1、 焊焊 工工工工 艺艺 学学HG11了解焊接接头的组织和性能。2掌握焊接接头缺陷的产生原因及防止措施。3掌握焊接接头的质量检验方法。HG1第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程一、焊接热过程的概念一、焊接热过程的概念熔焊时，被焊金属在热源作用下将发生加热和局部熔化过程。因此，在被焊金属中必然存在热量的传播和分布，这种热量的传播和分布通常被称为焊接热过程。二、焊接冶金过程的特点二、焊接冶金过程的特点1温度高、温度梯度大焊接电弧的温度很高，一般可达60008000，使金属剧烈蒸发，电弧周围的气体CO2、N2、H2等大量分解，分解后的气体原子很容易溶解在液态金属中形成气孔。熔池温差大，
2、熔池的平均温度在2000以上，并被周围的冷却金属包围，温度梯度大，因此，焊件易产生应力并引起变形，甚至产生裂纹。HG1第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程2熔池体积小，熔池存在时间短焊接熔池的体积极小，焊条电弧焊熔池的重量通常在0616g之间，氩弧焊熔池的重量一般不超过10g。同时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一般只有几秒钟的时间，因此，整个冶金反应不能充分进行，易形成偏析。3熔池金属不断地更新焊接时随着焊接热源的移动，熔池中参加反应的物质经常改变，不断地有新的铁液及熔渣加入到熔池中参加反应，增加了焊接冶金的复杂性。HG14反应接触面大，搅
3、拌激烈焊接时，熔化金属是以滴状从焊条或焊丝端部过渡到熔池中的，熔滴与气体及熔渣的接触面大，有利于冶金反应快速进行。同时气体侵入液体金属中的机会也增多了，使焊缝金属易产生氧化、氮化及气孔。此外，熔池搅拌激烈有助于加快反映速度，也有助于熔池中气体的逸出。三、焊接气体与金属的作用三、焊接气体与金属的作用第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1在焊接过程中，熔池周围充满各种气体，这些气体主要来自以下几个方面：焊条药皮或焊剂中造气剂产生的气体；来自周围的空气；焊芯、焊丝和母材在冶炼时残留的气体；焊条药皮或焊剂未烘干在高温下分解成的气体；母材表面未清理干净的铁锈、水分、油、漆等，在电弧作
4、用下分解出的气体。这些气体都不断地与熔池金属发生作用，有些还进入到焊缝金属中去，其主要成分是CO、CO2、H2、O2、N2、H2O以及少量的金属与熔渣的蒸汽，气体中以O2、N2、H2对焊缝的质量影响最大。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG11氧对焊缝金属的作用焊接区的氧气主要来自电弧中氧化性气体（CO2、O2、N2O等）。药皮中的高价氧化物和焊件表面的铁锈、水分等的分解产物。氧在电弧高温作用下分解为原子，原子状态的氧比分子状态的氧更活泼，能使铁和其他元素氧化。其中FeO能溶解于液体金属，由于有FeO存在，还使其他元素进一步氧化。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及
5、冶金过程HG1由于氧化的结果，使焊缝中有益元素大量烧损，氧化的产物一般上浮到熔渣中，有时也会以夹杂形式存在于焊缝中。焊缝金属中的含氧量增加，使它的抗拉强度、屈服强度、塑性和冲击韧度降低，尤以冲击韧度降低更为明显。此外，还使焊缝金属的耐腐蚀性能降低，加热时有晶粒长大趋势，冷脆的倾向增加。氧与碳、氢反应，生成不溶于金属的气体CO和H2O，若这种反应是在结晶时进行的，那么，由于熔池已开始凝固，CO和H2O不能顺利地逸出，便形成气孔。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1由于氧有这些危害作用，所以焊接时必须脱氧。焊条电弧焊焊缝中氧的含量除与焊条的成分有关以外，还与焊接电流、电弧长短
6、有关。电流越大，熔滴越细，会增大熔滴与氧的接触面积；电弧越长，熔滴过渡的路程越长，从而会增加熔滴与氧的接触机会与时间，结果都会使焊缝金属的含氧量增加。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG12氢对焊缝金属的作用焊接区的氢主要来自受潮的药皮或焊剂中的水分、焊条药皮中的有机物、焊件表面的铁锈、油脂及油漆等。通常情况下，氢不和金属化合，但是它能够溶解于Fe Ni Cu Cr Mo等金属、氢在铁中的溶解度如图3-1所示。氢在铁中的溶解度与温度和铁的同素异构体有关，还与氢的压力有关。氢在铁中的溶解，只能以原子状态或离子状态溶入。由图3-1可以看出，温度越高，氢溶解在金属中的数量也越多，
