《原理张玉芝》PPT课件.ppt

第一部分 焊接冶金学,第一章 绪论 第二章 焊接化学冶金第三章焊缝中的气孔、夹杂和热影响区的性能第四章 焊接裂纹第五章 焊接材料,焊接冶金学 基本原理 绪 论,主要内容一、焊接过程的物理本质 二、焊接热源的种类及其特性三、焊接接头的形成四、焊接温度场,绪 论焊接技术，又称连接工程，是一种重要的材料加工工艺。随着人类社会对物质文明的追求、各种新型材料的不断开发及科学技术的不断发展，焊接技术已成为一门独立的学科。它广泛地应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门。可以预料，在推动我国的经济建设和发展科学事业上，焊接技术将起重要的作用。,一、焊接过程的物理本质 正确认识焊接过程的物理本质，对于保证焊接质量，提高焊接技术的水平和开发新的焊接方法都具有重要的意义。什么是焊接?什么是钎焊?什么是粘接?它们在物理本质上是有严格区别的。对于焊接来讲，概括来说，它的定义如下：被焊工件的材质(同种或异种)，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接(Welding)。由此可知，焊接与其他连接方式不同，不仅在宏观上形成了永久性的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系。大家知道，固体材质是由各类键结合在一起的。就金属而言，是依靠金属键结合在一起的。由图0-1可以看到，两个原子间的结合力大小决定于二者之间的引力与斥力共同作用的结果。,每种金属实现焊接所必须的温度与压力之间存在一定的关系，对于纯铁来讲，如图0-2所示。由图可见，金属加热的温度越低，实现焊接所需的压力就越大。当金属的加热温度子TT1时，压力必须在AB线的右上方(区)才能实现焊接；当金属的加热温度T在于T1-T2之间时，压力应在BC线以上(区)；当TT2=TM(TM是金属的熔化温度)时，则实现焊接的压力为零，此即熔焊的情况（区）对于金属来讲，尽管根据温度与压力配合实现焊接的途径很多，但在实际上，都是使两个被焊材料之间(母材与焊缝)形成共同的晶粒，即为焊接的物理本质钎焊时虽然也能形成不可拆卸的接头，但由于只是钎料熔化，而母材不熔化，故在连接处一般不易形成共同的晶粒，只是在钎料与母材之间形成有相互原子渗透的机械结合。但有些材料钎焊也能形成共同晶粒，如用铝基钎料焊铝和铜基钎料焊铜时。因此，一般来讲，焊接与钎焊在微观上是有原则的区别。粘接，是靠粘接剂与母材之间的粘合作用，一般来讲没有原子的相互渗透或扩散。,一、焊接过程的物理本质,第一章 焊接化学冶金 主要内容一、焊接化学冶金过程二、气相对金属的作用三、熔渣及其对金属的作用四、焊缝金属中硫和磷的控制,第一章 焊接化学冶金 在熔焊过程中，焊接区内的各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、性能、某些焊接缺陷（如气孔、结晶裂纹等）以及焊接工艺性能有很大的影响。焊接化学冶金学主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应对于焊缝成分、性能之间的关系及其变化规律。研究的目的在于运用这些规律合理的选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料。,第一章 焊接化学冶金 重点：低碳钢和低合金钢的冶金问题，从热力学的角度来阐明焊接化学冶金的一般规律 第一节 焊接化学冶金过程的特点复习：1、焊接化学冶金与炼钢过程的不同 1）原材料不同 2）冶炼条件的不同,第一节 焊接化学冶金过程的特点 一、焊条的熔化及熔池的形成 焊条的熔化和过渡特性以及熔池的物理参数，不仅对焊接工艺和生产率有很大的影响，而且对焊接冶金也有显著的影响，同时在冶炼条件方面给焊接冶金带来许多特点。（一）焊条的加热及熔化 1.焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条（或焊丝）的热能有：电阻热、电弧热和化学反应热，一般情况下化学反应热仅占1%3%，化学反应热可忽略不计。,1）电阻热 焊接电流通过焊芯时将产生电阻热，使其本身和药皮的温度升高，在使用大电流密度焊接时，由于电阻热过大，焊芯和药皮的温升过高，引起许多不良后果，如飞溅增加、药皮开裂或脱落，药皮丧失冶金作用，焊缝成型变坏，甚至产生气孔等缺陷。用不锈钢焊条焊接时，这种现象更为突出。因此，焊条电弧焊时，应严格限制焊芯和药皮的加热温度。一般焊接终了时，焊芯温度不应超过。2）电弧热 焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率qe仅是其全部功率的一小部分，药皮焊条焊接时焊条加热有效系数约为0.2-0.27，但焊条端部得到的电弧热是熔化焊条并使液体金属过热和蒸发的主要能源。