第一章 熔化焊连接原理1.4

第一章熔化焊连接原理1.1熔化焊热过程及接头形成1.2熔化焊接化学冶金1.3熔化焊接头的组织和性能1.4焊接冶金缺陷1.4焊接冶金缺欠焊接冶金缺欠缺欠工艺因素冶金因素咬边未焊透错边角变形气孔裂纹焊件典型构造上出现的一种不连续性。缺陷是必须予以去除或修补的一种状况。不符合最低使用要求1.4焊接冶金缺欠缺陷名称示意图特征产生原因气孔焊接时，熔池中的过饱和H、N以及冶金反应产生的CO，在熔池凝固时未能逸出，在焊缝中形成的空穴焊接材料不清洁；弧长太长，保护效果差；焊接规范不恰当，冷速太快；焊前清理不当裂纹热裂纹：沿晶开裂，具有氧化泽，多在焊缝上，焊后立即开裂冷裂纹：穿晶开裂，具有金属光泽，多在热影响区，有延时性，可发生在焊后任何时刻热裂纹：母材硫、磷含量高；焊缝冷速太快，焊接应力大；焊接材料选择不当冷裂纹：母材淬硬倾向大；焊缝含氢量高；焊接残余应力较大夹渣焊后残留在焊缝中的非金属夹杂物焊道间的熔渣未清理干净；焊接电流太小、焊接速度太快；操作不当咬边在焊缝和母材的交界处产生的沟槽和凹陷焊条角度和摆动不正确；焊接电流太大、电弧过长焊瘤焊接时，熔化金属流淌到焊缝区之外的母材上所形成的金属瘤焊接电流太大、电弧过长、焊接速度太慢；焊接位置和运条不当未焊透焊接接头的根部未完全熔透焊接电流太小、焊接速度太快；坡口角度太小、间隙过窄、钝边太厚1.4焊接冶金缺欠焊缝中的气孔和夹杂削弱焊缝的有效工件断面，带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度不利。一、焊缝中的气孔1、气孔的类型及分布特征气孔有的产生在焊缝表面，也有的产生在内部，有的以单个存在，有的成堆出现。一类：析出型：高温时溶解的气体H2和N2二类：反应型:冶金反应产生的气体CO和H2O1.4焊接冶金缺欠1.4焊接冶金缺欠（1）氢气孔产生原因：焊接过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和；在相邻树枝晶的凹陷处是氢气泡的胚胎场所，浮出时更易受阻，不易脱离表面，而氢较大的扩散速度，极力向表面上浮。结果使焊缝中形成具有喇叭口形的表面气孔。特征：多出现在焊缝表面，断面形状多为螺钉状，从焊缝表面看呈圆喇叭口形，气孔的四周有光滑内壁。有个别残存在内部，以小圆球状存在。1.4焊接冶金缺欠（2）氮气孔多成堆出现在焊缝表面，蜂窝状。（3）H2O气孔焊接铜形成的Cu2O;1200℃以下从液态铜中析出，与氢反应不溶于液态铜，是焊接铜时产生气孔的主要原因。Cu2O+2[H]=2[Cu]+H2O(气)1.4焊接冶金缺欠（4）CO气孔特征：焊缝内部，条虫状，表面光滑。产生原因：含碳量高，脱氧不足时SiCOCSiOQFCOCOFMCOCOMCOOCeenn2221.4焊接冶金缺欠高温冶金反应。CO不溶于液态金属，在高温时，CO以气泡的形式猛烈地逸出，但熔池结晶时，CO不易逸出，此反应为吸热反应，促使结晶速度加快，CO形成气泡不能逸出，沿结晶方向形成条虫形内气孔。CO在铁中没有溶解度的。1.4焊接冶金缺欠2、气孔形成机理气孔的形成：生核---长大----逸出：1）浮出：无气孔2）浮不出：气孔（1）气泡的生核具备条件：①液态金属中有过饱和的气体（电弧高温作用，吸收气体远超溶解度）②要消耗一定的能量；（现成表面存在时，可大大降低能量消耗）树枝晶二次枝晶壁根部凹陷处气泡生核所需能量最小，是气泡最易形成的部位。1.4焊接冶金缺欠（2）长大气泡形成初期，气泡临界半径rc很小，附加压Pc则很大，气泡很难形成。焊接时，由于熔池内存在着很多现成表面，如柱状晶和液态金属相接触的地方;由于界面张力的作用，气泡不成圆形，而成椭圆形，可以得到较大的曲率半径rc使Pc减小。现成表面吸附气体，缩短气泡长大时间。即气泡长大的条件：①PnP0Pn气泡内的压力（各种气体分压的总和）P0阻碍气泡的外界压力②长大要有足够的速度，保证在凝固前达到一定的尺寸PnPa+Pc=1+2σ/rc1.4焊接冶金缺欠3、气泡上浮1）气泡脱离表面主要与（气泡-液体金属-现成表面）界面张力及接触角有关平衡时：气液液现气现气液液现气现coscos当θ90，有利于气泡上浮，气泡形成的快，完全脱离现成表面。