7、而在相变时气体的溶解度发生突变。焊接时的冷却速度很快，容易造成过饱和氢而残留在焊缝金属中，当焊缝金属的结晶速度大于它的逸出速度时，就会形成气孔。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1氢是还原性气体，它在电弧气氛中有助于减少金属的氧化，但是，在大多数情况下，这种好作用不仅完全被抵消，而且还产生许多有害作用，如引起氢脆性，白点、硬度升高，使钢的塑性严重下降，严重时还将引起裂纹。3氮对焊缝金属的作用第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程图3 3-1 -1 压力压力为为0.1MPa0.1MPa时氮和氢在铁中的溶解度时氮和氢在铁中的溶解度HG1焊接区中的氮主要来自空气，
8、它在高温时落入熔池，并能继续溶解在凝固的焊缝金属中。氮随着温度的下降，溶解度反而降低，析出的氮与铁形成化合物，以针状夹杂物存在于焊缝金属中。氮的含量较高时，对焊缝金属的力学性能有较大的影响，如硬度和强度提高，塑性降低。此外，氮也是形成气孔的原因之一。由于氮主要来源于空气，故电弧越长，氮侵入熔池也越多；熔池保护差，氮侵入也越多。目前使用的气体保护电弧焊、焊条电弧焊，保护效果都比较好，能显著地降低焊缝中的含氮量。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1四、焊接熔渣四、焊接熔渣焊接熔渣是指在焊接过程中，焊条与药皮或焊剂熔化后，经过一系列化学变化形成覆盖于焊缝表面的非金属物质。1熔渣
9、在焊接过程中的作用在整个焊接过程中，为保证焊缝质量，熔渣必须具有下列作用：（1）机械保护作用 在一般情况下，熔渣总是覆盖在熔滴和熔池金属的表面，使之与空气隔开，避免氧、氮等侵入液体金属。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1（2）稳定电弧的作用 熔渣中含有一定量的低电离电位的物质，例如长石、碱金属、碱土金属（钾、钠、钙）的化合物等，以保证电弧稳定地燃烧。在使用交流电源焊接时，这些稳弧剂的作用尤为明显。（3）控制和改进焊缝化学成分的作用 通过熔渣与熔池间的冶金反映，可以脱氧、脱硫、脱磷和渗合金等，从而提高焊缝的质量。（4）调节焊接时受热状态的作用 当熔渣在加热时，发生吸热反应
10、、而冷却时又发生放热反应，这就使得焊接时，加热和冷却速度缓慢，从而改进了金属的组织和力学性能。（5）改善焊缝成形的作用 由于熔渣具有一定的粘度，覆盖在熔池表面，不仅能有助于熔池中气体的逸出，以及阻止飞溅，而且有助于焊缝表面良好的成形。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG12熔渣的成分根据焊接熔渣成分，可以把焊接熔渣分为如下三大类：（1）第一类是盐性熔渣 盐性熔渣主要由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氟的化合物组成，这种盐性熔渣的氧化性很小，主要用于焊接铝、钛和其他活性金属及其合金。（2）第二类是盐(氧化物型熔渣)这类熔渣主要由氟化物和强金属氧化物组成，主要用来焊接高合金钢。（3）
11、第三类是氧化物型熔渣 这类熔渣主要由各种金属氧化物组成,它们主要用来焊接低碳钢和低合金钢。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1五、焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷五、焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷1焊缝金属的脱氧焊接时，除采取措施防止熔化金属氧化外，还应设法在焊丝、药皮、焊剂中加入一些合金元素，去除或减少已进入熔池中的氧含量，是保证焊缝质量的关键，这个过程称为焊缝金属的脱氧。（1）脱氧剂选择的原则 用来脱氧的元素或合金叫做脱氧剂。作为脱氧剂必须具备下列条件：1）脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属的亲和力大。元素对氧的亲和力的大小按递减顺序排列为：Al、Ti、Si、Mn、Fe
12、第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1在实际生产中，常用它们的铁合金和金属粉，如锰、硅、钛、铝粉等作为脱氧剂。元素对氧的亲和力越大，则脱氧能力越强。2）脱氧后的产物应不溶于金属而容易被排除入渣，熔点应较低，密度应比金属小，易从熔池中上浮入渣。（2）焊缝金属的脱氧途径 焊缝金属的脱氧有先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧三种途径。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG11)先期脱氧的目的是尽可能在早期把氧去除，减少熔化金属的氧化。先期脱氧是不完全的，脱氧过程和脱氧产物一般不和熔滴金属发生直接关系。2）沉淀脱氧。沉淀脱氧是利用溶解在熔滴和熔池中的脱氧剂，直接与溶入液态
