焊 接 工 程 中南大学材料学院 李劲风.ppt

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1、焊 接 工 程 中南大学材料学院 李劲风 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、焊接定义、分类一、焊接定义、分类1、定义待焊接的同种或异种材料（母材）在热或压力的作用下（或两者共同作用），使用或不使用填充材料，使材料之间达到原子级的冶金结合，形成永久性接头。2、如何达到原子级冶金结合、如何达到原子级冶金结合表面不平、氧化膜、油污、水分措施：a、施加压力 b、加热绪绪 论论3、焊接分类、焊接分类a、液相连接：材料熔化，利用液相的相容性实现原子级的冶金结合

2、。b、固相连接：焊接时温度低于母材或中间层熔点，必须施加压力使紧密接触，通过扩散实现原子间结合。c、液-固相连接：待焊表面不直接接触，通过两者间隙中的液相联系，利用液固相间的扩散，实现原子间的结合。焊接发展趋势焊接发展趋势焊接热源能量密度高度集中，实现快速焊接，并保证得到高质量的焊缝和最小的热影响区第一章第一章 焊接热源及接头形成焊接热源及接头形成第一节第一节 熔化焊热源熔化焊热源一、焊接热源一、焊接热源熔化焊主要热源电弧热等离子弧电子束激光束化学热其它非熔化焊热源 电阻热、高频热源、摩擦热理想的焊接热源 加热面积小，功率密度高，加热温度高二、焊接热效率（二、焊接热效率（）焊接热源产生的能量一

3、部分用于焊接，另一部分散失。名义热效率 焊接热源用于焊接的能量：焊缝，热影响区真正热效率 用于熔化金属形成焊缝的能量三、焊接时热作用特点三、焊接时热作用特点1、集中性2、瞬时性第二节第二节 焊接热循环焊接热循环一、焊接热循环一、焊接热循环 焊接热循环指焊件某点温度随时间的变化规律焊接接头处在焊接过程中加热和冷却是不均匀的，不均匀的热过程将引起焊接接头组织和性能不均匀及复杂应力状态。二、基本参数及特征二、基本参数及特征1、加热速度 wH：快2、最高加热温度Tmax：高3、相变温度以上停留时间tH：不易控制4、冷却速度（或冷却时间）wc：某点热循环过程在某一瞬时温度的冷却速度，或用某一温度范围内的

4、冷却时间表征冷却速度（t8/5，t8/3）。时间温度热循环的影响后果热循环的影响后果1、影响焊缝化学冶金质量，使接头质量变化2、焊缝区外的组织和性能变化，形成焊接热影响区第三节第三节熔化焊接头的形成熔化焊接头的形成熔化焊概念：在焊接热源的作用下，使局部母材和焊接材料（使用焊接材料时）熔化，两者共同形成熔池，冷却后与母材形成牢固冶金连接的焊接方法。过程：加热熔化冶金反应凝固（固态相变）一、焊接材料熔化与熔池形成一、焊接材料熔化与熔池形成1、焊接材料熔化（焊条、焊丝）形成熔滴过渡到熔池（焊接材料焊条或焊丝在焊接热源的作用下，焊条端部熔化形成的滴状金属称为熔滴）2、熔池形成、熔池形成 焊接材料熔化，

5、同时母材（被焊金属）局部熔化，二者共同组成具有一定几何形状的液态金属区域，即熔池。不使用焊接材料时，熔池仅由局部熔化母材组成。（）熔池存在时间短，几秒至几十秒之后凝固，其中冶金反应时间很短（不利于焊接冶金反应的充分进行）。（）熔池中存在强烈搅拌作用（有利于充分混合和均匀化，以及气体和杂质排除）原因：a、温度不均密度差对流b、温度不均表面张力不均对流c、焊接热源作用在熔池上的机械力搅拌二、焊接接头的形成二、焊接接头的形成焊接接头组成：焊缝、熔合区、热影响区焊缝：熔池凝固并发生固态相变的区域热影响区：熔池附近母材受热作用而发生固态相变的区域熔合区：焊缝和热影响区之间、焊接热过程、焊接热过程母材发生

6、局部受热、局部熔化及传热过程，进行热量传递和分布，即焊接热过程。贯穿始终。、焊接化学冶金过程、焊接化学冶金过程熔渣、液态金属、气相之间进行一系列化学冶金反应、熔池凝固和相变过程、熔池凝固和相变过程凝固结晶固态相变偏析、夹杂、气孔裂纹、脆化三、焊接接头形式三、焊接接头形式对接、角接、搭接等待焊部位加工成坡口，坡口须填充金属（焊条焊丝）此时，焊缝金属组成为：母材、熔融填充金属熔合比：母材在焊缝中所占比例（反应熔透情况）相同的焊接材料，熔合比不同焊缝成分差异性能差异四、焊接性问题四、焊接性问题焊接性：金属材料（同种或异种）在一定焊接工艺条件下，能够焊成满足结构和使用性能要求的能力，也即金属材料对焊接

