焊接冶金

焊接冶金焊接熔渣

焊接熔渣是在焊接過程中，主要由焊條藥皮或焊劑形成的，起冶金處理、機械保護金屬和改善焊接工藝性能的作用。焊接熔渣的主要組成是各種氧化物，還有氟化物、氯化物和硼酸鹽類。氧化物有酸性的、中性的和堿性的。衡量熔渣的堿性強弱采用堿度，最常用和簡便的計算方法是堿性氧化物的重量總和同酸性氧化物的重量總和之比（見爐渣）。堿度大于 1.3的焊渣稱為堿性渣，反之稱為酸性渣。焊渣堿度對焊接冶金過程有很大影響。采用堿性焊渣時，焊縫金屬具有較好的綜合機械性能，抗裂性能提高，同時焊縫的脫氧及脫硫也較好。

完善的脫氧可提高焊縫金屬（如鋼）的綜合機械性能。焊接時的脫氧過程可分為兩類：①先期脫氧，即在藥皮的加熱階段，固態(tài)藥皮中進行的脫氧反應(yīng)。②沉淀脫氧，溶于液態(tài)金屬（如鋼液）中的脫氧劑直接與金屬液體中的FeO發(fā)生脫氧反應(yīng)；各種鋼焊接時,利用Si、Mn聯(lián)合脫氧能取得較好的脫氧效果。沉淀脫氧在脫氧過程中起最后的決定性作用。

焊接冶金焊縫金屬的凝固

焊接熔池的凝固條件不同于一般鑄錠。焊接熔池體積小、溫度高而不均勻，中心溫度近于沸點，而周圍都是未熔化的被焊接金屬（母材），因此溫度梯度大、冷卻速度快。焊縫凝固結(jié)晶始于熔池邊緣的最低溫度處，以半熔化的母材金屬晶粒為非自發(fā)晶核，開始結(jié)晶生長，即所謂“聯(lián)生結(jié)晶”。另一特點為由于冷卻速度快，所以結(jié)晶從半熔化的晶粒表面開始后，沿著與散熱相反的方向，以柱狀晶的形態(tài)向熔池中心迅速生長，直到柱狀晶互相接觸為止。同時，由于柱狀晶的生長速度很快，熔池中即使存在著難熔質(zhì)點，也很難作為晶核長大成等軸晶粒。這樣，焊縫就具有柱狀晶特征（圖2）。

焊接冶金焊接熱作用特點

焊接熱源的局部集中，導(dǎo)致不均勻的溫度場。離焊縫越遠，被加熱達到的峰值溫度越低，如圖3所示。不均勻的溫度場將引起不均勻的應(yīng)力和變形，并造成不均勻的組織和性能變化。此外，焊接熱源始終處于運動狀態(tài)之中，焊接區(qū)中任何一點的溫度變化都是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熱源移近時迅速升溫，熱源移開時則迅速降溫。這就決定了焊接過程中所發(fā)生的各種冶金學(xué)變化都無法達到平衡狀態(tài)。

焊接冶金焊接熱循環(huán)

焊接區(qū)某點的溫度隨時間的變化過程稱為焊接熱循環(huán)。圖4為單道焊接的熱循環(huán)特性。溫度很快地升高到峰值溫度(Tmax，例如低合金鋼手弧焊時在4秒內(nèi)即可升到1100℃。而高溫停留時間tH很短,例如在Ac3（見鐵碳平衡圖）以上只有幾秒到十幾秒鐘。冷卻速度ωc相當(dāng)大，往往會引起淬火。決定焊接熱循環(huán)特性的主要因素是材料的熱物理性能、焊件尺寸、焊件初始溫度以及焊接工藝參數(shù)。

多道焊時，其焊接熱循環(huán)具有更為復(fù)雜的特點。后一焊道對前一焊道起后熱作用，產(chǎn)生熱處理效果；而前一焊道對后一焊道具有預(yù)熱的作用。

焊接冶金范圍和組織變化

加熱峰值溫度低于材料的熔化溫度(Ts)而又高于材料能發(fā)生組織變化的臨界溫度(Tcr)的母材區(qū)域,即為熱影響區(qū)。對大多數(shù)非調(diào)質(zhì)鋼常取其Ac1為其Tcr；而對調(diào)質(zhì)鋼，其實際回火溫度即為其Tcr。在焊接熱循環(huán)的作用下,熱影響區(qū)內(nèi)實質(zhì)上在進行著一種特殊形式的熱處理，其結(jié)果往往是使焊前的熱處理效果受到破壞，在不同的局部位置會產(chǎn)生種種組織變化，從而引起硬化、軟化以及脆化現(xiàn)象，甚至還會產(chǎn)生焊接裂紋。