13、金属中的FeO反应进行脱氧，并使脱氧后的产物排入熔渣而清除。沉淀脱氧的对象主要是液态金属中的FeO，沉淀脱氧常用的脱氧剂有锰铁、硅铁、钛等。酸性焊条（E4303）一般用锰铁脱氧，碱性焊条（E5015）一般用硅铁、钛脱氧。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1硅、钛对氧的亲和力比锰对氧的亲和力大，按理说脱氧作用比锰强，那么为什么酸性焊条（E4303）中，不用硅及钛而必须用锰来脱氧呢？这是由于酸性焊条（E4303）的熔渣中含有大量的酸性氧化物SiO及TiO2，这些生成物无法与熔渣中存在的大量酸性氧化物结合成稳定的复合物而进入熔渣。所以脱氧反应难以进行而无法脱氧。而MnO是碱性氧
14、化物，因此，很容易与酸性氧化物（SiO2与TiO2）结合成稳定的复合物（MnO、SiO2及MnO、TiO2）而进入熔渣，所以脱氧反应易于进行，有利于脱氧。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1那么碱性焊条（E5015），为何又不能用锰脱氧，而必须用硅、钛来脱氧呢？这是因为碱性焊条（E5015）熔渣中含有大量的CaO等碱性氧化物，而锰脱氧后的生成物MnO也是碱性氧化物，这些生成物无法与熔渣中存在的大量碱性氧化物结合成稳定的复合物进入熔渣。如用硅、钛来脱氧，则脱氧后的产物SiO2、TiO2就可以与熔渣中大量的碱性氧化物形成稳定的复合物（CaO、SiO2及CaO、TiO2）而进入
15、熔渣。Al的脱氧能力虽然很强，但生成的Al2O3熔点高，不易上浮，易形成夹渣，同时还会产生飞溅、气孔等缺陷。故一般不宜单独用作脱氧剂。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG13）扩散脱氧。利用FeO既能溶于熔池金属，又能溶解于熔渣的特性，使FeO从熔池扩散到熔渣，从而降低焊缝金属中氧化物的含氧量，这种脱氧方式称为扩散脱氧。酸性焊条焊接时，由于熔渣中存在大量的SiO2、TiO2酸性氧化物，作为碱性氧化物的FeO就比较容易从熔池扩散到熔渣中去，与之结合成稳定的复合物FeO、TiO2、FeO、SiO2，从而降低了熔池中FeO的含量。所以，酸性焊条焊接以扩散脱氧作为主要脱氧方式。碱性
16、焊条焊接时，由于在碱性熔渣中存在大量的强碱性的CaO等氧化物，而熔池中的FeO也是碱性氧化物，扩散脱氧难以进行。所以扩散脱氧在碱性焊条中基本不存在。由此可见，酸性焊条主要以扩散脱氧为主，碱性焊条主要以沉淀脱氧为主。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG12焊缝金属的脱硫焊接过程中，脱硫的主要措施有元素脱硫和熔渣脱硫两种。（1）元素脱硫 元素脱硫就是在液态金属中加入一些对硫的亲和力比对铁大的元素，把铁从FeS中还原出来，形成的硫化物不溶于金属而进入熔渣，从而达到脱硫的目的。在焊接中常用的是锰元素脱硫，因为锰的脱硫产物MnS几乎不溶于金属而进入熔渣，其反应式为：FeS+Mn=Fe
17、+MnS（2）熔渣脱硫 熔渣脱硫是利用熔渣中的碱性氧化物如CaO、MnO及CaF2等进行脱硫。脱硫产物CaS、MnS进入熔渣被排除，从而达到脱硫目的。其反应式如下：FeS+MnO=MnS+FeO FeS+CaO=FeO+CaS第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1钙比锰对硫的亲和力强，并且CaS完全不溶于金属，所以CaO脱硫效果较MnO好。CaF2脱硫主要是利用氟和硫化物生成挥发性氟硫化合物及CaF2与SiO2作用可产生CaO进行的。3焊缝金属的脱磷焊接过程中脱磷的措施分为如下两步进行：（1）将磷氧化成P2O5，其反应式如下：2Fe3P+5FeO=P2O5+11Fe 2Fe
18、2P+5FeO=P2O5+9Fe第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1（2）利用碱性氧化物与P2O5形成稳定的磷酸盐进入熔渣 P2O5是酸性氧化物，易与碱性氧化物结合成稳定的磷酸盐进入熔渣，从而达到脱磷目的。碱性氧化物中CaO的脱磷效果最好，因此常用CaO脱磷，其反应式如下：3CaO+P2O5=Ca3P2O84CaO+P2O5=Ca4P2O9从上述讨论中可知，熔渣中如同时有足够的自由FeO和自由CaO（在熔渣中未形成稳定的复合物FeO或CaO），则脱磷效果好。但实际上在碱性焊条或酸性焊条中，要同时具有上述两个条件是难以实现的。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金
19、过程HG14酸性焊条和碱性焊条的脱硫和脱磷（1）酸性焊条 酸性焊条熔渣中碱性氧化物CaO及MnO较少，熔渣脱硫能力弱，仅靠锰元素脱硫。同时碱性氧化物CaO较少，脱磷能力差。所以酸性焊条脱硫、脱磷效果较差。（2）碱性焊条 碱性焊条药皮中含有大量的大理石、萤石和铁合金，熔渣中有大量的碱性氧化物CaO、MnO等，既能进行熔渣脱硫又能脱磷，同时又可元素脱硫。所以碱性焊条的力学性能、抗裂性能比酸性焊条强。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG1六、焊缝金属的合金化六、焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化，是指将所需的合金元素由焊接材料通过焊接冶金过程过渡到焊缝金属中去的反应。也称焊缝金属的
