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2019/9/151国际焊接技师\高级铆工\焊接教研组长\扈成林电话03525095156135135231262019/9/152焊工技师考评培训•第一章焊接电弧及焊接冶金知识•第二章异种金属的焊接•第三章铸铁的焊接•第四章焊接接头的强度计算•第五章焊接结构的破坏与分析•第六章焊接结构生产•第七章焊接质量管理2019/9/153焊接电弧及焊接冶金知识•第一节焊接电弧•第二节焊接热过程•第三节焊接冶金过程•第四节焊缝金属的结晶2019/9/154焊接电弧由焊接电源供电的,具有一定电压的两电极或电极与焊件间,在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象,称焊接电弧.焊接电源维持电弧燃烧的两个必要条件气体电离阴极电子发射------++++++焊接电弧的产生2019/9/155焊接电弧中性的气体分子或原子，受到外加能量作用时，核外电子克服约束离开轨道，分子或原子被电离为带正电的离子现象，称为气体电离。电弧中气体粒子的电离根据外加能量的种类不同可分为热电离、电场电离、光电离三类。焊接过程中，以气体粒子之间的碰撞将能量传递给中性粒子产生的热电离，是维持电弧稳定燃烧主要途径。+-气体电离2019/9/156电弧中导电的粒子除气体电离产生外，还从电极表面发射出来。当阴极表面接受一定的外加能量作用时，电极内部的电子都可能冲破金属表面约束而飞出到电弧空间，这种现象称为阴极电子发射。焊接时根据阴极材料和电流大小不同，分为热发射、电场发射、撞击发射三种类型焊接中三种发射同时作用，焊接条件不同作用情形也不相同，引弧时电场发射和热发射起主要作用，高沸点材料作电极时主要为热发射电子。钢作电极时三种发射都起作用。焊接电弧阴极电子发射+-------2019/9/157焊接电弧电弧结构焊接电弧在长度上，由于气体导电粒子的特性变化，电弧的抗阻也发生变化。通常将电弧分为三个区域-----即阴极区弧柱区阳极区阴极阳极+++-----+++----+++阴极压降区10-5~10-6㎝弧柱压降区≈弧长阳极压降区10-3~10-4㎝压电弧电UaUA≈2~3VUC≈10~30VUK≈10~20V2019/9/158焊接电弧焊接电弧的温度因电极材料、气体种类、焊接电流大小、焊接方法不同而分布也不同。一般情况下，阳极区产生能量占电弧总能量的43%，阴极区占36%，弧柱区占21%。而焊接电弧中温度分布不能与之对应。弧柱区温度最高，两电极温度较低，电极受材料种类、导电性能、熔点、沸点的限制，而弧柱区没受限制。焊条电弧焊、钨极氩弧焊时阳极温度高于阴极温度，熔化极气体保护焊、埋弧焊时阳极温度低于阴极温度。在相同产热条件下，如果材料的沸点低、导热性好，电极的几何尺寸大，则该极区的温度低。反之，该区的温度高。电弧中能量及温度分布2019/9/159焊接电弧与导体一样，电弧周围产生磁场，符合右手定则。电弧自身磁场产生一定的电磁收缩力促使熔滴向熔池过渡，保证熔化深度，并使电弧具有一定刚度，抵抗外界干扰。焊接中如果电弧自身磁场遭到破坏，即产生磁偏吹。电弧周围的磁场××××⊙⊙⊙⊙××××××⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙×××××××2019/9/1510焊接电弧焊接电弧热效率是指电弧中用于熔化焊条与焊件的功率与整个电弧功率的比率。电弧全部热功率母材吸收热功率54%电弧有效热功率81%熔滴过渡吸收热功率28%熔化焊剂热功率18%飞溅1%周围空间损失20%飞溅损失5%熔滴过渡25%电弧全部热功率电弧有效热功率75%熔化焊条30%母材吸收热功率50%焊条电弧焊埋弧焊2019/9/15112019/9/1512焊接热过程1、是在焊件的局部进行的，熔池质量小，加热极不均匀。2、是一个瞬时进行的过程，加热速度快，冷却速度快，熔池存在时间短。3、加热温度高，电弧最高温度5000~6000℃，对于低碳钢，熔池温度1770℃左右，熔滴2300℃左右，熔渣1550℃。