7、加工的适应性、获得优质焊接接头的难易程度。包括：a、接合性能：焊接时形成缺陷的敏感性工艺焊接性b、使用性能：形成的焊接接头满足使用要求的程度使用焊接性焊接性好坏不是绝对概念（）焊接性能优良：简单焊接工艺条件下，接合性能和使用性能均能满足要求（）焊接性能较差：必须采用复杂焊接工艺才能实现优质焊接母材满足使用性能，但焊后性能不一定能满足？（）焊缝成分和母材有很大区别（）即使焊缝主要成分和母材相同，也不能保证与母材组织和性能相同（）焊接时会产生多种缺陷（气孔裂纹等）（）热影响区（母材）经历了一次或多次加热冷却循环（）熔合区，存在物理化学不均匀性第二章第二章熔化焊化学冶金熔化焊化学冶金 焊接区内各种物

8、质在高温作用下，进行复杂的物理化学变化过程，包括诸多化学变化，以及物质在作用下之间的迁移和重新分配过程。这些过程影响焊缝金属成分、性能、焊接缺陷及焊接工艺性能。第一节第一节焊接气氛及其与金属的相互作用焊接气氛及其与金属的相互作用一、焊接区气体一、焊接区气体主要气体种类：氮气、氧气、氢气、CO2(分解)，H2O(分解)1、气体来源（1）焊接材料：a、焊条药皮、焊剂、药芯（焊丝）造气剂 b、气体保护焊时外界通入气体（2）热源周围气体介质：造气剂不能完全排除焊接区内空气（3）杂质（焊丝和母材表面上）：铁锈、油污、涂料、水分等分解2、气体的产生、气体的产生（1）直接输入和侵入焊接区内的气体（2）有机物

9、的分解和燃烧（3）碳酸盐和高价氧化物的分解（4）材料蒸发：水分、金属元素、熔渣等 沸点低，易蒸发 熔体中浓度高，易蒸发 导致结果：合金元素烧损、产生缺陷、烟尘污染环境3、气体的分解、气体的分解气体状态不同，对气体在金属中溶解或与金属作用有较大影响简单双原子气体分解复杂气体分解气体的影响主要涉及N2、H2、O2的影响二、二、H2与金属的作用与金属的作用来源：焊接材料中水分、有机物、吸附水、结晶水、表面杂质、空气中的水分1、H在金属中的存在状态在金属中的存在状态（1）与金属形成稳定化合物（Ti、Zr、Nb、V等）（2）在金属中溶解，而不与金属发生化和反应 Fe、Cu、Ni等 影响焊接质量2、H在金

10、属中的溶解在金属中的溶解（1）溶入方式a、电渣焊时（电熔渣起保护作用）b、气体保护焊时：气相与液态金属发生界面反应，以原子或质子形式溶入（2）溶解度影响）溶解度影响a、固态金属中，FCC晶格中 BCC晶格中 固态相变时H溶解度发生突变b、元素对H溶解度有很大影响C、S、Al：降低Ti、Zr、Nb：增加（与H的亲和力大）Mn、Ni、Cr：影响不大3、焊缝中的、焊缝中的H（1）扩散H：原子半径小，扩散能力强，如果以原子或离子状态存在并可在晶格中自由移动扩散H（2）残余H：H扩散到缺陷处 结合成分子 半径大 不能继续扩散 残余H刚焊接的接头中 H扩散一部分H逸出，溶解量降低一部分转化为残余H且逐渐增

11、加一部分向近缝区扩散4、H对焊接质量的影响对焊接质量的影响（1）氢脆（2）白点（3）冷裂纹（4）气孔（5）组织变化5、控制、控制H含量含量（1）限制来源（2）冶金处理：使之在高温下形成稳定且不溶解于金属的氢化物，气相中H分压下降 液态金属中H溶解度下降（3）在焊条药皮或焊芯中加入微量稀土元素（生成化合物，降低扩散H含量）（4）焊后脱H处理：热处理，H扩散逸出（5）控制焊接工艺三、三、N2与金属的作用与金属的作用来源：周围空气1、N2与金属的作用特点与金属的作用特点（1）不与N发生作用：Cu、Ni，不溶解N，也不形成氮化物 可作为保护气体（2）与N发生作用：Fe、Ti、Mn、Cr、Al，溶解N，

12、也能形成稳定氮化物2、N在金属中的溶解在金属中的溶解 分四个阶段（1）气体分子向气体/金属界面运动（2）气体分子被金属表面吸附（3）在金属表面分解为原子（4）气体原子穿过金属表层，向金属深处扩散3、N对焊接质量的影响对焊接质量的影响（1）有利方面：与某些合金元素作用（Ti、Nb、Zr等），起沉淀强化和细化晶粒作用（2）不利方面：气孔 时效脆化4、控制、控制N含量含量（1）与空气隔离，限制其来源（2）加碳：氧化，溶池沸腾，有利于N逸出；氧化生成CO2、CO，保护作用 N分压下降 液态金属中N溶解度下降（3）在焊料中加入能生成稳定氮化物的元素（Ti、Zr、Al稀土等），生成的化合物可通过熔渣排出（

13、4）控制焊接工艺四、四、O2与金属的作用与金属的作用来源：焊接材料、工件及焊丝表面氧化膜、空气1、作用特点、作用特点（1）Al、Mg等，焊接时与氧发生氧化，但固态及液态下均不溶解氧（2）Fe、Cu、Ni、Ti等，既能有限溶解氧，又能溶解相应氧化物 FeO能溶入Fe及其合金 氧在Fe中的溶解方式：原子氧、FeO 溶解吸热：T 氧溶解度增加 T 氧溶解度降低2、焊缝中氧的存在形式、焊缝中氧的存在形式氧化物（FeO、SiO2、MnO、Al2O3绝大部分）及硅酸盐（夹渣）溶解氧3、O对焊接质量的影响对焊接质量的影响（1）气孔（2）破环焊接稳定性（含碳钢）（3）金属氧化烧损（4）焊缝力学性能下降（5）物