20、渗合金。1焊缝金属合金化的目的1）补偿焊接过程中由于合金元素氧化和蒸发等造成的损失，以保证焊缝金属的成分、组织和性能符合预定的要求。2）通过向焊缝金属中渗入母材不含或少含的合金元素，以满足焊件对焊缝金属的特殊要求。如用堆焊方法来提高焊件表面的耐磨、耐热、耐蚀性能等。3）消除焊接工艺缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。如向焊缝金属中加入锰以消除硫所引起的热裂纹等。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程HG12焊缝金属合金化的方式焊条电弧焊时，焊缝金属合金化的方式有两种：一种是通过焊芯（即利用合金钢焊芯）过渡，另一种是通过焊条药皮（即将合金成分加在药皮里）过渡。也有这两种方式同时兼有的。
21、通过合金钢焊芯合金化，外面敷以碱性熔渣的保护药皮，则焊缝金属合金化的效果与可靠性最好。通过药皮实现合金化，是在焊条药皮中加入各种铁合金粉末和合金元素，然后在焊接时，把这些元素过渡到焊缝金属中去。这种方法在生产上应用较广，通常是采用低碳钢（H08、H08A）焊条药皮中加入合金剂，从而达到合金化的目的。焊条药皮常用的合金剂有锰、硅、镍、钼、钨、硼等。第一节焊接热过程及冶金过程第一节焊接热过程及冶金过程一、焊缝金属的一次结晶第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能焊缝金属由液态转变为固态时的结晶过程，称为焊缝金属的一次结晶。一次结晶包括产生晶核和晶核长大两个基本过程。焊接时，随着电弧的移
22、动，熔池液体金属的温度逐渐降低，由于熔合线的散热条件好，是熔池温度最低的地方，所以当液体金属达到凝固温度时（实际温度要比理论温度稍低些）熔合线上的半熔化晶粒就成为附近液体金属结晶的结核，如图3-2所示。随着熔池温度的不断地降低，晶核开始朝着与散热方向相反的方向长大，即垂直熔合线指向熔池中心方向，同时也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。焊接熔池结晶过程如图3-3所示。HG1二、焊缝金属的二次结晶二、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，这种相变称为焊缝金属的二次结
23、晶。第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能图3 3-2 2 熔合熔合线上的结晶线上的结晶图图3-33-3焊接熔池结晶过程焊接熔池结晶过程HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能对低碳钢而言，焊缝的常温组织，即二次结晶后的组织为铁素体加珠光体，在低碳钢的平衡组织中（即非常缓慢地冷却下来所得的组织），珠光体含量很少。焊接时，由于冷却速度较快，所以焊缝组织中珠光体含量一般都比平衡组织中的含量大。冷却速度越快，珠光体的含量越多，焊缝的硬度和强度随之增加，而塑性和韧性则随之降低。冷却速度对低碳钢的焊缝组织和硬度的影响见表3-1。三、焊缝中的偏析与夹杂三、焊缝中的偏析与夹杂
24、HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析三种。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，称为显微偏析。柱状晶粒成长的过程，一方面是在结晶的轴向延长，另一方面是径向扩展，如图3-4所示。焊缝结晶时，最先结晶的结晶中心（即轴结晶）的金属最纯，而后结晶的部分含合金元素和杂质略高，最后结晶的部分，即晶粒的外缘和前端含合金元素和杂质最高。这样一个柱状晶粒内部化学成分分布不均匀的现象，称为晶内偏析。HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能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
25、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象，称为晶间偏析。图图3-3-4 4 柱状晶柱状晶粒生产过程粒生产过程HG12区域偏析 熔池结晶时，由于柱状晶体的不断地长大和推移，会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。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，使窄焊缝中心聚集较多的杂质，如图3-5a所示，这时极易形成热裂纹。焊缝成形系数大，焊缝宽而浅时，杂质聚集在焊缝上部，如图3-5b所示，这种焊缝具
