焊接冶金工藝流程

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(jī)械保護(hù)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(qiáng)弱采用堿度，最常用和簡便的計(jì)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(shí)，焊縫金屬具有較好的綜合機(jī)械性能，抗裂性能提高，同時(shí)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(jī)械性能。焊接時(shí)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(jìn)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(shí),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(diǎn)，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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)，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(diǎn)

焊接熱源的局部集中，導(dǎo)致不均勻的溫度場。離焊縫越遠(yuǎn)，被加熱達(dá)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(yùn)動狀態(tài)之中，焊接區(qū)中任何一點(diǎn)的溫度變化都是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熱源移近時(shí)迅速升溫，熱源移開時(shí)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(dá)到平衡狀態(tài)。

運(yùn)用冶金學(xué)的焊接過程，促進(jìn)了焊接的發(fā)展；同時(shí)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(diǎn)是溫度高而時(shí)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(jìn)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）。

焊接冶金焊接熱循環(huán)

焊接區(qū)某點(diǎn)的溫度隨時(shí)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(shí)在4秒內(nèi)即可升到1100℃。而高溫停留時(shí)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(shí)，其焊接熱循環(huán)具有更為復(fù)雜的特點(diǎn)。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(shí)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(shí)質(zhì)上在進(jìn)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(jìn)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(shí)的熱影響區(qū)組織變化特征。

對于沉淀強(qiáng)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(shí)效而產(chǎn)生的軟化。對于冷作強(qiáng)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。

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(diǎn)10

211焊接區(qū)金屬的保護(hù)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(jì)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(jì)及原材料56

325鈦鈣型藥皮焊條的設(shè)計(jì)60

326低氫型藥皮焊條的設(shè)計(jì)62

33焊絲及保護(hù)氣體66

331焊絲的分類及特點(diǎn)66

332實(shí)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(hù)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(diǎn)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(diǎn)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(kuò)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(jì)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(jì)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(diǎn)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(dá)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(diǎn)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(kuò)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(jī)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(xiàn)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(yàn)方法，低合金高強(qiáng)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。