14、理化学性能恶化（导电导磁性下降，抗蚀性下降）四、四、O含量控制含量控制（1）控制焊接材料含O量（2）焊接工艺，防止空气侵入（局限性大）（3）冶金方法脱氧 焊条或焊丝中加入合金元素 氧化合金元素 保护被焊金属和脱氧五、焊接接头中气体的控制五、焊接接头中气体的控制1、氢的控制、氢的控制（1）控制来源）控制来源 药皮少用有机物 烘干、防潮 去油污（2）冶金处理）冶金处理：通过化学冶金反应，生成稳定且不溶于金属的氢化物（HF、OH），降低气相中的H分压，降低溶解量。药皮中加CaF2CaF2+HCaO+HFCaF2+H2OCaO+HF CaF2和SiO2共存CaF2+SiO2 CaSiO3+SiF4Si

15、F4+H SiF+HFSiF4+H2O SiO2+HF增加熔池O含量或气相氧化性 氧夺取氢，H+O OH (稳定)氧必须控制好，否则焊缝增氧药皮、药芯中加入微量稀土元素 降低H溶解度，降低扩散H含量（3）焊后脱氢处理）焊后脱氢处理 热处理，使H扩散逸出2、氮的控制、氮的控制（1）控制来源）控制来源，即加强保护作用（主要方法，因N主要来源于空气）（2）加入合金元素）加入合金元素碳：氧化CO、CO2，沸腾，逸出，同时CO、CO2起保护作用加入生成稳定氮化物的元素，并通过熔渣排出。（可能导致时效脆化，降低塑性）3、氧的控制、氧的控制（1）控制来源）控制来源 除掉工件焊丝表面氧化物、铁锈等（2）冶金脱

16、氧）冶金脱氧 先期脱氧 沉淀脱氧 冲洗脱氧 扩散脱氧另：均还可通过焊接工艺参数的调整来控制，但都有较另：均还可通过焊接工艺参数的调整来控制，但都有较大局限性大局限性第二节第二节焊接材料与焊接熔渣焊接材料与焊接熔渣一、焊接材料一、焊接材料 焊接时所消耗的材料统称为焊接材料。1、焊接材料类型、焊接材料类型焊条焊剂焊丝保护气体通用焊条专用焊条熔炼焊剂非熔炼焊剂实心焊丝药芯焊丝焊接材料2、焊接材料的组成与特点（钢材焊接）、焊接材料的组成与特点（钢材焊接）（1）焊条）焊条焊芯：焊芯：熔化后成为焊缝填充金属，对焊接质量有直接影响 C应该少（？）Si含量控制药皮：药皮：焊芯表面涂料层（粉料+粘结剂），由碳酸

17、盐、硅酸盐、钛酸盐及金属合金组成 矿石、金属或合金、化工制品水玻璃等、有机物作用：作用：保护作用：产生气体，隔绝空气；熔渣也起保护作用化学冶金作用：参与化学冶金反应，除有害物质，保护和添加有益元素使工艺性能良好：脱渣性能好、成型性能好（）焊剂（）焊剂 焊接时能熔化形成熔渣和气体，对金属起保护作用和冶金处理的一种颗粒状物质。其作用与焊条药皮一致药皮粒化处理（烧结处理、未熔化）非熔炼型焊剂药粉熔化、粒化后使用熔炼型焊剂（）焊丝：（）焊丝：作为填充金属或同时作为导电的金属丝实芯焊丝药芯焊丝（）保护气体（）保护气体单一：CO2、Ar、He。混合：Ar+CO2分类：分类：低氢型：不含有机物，含非低氢型：

18、不含3、焊接材料的作用、焊接材料的作用(1)作为填充金属作为填充金属(2)保护作用保护作用保护气体(Ar)，隔绝空气形成熔渣，覆盖表面，隔绝空气焊剂中造气剂，产生保护气体(3)参与化学冶金参与化学冶金有害元素(H、O、N)，有益元素烧损渗Si、渗Mn等二、焊接熔渣二、焊接熔渣 焊条药皮、焊剂或焊丝药芯熔化后，经一系列化学变化而形成覆盖于熔池金属表面的非金属融融物质焊接熔渣起保护作用，参与化学冶金反应对焊缝金属成分与性能有很大影响1、组成、组成（）盐类溶渣：CaF2-NaF、KCl-NaCl-Na2AlF（）盐氧化物型：CaF2-CaO-Al2O3（）氧化物型：CaO-SiO2-TiO2、MnO

19、-SiO22、焊接熔渣的化学性质：碱度、焊接熔渣的化学性质：碱度B23、焊接溶渣化学性质对化学冶金反应的影响、焊接溶渣化学性质对化学冶金反应的影响(1)影响其中氧化还原反应影响其中氧化还原反应脱氧Si脱氧FeO+Si(SiO2)+Fe Mn脱氧 FeO+Mn(MnO)+Fe渗Si、渗Mn等：焊芯或焊丝中不含Si、Mn或含量较少，而焊缝中却出现增Si、Mn现象。(SiO2)+Fe FeO+Si，若熔渣B2，反应有利于向右进行，增Si(MnO)+Fe FeO+Mn，若熔渣B2，反应有利于向右进行，增Mn(2)影响影响FeO分配分配若熔渣B2，FeO易于集中于熔渣中若熔渣B2，FeO易向金属中分配(

