焊接冶金学焊接缺陷及其控制4

第4章焊接缺陷及其控制¾焊缝中的偏析和夹杂偏析的形成及控制，夹杂的形成及控制。¾焊缝中的气孔气孔的分类及形成机理，气孔形成的影响因素，气孔的防止措施。¾焊接裂纹焊接裂纹的种类和特征，结晶裂纹的形成与控制，延迟裂纹的形成与控制，其他裂纹的形成与控制。上篇——焊接冶金上篇——焊接冶金由选择结晶和焊缝快冷造成的在晶粒尺度上的化学成分不均匀的现象。(1)显微偏析4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂一.偏析的形成及控制1.偏析的种类及形成原因偏析焊缝中出现的化学成分分布不均匀的现象，是焊接裂纹形成的重要原因之一。概念a)焊缝晶粒的形态b)合金元素的分布图4-1马氏体不锈钢焊缝中的显微偏析4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂一.偏析的形成及控制1.偏析的种类及形成原因显微偏析的根本原因是选择结晶和快速冷却。(1)显微偏析成因显微偏析的程度与晶粒尺寸有关，晶粒越粗大，偏析越严重。影响因素选择结晶使先结晶的晶粒内部溶质含量少，而后结晶的晶界附近溶质含量多。快速冷却使已结晶形成的晶粒来不及通过溶质的扩散实现均匀化。结果(2)区域偏析由选择结晶和焊缝快冷造成的在焊缝整体上的化学成分不均匀的现象。区域偏析的根本原因是选择结晶和快速冷却。4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂一.偏析的形成及控制1.偏析的种类及形成原因概念成因结果先结晶的焊缝边缘溶质含量低，而后结晶的焊缝中心溶质含量高，即所含杂质及低熔共晶多，因而易于造成焊缝中心产生纵向裂纹。(3)层状偏析由结晶过程周期性变化而导致焊缝分层的化学成分不均匀的现象。结晶过程周期性变化是由结晶过程放出结晶潜热和熔滴过渡时热能周期性变化造成的。4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂一.偏析的形成及控制1.偏析的种类及形成原因概念成因结果层状偏析常富集一些有害元素，降低焊缝性能。细晶粒的焊缝金属，由于晶界的增多，晶粒内外成分差异减小，显微偏析程度降低。(1)细化焊缝晶粒(2)适当降低焊接速度高速焊接时，柱状晶近乎垂直地向焊缝中心线方向生长，在会合面处形成显著的区域偏析；而低速焊接时，柱状晶呈人字纹路向焊缝中部生长，区域偏析程度降低。4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂一.偏析的形成及控制2.偏析的控制措施二.夹杂的形成及控制焊缝中存在固体异物的现象夹杂的种类非金属夹杂金属夹杂氧化物氮化物硫化物金属钨金属铜4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂夹杂夹杂物焊缝中所存在的固体异物降低焊缝强度和韧性增大热裂纹及层状撕裂倾向增大焊缝的低温脆性夹杂的危害温度越高，熔渣易于流动和上升，减小形成夹渣倾向；熔体越粘稠，熔渣聚集上升越慢，易于形成夹渣；冷却速度越快，形成夹渣的可能性越大；熔池搅拌强烈，形成夹渣的可能性增大。1.夹杂的形成(1)熔渣残留焊接熔渣在焊接过程中混入熔池内而残留在焊缝中的现象称为熔渣残留，而残留在焊缝中的固态渣称为夹渣。夹渣是由焊接操作失误或者接头设计不合理造成的，同时也受到其他因素的影响，如温度、熔体粘度、冷却速度和搅拌作用等。4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂二.夹杂的形成及控制概念成因影响因素(2)反应生成新相氧化性气体与液态金属中的铁、锰、硅、钛、铝等反应生成微小氧化物FeO、MnO、SiO2、TiO2和Al2O3等，可能分布在焊缝金属内。4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂1.夹杂的形成二.夹杂的形成及控制氧化物氮化物硫化物低碳钢和低合金钢焊接时，空气中的氮进入焊接区与铁反应生成氮化物Fe4N。在一般的焊接条件下，焊缝很少存在氮化物，只有在保护不良时才会出现。硫主要来源于焊条药皮、焊剂以及焊丝和母材，经冶金反应形成MnS和FeS等硫化物，造成硫化物夹杂。(3)异种金属进入焊缝4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂1.夹杂的形成二.夹杂的形成及控制TIG焊时，如果钨极浸入熔融金属或焊接电流过大，致使钨极熔化进入焊缝金属时就会产生夹钨。