代替，将上式中的焊缝中熔敷金属所占质量用焊缝熔敷金属所占的横截面积代替，代替后的计算公式如下：rAm /(Am+Ah) （式1-2）r-焊缝熔合比Am-焊缝中熔化母材所占的横面积Ah-焊缝中熔敷金属所占的横截面积这样就给在计算焊缝熔合比时赢得了便利。然而，如何才能

29、得到焊缝中熔化母材所占的质量和熔敷母材所占的质量？我们可以利用计算机绘图软件Potoshop CS4来计算焊缝不规则区域的面积。就能简便的准确的计算出焊缝熔合比。在计算出熔合比后，已知各焊接工艺参数、焊丝型号、母材型号后，就能应用如下公式计算出焊缝中各化学成分的含量： （式1-3）-焊缝中某合金化元素的质量分数-母材中该合金化元素的质量分数-焊缝熔敷金属中该合金化元素的质量分数通过上述公式就能通过已知的母材钢号和焊丝型号得到较为准确的焊缝成分。在计算或者测定焊缝化学成分及其质量分数时，也可以使用电子探针的实验手段。电子探针的全称为电子探针X射线显微分析，它是电子光学和x射线光谱的结合产物。现代

30、的电子探针是扫描型电子探针，通过电子束在样品表面进行光栅扫描，并利用色散的特征X射线信号调制阴极射线管的亮度，这样得到的扫描图像可显示表面得让分布状态。电子探针是无机材料和有材料微区成分分析的工具，广泛用于冶金、地质、矿物、生物、医学和考古等领域。电子探针的分析物质元素的基本原理：由电子枪发射的电子被加速、聚焦后, 具有一定的能量, 当其照射到样品上后，使样品的电子层受到激发, 从而产生特征X射线。不同的元素, 其特征X射线的波长不一样, 根据这些特征X射线的波长便可知道样品中含有那些元素, 这就是定性分析。样品中某种元素的含量越多, 所产生的特征X射线的强度也就越大.因此, 根据某元素的特征

31、X射线强度的大小, 也就可以计算出某元素的含量, 这就是定量分析。电子束照射到洋品上以后, 除了产生特征X射线外, 还产生二次电子、背散射电子、吸收电子等物理信息。利用这些物理信息就可以进行扫描图像的观察, 主要有二次电子像、背散射电子像、吸收电子像,这就是扫措电子显微镜的功能和电子探针分析物质元素的基本原理。电子探针分析的优点：（1）.所需样品少：电子探针分析是微束分析的一种，只要样品直径大于1微米就可进行分析，因而所需的数量很少，这对很小的矿物颗粒或者较小的实验试块提供了有利的研究手段。（2）.不破坏样品：经过电子探针分析的样品，并不受到任何破坏，还可以进行其他方面的测定，这对稀少珍贵的样

32、品，电子探针提供了最为理想的研究手段。（3）.直观：电子探针除了能进行点分析外，还可以进行扫描和面分析，这对了解样品中元素的分布规律、共生关系和赋存状态等提供了大量基础资料。（4）.快速：因为电子探针一般都有三至四道谱仪同时对不同元素进行分析，并且这都是由计算机自动操作和修正计算的，因面分析速度快，成本也较低。尤其是附带有能谱仪后，更加快了分析速度。如上所述，电子探针能为本次课题研究带来更为准确的更为详尽的实验结果和实验数据，但是电子探针同时也具备缺点，例如，1.对实验设备有很高的要求，在使用电子探针时需要电子探针和能谱仪的结合，这对实验成本的要求无疑增加了，2.在使用电子探针对本次需要研究的