20、4)影响控影响控H作用作用CaF2+SiO2 CaSiO3+SiF4(1)SiF4+H SiF+HF(2)SiF4+H2O SiO2+HF(3)若熔渣B2，反应(1)有利于向右进行，有利于控H反应(3)影响影响S分配分配 除S反应生成物FeS呈酸性若熔渣B2 S 易向熔渣中分配第三节第三节焊接化学冶金反应焊接化学冶金反应一、焊接化学冶金反应区的特点一、焊接化学冶金反应区的特点“气体-熔渣-熔融金属”之间产生一系列的物理化学反应1、焊接冶金分区、连续进行药皮焊条焊接冶金反应分为三区：药皮反应区，熔滴反应区，熔池反应区熔化极气体保护焊：熔滴反应区，熔池反应区 分开，而又连续2、超高温特征，有利于冶

21、金反应强烈进行3、焊接冶金反应的界面大，可促使冶金反应充分进行4、焊接反应过程短，不利于达到平衡状态5、熔池中对流和搅拌现象，有利于熔池成分均匀化和冶金反应进行二、焊接冶金反应过程二、焊接冶金反应过程1、药皮反应区、药皮反应区（为熔滴阶段及熔池阶段提供反应产物）(1)除水反应(2)有机物分解(3)矿物分解：生成O2、CO2，起保护作用，同时氧化锰铁等(4)铁合金氧化 生成的O2、H2O、CO2均有氧化性 当温度高于一定温度时（600C），药皮中铁合金发生明显氧化，导致气相的氧化性下降，降低药皮成渣后对金属的氧化。先期脱氧先期脱氧2、熔滴反应区、熔滴反应区熔滴形成、长大、过渡到熔池；冶金反应最激

22、烈部位，平均温度18002400C特点：高温、比表面积大、存在时间短、变化形状、熔渣进入熔滴内部反应加快(1)气体高度分解(2)H2、N2激烈溶解(3)激烈的增氧反应途径：(4)强烈的渗合金和吸收杂质(5)低沸点元素的严重蒸发 （合金元素烧损、污染环境）(6)除H反应（是熔滴阶段的重要反应）氧化性气氛 HOH CaF2 HHF气氛中CO2、H2O及O2直接氧化熔渣中(FeO)向金属熔滴中分配增氧熔渣中(MnO)、(SiO)的置换增氧3、熔池反应区、熔池反应区(1)脱氧反应问题 熔池中O存在状态：O、FeO、不溶性氧化物SiO2、MnO扩散脱氧 利用熔渣的化学性质，使FeO扩散进入熔渣 但局限性

23、大，因为凝固阶段，熔池的粘度增加 而不溶性氧化物SiO2、MnO直接进入熔渣沉淀脱氧（有决定意义的脱氧方式）将熔池中FeO或O转化为不溶于金属的氧化物，并脱溶沉淀转入熔渣中 Me+OMe mOn 不能采用C脱氧，？沉淀脱氧实现条件：沉淀脱氧实现条件：加入元素对氧亲和力大脱氧产物不溶于金属，而成为独立液相转入熔渣熔渣化学性质与脱氧产物相反，以利于吸收脱氧产物(2)冲洗脱氧冲洗脱氧熔渣流动 液态金属流动。熔渣对液态金属产生冲洗作用，使液态金属中的氧化物易于吸收到熔渣中。（局限性大）(3)Si-Mn联合脱氧联合脱氧Mn/Si=36时，脱氧产物（不饱和液态硅酸盐）密度小，易于浮出转入熔渣受化学性质的限

24、制酸性焊条：通常以锰铁脱氧 Mn由于先期脱氧和Mn蒸发损失，很难保证足量Mn进入熔池而实现Si-Mn联合脱氧。碱性焊条：存在Al、Ti、Si Al、Ti与氧的亲和力 Mn与氧的亲和力 保护Mn，可实现Si-Mn联合脱氧(4)气体逸出问题气体逸出问题调整冷却速度或熔池在液态存在时间三、焊缝金属成分的控制三、焊缝金属成分的控制使有害杂质侵入少，有益成分损失小1、杂质的控制、杂质的控制(1)工艺限制来源和加强排除 气体保护、清除水分、油污、氧化膜等 脱氢(2)冶金措施 脱氧、脱氢 脱硫 冶金方法脱氮效果不理想2、合金元素的烧损、合金元素的烧损 采用过渡系数反映合金成分的收得率 过渡系数 =x d/x

25、 E 其中 x d为元素x在熔覆金属中的质量分数 x E为元素x在焊接材料中的质量分数一般过渡系数1不同合金元素的过渡系数与氧亲和力大小直接有关 （亲和力大，过度系数小）不同焊接方法导致过渡系数差异具体条件进行试验，测定合金过渡系数，从而进行焊缝成分计算第三章第三章熔化焊接头组织与性能熔化焊接头组织与性能焊接接头具有与母材不同的特点两种以上金属在高温下混合且伴随各种化学冶金反应，使焊缝金属和母材成分、组织、性能发生很大变化热影响区发生组织变化化学冶金不均匀，造成接头成分不均匀，存在偏析与性能差异焊接热效应不均匀，造成组织梯度一、焊缝金属的结晶一、焊缝金属的结晶1、结晶特点、结晶特点（与铸造结晶