,2、焊条金属的平均熔化速度在单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为焊条金属的平均熔化速度。通常把单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量叫平均熔敷速度。在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为损失系数。熔敷系数是真正反映焊接生产率的指标。3、焊条金属熔滴过渡及其过渡特性在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴。焊条金属的熔滴过渡特性对焊接过程的稳定性、焊接冶金和焊缝成型都有很大的影响。,（1）熔滴的过渡形式 用药皮焊条焊接时，主要有三种过渡形式短路过渡颗粒状过渡和附壁过渡。,（2）熔滴的比表面积和相互作用时间 焊接时金属与熔渣和气体的相互作用属于高温多相反应，因此熔滴的比表面积和它与周围介质相互作用的时间，对熔滴阶段的冶金反应有很大影响。熔滴的表面积与其体积的比成为熔滴的比表面积。熔滴越细，比表面积越大。因此凡是能使熔滴变细的因素，如增大焊接电流或在药皮中加入表面活性物质等，都能使熔滴的比表面积增大，从而有利于加强冶金反应。,由表1-1可以看出，熔滴的比表面积是相当大的，可达103104cm2/kg。从理论上讲，熔滴的存在时间不等于熔滴与周围介质的相互作用的时间。熔滴与周围介质的平均相互作用时间可近似用熔滴的存在时间表示。（2）熔滴的温度 熔滴的温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时不可缺少的重要参数。焊条电弧焊焊接低碳钢，熔滴的平均温度大约为2100-2700K,熔滴的平均温度随焊接电流的增加而升高，随焊丝的直径的增加而降低，熔渣的平均温度不超过1600。,第三节 熔渣及其对金属的作用（一）熔渣的作用、成分及分类焊接熔渣在焊接过程中的作用主要有 1）机械保护作用 2）改善工艺性能作用 3）冶金处理作用。,1）.机械保护作用焊接时形成的熔渣覆盖在熔滴和的表面上，把液态金属与空气隔离，保护熔融金属，防止氧化和氮化。2）.改善焊接工艺性能 在熔渣中加入稳弧物质，可保证电弧容易引燃和燃烧稳定，减少飞溅，保证良好的操作性、脱渣性、和焊缝成形。,3）冶金作用 熔渣中加有脱氧剂和合金剂，通过熔渣与熔化金属的化学反应，可减少氧、硫、磷等有害杂质，使焊缝获得符合要求的力学性能。2.熔渣的成分和分类焊接熔渣可分为：1）盐型熔渣2）盐-氧化物熔渣3）和氧化物熔渣。,第三章 焊缝中的气孔、夹杂和热影响区的性能 气孔和夹杂是焊接生产中经常遇到的一种缺陷，他不仅削弱焊缝的有效工作断面，同时也会带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度更为不利，在个别情况下，夹渣和气孔还会引起裂纹。,第三章 焊缝中的气孔、夹杂和热影响区的性能主要内容：一、焊缝中的气孔二、焊缝中的夹杂三、焊缝性能控制四、焊接热影响区的性能,一、焊缝中的气孔焊接生产中遇到气孔是很普遍的，如焊条、焊剂烘干不足，被焊金属和焊丝表面有锈、油污或其他杂质，焊接工艺不够稳定（电弧电压偏高、焊速太大和电流太大），以及焊接区保护不良等，都会出现气孔。1.气孔的类型及其分布特征能形成气孔的气体有二类：第一类 高温时某些气体溶解于熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度突然下降来不及逸出残留在焊缝内部的气体，如氢和氮。第二类 由于冶金反映产生的不溶于金属的气体，如CO和H2O。由于产生气孔的气体不同，因而气孔的形态特征也不同。,1)氢气孔氢气孔大多数出现在焊缝表面上，气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面看呈喇叭口状，而气孔的四周有光滑的内壁。个别情况下也出现在焊缝的内部。2）CO气孔这类气孔主要是在焊接碳钢时，由于冶金反应产生了大量的CO气体，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝中形成气孔。气孔沿结晶方向分布，有些象条虫状物在焊缝内部。,1焊缝中形成气孔的机理和防止产生气孔的过程是有三个相互联系有彼此不同的阶段组成，即气泡的生核、长大和上浮。气孔的防止措施如下：1）调整熔渣的氧化性。2）清除母材和焊材上的铁锈、氧化皮等杂质。3）控制焊接工艺参数。4）焊条、焊剂要严格烘干，而且烘干后的放置时间不得过长，最好存放在保温桶内。5）焊接的规范要稳定。,二、焊缝中的夹杂焊缝或母材中有夹杂物存在时，不仅降低焊缝金属的韧性，增加低温脆性，同时也增加了热裂纹和层状撕裂。1焊缝中夹杂物的种类1）氧化物 2）氮化物 3）硫化物 2防止焊缝中夹杂物的措施1）选用合适的焊接工艺参数；2）多层焊时，注意清除前层焊缝的熔渣；3）焊条要适当摆动，以便熔渣浮出；4）操作时注意保护熔池，防止孔气浸入。