一般說來，對調(diào)質(zhì)鋼而言,凡超過Ac1的部位可能產(chǎn)生淬火組織,而溫度介于Ac1和原始溫度之間的部位將進行回火過程。對非調(diào)質(zhì)鋼而言,在超過Ac1的部位由于發(fā)生相變,隨溫度不同而使其晶粒粗細(xì)差別很大。例如圖5為正火處理的15MnVNb鋼埋弧自動焊時的熱影響區(qū)組織變化特征。

對于沉淀強化合金，在熱影響區(qū)內(nèi)將產(chǎn)生相的溶解和析出過程，?？梢姷酱志Я５木植抗倘軈^(qū)和由于過時效而產(chǎn)生的軟化。對于冷作強化的金屬，在熱影響區(qū)內(nèi)由于發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶過程，而可出現(xiàn)軟化區(qū)域。

運用冶金學(xué)的焊接過程，促進了焊接的發(fā)展；同時焊接冶金的發(fā)展也促使出現(xiàn)了新的冶金工藝──二次重熔。

焊接化學(xué)冶金 焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的特點是溫度高而時間短促；相間反應(yīng)界面的比表面積大；因此，反應(yīng)極為激烈。焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域（或階段）連續(xù)進行的；以手工電弧焊為例，可分為藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)（圖1）。

本書從冶金學(xué)角度闡明焊接冶金原理的基本理論、概念并保持連貫性。主要內(nèi)容包括：焊接化學(xué)冶金、焊材冶金、熔池結(jié)晶及焊縫組織、焊接熔合區(qū)、焊接熱影響區(qū)組織性能、焊接冶金缺欠、焊接裂紋與斷裂等。在闡述焊接化學(xué)冶金、焊接材料、焊接缺欠等基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，以焊接接頭的三個組成部分——焊縫、熔合區(qū)和熱影響為主線展開深入論述。