26、有较强的抗热裂纹能力。因此，可以利用这一特点来降低焊缝产生热裂纹的倾向性。如果同样厚度的钢板，用多层多道焊时要比一次深熔焊的焊缝抗热裂纹的能力强得多。第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能3层状偏析 焊接熔池始终是处于气流和熔滴金属的脉动作用下，所以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。同时，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小。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，这种现象称为层状偏析。层状偏析常集中一些有害
27、的元素，因而缺陷也往往出现在偏析层中，图3-6所示是由层状偏析所造成的气孔。HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能图图3-5 3-5 不同不同成形系数焊缝断面对偏析分布的影响成形系数焊缝断面对偏析分布的影响图图3-6 3-6 层状层状偏析分布的气孔偏析分布的气孔HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能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微观非金属杂质，称为夹杂物。焊缝中的夹杂物主要有硫化物和氧化物两种，硫化物的夹杂物主要是硫化亚铁（FeS）和硫化锰（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之一。氧化物的夹杂物
28、主要是二氧化硅（SiO2）、氧化锰（MnO2）和氧化钛（TiO2）等，这些夹杂物能降低焊缝的力学性能。四、热影响区的组织与性能四、热影响区的组织与性能HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能焊接热影响区是指在焊接过程中，母材因受热影响（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，基本上反映了焊接接头的性能和质量。图图3-7 3-7 不易不易淬火钢焊接热影响区淬火钢焊接热影响区HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能对于低碳钢及合金元素较少的低合金高强度结构钢（Q295、Q345、Q390）来说，焊接热影响区可分为过热区、正火区、不
29、完全重结晶区和再结晶区，如图3-7所示。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。过热区的加热温度范围是在固相线以下到1100左右之间。在这样高的温度下，奥氏体晶粒急剧增大，冷却后呈现为晶粒粗大的过热组织，甚至出现魏氏组织。过热区塑性、韧性很低，尤其是冲击韧度比母材低20%30%，是热影响区中性能最差的区域。HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能2正火区正火区的加热温度范围约在Ac31100之间。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体，相当于热处理时的正火组织。因
30、此，该区也称为相变重结晶区或细结晶区，其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。HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能3不完全重结晶区该区金属的加热温度范围处于Ac1Ac3之间。加热时，该区金属中的部分铁素体和珠光体转变为奥氏体，冷却时奥氏体又转变为细小的铁素体和珠光体，而未熔入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。所以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，所以力学性能也不均匀。HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能4再结晶区对于焊前经过冷塑
31、性变形（冷轧、冷成形）的母材金属，其加热温度在Ac1150之间区域，将发生再结晶。经过再结晶的晶粒又重新长大，使金属的塑性、韧性提高了，但强度却降低了。焊接热影响区除了组织变化而引起性能变化外，热影响区宽度的大小对焊接接头中产生的应力与变形也有较大影响。一般来说，热影响区越窄，则焊接接头中内应力越大，越容易出现裂纹；热影响区越宽，则变形越大。因此，焊接生产中，在保证焊接接头不产生裂纹的前提下，应尽量减小热影响区的宽度，这对改善焊接接头的性能有利。热影响区宽度的大小与焊接方法、焊接参数、焊件大小和厚度、金属材料热物理性质和接头形式等都有关。采用小的焊接参数，如降低焊接电流、提高焊接速度，可以减少