夹钨夹铜使用铜垫板时，不慎局部熔化而使铜进入焊缝金属即为夹铜，常见于焊缝背部表面。2.夹杂的防止措施严格限制焊接材料中硫和夹杂物的含量。正确选择焊接渣系，使之更好的脱硫、脱氧。注意保护焊接熔池，防止空气侵入。4.1焊缝中的偏析和夹杂4.1焊缝中的偏析和夹杂二.夹杂的形成及控制(1)冶金措施(2)工艺措施选用合适的焊接规范，以利于熔渣的浮出。适当摆动焊条，以利于熔渣的浮出。多层焊时，注意清除前一层焊缝的渣壳。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔气孔是焊缝内部的气态腔体，它不仅减小焊缝的有效承载面积，而且会造成应力集中，降低焊缝的强度、韧性及疲劳性能。高温液态熔池溶解了较多气体，焊接冶金反应产生气体，这些气体在焊缝结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝中，从而形成气孔。气孔的成因气孔的危害按产生气孔的气体来源按产生气孔的气体种类析出型气孔反应型气孔氢气孔氮气孔一氧化碳气孔气孔的分类1.析出型气孔因溶解度差异而造成的过饱气体析出时所形成的气孔，称为析出型气孔。这类气体主要是由外部侵入熔池的氢和氮。高温熔池溶解大量的氢、氮，冷却结晶时，氢、氮在金属中的溶解度急剧下降，大量过饱和气体需要析出，但因为焊接熔池冷却非常快，析出的气体来不及逸出，从而在焊缝中形成气孔。概念4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔一.气孔的分类及形成机理成因[FeO]+[C]=CO↑+[Fe](4-1)由冶金反应生成的气体所引起的气孔称为反应型气孔。反应性气体包括一氧化碳和水蒸气，二者均为不溶于金属的气体。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔2.反应型气孔一.气孔的分类及形成机理随熔池温度不断降低，熔池金属的粘度增大，枝晶交叉，反应吸热而结晶加快，此时产生的一氧化碳不易逸出，从而形成一氧化碳气孔。在钢铁材料焊接中，熔池开始结晶时，熔池尾部的氧化物和碳含量偏高，发生下述反应，使一氧化碳气体增多。一氧化碳气孔是在结晶过程中产生的，一般沿结晶方向分布，并呈现条虫形。二.气孔形成的影响因素1.气体的来源(1)焊接区周围的空气侵入熔池空气侵入是焊缝产生氮气孔的主要原因。例如，低氢焊条引弧时，CaCO3未能及时分解产生足够的起保护作用的CO2，容易产生气孔。(2)焊接材料吸潮空气中的水分容易吸附在焊条、焊剂等焊接材料上，易造成氢气孔的产生。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔(3)工件及焊丝表面物质的作用工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈及油污，在焊接过程中向熔池提供氢和氧，是焊缝产生气孔的主要原因。铝表面的Al2O3氧化膜，与金属基体结合牢固，非常易于吸潮，是形成氢气孔的重要原因。铁锈(mFe2O3·nH2O)是氧化铁的水合物，可以提供氧化物，促进形成一氧化碳的反应，而且可以提供水分，成为氢的来源。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔二.气孔形成的影响因素1.气体的来源油污通常含有大量的碳氢化合物，是氢的重要来源。产生气孔的过程，是由三个相互联系而又彼此不同的阶段所组成的，即气泡的生核、长大和上浮。(1)气泡的生核需要条件液态金属中要有过饱和的气体要能满足气泡生核的能量条件4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔二.气孔形成的影响因素2.母材对气孔的敏感性焊接熔池中存在大量的气泡容易生核的现成表面，如高熔点的固态质点表面、熔渣与液态金属的接触表面、熔池底部正在生长的树枝状晶粒表面等，特别是相邻树枝晶之间的凹陷处，是气泡最容易生核的地方。(2)气泡的长大自发生核的气泡，由于体积小，表面曲率半径小，需要克服的外界压力非常大，所以很难长大。在熔池中现成表面上生核的气泡，形状呈椭圆形，增大了曲率半径，降低了外界附加压力，比较容易长大。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔二.气孔形成的影响因素2.母材对气孔的敏感性在液态金属中，气泡生核后，必须克服外界压力，才能继续长大。(3)气泡的上浮生核、长大后的气泡是否会在焊缝中形成气孔，决定于气泡浮出速度和熔池金属结晶速度的差异。