1、国家职业资格培训教材国家职业资格培训教材编审委员会 编吴全生 主编依据依据劳动和社会保障部劳动和社会保障部 制定的制定的国家职业标准国家职业标准要求编写要求编写 了解焊接接头形成的过程、焊接热循环的特点、焊缝熔池一次结晶组织和二次结晶组织的性能，从而尽力控制焊缝金属有害元素的来源。第九章 焊 接 接 头目目 录录一、焊接接头的组成二、焊接接头的形式一、焊接热循环的主要特点二、影响焊接热循环的因素一、焊缝熔池的一次结晶二、焊缝金属的二次结三、焊接热影响区的组织与性能第九章 焊 接 接 头目目 录录一、选择合适的焊接工艺方法二、选择合适的焊接参数三、选择合适的焊接热输入四、选择合理的焊接操作方法五
2、、正确选择焊接材料六、正确选择焊后热处理方法七、控制熔合比一、焊缝金属中的氧二、焊缝金属中的氢第九章 焊 接 接 头目目 录录三、焊缝金属中的氮四、焊缝金属中的硫五、焊缝金属中的磷第九章 焊 接 接 头用焊接方法连接的接头称为焊接接头。焊接方法应用最广泛的能源是使焊接材料和母材熔化的电能源。熔焊焊接接头是由两个或两个以上的焊件或零件用熔焊焊接方法连接的接头，它由焊缝金属、熔合区、热影响区组成。熔焊焊接接头组成见图9-1。图9-1 熔焊焊接接头组成a)对接接头 b)搭接接头 c)角接接头1焊缝金属 2熔合区 3热影响区 4母材第九章 焊 接 接 头 焊缝金属：是指焊件在焊接热源的作用下，由母材和
3、焊材熔化后组成，也可以不添加焊材全部由熔化的母材组成，其组织和化学成分、力学性能都不同于母材。熔合区：它刚好是焊接接头在焊接热源作用下，被加热至熔点与凝固温度区间的部分，是焊缝金属向热影响区过渡的区域，在焊接热循环的影响下，金属组织和力学性能都发生很大变化。母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个狭窄区，这就是熔合区。熔合区是焊接接头的薄弱地带，晶粒非常粗大，冷却后的组织是粗大过热组织，塑性和韧性很差。此外，这个地区还存在着严重的化学不均匀性、物理不均匀性，是熔合区性能下降的另一个主要原因。热影响区：母材在焊接过程中因受加热的影响（但是没有熔化），而发生的金相组织和力学性能变化的区域。第九章
4、 焊 接 接 头1.对接接头2.搭接接头3.角接接头4.T形接头5.端接接头 对接接头是指两件表面构成大于或等于135，小于或等于180夹角的接头。搭接接头是指两件部分重叠构成的接头。T形接头是指一件之端面与另一件表面构成直角或近似直角的接头。端接接头是指两件重叠放置或两件表面之间的夹角不大于30构成的端部接头。角接接头是指两件端部构成大于30、小于135夹角的接头。第九章 焊 接 接 头 反映焊件上的某一点，在焊接热源的作用下，其温度随着时间的变化由低到高，再由高到低的过程称为焊接热循环。焊接热循环的主要参数是加热速度、加热最高温度、相变温度以上的停留时间和冷却速度。焊接热循环的特征：1）虽
5、然焊接过程加热温度高，加热速度和冷却速度都大，但是，加热速度比冷却速度更大。2）焊件各点的热循环不同。越靠近焊缝中心位置，峰值温度越高，加热速度和冷却速度也越大，反之亦然。焊接接头热循环见图9-4。（1）焊接热输入（2）焊接方法（3）焊前预热（4）层间温度（5）其他因素1）焊件厚度影响。2）接头形式的影响。3）热导率的影响。第九章 焊 接 接 头图9-4 焊接接头热循环图第九章 焊 接 接 头1.焊缝熔池一次结晶的特点（1）焊缝熔池体积小，冷却速度快（2）焊缝熔池中的液态金属处于过热状态（3）焊缝熔池金属是在运动状态下结晶2.焊缝熔池一次结晶组织的特征 从熔合线未完全熔化的晶粒上开始，沿着垂直
