3.金属熔化焊原理

二.金属熔化焊原理1.焊条和母材的熔化2.焊接化学冶金过程3.焊缝结晶过程4.焊接热影响区的组织和性能5.控制和改善焊接接头性能的方法一.焊条和母材的熔化1.金属焊接的分类一.焊条和母材的熔化2.熔化焊过程加热—熔化—冶金反应—结晶—固态相变—形成接头。（1）熔化金属、熔渣、气相之间进行一系列的化学冶金反应，如金属的氧化、还原、脱硫等。（2）快速连续冷却下的焊缝金属的结晶和相变，此时，易产生偏析、夹渣、气孔和裂纹。控制焊接化学冶金过程、焊缝金属的结晶和相变过程是保证焊接质量的关键。一.焊条和母材的熔化3.焊条的加热及熔化1)电阻热当电流通过焊条，将产生电阻热。2)电弧加热真正使焊条、焊丝熔化的是电弧热。而焊条本身的电阻热仅起辅助作用。一.焊条和母材的熔化4.焊条金属向母材的过渡熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。熔滴过渡对焊接过程的稳定性、焊缝成形、飞溅及焊接接头的质量有很大的影响.1)．熔滴过渡的形式滴状过渡：粗滴过渡.细滴过渡电流较小，熔滴依靠表面张力的作用保持在焊条端部自由长大，直至熔滴下落的力（如重力、电磁力等）大于表面张力时才脱离焊条端部,落人熔池，熔滴较大，电弧不稳，通常不采用.电流增大，熔滴变细，过渡频率提高，电弧较稳定、飞溅减小，呈细滴过渡，电弧焊采用。一.焊条和母材的熔化2）短路过渡焊条端部的熔滴与熔池短路接触，直接向熔池过渡称为短路过渡。短路过渡在小电流、低电弧电压下，实现稳定的熔滴过渡和稳定的焊接过程。短路过渡适合于薄板或低热输入的焊接。C02保护电弧焊。3）喷射过渡熔滴呈细小颗粒以喷射状态快速通过电弧空间，向熔池过渡的形式称为喷射过渡。焊接时，熔滴的尺寸随着焊接电流的增大而减小，当焊接电流增大到一定数值后，产生喷射过渡状态。必须要有一定的电弧长度（电弧电压）。熔化极氩弧焊一.焊条和母材的熔化一.焊条和母材的熔化5.熔滴过渡的作用力(1)重力平焊时，金属熔滴的重力起促进熔滴过渡的作用。立焊、仰焊时熔滴的重力阻碍了熔滴向熔池过渡，成为阻碍。一.焊条和母材的熔化(2)表面张力是在焊条端头上保持熔滴的作用力。仰焊时，有利于熔滴过渡。熔池金属在表面张力作用下，倒悬在焊缝上而不易滴落；当焊芯末端熔滴与熔池金属接触时，由于熔池表面张力的作用，将熔滴拉入熔池。平焊时表面张力对熔滴过渡起阻碍作用。一.焊条和母材的熔化(3)电磁压缩力垂直作用在金属熔滴表面上，熔滴的细颈部分，也是电磁压缩力作用最大。随着颈部逐渐变细，电流密度增大，电磁压缩力也增强，则促使熔滴很快地脱离焊条端部向熔池过渡，保证了熔滴在任何空间位置都能顺利地过渡到熔池。所以电磁压缩力在任何焊接位置都是促使溶滴过渡的力。一.焊条和母材的熔化(4)斑点压力焊接电弧中的带电微粒在电场的作用下分别向阳极和阴极运动，撞击在两极的斑点上而产生的机械压力，称为斑点压力。由于斑点压力的方向与熔滴过渡的方向相反，所以在任何焊接位置都是阻碍熔滴过渡的力。一.焊条和母材的熔化(5)气体的吹力药皮造气剂分解产生的气体及焊芯中碳元素氧化生成的CO气体从套管中喷出。在高温状态下，体积急剧膨胀，沿焊条的轴线方向，形成挺直而稳定的气流，把熔滴吹到熔池中。在任何焊缝位置，这种气流都有利于熔滴的过渡。一.焊条和母材的熔化6.母材的熔化熔池焊接时，熔池随热源的移动作同步运动。其大小、存在时间对焊缝性能影响很大。电流增大，熔池深度增大，熔池宽度相对减小；电压升高，深度减小，宽度增大。二.焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程指焊接区中各种物质（熔化金属、熔渣、气体）之间在高温下相互作用的过程。1、对焊接区金属的保护防止空气的有害作用,通过熔化金属、气体、熔渣之间的冶金反应来消除焊缝金属中的有害杂质，增加有益的合金元素，保证性能。2、焊接化学冶金过程的特点(1)．温度高，温度梯度大焊接电弧的温度高，6000-8000度，金属剧烈蒸发，电弧周围C02、N2、H2等大量分解，分解后的气体原子或离子溶解在液态金属中形成气孔。熔池温差大，平均温度在2000以上，并被周围的冷却金属包围，温度梯度大，焊件易产生应力并引起变形，甚至产生裂纹二.