熔化焊接特點(diǎn)及機(jī)理

1、熔化焊接的基本概念第一節(jié) 熔化焊接的特點(diǎn)熔化焊接（簡(jiǎn)稱(chēng)熔焊）是利用熱能（如電能、化學(xué)能等）將兩個(gè)分離的金屬工件局部加熱、熔化，藉原子或分子間的結(jié)合與擴(kuò)散，緊密而牢固地連成一個(gè)整體的工藝過(guò)程。熔焊與冶煉鋼鐵基本相同，以熔化和結(jié)晶兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)其工藝過(guò)程，但從工藝特點(diǎn)看，卻截然不同。焊接的工藝特點(diǎn)是：一、熱源為移動(dòng)的一、熱源為移動(dòng)的焊接時(shí)，熱源（如電弧、氣體火焰等）沿著接口按一定方向由一端向另一端做有規(guī)律的移動(dòng)。由于熱源移動(dòng)的不穩(wěn)定，焊接參數(shù)的多變性，增大了熔池的溫度控制和焊縫質(zhì)量的保證難度。二、熱源溫度高而集中二、熱源溫度高而集中熱源在自身（如焊條直徑）或外界因素的作用下，體積被壓縮得很小，相應(yīng)的

2、溫度也很高。如氣焊的火焰溫度約3000K；電焊的弧柱溫度約50008000K；鎢極氬弧焊的弧柱溫度則高達(dá)10000K以上。三、受熱金屬體積小三、受熱金屬體積小焊接時(shí)，熱源只作用在整體金屬工件的局部，受熱面積很小，熔池的尺寸依焊材及熱源的截面積確定，一般只有210立方厘米。四、熔凝時(shí)間短促四、熔凝時(shí)間短促施焊時(shí)，每一焊點(diǎn)的金屬?gòu)募訜崛刍嚼鋮s凝固的時(shí)間非常短促，通常以分或秒計(jì)。五、具有高的溫度梯度五、具有高的溫度梯度被焊金屬工件上的某一點(diǎn)在熱源的作用下熔化，距離熱源越遠(yuǎn)，金屬受熱溫度越低，這種溫度差別叫溫度梯度。溫度梯度的大小與被焊工件的厚度、焊接線能量和金屬導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，焊件越厚，線能量越大，

3、導(dǎo)熱性越差，所形成的溫度梯度也越大。六、化學(xué)反應(yīng)不平衡六、化學(xué)反應(yīng)不平衡焊接過(guò)程中，由于熔融金屬的熔凝時(shí)間短，金屬、氣體和溶渣之間的化學(xué)反應(yīng)尚未充分進(jìn)行便已凝固，焊縫內(nèi)部的氣體、渣物來(lái)不及脫出，便以氣孔、夾渣等缺陷形態(tài)殘留在焊縫內(nèi)。同時(shí)，某些化學(xué)元素也在尚未達(dá)到均勻分布的情況下固定下來(lái)，而形成偏析。七、化學(xué)成分和金相組織的變化七、化學(xué)成分和金相組織的變化溶池和焊材溶滴與周?chē)諝饨佑|，金屬表面的油、銹、漆蒸發(fā)分解以及潮濕環(huán)境，均會(huì)將氧、氮、氫等有害氣體殘留在焊縫中，形成各類(lèi)不同的缺陷。同時(shí)，金屬中的化學(xué)成分在高溫作用下，嚴(yán)重被燒損或發(fā)生遷移、擴(kuò)散現(xiàn)象，造成化學(xué)成分的不均勻性。在熱源作用下，金屬的

4、金相組織也會(huì)發(fā)生變化，如典型的、粗大的鑄造組織就是一例。由于金屬的熔凝速度很快，對(duì)淬硬傾向大的焊件還易出現(xiàn)馬氏體的淬火組織。八、基本金屬的組織變化八、基本金屬的組織變化靠近熔池未被溶化的基本金屬會(huì)因受熱而發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變，該部分稱(chēng)為熱影響區(qū)。對(duì)碳素鋼來(lái)說(shuō)，這個(gè)區(qū)不可避免地存在著過(guò)熱組織（如魏氏組織）。對(duì)合金鋼來(lái)說(shuō)，極易出現(xiàn)淬硬組織。由此可見(jiàn)，溶化焊接雖有一定優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樯鲜龉に囂攸c(diǎn)，給施焊過(guò)程帶來(lái)了一系列的難度。為此，必須從設(shè)備、焊材及工藝技術(shù)等方面加以更新和改善，方能獲得優(yōu)良的焊接接頭。第二節(jié) 焊接過(guò)程的機(jī)理不同熱源和施焊方式、方法，經(jīng)歷的過(guò)程也有很大的差異，但它們的共同點(diǎn)都是經(jīng)過(guò)加熱熔化和冷

