焊接第一章課件

1、【學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過(guò)緒論的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握焊接方法的定義、分類及應(yīng)用；理解金屬熔焊的原理及熔焊過(guò)程；了解本課程的基本學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標(biāo)及學(xué)習(xí)方法，為更好地學(xué)習(xí)本門課程奠定一個(gè)感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。焊接的定義、分類及應(yīng)用 焊接的目的是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的物體(焊件)連接為永久結(jié)合的整體。在GB/T 33751994焊接術(shù)語(yǔ)中，對(duì)焊接所下的定義是：“焊接是通過(guò)加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件達(dá)到原子結(jié)合的一種方法?！?在機(jī)械制造業(yè)中，使兩個(gè)或兩個(gè)以上金屬零件連接在一起的方法有螺栓聯(lián)接、鉚釘連接、粘接和焊接等，如圖0-1所示，其中螺栓聯(lián)接是可以拆卸的，而其他幾種連接則只有將接頭破壞才與其他連

2、接方法相比，焊接具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)節(jié)約材料焊接接頭在連接部位沒(méi)有重疊部分，也不需要附加的連接件(如螺栓、鉚釘?shù)?，從而減少了材料的消耗，降低了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)約大量的金屬材料。焊接與鉚接相比可節(jié)省材料10%20%。(2)工藝過(guò)程比較簡(jiǎn)單焊件不需要開(kāi)孔加工，也不需要制造連接附件，同時(shí)焊接本身生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度低。(3)焊接產(chǎn)品質(zhì)量高焊接結(jié)合部位(焊接接頭)不僅可以獲得與母材相同的力學(xué)性能，而且其他使用性能(耐熱性、耐蝕性等)也都能夠與母材相匹配。特別是不需要采取特殊措施即可獲得優(yōu)良的密封性，使其成為在壓力容器與船舶制造中主要的連接方法。(4)可焊材料范圍廣焊接可在同類或不同類的金屬、非

3、金屬材料(石墨、陶瓷、玻璃、塑料等)之間進(jìn)行，焊接方法也多種多樣。 但焊接也有缺點(diǎn)，如焊接接頭的組織和性能具有較的不均勻性，其不均勻程度遠(yuǎn)超過(guò)鑄件和鍛件；焊接結(jié)構(gòu)有較大的焊接應(yīng)力和變形，影響焊接結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，降低結(jié)構(gòu)的承載能力；焊接接頭容易產(chǎn)生缺陷，并且應(yīng)力集中現(xiàn)象比鉚接接頭、粘接接頭嚴(yán)重，也使其應(yīng)用受到一定限制。 由此可知，金屬焊接與其他連接方法不同，金屬焊接的本質(zhì)就是通過(guò)焊接使兩個(gè)分離的金屬工件達(dá)到原子結(jié)合而形成一個(gè)整體。為了達(dá)到原子結(jié)合，焊接時(shí)必須對(duì)焊接區(qū)采用加熱、加壓或兩者并用的方法。 根據(jù)焊接過(guò)程中金屬所處的狀態(tài)不同，可以把焊接方法分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。熔焊是將待焊處的母材

4、熔化以形成焊縫的焊接方法。壓焊是在焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊件施加壓力(加熱或不加熱)，才能完成焊接的方法。釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的方法。焊接的主要對(duì)象是金屬材料，據(jù)工業(yè)化國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，鋼產(chǎn)量的45%以上要經(jīng)過(guò)焊接加工。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和焊接質(zhì)量的不斷提高，目前焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、航空航天、建筑、能源、交通、冶金等領(lǐng)域，主要用于制造和修理各種金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)械零部件，例如鍋爐、壓力容器、管道、汽車、飛機(jī)、船舶、橋梁、起重設(shè)備等結(jié)構(gòu)金屬熔焊原理及熔化過(guò)

5、程 在所有的焊接方法中，熔焊是目前焊接生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一類焊接方法。對(duì)大型、高參數(shù)(高溫、高壓下運(yùn)行)設(shè)備，如大噸位船舶、艦艇、發(fā)電設(shè)備、核能裝置、鍋爐、化工容器等的制造中，幾乎全部采用熔焊。金屬熔焊是利用熱源將分離的兩個(gè)金屬焊件加熱到熔化狀態(tài)，形成熔池，隨著熱源的移動(dòng)，熔池也隨之移動(dòng)，熔池中的液態(tài)金屬逐步冷卻結(jié)晶后形成焊縫，從而將兩個(gè)焊件連接成一個(gè)整體的焊接方法。在熔焊的過(guò)程中，焊接熱源首先將焊接處的母材及填充金屬加熱熔化形成熔池(圖0-3a中的細(xì)實(shí)線部分)，熔池金屬與周圍的高溫固體母材金屬緊密接觸，充分的浸潤(rùn)，待焊接熱源離開(kāi)，溫度降低，液態(tài)的熔池金屬冷卻凝固，形成同母材金屬長(zhǎng)合在一起的聯(lián)生