当θ90,由于形成细颈过程需要时间，若结晶速度＞气泡脱离现成表面的速度，就会形成气孔如图1.4焊接冶金缺欠1.4焊接冶金缺欠2）结晶速度：☻v较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；☻v大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。3）气泡上浮速度：2grcGLK③粘度η影响最大，T↑,粘度η↓易上浮，v↑。T↓粘度η↑,V↓，易形成气孔①当气泡半径r↑,v↑易浮出②液体金属密度越大，v↑不易形成气孔（主要与液体金属密度有关，几乎与气泡密度无关）Al、Mg液体金属密度小，产生气孔可能性↑1.4焊接冶金缺欠（三）影响生成气孔的因素及防止措施冶金因素、工艺因素二个方面讨论。1、冶金因素的影响冶金因素主要是焊渣的氧化性、药皮或焊剂的冶金反应、保护气体的气氛、水分和铁锈等对气孔的影响。1）熔渣与弧柱气氛的氧化性［C］×［O］浓度积↑CO气孔的倾向↑,CO↑H2↓氧化性与还原性的平衡1.4焊接冶金缺欠2）熔渣成分影响氟化钙脱氢机理CaF2+2H=Ca+2HF氧化物脱氢机理OH;酸性焊条脱氢是靠较强氧化物.碱性焊条脱氢是靠碳酸盐分解,产生较强氧化性.CO2+H=CO+OH去氢氟化物脱氢(OH-)+（F-）=(O2-)+HF1.4焊接冶金缺欠3）铁锈及水份的影响母材表面的氧化铁皮(Fe3O4)、铁锈(mFe2O3·nH2O)、水分、油渍及焊接材料中3Fe2O3=2Fe3O4+O2Fe3O4+H2O=3Fe2O3+H2Fe+H2O=FeO+H2增强了氧化作用，同时提高氢的分压，使CO气孔与氢气孔的倾向都有可能增大。•烘干处理•碱性焊条350-450℃；酸性焊条200℃1.4焊接冶金缺欠2、工艺因素影响工艺参数主要包括焊接工艺参数、电流种类以及操作技巧。1）焊接规范的影响•焊速↑,增加了结晶速度，气孔增加.降低焊速，不过分增加电流、电压来增大焊接热输入，延长熔池存在时间，气体易逸出。•电流↑,熔池存在时间↑,气体外逸;•熔滴尺寸↓，比表面积↑，易产生气孔•熔深↓,不易使气体逸出•焊条电阻热↑，药皮提前脱落，易产生气孔.电压↑,N气孔↑；1.4焊接冶金缺欠2）电流种类及极性3）工艺操作直流反接，气孔小（熔滴为正）直流正接，气孔多（熔滴为阴极）一部分溶入一部分飞向负极交流焊接，气孔更多电流零点瞬间，顺利溶入①焊件去油、锈；②烘干焊条；烘干后放置时间过长③低氢焊条，短弧焊④防止磁偏吹1.4焊接冶金缺欠防止气孔产生的措施控制气体的来源①表面清理②焊接材料的防潮与烘干烘干后保温筒，随用随取③加强保护正确选用焊接材料防止氢气孔，活性气体优于惰性气体控制焊接工艺条件创造有利气体逸出条件，限制电弧外围气体向熔融金属溶入。1.4焊接冶金缺欠二、焊缝夹杂一、焊缝夹杂1、氧化物SiO2、MnO、TiO2、Al2O3-硅酸盐形式--热裂，层状撕裂（脱氧）2、氮化物：来源空气，Fe4N脆硬相，硬度↑韧性↓（加强保护）3、硫化物：主要来源焊条药皮或焊剂，MnS弥散分布，FeS低熔点共晶（控制S含量）冶金反应产生，焊后残留在焊缝金属中微粒、非金属杂质（如氧化物、硫化物等）统称夹杂物。脱氧、脱硫产物来不及逸出1.4焊接冶金缺欠防止焊缝中夹杂物措施细小颗粒弥散分布，危害小较大颗粒或聚集，危害大1）选用合理规范，以利于熔渣的浮出；2）多层焊时，清渣；3）焊条摆动；熔渣夹杂物的排出4）保护溶池，防止空气侵入。控制其来源正确选择焊接材料采用合理的焊接工艺1.4焊接冶金缺欠概述焊接热裂纹焊接冷裂纹再热裂纹层状撕裂应力腐蚀裂纹焊接裂纹综合分析和判断焊接裂纹焊接裂纹1.4焊接冶金缺欠重点内容1、裂纹的分类及一般特征2、结晶裂纹的形成机理、影响因素，及其防冶措施3、焊接冷裂纹的形成机理4、应力腐蚀裂纹形成机理５、层状撕裂产生原因及防止６、焊接裂纹综合分析及判断，各种裂纹断口形貌特征1.4焊接冶金缺欠概述一、危害性裂纹是焊接缺陷危害最大而且是最普遍的一种，可以成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，它不仅可以使产品报废，而且因未检测出导致以后灾难性的事故。