6、熔合线的方向，向与散热方向相反的方向长大，形成柱状晶。焊缝熔池一次结晶示意图见图9-5。图9-5 焊缝熔池一次结晶示意图a)焊缝窄而深 b)焊缝宽而浅第九章 焊 接 接 头3.焊缝熔池一次结晶的组织性能焊缝熔池金属由液态凝固后所得到的组织是一次组织。粗大的柱状晶不但降低焊缝的强度，而且还降低焊缝的韧性，对高温合金和高温不锈钢等材料的影响就更为严重。焊缝的一次结晶形态还对产生裂纹、气孔、夹渣、腐蚀等都有很大的影响。4.焊缝中的偏析焊缝中的偏析可分为显微偏析、区域偏析和层状偏析三种。（1）显微偏析 焊缝熔池在结晶过程中，先结晶的固相比较纯，后结晶的固相含合金元素和杂质略高，最后结晶的固相含合金元素
7、和杂质最高。（2）区域偏析第九章 焊 接 接 头 焊接过程中，焊缝熔池在结晶时随着电弧向前移动，熔池中的柱状晶也在不断地推移和长大，此时会把未凝固的合金成分和杂质推向焊缝熔池中心，使中心的杂质浓度逐渐升高，形成区域偏析。（3）层状偏析 在焊缝断面上，不同分层的化学成分分布不均匀的现象称为层状偏析。1.焊缝金属的二次结晶组织 随着高温的焊缝金属被逐渐冷却到室温，焊缝金属组织将进一步发生转变，这种组织变化的过程被称为焊缝金属的二次结晶。（1）低碳钢的焊缝组织 低碳钢焊缝组织含碳量较低，一次结晶得到的组织是奥氏体，当冷却到相变温度时，奥氏体转变为铁素体和珠光体，冷却速度越第九章 焊 接 接 头（2）
8、低合金钢焊缝组织快，珠光体组织的数量就越多、铁素体组织就越少。如冷却速度过慢，高温停留时间过长，则铁素体会转变为魏氏体组织。1）铁素体转变：焊缝中铁素体的类型主要有：粒状铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和细晶铁素体等四种。这四种类型的铁素体形态是低合金钢焊缝中的主要组成。2）珠光体转变：很少能得到珠光体组织，除非在缓慢的冷却条件下（预热、缓冷等），才有少量的珠光体转变。3）贝氏体转变：主要有上贝氏体、下贝氏体以及粒状贝氏体等。4）马氏体转变：根据含碳量的不同，可以形成不同形态的马氏体，主要有板条马氏体、片状马氏体等。第九章 焊 接 接 头表9-3 主要合金元素对焊缝金属二次结晶组织转变的影响主
9、要合金元素对焊缝金属二次结晶组织转变的影响见表9-3。第九章 焊 接 接 头2.焊缝金属二次结晶组织的性能1）从塑性、韧性看。2）从抗裂性能看。3）焊缝金属的二次结晶组织越均匀、越细，与粗大而不均匀的焊缝金属二次结晶组织相比，其力学性能就越好。1.不易淬火钢热影响区组织 低碳钢及某些低合金钢，如Q345和Q390等，其热影响区可分为三个区域：（1）过热区 该区的温度范围在12501100，低碳钢的过热组织为粗大的魏氏体组织。第九章 焊 接 接 头（2）相变重结晶区 母材被加热至Ac3以上的部位，将发生铁素体和珠光体全部转变为奥氏体的转变，即相变重结晶，经过在空气中冷却，就会得到均匀细小的珠光体
10、和铁素体，相当于正火组织。此区的塑性和韧性都比较好，该区的温度范围在1100900。（3）不完全重结晶区 焊接过程中，热影响区处于Ac1Ac3之间范围内，就属于不完全重结晶区。2.易淬火钢热影响区组织（1）完全淬火区 焊接过程中，母材金属被加热的温度超过Ac3以上时，由于被焊母材金属淬硬倾向较大，所以，焊缝冷却后得到的是淬火组织（马氏体）。第九章 焊 接 接 头（2）不完全淬火区 焊接过程中，被母材金属在Ac1Ac3之间的温度加热时，这个区域内的珠光体、贝氏体等组织将转变为奥氏体组织，并在随后的快速冷却过程中转变为马氏体组织，而铁素体组织此时并不发生变化，只是程度不同地在长大。该区最后形成的组
11、织是细小马氏体-粗大铁素体共存的组织，所以称为不完全淬火区。（3）回火区 被焊金属如果在焊前处于淬火状态，则在温度低于Ac1的区域内，还会发生不同程度的回火处理，称为回火区。3.焊接热影响区的性能（1）热影响区的硬度变化 硬度值350HVmax时，不会产生裂纹。Q345（16Mn）钢单道焊接热影响区的硬度分布如图9-6所示。第九章 焊 接 接 头图9-6 Q345钢单道焊接热影响区的硬度分布第九章 焊 接 接 头（2）热影响区的强度和塑性变化图9-7 热影响区的强度和塑性变化 热影响区的强度和塑性变化情况如图9-7所示。（3）热影响区的韧性变化图9-8 热影响区冲击韧度的变化 热影响区冲击韧度