32、热影响区宽度。不同焊接方法，其热影响区宽度也不相同，焊条电弧焊的热影响区总宽约为6mm，埋弧焊约为25mm，而气焊则达到27mm左右。HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能五、热输入对焊接接头性能的影响五、热输入对焊接接头性能的影响热输入是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，又称线能量。可用下式表示：式中 q/v热输入（J/cm）；电弧功率的有效利用系数；焊接电流（A）；电弧电压（V）；v焊接速度（cm/s）。焊条电弧=0.70.8；埋弧焊=0.800.95；钨极氩弧焊=0.50。HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能由式中可以看出，焊件受热
33、与焊接电流、电弧电压以及焊接速度有关，当焊接电流大，电弧的有效功率就大。但是这并不等于单位长度的焊接接头上所得到的热量一定多，因为焊件受热程度还受焊接速度的影响。例如用较小的焊接电流、小的焊接速度时，焊件受热也可能比大的焊接电流配合大的焊接速度时还要严重。显然，在焊接电流，电弧电压不变的条件下，加大焊接速度，使焊件受热减轻。图图3-8 3-8 焊接焊接热输入对热输入对20Mn20Mn钢过热区性能的影响钢过热区性能的影响HG1第二节焊接接头的组织和性能第二节焊接接头的组织和性能 由图3-8中可以看出，当焊接电流增大或焊接速度减慢，使焊接热输入增大时，则过热区的晶粒尺寸长得粗大，韧性降低严重；当焊
34、接电流减小或冷却速度增大时，硬度提高，韧性也会变差。因此，对于具体钢种和具体焊接方法存在一个最佳的焊接参数。如图3-8中20Mn钢（板厚16mm、堆焊），在热输入q/=3000J/cm左右时，可以保证焊接接头具有良好的韧性，当热输入大于或小于这个理想的数值范围时，都会引起塑性和韧性的下降。以上是热输入对热影响区性能的影响。不同的钢材热输入最佳范围也不一样，需要通过一系列试验来确定恰当的热输入和焊接参数。图3-8为焊接热输入对20Mn钢过热区性能的影响。HG1第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹一、热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的焊接裂纹，称为热裂纹。焊接
35、热裂纹按产生的形态、机理，以及产生的温度区间可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三种。1热裂纹的种类及其特征（1）结晶裂纹 结晶裂纹又称凝固裂纹，是焊缝凝固后期形成的焊接裂纹。这种裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢焊缝中，尤其是硫、磷、硅含量较多的钢材中，在单相奥氏体钢、镍基合金和某些铝及铝合金焊缝中，也容易产生结晶裂纹。（2）液化裂纹 液化裂纹是在母材的近缝区或多层焊的前一焊道，因受热液化而在晶界上形成的焊接裂纹。这种裂纹主要发生在含有铬镍的高强度钢，奥氏体不锈钢，以及某些镍基合金的近缝区或多层焊的焊道金属中。HG1第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹（3）多边化裂纹 多边化裂纹是在焊缝金属
36、多边化晶界上形成的一种热裂纹。这种裂纹主要产生在某些纯金属或单相合金，如奥氏体不锈钢、铁-镍基合金及镍基合金。热裂纹通常都沿晶界开裂，表面热裂纹上有氧化色彩。2热裂纹产生的原因聚集在晶粒边界或焊缝中心的液态低熔点共晶物，在焊接应力的作用下使焊缝开裂。3防止热裂纹的措施主要是设法减少焊缝中的液态低熔点共晶物和降低焊接应力。HG1第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹可采取以下措施：1）限制钢材及焊接材料中易偏析元素和有害杂质含量，尽量减少硫、磷等杂质含量及降低含碳量。2）调节焊缝金属的化学成分，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，以提高其塑性，减少偏析程度，以及使偏析分散分布等来控制低熔点共晶物的有害
37、影响。3）选择合适的焊接参数，适当提高焊缝成形系数，采用多层多道焊法，避免中心线偏析，防止焊缝中心裂纹的产生。4）采用碱性焊条和焊剂，提高抗裂性能。5）尽可能地采用各种降低焊接应力的工艺措施，如焊前进行预热，合理地选择焊接顺序等。6）收尾时逐渐断弧或采用引出板，以便填满弧坑，减少弧坑裂纹的产生。二、冷裂纹二、冷裂纹HG1焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度即马氏体转变温度以下）时产生的焊接裂纹，称为冷裂纹。冷裂纹一般在焊接低合金高强度钢、含碳量较高的碳素钢等及易淬火钢中容易发生。而焊接低碳钢时遇到的较少。1冷裂纹的特点冷裂纹可发生在晶界上，也可能贯穿晶粒内部，裂纹表面发亮，没有明显的