26、相似，但有自己特点）(1)加热温度高，冷却速度快(2)热源移动，结晶连续进行且随熔池前进(3)熔池中温度不均匀性大，中心过热(4)熔池原始成分不均匀 (存在时间短，来不及均匀)2、焊缝金属凝固过程、焊缝金属凝固过程 非均匀形核，依靠现成表面：悬浮质点（一般作用不大），熔合区加热到半熔化状态基体金属的晶粒表面 开始结晶时，从靠近熔合线处的母材晶粒上联生长大联生长大 优先生长的方向与散热最快的方向一致时，有利于生长，形成粗大的柱状晶。不一致时，停止长大 热源移动，最大温度梯度方向不断改变，有利生长不断改变柱状晶垂直于熔池边缘弯曲地长大3、焊缝凝固组织、焊缝凝固组织 凝固组织形态的多样性，但最大特点

27、是各种形状的柱状晶组织。随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。4、焊缝成分不均匀性、焊缝成分不均匀性(1)宏观偏析宏观偏析 柱状晶沿一定方向生长，是溶质偏聚于晶界及部分地区大范围内引起宏观组织改变甚至产生裂纹。层状偏析：结晶速度周期性变化（如操作的移动）偏析周期性地分布。焊缝中心偏析：焊缝中心最后结晶，杂质（或低熔点物质）推往熔池中心。弧坑偏析：收弧处熔池未填满，凝固时大量杂质无法排出及成份扩散不均匀而造成的偏析。通过接头引出的方式来消除弧坑偏析。类比于铸造缩孔采用冒口消除。焊道偏析：多道多层焊时在层间道间形

28、成的成分偏析。(2)微观偏析微观偏析 晶界、晶内的亚晶和树枝晶之间存在不同程度的显微偏析。(3)熔合区偏析熔合区偏析 熔合区附近产生和金元素浓度明显变化异种金属焊接接头熔合区偏析：材料本身成分差异巨大，导致熔合区附近存在元素的极大不均匀性。部分合金钢元素在熔合区附近的偏析：如C元素在熔合区附近的偏析。熔合区S、P偏析：S、P向母材扩散，但扩散能力较弱，偏聚于熔合区。二、焊缝金属性能的控制二、焊缝金属性能的控制强度和韧性是影响接头使用可靠性的最重要因素。金属材料强韧化途径：固溶强化、细晶强韧化、形变强化、沉淀强化、相变强化 焊缝强化方法：固溶强化、细晶强韧化第四章第四章焊接冶金缺陷焊接冶金缺陷第

29、一节第一节气孔气孔一、气孔形成条件一、气孔形成条件气孔形成三个阶段：气泡生核、长大和上浮1、气泡形核条件、气泡形核条件能量，大量现存表面形核过饱和度越大，越易成核，且临界半径越小2、气泡长大条件、气泡长大条件 Pn PoPn：气泡内各种气体分压的总和 Po：阻碍起跑长大的外界压力总和（大气压、熔融金属压力、熔渣压力、表面张力构成的附加压力）现存表面形核，椭圆形气泡，曲率半径大，外界压力低，有利于气泡长大。3、气泡上浮条件、气泡上浮条件气泡上浮能力与气泡和现存表面接触角有关。气泡上浮并不能避免气孔形成，关键是凝固之前能否浮出。凝固速度：凝固速度大，不利于浮出，易产生气孔液态金属粘度：粘度大，气泡

30、上浮阻力大，易产生气孔液态金属密度：密度小，气泡上浮速度小，易产生气孔气泡尺寸：气泡尺寸越大，越有利于浮出原始气体不足以使气泡尺寸增大，产生气孔可能性大原始气体数量很多 气泡半径大 完全浮出 不产生气孔二、气孔类型及其成因二、气孔类型及其成因分类 根据形态：球状气孔、条虫状气孔 根据分布：孤立状气孔、均布状气孔 根据来源：析出型气孔、反应型气孔 1、析出型气孔、析出型气孔熔池金属凝固时气体的溶解度突然降低所产生平衡凝固时：H在Al 中 0.69ml/100g降至0.036ml/100g H在Fe中 25ml/100g降至8ml/100g铝比钢铁更容易产生氢气孔。（另一原因）（另一原因）2、反应

31、型气孔、反应型气孔冶金反应而产生的气体所导致的气孔（CO,H2O）钢材焊接：C+O CO FeO +C CO +Fe MnO+C CO +Mn如果反应发生在高温熔体中，不能形成CO气孔；如果反应发生在液态金属冷却凝固的过程中，形成气孔铜：高温下Cu溶解较多Cu2O和H时，Cu2O+H Cu+H2O 第二节第二节 焊接热裂纹焊接热裂纹1、结晶裂纹（凝固裂纹）、结晶裂纹（凝固裂纹）：在凝固的过程-结晶过程中产生。2、高温液化裂纹：、高温液化裂纹：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经重新溶化，在收缩应力作用下,沿奥氏体晶间发生开裂。一、焊接热裂纹类型一、焊接热裂纹类型高温下焊缝金属