5、卻凝固兩個(gè)階段而形成焊縫的。前一個(gè)階段叫冶金過(guò)程，后一個(gè)階段叫結(jié)晶過(guò)程， 這兩個(gè)過(guò)程的總體就是焊接過(guò)程。步驟是：加熱熔化冶金反應(yīng)固態(tài)相變形成焊接接頭。（見(jiàn)圖21）TmTsTAcTOtwtlt，stnTo初始溫度Tm最高加熱溫度Ts 金屬凝溶溫度TAc金屬下臨界相變點(diǎn)tw加熱時(shí)間tl 冷卻時(shí)間tn 液態(tài)金屬停留時(shí)間圖21 焊接過(guò)程示意圖一、熔焊冶金過(guò)程一、熔焊冶金過(guò)程被焊金屬局部在熱源作用下熔化，進(jìn)行一系列的物理變化和化學(xué)反應(yīng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為焊接熱過(guò)程。焊接熱過(guò)程主要體現(xiàn)在溶化金屬、氣相和熔渣的冶金反應(yīng)，這種反應(yīng)直接影響焊縫金屬的化學(xué)成分、組織和性能。因此，控制好冶金過(guò)程是提高焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

6、1、金屬與氣相間的作用熔焊過(guò)程中，焊接區(qū)的熔化金屬（焊條熔滴和熔池）經(jīng)常受到周?chē)髿庵械难酢⒌鹊那忠u，同時(shí)也吸收來(lái)自焊條涂料、焊劑等產(chǎn)生的氣體以及金屬表面的鐵銹、油脂、漆物等分解出來(lái)的氣體，這些氣體不斷地與液態(tài)金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，自由排出，或以化合物形態(tài)浮于焊縫表面。來(lái)不及排出者便殘留在焊縫內(nèi)，形成程度不一的各種焊接缺陷。氧、氮、氫對(duì)焊縫質(zhì)量極為有害，故重點(diǎn)敘述。（1）、氧的影響氧在高溫作用下由分子氧分解成原子氧。原子氧的化學(xué)性能比分子氧更為活潑，使鐵或其他元素形成氧化物，如氧融入鐵中則形成氧化鐵（Fe+OFeO）；與錳化合物形成氧化錳（Mn+O MnO）；與硅化合物形成二氧化硅（Si+2O

7、SiO2);與碳化合物形成一氧化碳(C+O CO)等。這些氧化物大部分都以焊渣或氣體形態(tài)排出焊縫外，部分則以?shī)A渣、氣孔方式殘留在焊縫中，同時(shí)一些有益的元素（如錳、硅等）因被氧化而損失掉，致使焊縫的性能大為降低，尤其是沖擊韌性降低的更為明顯。熱態(tài)金屬中存有過(guò)剩氧時(shí)，晶粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。冷凝后，以四氧化三鐵（Fe3O4）及三氧化二鐵(Fe2O3)化合物形式，呈不規(guī)則分布的點(diǎn)狀凝集物或沿晶粒邊界以下不完整褐色的細(xì)網(wǎng)存在，對(duì)焊縫性能有很大的影響。（2）、氮的影響氮易溶解于鐵中而形成穩(wěn)定的化合物。氮在溶池中的溶解方式有原子氮形式（單一氣體）、氧化氮形式和離子形式三種。在不同的條件下，有時(shí)以一種形式為主，有

8、時(shí)幾種形式同時(shí)存在。原子氮在高溫時(shí)化學(xué)性能非?；顫姡c許多元素化合成氮化物，并在一定的溫度下處于穩(wěn)定狀態(tài)。氮化錳（MnN）在1300下穩(wěn)定；氮化硅（SiN）在1500下穩(wěn)定，并殘留在焊縫中形成缺陷。氮對(duì)金屬的機(jī)械性能影響很大，氮含量增加，焊縫強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性急驟下降，原因是溶池的驟冷，使一部分原子氮以過(guò)飽和的形式存在于固溶液體中，另一部分則以針狀氮化物形式析出，分布在晶界和固溶體上，改變了焊縫的機(jī)械性能。另外，焊縫中過(guò)飽和的氮是處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而被析出、長(zhǎng)大，形成穩(wěn)定的針狀氮化物，使焊縫的塑性和韌性大為下降。（3）、氫的影響通常，氫與其它金屬元素不起化合作用，但能與鐵