33、焊缝成分进行探测时，需要焊缝横截面仔细的抛光，因为如果抛光不好，就会严重的影响实验结果，3.电子探针虽然能得到更为准确的结果，但从上述介绍中就可以看出，在使用电子探针时，操作是很复杂繁琐的。在权衡考虑后，决定使用第一种计算焊缝成分的方法也就是通过熔合比计算焊缝化学成分的方法，因为这种方法不仅仅在成本上有较大的节约作用，在实际操作上也很便利简单，并且可以得到较为准确的实验结果和实验数据。上述两种方法均可得到的焊缝化学成分，通过计算焊缝的化学成分达到预测焊缝的质量、焊缝的力学性能的目的，从而能在根源上优化焊接工艺参数，并在焊后进行一系列的焊后热处理，在最大程度上改善焊缝的质量，提高焊接效率，这样就

34、为在大量的工业生产中得到了便利，减少了不必要得浪费，从而达到了学以致用，将理论应用到实践中。1.3 研究内容和意义CO2气体保护焊和手工电弧焊是两种重要的金属连接工艺手段。CO2气体保护焊是一种先进的焊接方法,它具有焊接质量好、效率高、成本低、易于实现自动化等优点。手工电弧焊是焊接生产的主要方法之一，手工电弧焊是将电能转换为热能的一种焊接方法。它们在工业生产中应用广泛。而其中焊缝成形的好坏直接影响着焊缝质量的好坏。通过本课题研究焊缝成形的变化规律，来改善焊缝的质量、减少材料的浪费以及提高焊接工作效率。本课题研CO2气体保护焊和手工电弧焊焊缝成形的特点及其影响因素。具体研究内容如下：（1）选择不

35、同的焊接工艺参数，进行CO2气保焊和手工电弧焊焊接，分析焊接参数对焊缝熔深、熔宽、余高以及焊缝成形系数和焊缝熔合比的影响。（2）研究用软件计算熔合比，并利用熔合比数据来计算焊缝的合金成分，分析如何通过控制焊接工艺参数来得到合适的熔合比，并以此来控制焊缝的化学成分。（3）研究和探讨如何合理匹配焊接工艺参数来得到焊缝成形美观、熔合良好、焊缝成形系数和焊缝熔合比合理的焊接接头。焊缝成分对接头的组织和性能有决定性的影响。因此，在焊接成分中必须尽量降低氮、氧、硫和磷等有害元素的含量，同时向焊缝添加有益的合金元素，实现焊缝金属的净化和合金化，达到提高接头性能的目的。另外，在焊缝中，母材金属熔合比的增加，意

36、味着熔池中母材金属所占的比例增大、填充金属元素被稀释， 从而改变焊缝的成分、组织性能以及形貌。特别对于异种金属或复合板的焊接，由于母材与填充金属成分差别较大，母材的熔化对焊缝的成分、组织和性能的影响更大。为了获得合适的焊缝成分、组织和性能， 需将母材的熔合比控制在特定的范围内。因而，测定对接焊缝熔合比的大小可以为异种材料或复合板焊接时焊接工艺参数、焊接材料的选择提供一定的依据，具有重要的意义。所以，在焊接中熔合比与焊缝化学成分有着密不可分的关系，通过熔合比可以达到控制焊缝化学成分的目的，从而能够尽量的减少焊缝中氮、氧、硫和磷等有害化学元素的含量，提高对焊缝有益的合金元素，达到最大限度上的提高焊

37、缝质量的目的。本次课题主要是对焊接熔合比及焊缝化学成分进行研究，深入的探寻熔合比对焊缝化学成分的影响，并通过计算焊缝熔合比，预测焊缝的化学成分，了解两者的相互关系，希望能通过控制焊缝熔合比控制焊缝的化学成分，以减少对焊缝有害的的化学元素，增加对焊缝有益的化学元素，达到提高焊缝质量，提高生产效率及经济效益。2 堆焊接头熔合比计算与焊缝成分预测 堆焊是在工件的任意部位焊敷一层特殊的合金面，在工件的表面或边缘进行熔敷一层耐磨、耐蚀、耐热等性能金属层的焊接工艺7，其目的是提高工作面的耐磨损，耐腐蚀和耐热等性能，以降低成本，提高综合性能和使用寿命，堆焊也常用于修归利废。堆焊对提高零件的使用寿命，合理使用