焊接化学冶金过程（2)．熔池体积小，熔池存在时间短焊接熔池的体积极小，质量在0.6-169之间.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只有几秒的时间，整个冶金反应不能充分进行，易形成偏析。(3)．熔池金属不断更新.(4)．反应接触面大、搅拌激烈.熔化金属是以滴状从焊条端部过渡到熔池的，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，焊缝金属易产生氧化、氮化及气孔。二.焊接化学冶金过程三、有害元素对焊缝金属的作用有害元素：氧、氢、氮、硫、磷。1．氧对焊缝金属的作用1)使有益元素大量烧损，降低焊缝的强度、塑性、硬度和冲击韧性.2)降低焊缝金属的导电性和抗腐蚀性.3)与碳、氢反应，生成不溶于金属的co和H20，结晶时易在焊缝内形成气孔.4)产生飞溅，影响焊接过程稳定。二.焊接化学冶金过程(3)控制氧的措施1）加强保护，采用短弧焊，防止空气侵入。2）清理焊件表面的水分、油污、锈迹，按规定温度烘干焊条等。2．氢对焊缝金属的作用(1)氢的来源主要来自受潮的药皮,空气中的水分、焊件表面的铁锈、油脂及油漆等。(2)氢对焊接质量的影响1)形成气孔熔池结晶时氢的溶解度突然降低，容易造成氢残留在焊缝金属中，当焊缝金属的结晶速度大于逸出速度，形成气孔。二.焊接化学冶金过程2)产生白点和氢脆（1）白点焊缝含氢量高时，在焊缝拉断面上出现如鱼目状的直径为0.5-5mm的白色圆形斑点。（2）氢脆氢在室温时使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。白点和氢脆使焊缝金属塑性严重下降。3)产生冷裂纹(3)控制氢的措施1)焊前清理干净焊件及焊丝表面的铁锈、油污、水分等污物。2)焊前按规定温度烘干焊条，二.焊接化学冶金过程3)尽量选用低氢型焊条,采用直流反接,短弧操作.4)焊后消氢处理.即焊后立即将焊件加热到250-350℃，保温2-6h，使焊缝金属中的扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响中的氢含量。3．氮对焊缝金属的作用(1)氮的来源(2)氮对焊接质量的影响1)形成气孔.2）影响焊缝的力学性以针状夹杂物形式存在于焊缝金属中，使硬度和强度提高，塑性、韧性降低.二.焊接化学冶金过程4．焊缝金属中硫、磷的控制(1)硫、磷的来源.来自母材、焊丝、药皮.(2)硫、磷的危害S以FeS形式存在，易在晶界处开裂，产生热裂纹。硫还能引起偏析，降低焊缝金属的冲击韧性和耐腐蚀性能.P与铁形成低熔点共晶体，聚集于晶界，产生热裂纹。磷化物还削弱了晶粒间的结合力且本身既硬又脆，使冲击韧性降低，造成冷裂。(3)脱硫和脱磷的措施1)酸性焊条脱硫、脱磷效果较差。2)碱性焊条脱硫、脱磷能力比酸性焊条强。三.焊缝结晶过程焊缝金属从熔池中高温的液体状态冷却至常温的固体状态，经历了两次结晶过程，即从液相转变为固相的一次结晶和在固相焊缝金属中出现同素异构转变的二次结晶.气孔、裂纹、夹杂、偏析在熔池结晶时产生的。1、焊缝金属的一次结晶一次结晶基本过程：生核和长大随着电弧的移去，熔池液体金属温度降低，熔合线处的散热条件好，温度最低，当液体金属达到凝固温度时，熔合线上的半熔化晶粒就成为附近液体金属结晶的晶核,随着熔池温度的降低，晶核开始朝着与散热方向相反的方向长大，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。三.焊缝结晶过程2、焊缝结晶过程中的偏析焊缝金属中化学成份分布不均匀的现象称为偏析。偏析主要是在一次结晶时产生的，偏析的化学成分不均匀产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷。(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。焊缝结晶时，最先结晶的结晶中心(金属最纯)，最后结晶的是晶粒的外缘和前端（含合金元素和杂质最高）。