9、、鎳、鉻、銅、鉬等形成固溶體。氫在鐵中的溶解度與溫度和鐵的同素異構(gòu)體以及氫的壓力有關(guān)。氫以原子或離子狀態(tài)溶入鐵中，溫度越高，溶入的數(shù)量也越多。鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，氫的溶解度會(huì)發(fā)生突變。（見(jiàn)圖22）-Fe(體）體）-Fe(面）-Fe(體）液體910o1390o0.00050.00100.00150.00200.002510001400TooC氫的溶解度圖22 0.1MPa時(shí)氫在鐵中的溶解度氫的溶解度與焊縫冷卻速度有關(guān)，當(dāng)焊縫金屬的結(jié)晶速度大于氫從焊縫中逸出速度時(shí)，會(huì)形成氫氣孔存在于焊縫中。過(guò)飽和氫所形成的局面壓力可達(dá)1000MPa，還會(huì)使焊縫或熔合線處產(chǎn)生微裂紋。對(duì)淬硬傾向較大的合金鋼，氫的擴(kuò)散

10、可使焊縫產(chǎn)生冷裂紋。2、金屬與溶渣間的作用焊接過(guò)程中，焊條藥皮所形成的溶渣對(duì)熔融金屬起到氣體機(jī)械保護(hù)、穩(wěn)定電弧燃燒、改善焊縫化學(xué)成分、摻入合金元素的作用。這些功能，主要在焊條藥皮中含有一定量的、能防止或排除有害氣體及雜質(zhì)的有害氣體及雜質(zhì)的有益成分（如錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鋁鐵以及石墨等），這些成分在冶金過(guò)程中，不但具有強(qiáng)的脫除氧、氮等有害氣體的能力，而且對(duì)硫、磷等的親和力也很強(qiáng)，形成各種化合物由焊縫內(nèi)脫出。同時(shí)，這些成分還補(bǔ)充了被燒損或冶金過(guò)程以渣形式排出的損失量，而不降低焊縫的性能。二、焊縫的結(jié)晶過(guò)程二、焊縫的結(jié)晶過(guò)程熔池溫度隨著熱源的遠(yuǎn)離逐漸冷卻、凝固而成焊縫。這種由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬的過(guò)

11、程就是金屬的結(jié)晶過(guò)程。液態(tài)金屬在冷卻過(guò)程中，凝結(jié)成本身所具有的晶體結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程就叫結(jié)晶。我們知道，一切物質(zhì)都是由原子組成，而物質(zhì)內(nèi)部的原子按一定的規(guī)則排列成一種格體，每一單位格體叫晶格（立體的），無(wú)數(shù)晶格的堆集而成晶粒，晶粒之間的分界線叫晶界，無(wú)數(shù)晶粒的合成就是晶體，金屬就是結(jié)晶體。金屬的晶體結(jié)構(gòu)形式約20余種，常見(jiàn)的有面心晶格、體心晶格和六方晶格等三種。它們的形態(tài)已在金屬材料學(xué)中介紹，故不再闡述。熔焊時(shí)，固態(tài)金屬在熱源的作用下，將規(guī)則排列的晶格結(jié)構(gòu)破壞，而形成液體（這時(shí)，金屬原子處于自由而紊亂狀態(tài)）。冷卻時(shí)，又逐漸恢復(fù)原有的晶體結(jié)構(gòu)，這就是金屬的結(jié)晶過(guò)程。而晶體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，是通過(guò)兩次結(jié)晶過(guò)

12、程完成的。1、一次結(jié)晶過(guò)程金屬?gòu)囊簯B(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬時(shí)的結(jié)晶過(guò)程叫一次結(jié)晶過(guò)程。開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，并非突變，是通過(guò)產(chǎn)生晶核（結(jié)晶中心）和晶核長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。晶核的生成和長(zhǎng)大是隨冷卻速度快慢而定，冷卻速度越快，生成的晶核就越多，晶體長(zhǎng)大的速度也越慢，形成的晶粒尺寸（晶粒度）就越小。熔融金屬冷卻結(jié)晶，由熔池與焊件未熔化的交界面（即融合線）處開(kāi)始，大的溫差使晶核集此生成和長(zhǎng)大。晶體長(zhǎng)大的方向是沿垂直于熔合線向熔池中心發(fā)展長(zhǎng)大（或按散熱相反的方向長(zhǎng)大，見(jiàn)圖23），直至各個(gè)晶體相互接觸，液態(tài)金屬消失，一次結(jié)晶過(guò)程方才結(jié)束。這時(shí)焊縫溫度為1480左右（系指20號(hào)鋼），金相組織為柱狀晶粒。熔合線兩側(cè)狹窄部分稱(chēng)為晶內(nèi)結(jié)晶區(qū)，是被焊金屬與焊縫間形成的共同晶體區(qū)。若熔池較大，冷卻速度較慢，使焊縫中心的液態(tài)金屬凝固拖慢，形成的晶粒為不規(guī)則的等軸晶粒（見(jiàn)圖24）