材料成型原理与工艺之焊接部分总结

Chapter1焊接成形概述第一篇连接成形理论基础本章讲授目的3、了解焊接熔池特征、焊接热循环的主要参数2、掌握焊接接头的组织与性能（焊缝、热影响区）1、掌握焊接相关的概念：焊接、熔焊、压焊、钎焊、HAZ、焊接温度场、焊接电弧、联生结晶、焊接热循环1一、焊接定义§第1节焊接定义、分类和应用通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使焊接件达到原子结合而形成永久性连接的一种方法。r0物理本质：使两个独立的工件实现了原子间结合。只有当被连接金属原子间的距离接近rA(≈0.3~0.5nm)时，金属键才能起作用，这时金属原子之间的结合力最大。原子间作用力与距离关系1—斥力；2—引力；3—合力如何使金属原子间的距离接近rA?使金属表面紧密接触的几种措施：（1）对被焊接金属施加压力或不断地摩擦，破坏接触表面的氧化膜，使结合处紧密接触。（2）将金属加热熔化或到塑性状态，增加原子的振动能，施加压力破坏接触面的氧化膜，促进扩散和结晶过程的进行。（3）通过液态中间材料，如粘结剂或低熔点金属，将两个固态金属连接在一起。焊接方法分类压焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊及封粘软钎焊硬钎焊封接粘接熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊一、熔焊原理手工电弧焊熔焊：通过局部加热使连接处达到熔化状态，然后冷却结晶形成共同晶粒。11、熔焊本质及特点：熔焊的本质是小熔池熔炼与铸造，是金属熔化与结晶的过程。熔池存在时间短，温度高；冶金过程进行不充分，氧化严重；热影响区大。冷却速度快，结晶后易生成粗大的柱状晶。熔焊三要素热源能量要集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。熔池的保护可用渣保护、气保护和渣-气联合保护。以防止氧化，并进行脱氧、脱硫和脱磷，给熔池过渡合金元素。填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能和其它性能的要求，主要有焊芯和焊丝。两种接线方法：在使用直流电焊机焊接时，电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异。直流正接：焊件接正极，焊条接负极（厚板、酸性焊条）直流反接：焊件接负极，焊条接正极（薄板、碱性低氢焊条、低合金钢和铝合金）阴极雾化焊接过程涉及：加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变直至形成焊接接头。归纳为三个相互交错联系的局部过程：焊接热过程化学冶金物理冶金保护目的:使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。熔池的保护焊接接头主要由焊缝（weldmetal）、热影响区（heataffectedzone/HAZ）、熔合区（fusionzone）组成。焊缝熔合区热影响区母材熔池凝固的特点①联生结晶/交互结晶/外延结晶依附于母材晶粒的现成表面而形成共同晶粒的凝固方式②择优成长并非“齐步前进”。当散热最快的方向与晶体成长的结晶位向相同时，有利于柱状晶的成长③熔池凝固组织形态的多样性凝固组织的形态有柱状晶（平面晶、胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶）及等轴晶等焊缝金属的组织：固态相变，影响因素：化学成分+冷却条件①低碳钢焊缝：固态相变时，首先沿奥氏体晶界析出共析铁素体，然后发生共析转变：A→P（F＋Fe3C）得到铁素体加珠光体。焊缝金属过热时，奥氏体晶界或晶粒内部还会析出塑韧性差的网状魏氏组织。②低合金钢珠光体铁素体先共析（晶界或粒界/块状）铁素体侧板条铁素体针状铁素体细晶铁素体马氏体板条马氏体片状马氏体贝氏体上贝氏体下贝氏体①HAZ组织分布a.低碳钢及不易淬火的低合金钢（Q235、20、16Mn等）熔合/半熔化区：最高温度在固相线和液相线之间。局部熔化，成分与组织不均匀，塑性差过热区/粗晶区：固相线到1100℃左右。塑韧性差相变重结晶区（正火区）：1100℃~Ac3相当于正火组织（细晶F＋P）塑韧性好不完全重结晶区：Ac1~Ac3，（部分细晶F＋P以及粗晶F）组织不均匀（2）焊接热影响区的组织和性能变化b.易淬火钢(低碳调质钢、中碳钢、中碳调质钢，如：18CrMoNb、45、30CrMnSi等)与焊前热处理状态有关焊前正火或退火态，HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成。调质态，HAZ主要由完全淬火区、不完全淬火区和回火区组成。Chapter2金属材料的焊接性能第一篇连接成形理论基础返回本章讲授目的重点掌握：焊接性概念和评价方法，尤其是碳当量法利用焊接性分析材料在指定焊接工艺条件下可能出现的问题金属材料的焊接性碳钢的焊接本章主要内容有色金属的焊接铸铁的焊补焊接性（Weldability）指被焊金属在限定的施工条件（焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式），焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出的焊接难易程度。金属材料的焊接性钢的焊接性评价方法碳、合金元素含量焊接性国际焊接学会IIW碳钢及低合金钢MnCrMoVNiCuCEC6515碳对冷裂纹敏感性的影响最明显，其它元素的影响折合成碳的影响。—间接方法碳当量•CE＜0.4%，钢材塑性良好，淬硬和冷裂纹倾向不明显，可焊性良好。一般不会产生裂纹，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。•CE=0.4%～0.6%，钢材塑性下降，淬硬和冷裂倾向明显，可焊性较差。需要焊前预热，焊后缓冷及一定的焊接工艺措施。•CE＞0.6%，钢材塑性较低，淬硬和冷裂倾向很强，可焊性很差。焊前预热，减少焊接应力和防止开裂，焊后热处理。碳当量越高，焊接性越差从一般焊接工艺焊后有无裂缝或裂缝多少，初步评定试板材料的可焊性；调整工艺再焊接试板，达到不裂，从而制订出合理的焊接工艺规程与规范。—直接方法针对钢材在焊接过程中出现的裂纹设计的－直观评价焊接冷裂纹试验焊接热裂纹试验再热裂纹试验层状撕裂试验脆性断裂试验Chapter3焊接过程中的冶金反应原理（一）第一篇连接成形理论基础焊接方法焊接材料焊缝的成份焊缝的性能化学冶金过程焊接过程中，高温液态金属会与气体和熔渣之间发生相互作用（冶金反应）。