一个柱状晶粒内部化学成分分布不均匀的现象叫晶内偏析。三.焊缝结晶过程一方面是在结晶的轴向延长，另一方面是径向扩展。三.焊缝结晶过程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彖称为晶间偏析。三.焊缝结晶过程2．区域偏析熔池结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，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。熔焊时，在单道焊缝横截面上焊缝宽度（B）与焊缝计算厚度（H）的比值（φ=B/H）。焊缝成形系数小时形成窄而深的焊缝，在焊缝中心由于区域偏析会聚集较多的杂质，抗热裂纹性能差，形成系数值不能太小。三.焊缝结晶过程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的中心聚集较多杂质，易形成热裂纹；三.焊缝结晶过程焊缝成形系数大，焊缝宽而浅，杂质聚集在焊缝上部，这种焊缝具有较强的抗热裂纹能力。利用这一特点可以降低焊缝产生热裂纹的可能。如同样厚度的钢板，用多层多道焊要比一次深熔焊的焊缝抗热裂纹的能力强。三.焊缝结晶过程3．层状偏析熔池始终是处于气流和熔滴金属的脉动作用下，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。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少。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，称为层状偏析。层状偏析常集中了一些有害的元素，因而缺陷也往往出现在偏析层中。三.焊缝结晶过程三.焊缝结晶过程3、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，这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。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。焊接时，由于冷却速度较快，焊缝组织中珠光体含量一般含量较大。冷却速度越快，珠光体含量越多，焊缝的硬度和强度增加，塑性和韧性降低。三.焊缝结晶过程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非金属杂质，称为夹杂物。夹杂物主要有硫化物和氧化物。硫化物夹杂主要是FeS和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。氧化物夹杂主要是二氧化硅(Si02)、氧化锰(Mn0)、氧化钛(Ti02)等会降低焊缝的力学性能。四.焊接热影响区的组织和性能焊缝在电弧的作用下从熔化到固态相变等变化，焊缝两侧未熔化的母材也会因热传递的影响而产生组织和性能变化。1.熔合区的组织和性能熔合区是指在焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。该区范围很窄，在显微镜下也很难分辨。该区金属处于部分熔化状态，晶粒非常粗大，冷却后组织为粗大的过热组织，塑性、韧性很差。由于熔合区具有明显的化学不均匀性及组织不均匀性，是产生裂纹或局部脆性破坏的发源地，是焊接接头中性能最差的区域。四.焊接热影响区的组织和性能2、焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区就是指在焊接过程中，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。低碳钢及低合金高强度结构钢(Q295、Q345、Q390)，焊接热影响区分为过热区、正火区、不完全重结晶区和再结晶区。四.焊接热影响区的组织和性能四.焊接热影响区的组织和性能（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。过热区温度在1100C0左右，在高温下，奥氏体晶粒严重长大，冷却后呈