本書可作為高等院校本科材料成型與控制工程、高職高專焊接專業(yè)的教材，也可供與焊接技術(shù)相關(guān)的工程技術(shù)人員參考。

第1章概述1

11焊接的途徑和方法1

12焊接過程的物理本質(zhì)3

13焊接能源、熱輸入及溫度場4

14焊接冶金學(xué)涉及的內(nèi)容7

復(fù)習(xí)思考題9

第2章焊接化學(xué)冶金10

21焊接化學(xué)冶金的特點10

211焊接區(qū)金屬的保護10

212焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)11

213焊接區(qū)氣體與金屬的作用13

214焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)的不平衡性16

22焊接熔渣16

221焊接熔渣的作用、分類及特性16

222熔渣的結(jié)構(gòu)理論及性質(zhì)19

223焊接熔渣對金屬的氧化21

224焊縫金屬的脫氧22

23焊縫金屬的合金化與雜質(zhì)控制25

231焊縫金屬的合金化25

232合金過渡系數(shù)及影響因素26

233合金元素對焊接性的影響29

234氮、氫、氧對焊接質(zhì)量的影響及控制32

235焊縫中硫、磷的危害及控制39

復(fù)習(xí)思考題41

第3章焊材冶金43

31焊接材料的作用43

311不同焊接方法所用的焊接材料43

312焊條、焊絲和焊劑的作用44

32電焊條及配方設(shè)計45

321電焊條的分類及組成45

322焊條和藥皮的冶金性能47

323焊條的工藝性能50

324焊條的藥皮設(shè)計及原材料56

325鈦鈣型藥皮焊條的設(shè)計60

326低氫型藥皮焊條的設(shè)計62

33焊絲及保護氣體66

331焊絲的分類及特點66

332實芯焊絲及工藝特性69

333藥芯焊絲及工藝特性71

334焊接用保護氣體及選用73

34焊劑及焊絲焊劑組合76

341焊劑的分類及特點76

342熔煉焊劑79

343燒結(jié)焊劑82

344焊劑與焊絲的組合85

復(fù)習(xí)思考題87

第4章熔池結(jié)晶及焊縫組織89

41熔池凝固結(jié)晶89

411焊接熔池凝固的特點89

412熔池金屬的受力和流動狀態(tài)93

413焊接熔池結(jié)晶的規(guī)律94

414熔池凝固的組織形態(tài)及影響因素96

42焊縫成分偏析與氣孔101

421焊縫中的成分偏析101

422焊縫中的氣孔及產(chǎn)生原因104

423氣孔的影響因素及防止措施107

43焊縫固態(tài)相變115

431低碳鋼焊縫的顯微組織115

432低合金鋼焊縫的組織演變116

433焊縫CCT圖及其應(yīng)用120

434焊縫組織性能的改善措施123

復(fù)習(xí)思考題126

第5章焊接熔合區(qū)128

51熔合區(qū)特征及結(jié)晶形態(tài)128

511焊接熔合區(qū)的特征128

512焊接熔合區(qū)的形成129

513焊接熔合區(qū)的結(jié)晶形態(tài)132

52熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性135

521熔合區(qū)液固界面的成分分布135

522熔化邊界的液化現(xiàn)象136

523熔合區(qū)凝固過渡層(馬氏體脆性層)137

524熔合區(qū)碳遷移擴散層(增碳層和脫碳層)139

53熔合比、稀釋和稀釋率142

531熔合比142

532稀釋和稀釋率144

533異相焊縫金屬的成分估算145

54液固結(jié)晶模式及熔合邊界組織146

541奧氏體鋼液固結(jié)晶模式146

542Ⅱ型邊界及特性151

543低合金鋼熔合區(qū)附近的組織154

復(fù)習(xí)思考題156

第6章焊接熱影響區(qū)組織性能157

61焊接熱循環(huán)及參數(shù)計算157

611焊接熱循環(huán)及特征參數(shù)157

612焊接熱循環(huán)特征參數(shù)的計算159

613多層焊的熱循環(huán)162

62焊接加熱和冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變164

621焊接加熱過程中的組織轉(zhuǎn)變164

622焊接冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變168

623影響過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的因素172

63焊接熱影響區(qū)劃分及組織性能175

631焊接熱影響區(qū)的劃分175

632低合金鋼熱影響區(qū)的組織特征177

633熱影響區(qū)組織分析的特點179

634熱影響區(qū)性能變化181

64熱影響區(qū)CCT圖及焊接熱模擬184

641熱影響區(qū)CCT圖的表達形式184

642熱影響區(qū)CCT圖的應(yīng)用186

643焊接熱模擬技術(shù)186

復(fù)習(xí)思考題189

第7章焊接冶金缺欠190

71焊接缺欠與缺陷190

711焊接缺欠與焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)190

712焊接缺欠對接頭質(zhì)量的影響192

713焊接缺欠的分類194

72焊接外觀缺欠與內(nèi)部缺陷197

721常見的焊接外觀缺欠198

722焊縫咬邊、未熔合及未焊透200

723孔穴和固體夾雜207

724焊接裂紋的危害及分類212

73焊接缺欠的評級與處理216

731焊接缺欠的評級216

732焊接缺欠的原因及控制221

733超標(biāo)缺欠的返修223

復(fù)習(xí)思考題223

第8章焊接裂紋與斷裂225

81焊接熱裂紋225

811焊接熱裂紋的分類及特征225

812焊接熱裂紋的影響因素228

813焊接熱裂紋敏感性的判定232

814焊接熱裂紋的防止對策232

82焊接冷裂紋233

821焊接冷裂紋的特點及分類234

822焊接冷裂紋的形態(tài)特征235

823焊接冷裂紋的影響因素236

824焊接冷裂紋起源與擴展239

825焊接冷裂紋的防止對策243

83再熱裂紋246

831再熱裂紋的特征247

832再熱裂紋的判定247

833再熱裂紋的形成機理248

834防止再熱裂紋的措施249

84層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）251

841層狀撕裂的特征251

842層狀撕裂的影響因素和防止措施252

843應(yīng)力腐蝕裂紋的特征254

844影響SCC的因素和防止措施257

85焊接結(jié)構(gòu)的斷裂258

851焊接結(jié)構(gòu)斷裂事故258

852焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中259

853脆性斷裂與延性斷裂260

854焊接斷口特征261

復(fù)習(xí)思考題266

參考文獻268

《焊接冶金與焊接性》是高等學(xué)校專焊接專業(yè)或焊接方向的一門專業(yè)課教材，是為滿足高等學(xué)校焊接專業(yè)或焊接方向教學(xué)改革的需要而編寫的。本書分為上下兩篇，上篇為焊接冶金，下篇為焊接性。上篇內(nèi)容包括：焊接材料的組成及作用，焊接化學(xué)冶金，焊接接頭的組織和性能，焊接缺陷及其控制；下篇內(nèi)容包括：焊接性及其試驗方法，低合金高強度鋼的焊接，不銹鋼及耐熱鋼的焊接，有色金屬的焊接。

本書著重論述焊接冶金與焊接性的基本問題，盡量反映國內(nèi)外近年來在焊接理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用方面的最新成果。本書體系完整，內(nèi)容精煉，可作為高等學(xué)校焊接專業(yè)或焊接方向的教學(xué)用書，也可供從事焊接工作的研究人員和工程技術(shù)人員參考。