,三、焊缝性能控制控制焊缝性能是控制焊接质量的主要目标，具有相同化学成分的焊缝金属，由于结晶形态和组织不同，在性能上会有很大的差异。一般常规的焊接结构，焊后都不再进行热处理，特别是一些大型的焊接结构，因此应尽可能保证焊缝凝固以后，经过固态相变就有良好的性能。在焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途径很多，但归纳起来主要是焊缝的固溶强化、变质处理和调整焊接工艺。焊缝的固溶强化、变质处理就是向焊缝添加某些元素，改变凝固组织的形态，从而提高焊缝金属的性能。,调整焊接工艺改善焊缝性能的途径：1振动结晶2焊后热处理3多层焊接4锤击焊道表面5跟踪回火处理。四、焊接热影响区的性能熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域称为焊接热影响区。焊接接头是由两个主要部分组成，即焊缝和热影响区。见图4-1,第四章焊接裂纹,第四章 焊接裂纹张玉芝,第四章焊接裂纹,第四章 焊接裂纹一、概述二、焊接热裂纹三、焊接冷裂纹四、再热裂纹五、层状撕裂六、应力腐蚀裂纹七、焊接裂纹综合分析和判断,第四章焊接裂纹,概述,一、焊接裂纹的危害性 焊接结构趋向大型化，大容器、高参数方向发展，在低温、深冷、高温、腐蚀介质等环境下工作。各种低合金高强钢，中高合金钢，超高强钢及合金材料应用日益广泛，带来了许多问题，其中普遍又十分严重的是焊接裂纹。1、危害不仅给生产带来困难，还带来灾难性事故，绝大多数是裂纹引起脆性破坏。2、产生原因1）力学因素 A.拘束应力 B.热应力 组织应力-内应力2）合金因素 O、N、H、S、P、杂质、低熔共晶等,第四章焊接裂纹,概述,二、裂纹的分类及一般特征1、分类1）按走向分 纵向裂纹 横向裂纹 弧坑裂纹2）按区域分 焊缝裂纹 HAZ裂纹3）产生本质分 热裂纹 高温下产生的裂纹，沿原奥氏体晶界开裂。分为结晶裂纹，液化裂纹，多边化裂纹。,第四章焊接裂纹,概述,a.结晶裂纹固相线附近以上，金属凝固收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下沿晶开裂，形成结晶裂纹。特征：焊缝断面上表面氧化的彩色，多出现在含杂质多的碳钢和低合金钢焊缝中。b.高温液化裂纹固相线稍低，低熔共晶重新熔化后受力产生。出现在含Cr、Ni 的高强钢和 A钢中 特征：S、P、Si、C高，裂纹倾向大。c.多边化裂纹固相线稍小高温区出现在纯金属或单相A焊缝或近缝区。,第四章焊接裂纹,概述,冷裂纹 低温下产生的裂纹，在Ms点附近或更低的温度下。分三类：a.延迟裂纹 取决于钢的淬硬倾向、接头应力状态及扩散氢含量。b.淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）马氏体相变产生脆性造成的，无延迟现象c.低塑性脆化裂纹 铸铁补焊、堆焊硬质合金、焊接高Cr合金产生,第四章焊接裂纹,概述,再热裂纹（消应力处理裂纹）再次受热过程中产生的层状撕裂（阶梯状裂纹）应力腐蚀裂纹定义 在拉伸应力和腐蚀性介质共同作用下产生的裂纹。特征是：SCC裂纹从表面向深处发展 典型脆断裂纹。,第四章焊接裂纹,焊接热裂纹,一、热裂纹的特征1、高温下产生 2、沿晶裂纹 3、裂纹断面有氧化彩色,第四章焊接裂纹,焊接热裂纹,二、分类1、结晶裂纹2、高温液化裂纹3、多边化裂纹焊接中主要遇到结晶裂纹，以此为主讨论。,第四章焊接裂纹,焊接热裂纹,三、结晶裂纹1、形成机理1）凝固后期，先结晶金属较纯，后结晶金属夹杂多，在晶界上富集，形成低熔共晶薄膜，在收缩力作用下开裂。液态薄膜理论：低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位。多层焊抗热裂纹好。裂纹产生原因：a存在液态薄膜 b.受伸拉应力作用。,第四章焊接裂纹,焊接热裂纹,2）产生阶段以低碳钢为例a.液相区 液体金属流动性好b.液固两相区 液体金属流动性较好 有拉伸应力，液体及时填充，无裂纹。c.固液两相区 固相增多 互相倾轧一起 仅余低熔共晶液体流动差,拉伸产生微小缝隙无法填充，有拉伸应力就有裂纹。d.固相区 完全凝固 强度塑性上升 不易产生。但对某一些钢种，仍有一段温度内塑性很低，产生多边裂纹。脆性温度区 a b 之间 TB 塑性低。在低熔共晶超达一定界限后，可以自由流动，不产生裂纹即愈合作用。例如焊高强铝合金 含Si 5%的铝硅合金焊丝。,第四章焊接裂纹,焊接热裂纹,四、结晶裂纹的防止措施（一）冶金作用1、控制 S、P、C 杂质含量例如：限制母材和焊接材料的 S0.03%P0.035%焊剂 S0.060%P0.080%焊丝 H08A C0.1%S P0.03%H08E C0.1%S P0.025%焊高合金钢时 S、P0.03%超低碳 c%=0.03-0.06%,