38、材料，提高产品性能，降低成本有显著的经济效益。不同的工件和堆焊焊条要采用不同的堆焊工艺 ，才能获得满意的堆焊效果。在近些年，堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术8。在现代堆焊中，主要分为：埋弧堆焊、等离子弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊等焊接方法。2.1试验条件熔合比的大小与电弧形态、电弧长度、电弧功率、工件上的热输入功率q 、工件上的比热流q( r ) 、电弧气氛、电弧力、熔滴过渡类型等多种因素有关。试验

39、采取了固定影响焊缝成形系数的主要因素, 如: 保护气体及流量、电弧能量参数(I a 、Ua ) 、焊接速度、干伸长、钢号与试件尺寸、试件初始温度等, 并在试件表面进行单道水平位置自动堆焊。电源为NBC-400 型硅整流平特性直流电源, 弧长自调节方式为等速送丝配恒压源系统9。表2-1、图2-1和图2-4的其它试验条件均为: 干伸长15 mm, CO2 气体流量20 L/ min, 试件尺寸170 mm100mm 16 mm , 钢号16Mn; 实芯焊丝( 镀铜) H08Mn2Si/ 1.2 mm, 药芯焊丝( 镀铜) FT -50/1.2 mm。表2-1FCAW 与CO2 焊接的焊缝几何尺寸组

40、号焊接电流( A)/ 电弧电压(V)焊接速度( mm/ s)焊缝尺寸( 实芯) ( mm)焊缝尺寸( 药芯) (mm)WhrahSWWhrahFC1100/ 213.48.30.952.93.852.168.840.92.363.262.712150/ 233.410.42.414.16.511.611.521.092.823.912.943200/ 253.413.623.194.137.321.8614.621.113.024.133.544250/ 293.416.65.434.149.571.7316.761.293.785.073.315300/ 333.417.97.815.213

41、.011.3820.182.424.026.443.13备注：asw-实芯焊丝余高（mm）；hsw：实芯焊丝熔深（mm）；药芯焊丝熔深（mm）注:W 熔宽hr 熔深a余高h焊缝厚度( h= hr + a) , SW实芯焊丝的焊缝形状系数, FC药芯焊丝的焊缝形状系数 在对焊缝进行焊接后，对焊缝截面进行处理时，使用编号逐级递增的砂纸在水磨机上打磨，直到表面光亮。再用Cr2O3水溶液在细布上磨损（打磨时间不宜过长）。洗净后，晾干。再用硝酸溶液在试块表面擦拭，直至显示融合区，再用无水酒精擦拭。再拿到金相显微镜下观察各实验组的焊接截面的宏观金相。观察后并对焊缝截面照相保存，得到各组的焊缝截面金相图，如

42、下：a1a5: 实芯焊丝；b1b5: 药芯焊丝；Vw = 3. 4 mm/ s图2-1各组焊缝的宏观金相( 照片)具体应用计算机绘图软件Potoshop CS4软件，在此以图9中的c实验组焊缝的金相图为例，详细的叙述。先对手工电弧焊4块试样的焊缝横截图片进行处理：选取目标区域：利用工具栏中的“套索”工具对焊缝横截图片中的焊缝轮廓进行选取10，在焊缝区选取两个部分分别为图2-1中的Am区域和Ah区域。“套索”还有“多边形套索”和“磁性套索”，对于焊缝轮廓较清晰的图片可直接用“磁性套索”工具进行选取，用鼠标沿目标焊缝区域边界点击一下后沿边界移动，则会选择出目标边界；对于焊缝轮廓较为模糊的图片可使用

43、“多边形套索”进行选取，用鼠标沿目标焊缝区域边界拉动并不断点击左键，则会选择出目标区域。填充：在选取出焊缝目标区域Am或Ah后，对选取的目标区域进行填充。Am区域和Ah区域分别用不同的且与背景图片颜色有较大反差的颜色进行填充。这样有利于下一步对两个目标区域面积的计算。如图2-2所示，c图为上述试块a焊缝横截图片焊缝区域填充后的效果图，其中Am区域为蓝色部分，Ah区域为红色部分。然后再执行“窗口直方图”的命令，点击“直方图”面板右上的小箭头，勾选“扩展视图”和“显示统计数据”，记下“像素”的数据。如图2-3所示，这里的“像素”为1864，即所选区域包含18224个像素。然后取消选择，发现“像素”