32、和热影响区产生的沿晶裂纹3、多边化裂纹：、多边化裂纹：产生温度低于固相线温度,存在晶格缺陷(位错和空位),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,多发生纯金属或单相奥氏体合金焊缝。HAZ液化裂纹结晶裂纹多边化裂纹二、结晶裂纹二、结晶裂纹1、产生机理产生机理 1）产生部位）产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部两个树枝状晶体之间。结晶裂纹2、产生机理、产生机理 在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点物被排挤在晶界，形成一种所谓的封闭“液态薄膜”，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂，产生结

33、晶裂纹。产生结晶裂纹原因：液态薄膜 拉伸应力 液态薄膜根本原因 拉伸应力必要条件二、焊接结晶裂纹的影响因素二、焊接结晶裂纹的影响因素1）冶金因素）冶金因素结晶温度区间结晶温度区间：合金状态图脆性温度区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加。3、结晶裂纹的影响因素、结晶裂纹的影响因素 如图 S点、结晶区间最大、裂纹倾向最大。共晶点、裂纹倾向最小。(虚线表示不平衡结晶)一次结晶组织形态及组织对结晶裂纹的影响一次结晶组织形态及组织对结晶裂纹的影响一次晶为方向性强的树枝晶，结晶裂纹倾向大抗裂途径1：细化晶粒初生相类型影响低熔点杂质在其中的溶解若初生相中杂质溶解多，热裂纹倾向较小。-Fe溶解S、

34、P杂质较多；初生相为-Fe时热裂纹倾向大。晶间易熔物质对凝固裂纹敏感性的影响晶间易熔物质对凝固裂纹敏感性的影响晶间易熔物质形成的晶间液膜是引起凝固裂纹的根本原因。a:但易熔物质增加，增加了晶间的液相，促进液相在晶间流动和相互补充，引起填补和愈合作用。抗裂途径2：增加易熔物质（易熔共晶）数量b:易熔物质形态连续液膜裂纹敏感性大球状形式液膜裂纹敏感性小抗裂途径3：加入元素，改善易熔物质在晶界的分布形态结晶裂纹敏感性易熔物质数量三、近缝区高温液化裂纹三、近缝区高温液化裂纹1、产生部位及材料产生部位及材料 通常产生在母材的热影响区的粗晶区，也可产生在多层焊缝的焊层之间。液化裂纹属于晶间开裂性质，裂纹断

35、口呈典型的晶间开裂特征。2、产生原因产生原因 1）近缝区晶界处存在低熔点杂质 2）近缝区存在晶间液膜(低熔点共晶体)液化裂纹很小，但能诱发其他裂纹。很难消除，只能采用熔点低于晶间液膜的焊缝金属，渗入过热区的液化裂纹中起愈合作用 焊缝金属中存在很多高密度的位错，在高温和应力的共同作用下，位错极易运动，在不同平面上运动的刃型位错遇到障碍时可能发生攀移，由原来的水平组合变成后来的垂直组合，即形成“位错壁”就是多边化现象。多边化导致显微裂纹的产生。这种显微裂纹延伸到结晶前沿，尚未凝固的熔池金属向裂纹渗入表面活性物质，促使裂纹扩展而形成多边化裂纹四、多边化裂纹形成机理四、多边化裂纹形成机理形核于已生长的

36、固态柱状晶，但实际发生于未完全凝固时的固液阶段第三节第三节焊接冷裂纹焊接冷裂纹室温附近脆化而形成的裂纹。具有更大的危险性产生时间产生时间:可焊后立即出现，也有的几小时，几天或更长时间一、形成机理（钢材焊接时）一、形成机理（钢材焊接时）三要素：接头中H含量 被焊钢材中淬硬组织 应力（内应力及外拘束应力）三者相互影响接头中H含量 H扩散聚集于缺陷处H2，应力被焊钢材中组织淬硬化马氏体相变晶格较大畸变脆硬性，同时产生大量晶格缺陷；H使奥氏体稳定，易于形成马氏体。应力（内应力及外拘束应力）焊接不均匀加热和冷却后产生残余应力；相变过程产生内应力；相变过程中比热和各向异性产生内应力。二、冷裂纹防止二、冷裂

37、纹防止主要针对以上三因素进行即：尽可能降低内应力，消除H来源，改善组织紧急后热处理紧急后热处理对于具有潜伏期的冷裂纹，如果裂纹尚在潜伏期中加热，即紧急后热处理，可一定程度防止冷裂纹。(抢时间)目的：消除残余应力，消除扩散H，改善组织第四节第四节焊接再热裂纹焊接再热裂纹 焊后再加热,消除应力退火，高温工作时500600过程中产生裂纹称再热裂纹。一、再热裂纹的特征一、再热裂纹的特征 1、再热裂纹产生部位、再热裂纹产生部位 近缝区的粗晶区，沿晶间开裂，裂纹大部分晶间断裂，沿熔合线方向在奥氏体粗晶粒边界发展再热裂纹再热裂纹2、敏感的温度范围敏感的温度范围:一般在500700低于500或高于700,再加

38、热不易出现再热裂纹3、有大量的内应力存在，及应集中、有大量的内应力存在，及应集中:在大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹4、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中、易产生在具有沉淀强化作用的钢材中二、再热裂纹产生机理二、再热裂纹产生机理1、晶界杂质析集弱化说晶界杂质析集弱化说 晶界析集P、S、硼化物沿晶界析集2、二次沉淀理论晶内沉淀强化、二次沉淀理论晶内沉淀强化具有沉淀强化的元素 焊接高温时，合金元素全部固溶焊后冷却速度快，合金元素不能充分析出焊后再加热时（500-700），晶内吸出沉淀相，导致晶内强化。应力松弛导致的变形集中于晶界。晶界塑性不足再热裂纹3、晶界蠕变开裂说、晶界蠕变开裂说 发生