通过本章的学习，了解影响焊件的性能的气体和熔渣的来源及其与金属的相互作用机制。本章讲授目的本章主要内容第1节连接成形的冶金反应特点第2节液态金属与气体界面的反应第4节合金化及工艺条件对冶金反应的影响第3节液态金属与熔渣的相互作用•连接成形的冶金反应特点：存在保护、分区域（药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区）进行、与焊接工艺有关•药皮反应区：温度低（钢焊条1200℃）。水蒸发及药皮中固态物质的分解，造渣和造气。•熔滴反应区：温度高（2100－2800℃）、熔滴比表面积大，是焊接冶金反应最激烈的部位。气体分解和溶解、金属蒸发、氧化还原及焊缝金属合金化。•熔池反应区：温度平均1770℃左右，反应比溶滴区弱些。温度分布不均，不同部位冶金反应不同。头部金属熔化和吸气，尾部金属凝固和气体逸出。N2、H2、O2CO2和H2O焊接区的气体•焊接材料，如：焊条药皮、焊剂、焊芯、高价氧化物及有机物•母材坡口的油污、铁锈、水分•空气中的气体、水分•保护气体及其杂质气体直接进入间接分解气体的来源与产生•1．有机物的分解和燃烧•2．碳酸盐和高价氧化物的分解•3．材料的蒸发•4、气体的分解气体的间接来源气体的控制措施限制气体的来源控制工艺参数冶金处理限制气体的来源•氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护或渣气联合保护。•氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质和油污。限制气体的来源•氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。控制工艺参数•增大电弧电压时，保护效果变差，液态金属与空气的接触机会增多，使焊缝中氮、氧的含量增加。因此，应尽量采用短弧焊。焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。冶金处理采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。•冶金法脱氮液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆化倾向。但要严格控制加铝量。•焊接过程中的脱氢（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物（2）控制焊接材料的氧化势（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素（4）焊后消氢处理熔渣的作用1.机械保护作用2.冶金处理作用3.改善成形工艺性能作用焊接熔渣的类型1.按焊接熔渣的组成物分类：盐型熔渣盐—氧化物型熔渣氧化物型熔渣2.按熔渣的性质分为酸性熔渣和碱性熔渣熔渣的来源与构成1、药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮2、埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂熔渣碱度的分子理论按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值。表示为：碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等，酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为：0.018CaO+0.015MgO+0.006CaF2+0.014(K2O+Na2O)+0.007(MnO+FeO)B1=—————————————————————————0.017SiO2+0.005(Al2O3+TiO2+ZrO2）当B1＞1为碱性渣，B1＜1为酸性渣，B1=1为中性渣。酸性氧化物的摩尔分数碱性氧化物的摩尔分数B2.熔渣碱度的离子理论碱度：液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：Mi是渣中第I种氧化物的摩尔分数，ai是该氧化物的碱度系数。当B2＞0时为碱性渣，B2＜0为酸性渣，B2=0为中性渣。表8-4渣中常见氧化物的ai值niiiMa12B氧化物K2ONa2OCaOMnOMgOFeOSiO2TiO2ZrO2Al2O3Fe2O3ai值9.08.56.054.84.03.4-6.31-4.97-0.2-0.20熔渣的物理性质熔渣的凝固温度与密度熔渣的粘度熔渣的表面张力及界面张力熔渣的凝固温度与密度讨论：Why???熔渣的熔点：固体熔渣开始熔化的温度造渣温度：焊条药皮开始熔化的温度（药皮熔点）高•金属熔焊中，要求熔渣的熔点略低于母材金属。密度影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度。密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。选用焊材时，首先要保证熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。熔渣的粘度•粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速度，焊缝表面成形不良，易产生气孔、夹杂。•粘度过小的熔渣容易流失，不能均匀覆盖焊缝影响对熔池（或焊缝）在全位置焊接时的成形和保护效果。•根据熔渣粘度随温度变化的速率，熔渣分为“长渣”和“短渣”。•随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣，而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣。•短渣在焊缝凝固后迅速凝固，可保证全位置焊缝外观成型。长渣∆T1∆T2T短渣熔渣粘度与温度的关系含SiO2多的酸性渣为长渣。碱性渣中离子尺寸小，粘度低，且随温度升高离子浓度增大，粘度迅速下降，因此碱性渣为短渣。加入CaF2可起到很好的稀释作用。熔渣的表面张力(SurfaceTension)及界面张力熔渣与气相之间的界面张力－熔渣表面张力熔渣与液态金属间的界面张力表面张力的影响因素温度T，升高，表面张力减小原子间键能（金属键的键能大，表面张力大）碱性渣表面张力较大：易造成熔滴粗化，飞溅增多。酸性焊条施焊时，过渡的熔滴颗粒较小，飞溅少，焊缝鱼鳞纹细密，外观成形好。活性熔渣对