44、变为18224，这就是这个图片的像素数，如图2-2所示。 图2-2 图片像素 图2-3目标区域像素图2-1中试块焊缝横截图均由等边长的矩形截取，故4张图片的像素均相等为18224。由于图片为矩形，所以很容易计算其面积，再根据像素数的比例，我们就能求出红色区域的面积了。我们按实际像素测量出图片的长和宽分别为127mm和53mm，图片中母材的厚度测得为32mm而母材的实际厚度为7mm，所以比例系数x32/7。故图片的实际长为127/x27.78mm，实际宽度为53/x11.59mm。于是所选取的红色目标区域Ah的面积为：27.7811.5918641822432.93mm2。用同样的方法可以求出蓝

45、色目标区域Am的面积，在软件Potoshop中，Am区域的像素为1674，故Am的面积为27.7811.59167418224=29.58 mm2因此，由式1-2样c合比r为：Am/(AmAh)0.52上述过程就为本次实验计算熔合比的方法。在以下各实验中凡是涉及到计算熔合比的，都是应用的此方法，在下文中不再赘述。在计算出熔合比后，已知各焊接工艺参数、焊丝型号、母材型号后，就能应用上述公式计算出焊缝中各化学成分的含量。应用计算机绘图软件Potoshop CS4，对上图中的各焊缝金相图片进行染色处理，将Am区域用蓝色染色，Ah区域用红色进行染色，这样便于区分，从而得到下图： 依次为：a、b、c、d

46、、e、f、g、h、i、j图2-4 染色处理后的焊缝金相图然后利用计算机绘图软件Potoshop CS4，对上图各染色部分面积进行计算，最后应用上述式1-2，对染色后的焊缝金相组织进行熔合比计算，得到如下表：表2-2 各组焊缝的熔合比组别abcdefghij0.430.520.540.600.410.510.530.520.540.55母材的钢号为16Mn，具体化学成分如下表：表2-3 16Mn的化学成分及质量分数11牌号化学成分（质量分数）（%）C Mn SiPSCr16Mn0.10.21.21.60.20.60.030.03上述实芯焊丝的牌号为H08Mn2Si，具体的化学成分如下：表2-4

47、实芯焊丝H08Mn2Si的化学成分12牌号化学成分（质量分数）（%）CMnSiCrSPH08Mn2Si0.111.702.100.650.950.20.0350.035现在已知实芯焊丝的化学成分和母材的钢号，如前文所述，可以根据公式（1-3），计算在利用实芯丝焊接时焊缝的化学成分，具体化学元素质量分数，如下表：表2-5 实芯焊丝H08Mn2Si焊接时焊缝化学成分组别化学成分（质量分数）（%）CSiMnPSa0.0520.1490.4590.8001.4851.8850.0330.033b0.0620.1570.4160.7681.4401.8400.0320.032c0.0650.1590.4

48、070.7611.4301.8300.0320.032d0.0720.1640.3800.7401.4001.6000.0320.032e0.4920.1470.4660.0811.4951.8950.0330.033上述药芯焊丝的牌号为FT -50，具体的化学成分如下表：表2-6 药芯焊丝( 镀铜) FT -50的化学成分13牌号化学成分（质量分数）（%）CMnSiCrMoCuSPFT -500.051.200.40现在已知实芯焊丝的化学成分和母材的钢号，如前文所述，可以根据公式（1-3），计算在利用实芯丝焊接时焊缝的化学成分，具体化学元素质量分数。根据上述的方法计算药芯焊丝( 镀铜) FT