39、应力松弛的三晶粒晶界处产生应力集中 空位在应力和温度作用下运动到晶界，数目足够多时，结合面遭到破坏1、预热及后热预热及后热 预热对防止再热裂纹有一定效果。及时后热可降低预热温度 2、线能量的作用、线能量的作用 焊接线能量适当增加，减少过热区硬度，裂纹减小3、低强焊缝应用、低强焊缝应用 适当降低焊缝强度，减少近缝区塑变的集中程度，有利于降低再热裂纹产生倾向 4、降低残余应力和避免应力集中降低残余应力和避免应力集中三、再热裂纹防止（主要通过工艺调整）三、再热裂纹防止（主要通过工艺调整）第五章第五章 熔化焊方法简介熔化焊方法简介一、焊条电弧焊一、焊条电弧焊二、埋弧焊二、埋弧焊焊缝形成过程焊缝形成过程

40、 埋弧焊特点及其应用埋弧焊特点及其应用生产率高，节省焊接材料。焊接质量好。劳动条件好。不适用于立焊、横焊、仰焊和不规则形状焊缝。另外，焊前的准备工作量较大，对焊件坡口加工、接缝装配均匀性等要求较高。不适于焊接3mm以下厚度的薄板。难以焊接Al、Ti等氧化性极强金属及合金。设备费用一次性投资较大。三、气体保护焊三、气体保护焊 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊优点：电弧、熔池可见性好 无需焊后清理缺点：防风措施 在惰性气体中燃烧的电弧热量损失较少。Ar：成本低，电弧燃烧非常稳定，熔滴很容易呈稳定的轴向射流过渡，飞溅极小。He：电弧燃烧温度高，焊速较快，但飞溅大，成本高。钨极氩弧焊（

41、钨极氩弧焊（TIG焊焊）钍钨极或铈钨极电极不熔化焊接电流不能太大，易焊薄板熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊（MIG焊）焊）焊丝做电极电流大，母材熔深大，生产率高，易焊中厚板四、电渣焊四、电渣焊 利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热熔化母材和填充金属进行焊接 常用焊接方法的特点及适用范围常用焊接方法的特点及适用范围(1)电子束焊接过程电子束焊接过程 电子束焊是利用高速运动的电子撞击工件时，将动能转化为热能将焊缝熔化进行的熔化焊方法。电子束焊一般不加填充金属，如要求焊缝有突出表面的堆高可在接缝预加垫片。对接缝间隙为0.1倍的板厚，一般不能超过0.2mm。五、高能密度焊五、高能密度焊1、电子束焊、电子束焊焊接

42、热源功率密度（单位时间、单位面积上的能量）高，105 W/cm2电子束焊、激光焊、等离子弧焊特点：能实现深熔焊接 一般不使用填充材料(2)电子束焊的特点及应用电子束焊的特点及应用 焊缝纯度高：真空，保护效果好，避免氮化、氧化等，焊缝质量高。焊缝深宽比高：能量密度大，穿透能力强，热传导等温线向深层扩散，形成窄而深的加热模式，可焊接厚大截面工件和难熔金属。焊接变形小：热量集中，热影响区小。避免晶粒长大，合金元素烧损小。电子束焊成本高，主要用于微电子器件焊装、导弹外壳的焊接、核电站锅炉汽包和精度要求高的齿轮等的焊接。2、激光焊、激光焊 利用光学系统将激光聚焦成微小光斑，从而使材料熔化焊接。实现深熔焊

43、实现深熔焊 表面金属短时升至沸点，金属熔化、气化蒸汽一定速度离开熔池，反作用力使熔池凹陷，在激光束光斑下产生小凹坑凹坑处继续加热气化，小凹坑进一步加深，另一方面将熔化金属挤向熔池四周上述过程不断进行，形成细长的孔洞。第六章第六章 钎焊连接原理钎焊连接原理一、概念一、概念 钎焊是利用熔点比被焊接金属熔点低的金属作钎料，将钎料与工件一起加热到钎料熔化状态，借助毛细管作用将其吸入到固态间歇内，使钎料与固态工件表面发生原子的相互扩散、溶解和化合而连成整体的焊接方法。钎焊接头的形成包括两个过程：钎料熔化和流入、填充接头间歇形成钎料充满焊缝的过程；液态钎料与钎焊金属相互作用。第一节第一节钎焊基本特征钎焊基

44、本特征二、优点二、优点（1）温度较低，低于木材熔点，对母材性能无明显不利影响（2）可整体均匀加热，应力应变小，易保证精度（3）整体均匀加热，可一次完成多缝多零件的焊接（4）易实现异质材料的连接（5）工艺简单三、缺点不足三、缺点不足（1）接头强度低，耐热能力差（2）采用搭接接头，增重、消耗母材（3）焊接装备要求高，表面清理较严格四、钎焊分类四、钎焊分类1.软钎焊软钎焊 钎料熔点在450C以下的钎焊；常用锡铅钎料，松香、氯化锌溶液作钎剂。其接头强度低，工作温度低，具较好的焊接工艺性，用于电子线路的焊接。2.硬钎焊硬钎焊 钎料熔点在4500C以上的钎焊；常用铜基和银基钎料；硼砂、硼酸、氯化物、氟化物