12、的变化如图9-8所示。第九章 焊 接 接 头第九章 焊 接 接 头1.氧的来源 主要是来源于焊接材料中的水分、焊件周围的水分、焊件和焊丝表面上的铁锈、氧化膜等。氧在焊缝金属中的存在形式主要是FeO。2.氧对焊缝的影响 随着焊缝中的含氧量增加，不仅焊缝的强度、塑性、韧性（尤其是低温冲击韧性）明显下降，而且还会引起红脆、冷脆和时效硬化。焊缝中的氧可以使导电性、导磁性和抗腐蚀性能等降低。焊接过程中，氧烧损钢中的有益合金元素，使焊缝的性能变坏。3.控制氧的措施（1）纯化焊接材料（2）正确选择焊接参数（3）脱氧反应第九章 焊 接 接 头1.氢的来源 氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质、电弧周围空气中
13、的水蒸气、焊丝和被焊金属表面上的铁锈、油污等杂质。2.氢对焊缝的影响（1）氢脆氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。（2）白点 碳钢或低合金钢焊缝中，如果含氢量较高，则常常在其拉伸或弯曲试件的断面上，出现银白色的圆形局部脆断点，称为白点。（3）气孔 当气泡向外逸出速度小于液态金属结晶速度时，气泡就留在焊缝中形成气孔。第九章 焊 接 接 头（4）冷裂纹 焊接接头冷却到较低的温度下产生的一种裂纹。有的冷裂纹在焊后要推迟很长的时间才产生，这种裂纹被称为延迟裂纹。延迟裂纹主要有三种形态：1）焊趾裂纹2）焊道下裂纹3）根部裂纹3.控制氢的措施（1）严格限制焊接材料的含氢量（2）清除焊件和焊丝表面
14、的杂质（3）进行冶金处理1.氮的来源电弧周围空气中的气相氮，是焊接区氮气的主要来源。第九章 焊 接 接 头2.氮对焊缝的影响 在碳钢焊缝中，氮是有害的杂质，它是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素，尤其是使低温韧性急剧下降。氮还是促使焊缝金属时效硬化的元素。3.控制氮的措施（1）焊接区的保护影响（2）焊接参数的影响（3）合金元素的影响1.硫的来源2.硫对焊缝的影响（1）来自母材（2）来自焊丝（3）来自药皮或焊剂第九章 焊 接 接 头 焊接过程中，硫以FeS的形式生成低熔点共晶，Fe+FeS（熔点为985）或FeS+FeO（熔点为940）呈片
15、状或链状分布在晶界上，不仅增加了焊缝结晶裂纹的倾向，而且还降低了焊缝的冲击韧度和耐腐蚀性。3.控制硫的措施（1）严格限制焊接材料中的硫含量（2）用冶金方法进行脱硫1.磷的来源 焊缝金属中的磷主要来自母材、药皮、填充金属和焊剂，而药皮和焊剂中的锰矿是导致焊缝增磷的主要来源。第九章 焊 接 接 头2.磷对焊缝的影响 磷与铁或镍可以生成低熔点共晶，如Fe3P+Fe(熔点1050)，Ni3+Ni(熔点880)，在熔池快速结晶时，磷容易发生偏析，磷化物常分布在晶界，从而减弱晶粒与晶粒之间的结合力，降低冲击韧度，使脆性转变温度升高。3.控制磷的措施 1）严格限制焊接材料中（母材、药皮、填充金属和焊剂）的磷
16、含量。2）采用脱磷的方法1.焊接接头所涉及的能源形式有哪几种？2.简述焊接热循环的主要特点。3.影响焊接热循环的因素有哪些？4.简述焊缝熔池一次结晶的特点。5.焊缝中的偏析有哪几种？6.焊缝金属二次结晶组织性能如何？7.简述焊接热影响区的组织和性能。8.改善焊接接头性能的方法有哪几种？9.简述焊接参数对焊接接头性能的影响。10.简述焊接热输入对焊接接头性能的影响。11.简述焊接方法对焊接接头性能的影响。12.简述焊接材料对焊接接头性能的影响。13.简述焊后热处理对焊接接头性能的影响。14.控制焊缝金属中氧的措施有哪些？15.控制焊缝金属中氢的措施有哪些？16.控制焊缝金属中氮的措施有哪些？17.控制焊缝金属中硫的措施有哪些？18.控制焊缝金属中磷的措施有哪些？