49、 -50焊接焊缝，得到：表2-7药芯焊丝( 镀铜) FT -50焊接时焊缝化学成分组别化学成分（质量分数）（%）CSiMnPSf0.0860.1270.2980.5021.201.4160.0150.015g0.0870.1300.2940.5061.201.4120.0160.016h0.0860.1280.2960.5041.201.4080.0160.016i0.0880.1310.2920.5081.201.4160.0160.016j0.0890.1330.2900.05101.201.4200.0170.0172.2 实验结论在表2-1中可以看到在实芯焊丝实验组中，a到e是随着焊接

50、电流和焊接电压不断增加的，焊接速度保持不变，所以从a到e焊接线能量是在不断的升高的，从而在焊接过程的角度，焊接时焊接线能量在不断的增加所以在焊接过程中熔化的母材越来越多，熔合比自然也会逐渐增加，因为母材占整个熔化金属的比例增加。反观表2-2，可以发现从a到e的焊缝熔合比在统计学角度有增大的趋势，没有很直观的表现出来是因为在试验中做的实验组较少，如果增加实验组，肯定能较为明显的反应这一事实，同样在表2-2中，观察药芯焊丝的实验组，即f到j，就可以看出，同样是在焊接电压电流的增加的条件下，该组的实验数据明显呈逐渐增大的事态，上述结论在这组实验中得到良好的体现。另外，对表2-5和表2-7进行对照研究

51、，发现，虽然在表7中各有害的化学元素比表8中的要低一些，在表2-5中，可以观察到，从ae实验组中波动较大，在不同焊接工艺参数下，焊缝中各化学成分存在很大的区别，但是表2-7中可以看到从fj的各组焊缝中化学成分较为稳定，波动小，对焊缝成形起到较好的促进作用，这一点从图2-1中的焊缝金相图中也可以明显的变现。3 平板对焊接头熔合比计算与焊缝成分预测3.1 对接接头的特点将同一平面上的两个被焊工件的边缘相对焊接起来而形成的接头称为对接接头。换言之，对接接头是将两块钢板的边缘相对配置，并使其表面成一直线而结合的接头。对接接头是各种焊接结构中采用最多、也是最完善的一种焊接形式，具有受力好、强度大和节省金

52、属材料的特点。因为如此，对接接头成为了焊接结构中最常用的接头形式。但是两焊件对接连接，被连接件边缘加工及装配要求则较高。在焊接生产中，通常使对接接头的焊缝略高于母材板面。由于余高的存在造成构件表面的不光滑，在焊缝与母材的国度处会引起应力集中。具体形式如下图：图3-1 对接接头 在对接接头焊缝中分为四种主要类型，相应为：1B、2B、3B和4B。 根据坡口和组装形式，每种B型焊缝又可以细分为几种形式具体如表8所示:表3-1 对接接头焊缝的主要形式焊缝的定义对接焊缝（B型）1B无封底焊道，无垫板V型坡口 I型坡口2B有封底焊道，且焊缝应焊透V型坡 I型坡口3B有或没有封底焊道，焊缝可不焊透4B使用临

53、时性或永久性垫板本节着重研究对接接头中I型接头的熔合比及焊缝具体成分。3.2实验组一的相关计算3.2.1对接接头的熔合比计算本次用来计算熔合比的焊缝，是由两块厚度为4mm，钢号为WCX355的母材，采用直流反接的CO2气体保护焊的焊接方法14，并选择的是实芯焊丝( 镀铜) H08Mn2Si/ 1.0 mm。两组实验实验中，焊接工艺参数各有不同，具体指标如下表：表3-2 两组实验的焊接工艺参数焊缝编号焊接电流（I/A）焊接电压（U/V）焊接速度v/（mm/s）焊接热输入量E（KJ/cm）坡口间隙尺寸（mm）1# 210 22 8.47 4.36 32# 200 19 8.47 3.59 2.6焊