焊接结构产生裂纹，轻者需要返修，浪费人力、物力、时间，重者造成报废，无法修补。更严重者造成事故、人身伤亡。如1969年有一艘5万吨的矿石运输船在太平洋上航行时，断裂成两段而沉没，在压力容器破坏事故中，有很多都是由于焊接裂纹造成。1.4焊接冶金缺欠裂纹的危害•减少有效工作截面•严重的应力集中•造成泄漏。锅炉或压力容器•表面裂纹藏污纳垢，加速腐蚀•留下隐患，极不安全。灾难性的1.4焊接冶金缺欠①焊缝中纵向裂纹②焊缝中横向裂纹③熔合区附近的横向裂纹④焊缝根部裂纹⑤近缝区根部裂纹⑥焊趾纵向裂纹（延迟裂纹）⑦焊趾纵向裂纹（液化裂纹）⑧焊道下裂纹⑨层状撕裂二、种类各种不同类型的裂纹1.4焊接冶金缺欠1.4焊接冶金缺欠分类:1、按裂纹分布的走向分纵向裂纹2、按裂纹发生部位分①横向裂纹②纵向裂纹③星形（弧形裂纹）①焊缝金属中裂纹②热影响区中裂纹③焊缝热影响区贯穿裂纹1.4焊接冶金缺欠3、按产生本质分类1）热裂纹（高温裂纹）产生：热裂纹高温下产生,结晶温度附近存在部位：焊缝为主,热影响区特征：宏观看,沿焊缝的轴向成纵向分布（连续或继续）,也有焊缝横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽.微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质1.4焊接冶金缺欠1)热裂纹分类a.结晶裂纹：在凝固的过程--结晶过程中产生b.液化裂纹：在高温下产生,钢材或多层焊的层间金属含有低熔点化合物(S.P.Si)经重新熔化，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂c.多边化裂纹(高温低塑形裂纹)：产生温度低于固相线温度,存在晶格缺陷(位错和空位),物理化学的不均匀性,在应力作用下,缺陷聚集形成多边化边界,使强度、塑性下降,沿多边化边界开裂,多发生在纯金属或单相奥氏体合金焊缝。1.4焊接冶金缺欠HAZ液化裂纹结晶裂纹多边化裂纹1.4焊接冶金缺欠1.4焊接冶金缺欠2）再热裂纹（消除应力裂纹）由于重新加热（热处理）过程中产生—消除应力裂纹。厚板焊接结构，含有沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中在高温和残余应力的作用下，在焊接热影响区粗晶部位发生的晶间裂纹。裂纹走向是沿熔合线母材侧的奥氏体粗晶晶界扩展。母材、焊缝、热影响区细晶部位均没有产生。1.4焊接冶金缺欠1.4焊接冶金缺欠3）冷裂纹产生温度：温度区间在+100℃～-75℃之间，钢冷却Ms点以下存在部位:多在热影响区,但也有发生在焊缝。特征（断口）：宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。微观看：晶间断裂，但也可穿晶（晶内）断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。1.4焊接冶金缺欠冷裂纹分类：延迟裂纹：特点不在焊后立即出现，有一段孕育期产生迟滞现象称延迟裂纹。取决于钢种淬硬性、应力、扩散氢。淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）：淬硬倾向大的组织易产生这种裂纹（与氢含量关系不大）。低塑性脆化裂纹：在比较低的温度下，由于收缩应变超过了材料本身的塑性储备产生的裂纹称低塑性脆化裂纹。一般边焊边裂，裂纹前端圆润，走向直通，有脆断的特征。1.4焊接冶金缺欠延迟裂纹1.4焊接冶金缺欠4）层状撕裂：由于轧制母材内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物）和焊接时产生的垂直轧制方向的应力，使热影响区附近地方产生呈“台阶”状的层状断裂并有穿晶发展。T400℃发生在厚壁T型接头，十字接头。1.4焊接冶金缺欠5）应力腐蚀裂纹：金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象，称应力腐蚀裂纹。裂纹的形态如枯干的树枝，从表面向深处发展1.4焊接冶金缺欠三、热裂纹与冷裂纹的基本特点裂纹热裂纹冷裂纹产生温度高温下产生低温下产生