4、不断运动的热源，受热区域不断变化，热过程具有不均匀性。焊接热过程特点2019/9/1513焊接热过程在电弧焊中，热能传给焊件主要是传导和辐射两种方式。焊件受电弧热源加热，温度就升高。由于焊接热过程的特点，离开热源不同的距离，在不同的时刻，焊件上各点温度不同。焊接温度场就是在焊接过程中的某一瞬时，焊件上各点的温度分布。用等温线或等温面来表示。焊接温度场200℃700℃1406℃1000℃1536℃焊接方向2019/9/1514焊接热过程1、热源的性质和焊接参数热源能量越集中，温度场的范围越小。同热源同厚度，焊接速度增加，温度场的宽度、长度都变小且宽度减小更大；同热源同速度，热源功率增大，等温线范围也随着增大。2、被焊金属的热物理性质金属的热导率、比热容、热扩散率不同，温度场的形状也不同。3、被焊金属的状况金属的尺寸大小、厚度和所处状态不同，温度场的形状也不同。影响焊接温度场的因数2019/9/1515焊接速度对温度场的影响焊接热过程200℃400℃600℃1500℃1000℃800℃1200℃200℃400℃600℃800℃1000℃-8-12-16-20-402200℃800℃600℃400℃q=4200J/㎝υ=0.2㎝/sq=4200J/㎝υ=0.5㎝/sq=4200J/㎝υ=1㎝/s2019/9/1516热源功率对温度场的影响焊接热过程200℃400℃600℃800℃1000℃q=8400J/㎝υ=0.5㎝/sq=4200J/㎝υ=0.5㎝/sq=2100J/㎝υ=0.5㎝/s-8-12-16-20-402600℃400℃200℃200℃400℃600℃1500℃1000℃800℃1200℃2019/9/1517焊接热过程焊件上某一点在焊接热源的作用下，其温度随时间变化由低到高，再由高到低的过程，称焊接热循环。其主要参数是：加热速度（ωH),加热最高温度(TM),相变温度以上停留时间(tH),冷却速度（ωc)。具有两个特征：焊接热循环1、加热峰值温度高，冷却速度快，加热速度更快。2、焊件上各点热循环不同。靠近焊缝中心，峰值温度高，加热速度和冷却速度也大，反之亦然。TMTH加热冷却tHt1t2αTcT/℃t/s2019/9/1518焊接热过程影响焊接热循环的因数与影响焊接温度场的因数基本相同，主要是热源的种类及功率、被焊金属的热物理性质、焊件几何尺寸等。影响焊接热循环的因数部分焊接条件对焊接热循环参数的影响焊接条件峰值温度Tm高温停留时间tm加热速度ωH冷却速度ωc热输入/q初始或预热温度/T0板厚/δ2019/9/1519焊接热过程焊接热循环对焊缝及热影响区的组织和性能具有重要影响，调整和控制焊接热循环对保证和提高焊接质量具有重要作用。焊接热循环调整与控制的原则主要是使焊缝变形和焊接残余应力小，焊缝及热影响区有良好的性能和组织，并有利于提高生产效率。单道焊时由于焊缝截面的限制，输入功率和焊接速度不能大范围调整，因而焊接热循环的调整将受到限制。但是生产中更多的是厚壁多层多道焊，因此，对多道焊热循环的调整和控制具有重要意义。在生产中，根据情况不同多层焊可分为“长段多层焊”和“短段多层焊”两种。焊接热循环的调整与控制2019/9/1520焊接热循环的调整与控制前层焊缝以冷到100~200℃，这样后层焊缝对前层焊缝具有热处理作用。但对于淬硬倾向较大有可能产生裂纹的钢种不适合采用长段多层焊，避免快速冷却产生冷裂纹。对于此类钢的焊接还应该采用焊前预热、层间控温、后热等措施。长段多层焊2019/9/1521焊接热循环的调整与控制焊缝长50~400㎜，获得陡窄热循环曲线，使得在奥氏体转变温度（Ac3）以上停留时间短避免奥氏体晶粒粗化。同时当焊缝快要冷却到马氏体转变温度时，第二层焊缝的热量作用，温度不再下降而有所回升，减慢冷却速度，避免淬硬组织的出现。可解决高温停留时间与冷却速度难以同时降低的矛盾，适用于焊后晶粒容易长大且容易淬火的钢种。关键确定每段焊缝长度。短段多层焊焊缝过长，前段温度以冷却到马氏体转变温度以下，并产生马氏体，可能产生裂纹，短段失去意义。