54、接后对焊缝截面进行处理时，使用编号逐级递增的砂纸在水磨机上打磨，直到表面光亮。再用Cr2O3水溶液在细布上抛光。洗净后，晾干。再用硝酸溶液在试块表面擦拭，直至显示融合区，再用无水酒精擦拭。再拿到金相显微镜下观察各实验组的焊接截面的宏观金相。观察后并对焊缝截面照相保存，得到各组的焊缝截面金相图，如下： 1# 2# 图3-2 CO2气体保护焊焊接后的焊缝截面图应用计算机绘图软件Potoshop CS4，对上述CO2气体保护焊焊接后的焊缝截面进行处理，将焊缝中熔化母材所占的面积用蓝色染色，将焊缝中熔敷金属所占的横截面积用红色进行染色，这样就能明显的区分并计算各区块的面积，使用计算机绘图软件Potos

55、hop CS4处理后的焊缝横截面的图片如下： 1 2图3-3 处理后的焊缝横截面图使用计算机绘图软件Potoshop CS4对上述焊缝中熔化母材所占的面积的蓝色区块和焊缝中熔敷金属所占的横截面积的红色区块分别进行曲面面积的计算，通过前文所述的式(1-2),可以计算得到焊缝的熔合比。计算结果如下表：表3-3 两组焊缝的熔合比组别1#2#熔合比 0.498 0.4413.2.2 对接接头的焊缝成分计算如前文所述，在实验中，母材的钢号为WCX355，采用直流反接的CO2气体保护焊的焊接方法，并选择的是实芯焊丝( 镀铜) H08Mn2Si/ 1.0 mm。两组试验中除了焊接工艺参数存在着差别，其他的实

56、验变量均一致。查阅教材得到实芯焊丝H08Mn2Si的具体化学成分质量分数，如下：表3-4 实芯焊丝H08Mn2Si的化学成分牌号化学成分（质量分数）（%）CMnSiNiCrMoVCuTiSPH08Mn2Si0.111.702.100.650.950.300.200.200.0350.035查阅教材得到母材钢号为WCX355的具体化学成分，如下：表3-5 母材的化学成分钢号化学成分（质量分数）（%）CSiMnPSWCX3550.1500.2130.8000.0150.004现在已知实芯焊丝的化学成分和母材的钢号，如前文所述，可以根据公式（1-3），计算在利用实芯丝焊接时焊缝的化学成分，具体化学元

57、素质量分数，如下表：表3-6 实验焊缝化学成分组别化学成分（质量分数）（%）CSiMnPS1#0.1290.4320.5831.2521.4530.0250.0192#0.1280.4570.6251.3031.5270.0260.021从上表中可以明显的得到，就单纯的从焊缝的化学成分及其各自的质量分数出发，在实验组1#中，对焊缝有害的元素，诸如：C、Si、Mn、P、S等明显低于实验组2#,所以在实验1#中的焊缝质量应该高于实验2#中的焊缝质量。如果从这一思路出发，要想得到高质量的焊缝就的改变各焊接工艺参数，使得焊缝的熔合比能够升高，提高母材对焊缝力学性能的影响，因为母材中各有害化学元素明显低

58、于实芯焊丝中的有害化学元素，提高熔合比能有效的减少焊缝中的有害元素，这一点在上述实验结果中得到了证实，同时也在前文的焊缝横截面的金相图片中得到验证，在前文的焊缝横截面金相图中，实验组1#中的焊缝明显的组织细腻，并且焊缝成形的质量明显高于实验组2#中的焊缝成形质量。另外，表3-2中在实验组焊接时，实验组1#在焊接的过程中使用的焊接电压，焊接电流和焊接线能量均要高于实验组2#，从此就能预测出，在焊接过程中，实验组1#熔化的母材要多余实验组2#中的母材熔化量，所以实验组1#的焊缝熔合比要高于实验组2#的焊缝熔合比，这一点在表3-3得到了很好的验证。3.3实验组二的相关计算3.3.1对接接头的熔合比计算 接下来，改变实验中的另一组焊接工艺参数，用上述的结论，预测焊缝的质量，并同时用实验的手段验证预测是否正确，上述结论是否经得起实践的推敲。 本次用来计算熔合比的焊缝，是由两块厚度为4mm，钢号为WCX355的母材，采用直流反接的CO2气体保护焊的焊接方法，并选择的是实