Ve≤R(4-2)4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔二.气孔形成的影响因素2.母材对气孔的敏感性产生气孔的条件为Ve——气泡浮出速度；R——熔池结晶速度。Ve——气泡浮出速度（cm/s）；g——重力加速度（980cm/s2）；η——液态金属的粘度（Pa·s）；r——气泡的半径（cm）；ρL——液态金属的密度（g/cm3）；ρG——气体的密度（g/cm3）。ηρρ9)(22grVeGL−=(4-3)4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔气泡浮出速度可以用Stocks公式表达，即(3)气泡的上浮二.气孔形成的影响因素2.母材对气孔的敏感性结晶速度越大，气泡越不易浮出，形成气孔倾向越大。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔(3)气泡的上浮二.气孔形成的影响因素2.母材对气孔的敏感性金属导热性越好，接头的冷却速度越大，熔池的结晶速度越大，气孔形成的敏感性越大。液态金属的粘度越大，气泡浮出越困难，易于形成气孔。液态金属的密度越小，气泡浮出速度越小，因而铝、镁等低密度金属焊接时易于产生气孔。熔渣的氧化性增大时，由一氧化碳引起气孔的倾向增加。熔渣的还原性增大时，由氢引起的气孔倾向增加。适当调整熔渣的氧化性，可以有效地防止这两类气孔的生成。(2)焊条药皮和焊剂的影响碱性焊条药皮中的萤石(CaF2)，与氢反应生成HF，有效降低氢气孔的倾向。在埋弧焊剂的熔渣中，同时存在CaF2和SiO2时，对消除氢气孔更有效。药皮和焊剂中适当增加氧化性组成物，能与氢生成OH，可降低氢气孔倾向。(1)熔渣氧化性的影响4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔二.气孔形成的影响因素3.焊接材料对气孔的影响(3)保护气体的影响采用CO2、CO2+Ar、Ar+CO2或Ar+O2等活性气体进行保护焊时，可降低氢的分压和限制溶氢，还能降低液态金属的表面张力，增大其活性，有利于气体的排除，减小了氢气孔倾向。(4)焊丝成分的影响采用MAG方法焊接钢时，气氛中的CO2具有强烈的氧化性，将发生铁的氧化：4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔二.气孔形成的影响因素3.焊接材料对气孔的影响[Fe]+CO2=CO↑+[FeO](4-5)由于熔池中增加了FeO，将发生反应[FeO]+[C]=CO↑+[Fe]，于是增大了一氧化碳气孔的倾向，故希望焊丝中添加脱氧元素进行充分脱氧。焊接工艺过程不正常，导致电弧不稳定或失去正常保护作用，均会增大外在气体的溶入，从而增大气孔的倾向。交流焊接时的气孔倾向大于直流焊，直流正接时的气孔倾向大于直流反接，降低电弧电压可以减小气孔倾向。熔池存在时间长有利于气体排出，但也会增加气体的溶入。对于反应性气体而言，应增大焊接热输入或适当预热，增大熔池存在时间，创造有利的气体排除条件。对于氢和氮等析出性气体，既要考虑气体的逸出，也要考虑气体的溶入，焊接工艺参数的影响存在最佳取值。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔二.气孔形成的影响因素4.焊接工艺对气孔的影响(1)焊接过程稳定性(2)电源特性及焊接参数(3)熔池存在时间药皮不得脱落，焊剂或保护气体不能中断送给。气体保护焊时，必须防风，气体的成分也必须控制。三.气孔的防止措施1.消除气体来源焊条与焊剂必须防潮，使用前进行烘干并应放在专用烘箱或保温桶中保管，做到随用随取。清除工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈及油污等。对于铁锈采用机械清理方法，对于有色金属的氧化膜采用化学清洗与机械清理并用的方法。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔(1)加强焊接区保护，防止正常焊接条件遭到破坏(2)对焊接材料进行防潮与烘干处理(3)采取适当的表面清理方法为减小CO气孔的倾向，可适当降低熔渣的氧化性；为减小氢气孔的倾向，可适当增加熔渣的氧化性。CO2焊时，即使是焊接低碳钢，也必须采用合金钢焊丝。焊接纯镍时，应采用含铝和钛的焊丝和焊条。紫铜氩弧焊时，必须采用合金焊丝，如硅青铜或磷青铜焊丝。4.2焊缝中的气孔4.2焊缝中的气孔三.气孔的防止措施2.正确选用焊接材料(1)适当调整熔渣的氧化性(2)CO2保护焊时，必须进行充分脱氧(3)有色金属焊接时，脱氧更是最基本的要求4.2焊缝中的气孔4