38、氧化色彩。冷裂纹可以在焊接后立即出现，但也可以延迟一段时间后出现，冷裂纹又称延迟裂纹。冷裂纹大多数产生在近缝区基本金属上或熔合区上，最常见的部位，如图3-9所示。第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹图图3-3-9 9 焊接接头焊接接头冷裂纹分布示意图冷裂纹分布示意图HG12冷裂纹产生的原因 钢材的淬硬倾向，焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头拘束应力的大小这些都是焊接高强度钢（包括中碳钢、低合金钢强度钢和中合金高强度钢）产生冷裂纹的三大要素。钢材的淬硬倾向越大，焊件越厚，冷却速度越快，刚性拘束越大，扩散氢含量越高，产生冷裂的倾向性越大。3防止冷裂纹的措施防止冷裂纹产生的原则是，尽可能地降低焊
39、缝中扩散氢的含量，降低焊接应力和冷却速度。具体措施如下：第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹HG11）严格控制氢的来源。选用低氢型焊条，严格按规定焊条烘干后使用，清理干净焊件上的油、锈、水等污物。2）降低焊接应力。选择合理的焊接参数和热输入，控制焊接接头在800500的冷却速度。焊前预热，焊接过程中控制层面温度，焊后缓冷，从而降低冷却速度，减小热影响区硬度，减低总的应力水平，改善焊接接头的组织和性能。3）选择合理的焊接顺序，减小焊接应力。4）焊接时严格操作，注意不能产生弧坑、咬边、未焊透等缺陷，以减少应力集中点。5）焊后进行热处理，消除焊接残余应力，改善焊接接头的组织和性能。三、再热裂纹三
40、、再热裂纹焊后，焊件在一定温度范围内再次加热（如焊后热处理或其他加热过程）而产生的裂纹，称为再热裂纹。第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹HG11再热裂纹的特点再热裂纹产生在具有一定沉淀强化金属材料的焊接接头热影响区的过热粗晶组织中，并且这种金属材料在进行消除应力退火之前，其焊接接头中就已有较大的焊接残余应力和应力集中。碳素钢和固熔强化的金属材料，一般都不会产生再热裂纹。2再热裂纹产生的原因必须同时具备下列四个条件才有可能产生再热裂纹。1）用铬、钼、钒、铁、铌元素等进行沉淀强化的珠光体耐热钢、低合金高强度钢等。2）焊件较厚并有应力集中处。3）有一定的温度范围，该温度范围随着钢种变化而异，如
41、一般低合金高强度钢约在500700。4）一定的高温停留时间。第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹HG13防止再热裂纹的措施尽可能地降低焊接残余应力，减少应力集中，在设计和工艺上应设法改善应力状态，如进行预热和后热，减少焊缝余高，保持平滑过渡，必要时将焊趾处打磨平滑，并防止各类焊接缺陷。1）选用低强度焊条，适当降低焊缝金属的强度，提高其塑性。2）控制热输入，如可能采用大热输入，可减小再热裂纹倾向。四、层状撕裂四、层状撕裂1定义 在轧制的厚钢板角接接头、T形接头和十字接头中，由于多层焊角焊缝产生的过大Z向应力，在焊接热响区及附近的母材内引起沿轧制方向发展的具有阶梯状的裂纹，这种裂纹称为层状撕裂
42、。第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹HG1层状撕裂产生在200以下的低温区，可以看作是冷裂纹的一种形式，层状撕裂是在邻近热影响区或母材中略呈梯状的分离，如图3-10所示。第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹图图3-10 3-10 层状层状撕裂示意图撕裂示意图HG12发生区域层状撕裂发生在焊接热影响区或靠近热影区的母材处。3产生层状撕裂的三大要素：1）母材中，沿钢板轧制方向分布了非金属夹杂物。2）焊接热影响区的应变时效和氢的吸收和扩散。3）焊接接头拘束度大，残余应力大。第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹 层状撕裂是短距离（厚度方向）的高应力引起断裂的一种形式，它可以扩展很长的距离
43、。层状撕裂大致平行于钢板的表面，断裂可能从一个层状平面扩展至另一个层状平面。HG14预防措施：1）提高钢材的抗层状撕裂能力，如低硫和低氧均可改善钢材的抗层状撕裂性能。2）合理设计接头和坡口形式，减小材料厚度方向的拘束度和内部残余应力。3）从降低应力的角度选择焊接参数，例如，采用焊缝收缩量最小的焊接顺序，选用具有良好变形能力的焊接材料等。第三节焊接接口的裂纹第三节焊接接口的裂纹HG1第四节焊缝气孔第四节焊缝气孔一、焊接区气体的来源一、焊接区气体的来源在焊接过程中，熔池周围充满着各种气体，这些气体主要来自以下几个方面：1）焊条药皮或焊剂造气剂产生的气体。2）周围的空气。3）焊芯、焊丝和母材在冶炼时
44、残留的气体。4）母材表面未清除的铁锈，水分和油污等，在电弧作用下分解出的气体。HG1第四节焊缝气孔第四节焊缝气孔 这些气体都不断地与熔池金属发生作用，有些还进入到焊缝金属中去，其主要成分为一氧化碳、二氧化碳、氢气、水蒸气、氧气、氮气等，以及少量金属与熔渣的蒸汽。这些气体中以氧、氮、氢对焊缝的质量影响最大。如气孔的存在，首先会影响焊缝的致密性，其次将减少焊缝的有效面积，从而降低了焊缝的力学性能。二、气孔产生的原因及分类1气孔产生的原因HG1第四节焊缝气孔第四节焊缝气孔焊接时，高温的熔池内存在着各种气体，一部分是能溶解于液态金属中的氢气和氮气。氢和氮在液、固态焊缝金属中的溶解度差别很大，高温液态金