45、组成钎剂。接头强度较高，工作温度也高，用于机械零部件的焊接。细分：高温、中温、低温 （不同钎焊母材有不同划分）铝钎焊：500630C：高温铝钎焊 300500C：中温铝钎焊 300C：低温铝钎焊第二节第二节液态钎料与固态母材的湿润、铺液态钎料与固态母材的湿润、铺展及填缝展及填缝液态钎料填满母材间隙，涉及到其对母材的湿润能力及填缝能力一、湿润及填缝一、湿润及填缝1、钎料的湿润与铺展钎焊时要求：湿润角20。湿润角能否为0？2、钎料的毛细填缝能力钎焊时，要求液态钎料尽可能填满钎缝的全部间隙。钎料依靠毛细作用在钎缝内流动毛细填缝能力取决于液态钎料对母材的湿润性钎缝间隙小，填缝性能好。钎接接头要保证小的

46、间隙。二、影响钎料湿润性和填缝性因素二、影响钎料湿润性和填缝性因素1、钎料成分与母材的相互关系、钎料成分与母材的相互关系液态钎料与母材有一定互溶度，则湿润性较好液态钎料中加入与母材形成共同相的合金元素，改善湿润性。加入形成无限固溶体的元素，湿润性明显改善 加入形成金属间化合物的元素，湿润性改善有限2、温度、温度温度高，湿润性提高。若温度太高，湿润性太强，钎料流失 母材晶粒长大，溶蚀通常选择：钎焊温度高于钎料液相线温度2560C3、表面氧化物、表面氧化物氧化物表面张力低，导致钎料对母材湿润性差4、母材表面状态、母材表面状态表面粗糙，沟槽起毛细管作用，促进钎料铺展，改善湿润性5、表面活性物质、表面

47、活性物质表面活性物质：使溶液表面张力显著减小，促使溶液表面自由能降低的物质。钎料中加入表面活性物质，可改善钎料对母材的湿润性。6、环境气氛的影响、环境气氛的影响（1）保护性气氛：保护母材不被氧化，有利于湿润（2）还原性气氛：还原氧化膜，有利于湿润（3）真空钎焊：氧化膜挥发、破碎、溶解而去除，有利于湿润三、钎料湿润性、填缝性评价三、钎料湿润性、填缝性评价1、测定湿润角、测定湿润角一定体积钎料、一定温度下保持一定时间，冷却后测定湿润角2、测定铺展面积、测定铺展面积一定体积钎料、一定温度下保持一定时间，冷却后测定铺展面积3、测定填缝长度、测定填缝长度L一定体积钎料、一定温度下保持一定时间，冷却后测定

48、钎料流动距离钎料第三节第三节金属表面氧化膜去除机制及钎剂作用金属表面氧化膜去除机制及钎剂作用金属表面覆盖氧化膜，须去除，以利于湿润可采用气体介质、机械方法等去除主要采用钎剂去膜一、钎剂去膜机制（尚待深入研究）一、钎剂去膜机制（尚待深入研究）1、硼砂为主的钎剂、硼砂为主的钎剂（溶解去膜机制）（溶解去膜机制）硼砂在741C下熔化，并分解成硼酐和偏硼酸钠：Na2B4O7B2O3+2NaBO2。硼砂、硼酸和硼酸酐都具有去除金属表面氧化膜的能力，如在钎焊铜合金时，会有如下反应：CuO+B2O3=Cu(BO2)2反应产物会溶于过量的熔融的硼酐中。因此，其去膜机制是典型的溶解去膜机制。其它金属氧化物，如黄铜

49、表面的氧化锌ZnO、铁合金表面的Fe2O3等也会以类似的方式生成Zn(BO2)2和Fe2O3 3B2O3并溶于过量的B2O3中而去除。2、氯化物为主的钎剂、氯化物为主的钎剂（铝钎焊时去除铝表面氧化膜）（铝钎焊时去除铝表面氧化膜）（1）熔融钎剂对铝进行电化学腐蚀使氧化膜脱落（2）使氧化膜机械脱落3、全氟化物钎剂去铝表面氧化膜、全氟化物钎剂去铝表面氧化膜 溶解去除4、不用钎剂的去膜、不用钎剂的去膜（1）钎料中中挥发组元加热时与表面氧化膜反应，将其还原破坏（2）钎料通过表面氧化膜的破隙渗入膜下，再由它与母材的互溶与湿润及钎剂的流动来推开氧化膜（3）真空下氧化膜挥发去除注：不同钎料及钎焊对象，去膜机制

50、不同，尚待深入研究 通常不是一种单纯机制，而是一个综合过程二、钎剂的作用二、钎剂的作用使用钎剂后，在母材和熔融钎料表面覆盖一层熔融钎剂，界面张力组成发生变化LFLSSFcos=(SF-LS)/LF1、去除氧化膜，使SF增加2、使液态钎料界面LF下降提高湿润性3、液态钎料覆盖在焊区表面，可防止空气进一步氧化第四节第四节液态钎料与固体母材的相互作用液态钎料与固体母材的相互作用两种作用形式（1）母材向液态钎料中的溶解（1）钎料向母材中的扩散一、固态母材向液态钎料中的溶解一、固态母材向液态钎料中的溶解三种情况、固（母材、固（母材B）液（钎料）液（钎料F）相互溶解度极小）相互溶解度极小此时钎缝由纯钎料（