过短，前段焊缝在高温状态还没有冷却，后段焊缝又继续加热，使焊缝及热影响区在高温停留时间过长，造成晶粒粗化。短段失去意义。2019/9/1522焊接冶金过程焊接电弧产生以后，焊接区的物质在电弧高温作用下，会发生激烈的物理化学反应，反应的过程称为焊接冶金过程。包括：焊接冶金过程的特点气体对焊缝金属的影响焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷焊缝金属的渗合金2019/9/1523焊接冶金过程焊接热过程的特性确定了焊接冶金过程有以下特点：1、电弧温度高。药皮中物质的分解产出大量的气体，在熔池周围形成一个保护层；同时，ＣＯ2、Η2等大量分解出来的气体原子或离子很容易溶入到熔池金属中，由于冷却速度快，溶解度不断下降，结果来不及析出而残留在焊缝中；电弧高温作用下，还会产生金属蒸汽，合金元素易被氧化，即烧损，使焊缝合金元素的含量下降，分布不均匀。2、熔池反应时间短。焊缝金属的冶金反应不充分，组织成分差异较大。3、熔池体积小，而反应接触面积大。以焊条电弧焊为例熔池质量仅为3~5克，而熔滴的表面积可达1~10㎝2/g，比炼钢时大1000倍，使反应冶金激烈，并有强烈的混合作用。4、熔池反应是运动的。焊接熔池不断地移动，参与反应的物质不断改变，使焊接熔池冶金反应更为复杂。焊接冶金过程的特点2019/9/1524焊接冶金过程气体来源于焊接材料、焊件坡口的铁锈、油污和吸附的水分；也可能来自于大气。由于焊接方法、焊接电流、药皮和焊剂成分不同，气体成分为CO、Ｈ2和水分等，由于熔池保护不当、空气中的N2混入熔池。这些气体一旦侵入熔池，将对焊缝的性能产生极为不利的影响。气体对焊缝金属的影响COＨ2Ｈ20N2N2ＨCON22019/9/1525焊接冶金过程1、氮与金属既不反应也不溶解，如与Cu、Ni。2、氮与金属即反应由溶解，如Fe、Mn、Cr、Ti。在不同条件下，焊接熔池中氮以原子、氮化物、离子一种或几种不同形态存在。氮在α-Fe中溶解度很小，熔池中大量氮在冷却过程中来不及逸出，一部分以过饱和形式存在于固熔体中，提高了焊缝的强度，而降低焊缝的塑性和韧性；另一部分以针状氮化物（Fe4N）的形式析出，分布在晶界和固熔体内，提高了焊缝的强度和硬度，却使降低焊缝的塑性和韧性急剧降低；在焊缝中形成的氮气孔降低了焊缝的致密性和力学性能。同时Fe4N还是一种时效产物，即氮是一种促使焊缝金属时效脆化的元素。当焊缝中氮的体积分数小于00.1%时，对力学性能影响不大。当焊缝中氮与钒同时存在时，形成稳定的氮化钒（VN），可抑制时效现象，经过正火或调质处理后，VN以细小颗粒弥散分布，可以提高焊缝的强度，而不降低焊缝的塑性和韧性。氮与金属的作用2019/9/1526焊接冶金过程在电弧高温作用下，电弧中的氢以原子、离子及分子形态存在。1、与锆钛钒钽铌等金属形成稳定的氢化物，300~700℃低温范围吸氢量较大，温度高于700℃时氢化物分解，氢扩散逸出，吸氢量迅速减小。因此焊接此类金属，需要防止低温吸收大量氢。2、与铁铝镍铜铬钼等金属不能形成稳定的氢化物，但能溶于金属中，并随温度的升高氢的溶解度也增加。氢在面心立方晶格中的溶解度大于体心立方晶格，当金属组织结构发生变化时，氢的溶解度也将发生突变，这是造成气孔、裂纹缺陷的重要原因之一。氢与金属的作用焊缝中氢以原子或离子形态存在，原子或离子半径小，可在晶格中自由扩散，称为扩散氢。随着时间延长，可从焊缝表面逸出。若氢聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物的空隙中，结合成分子，不能自由扩散，称为残余氢。氢的危害是极大的,氢脆和白点,使钢的塑性和韧性大大下降,可通过时效或热处理消除.气孔和氢致裂纹,不可消除,而裂纹会导致结构的直接脆断破坏2019/9/1527焊接冶金过程根据氧与金属作用的特点可分为两种情况：一种是焊接时氧与其发生激烈的氧化反应，而在固态液态时都不溶解于金属，（如Mg和Al）；另一种是氧与其发生反应，生成的氧化物能溶于相应金属中，（如Fe、W、Cu、Ti）。氧在电弧中以原子状态存在，在液态铁中以原子和氧化亚铁两