45、属中的溶解度大，固态焊缝中的溶解度小；另一部分是冶金反应产生的不溶于液态金属的一氧化碳等。焊缝结晶时，由于溶解度突变，熔池中就有一部分超过固态溶解度的“多余的”氢、氮。这些“多余的”氢、氮与不溶于熔池的一氧化碳就要从液态金属中析出形成气泡上浮，由于焊接熔池结晶速度快，气泡来不及逸出而残留在焊缝中形成的气孔。HG1第四节焊缝气孔第四节焊缝气孔2气孔的分类综上所述，焊缝中形成气孔的气体，主要是氢气和一氧化碳。故气孔主要分为氢气孔和一氧化碳气孔两大类。（1）氢气孔 焊接低碳钢和低合金钢时，氢气孔主要发生在焊缝的表面。断面为螺钉状，从焊缝的表面上看呈喇叭口形，气孔的内壁光滑。有时氢气孔也会出现在焊缝的
46、内部，呈小圆球状。焊接铝、镁等有色金属时，氢气孔主要发生在焊缝的内部。（2）氮气孔 氮气孔大多发生在焊缝表面，且成堆出现，呈蜂窝状。一般发生氮气孔的机会较少，只有在熔池保护条件较差，较多的空气侵入熔池时才会发生。HG1（3）一氧化碳气孔 焊接熔池中产生一氧化碳的途径有两个：一是碳被空气中的氧直接氧化而成。另一个是碳与熔池中FeO反应生成。一氧化碳气孔主要发生在碳素钢的焊接中，这类气孔在多数情况下存在于焊缝的内部，气孔沿结晶方向分布，呈条虫状，表面光滑。三、防止产生气孔的方法三、防止产生气孔的方法1）焊前将焊丝和焊接坡口及其两侧各2030mm范围内的焊件表面清理干净。2）焊条和焊剂按规定进行烘干
47、，不得使用药皮开裂、剥落、变质、偏心或焊芯锈蚀的焊条，气体保护焊时，保护气体纯度应符合要求，并注意防风。3）选择合适的焊接参数。4）碱性焊条施焊时应采用短弧焊，并采用直流反接。5）若发现焊条偏心要及时调整焊条角度或更换焊条。第四节焊缝气孔第四节焊缝气孔HG1第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的评定第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的评定一、外观检验一、外观检验外观检验是一种常用的检验方法，以肉眼观察为主，必要时利用放大镜，量具及样板等对焊缝外观尺寸和焊缝表面质量进行全面检验。其表面质量应符合如下要求：1）焊缝外形尺寸应符合设计图样和工艺文件规定，焊缝高度不低于母材，焊缝与母材应圆滑过渡。2
48、）焊缝及热影区表面不允许有裂纹、未熔合、夹渣、弧坑、气孔和深度大于0.5mm的咬边。HG1第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的评定第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的评定二、破坏性检验二、破坏性检验破坏性检验是采用机械方法对焊缝或焊接接头试样做破坏性检验。主要有焊接接头力学性能试验，金相检验和化学分析试验。1焊接接头的力学性能试验（1）焊接接头的拉伸试验 该试验可以测定焊接接头的强度和塑性，同时还可以发现焊缝断口处的缺陷，并可验证所选用的焊接材料及焊接工艺正确与否。拉伸试验法按GB/T 26511989焊接接头拉伸试验方法进行。试样加工形状及尺寸要求按GB/T 26491989焊接接头力学
49、性能试验取样方法取样，合格标准是焊接接头的拉伸强度不低于母材规定值的下限。HG1第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的评定第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的评定（2）焊接接头的弯曲试验 弯曲试验用以检查焊接接头的塑性，并可以反映接头各区域的塑性差别，暴露焊接缺陷和考核熔合线的结合质量。常用的弯曲试验方法有正弯（面弯）、背弯和侧弯三种。正弯试验可检验焊缝的塑性、正面焊缝和母材交界处熔合区的结合情况。背弯试验检验单面焊缝和管子对接，以及小直径容器的纵、环缝根部的焊接质量；侧弯试验能检验焊层与母材之间的结合强度，多层焊时的层间缺陷（如层间夹渣、裂纹和气孔等）。HG1第五节焊接接头的质量检验和金属
50、焊接性的评定第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的评定弯曲试验应按GB/T 26531989焊接接头弯曲试验法规定进行，试样中心线对准弯轴中心。合格标准为试样弯曲到规定角度后，其拉伸面上有长度不大于1.5mm的横向（沿试样宽度方向）裂纹或缺陷。长度不大于3mm的纵向（沿试样长度方向）裂纹或缺陷为合格。（3）焊接接头的冲击试验 冲击试验用以考核焊缝金属焊接接头的冲击和缺口敏感性，试样分为夏比U形缺口和夏比V形缺口试样两种形式，U形缺口试样由于缺口太钝，对缺口韧性反应不敏感，不能充分反映焊件上的裂纹等尖锐缺陷的破坏特征，因此，目前已普遍采用V形缺口试样。HG1第五节焊接接头的质量检验和金属焊接性的