6、結(jié)晶，成為原子結(jié)合的接頭(圖0-3b)。金屬熔焊的方法很多，主要有氣焊、焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、等離子弧焊、電渣焊、電子束焊和激光焊等。能力知識(shí)點(diǎn)3本課程的基本內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標(biāo)及學(xué)習(xí)方法1.基本內(nèi)容 本課程是根據(jù)中等職業(yè)焊接專業(yè)金屬熔焊基礎(chǔ)與材料焊接教學(xué)大綱編寫(xiě)的，基本內(nèi)容如下：(1)焊接冶金基礎(chǔ)主要介紹焊接冶金的基本知識(shí)、焊縫及焊接熱影響區(qū)的組織與性能等內(nèi)容。(2)焊接材料主要介紹焊條、焊絲、焊劑等的分類、牌號(hào)和型號(hào)、成分、性能和用途等內(nèi)容。(3)焊接缺陷的產(chǎn)生及防止主要介紹氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷的產(chǎn)生原因與防止措施。(4)金屬的焊接性及其評(píng)定主要介紹金屬焊接性的評(píng)定及常用的焊接性

7、試驗(yàn)方法。(5)常用金屬材料的焊接主要介紹碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等常用金屬材料的焊接特點(diǎn)2.學(xué)習(xí)目標(biāo)本課程是焊接專業(yè)的一門主干課程，通過(guò)學(xué)習(xí)，要求達(dá)到如下學(xué)習(xí)目標(biāo)：(1)知識(shí)目標(biāo)1)了解金屬熔焊過(guò)程的基本規(guī)律及焊接冶金的特點(diǎn)。2)理解焊縫在形成過(guò)程中成分、組織變化的規(guī)律。3)理解焊接熱影響區(qū)金屬組織與性能變化的規(guī)律。4)掌握焊接材料的特點(diǎn)、型號(hào)和牌號(hào)及其選用原則。5)理解金屬熔焊過(guò)程中常見(jiàn)缺陷的產(chǎn)生原因及控制方法。6)了解金屬材料的焊接性分析及試驗(yàn)方法。7)理解常用金屬材料的焊接特點(diǎn)及焊接工藝。(2)能力目標(biāo)1)初步具備使用金相顯微鏡去觀察和分析焊接接頭的金相組織的能力。2)能正確選用和使用焊條，能

8、借助焊接手冊(cè)正確選用和使用焊絲、焊劑等焊接材料。3)初步具備根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際條件分析常見(jiàn)焊接缺陷產(chǎn)生的原因并提出防止措施的能力。4)了解焊接工藝評(píng)定的具體內(nèi)容及常規(guī)的焊接性試驗(yàn)方法。5)能借助焊接手冊(cè)等工具書(shū)及產(chǎn)品的技術(shù)條件，正確執(zhí)行典型構(gòu)件的焊接工藝規(guī)程3.學(xué)習(xí)方法本課程內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)際緊密相連，學(xué)習(xí)中應(yīng)掌握以下方法：1)注意理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。2)注意前后知識(shí)的融會(huì)貫通和相關(guān)知識(shí)的綜合運(yùn)用。3)學(xué)會(huì)分析、歸納、總結(jié)的方法，提高自學(xué)能力。4)積極參加各種實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，仔細(xì)觀察，積極思考。5)重在知識(shí)的應(yīng)用，防止過(guò)多過(guò)深的理論探討和追求理論完整性。第一單元焊接冶金基礎(chǔ)【

9、學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過(guò)本單元的學(xué)習(xí)，了解焊接冶金的作用、特點(diǎn)，理解焊接冶金過(guò)程的基本規(guī)律及其對(duì)焊縫金屬的作用；了解焊接熱過(guò)程、熱能傳遞的基本方式、焊接溫度場(chǎng)、焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)，理解焊接溫度場(chǎng)、焊接熱循環(huán)的影響因素及調(diào)節(jié)方法；了解焊縫金屬的形成過(guò)程，理解各種合金元素對(duì)焊縫金屬性能的作用；了解N、H、O、S、P等有害元素對(duì)焊縫金屬的作用及防止措施；理解焊縫金屬的組織與性能的變化規(guī)律及焊縫金屬組織與性能的調(diào)節(jié)方法；了解焊接熱影響區(qū)的組織與性能，理解焊接熱影響區(qū)的組織與性能的調(diào)節(jié)方法。綜合知識(shí)模塊一焊接冶金及特點(diǎn)能力知識(shí)模塊一 焊接冶金過(guò)程及其作用 焊接時(shí)，焊縫金屬在熔化過(guò)程中，熔化金屬、熔渣、氣體之間在高溫

10、下相互作用，會(huì)產(chǎn)生一系列劇烈而復(fù)雜的物理變化和化學(xué)反應(yīng)，如金屬的蒸發(fā)、有益合金元素的燒損、氣體的溶解和析出等，這種熔焊過(guò)程中，焊接區(qū)內(nèi)各物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過(guò)程，稱為焊接冶金過(guò)程。焊接冶金過(guò)程的實(shí)質(zhì)是金屬在焊接條件下的再熔煉過(guò)程。 焊接冶金與普通冶金有相同點(diǎn)，但也有不同之處。普通冶金過(guò)程是將鐵礦石、焦炭、廢鋼鐵等材料放在特定的爐中進(jìn)行熔煉加工的過(guò)程；而焊接冶金過(guò)程是金屬在焊接條件下的再熔煉過(guò)程，焊接時(shí)焊縫相當(dāng)于高爐。焊接冶金過(guò)程中，由于熔化金屬和周圍介質(zhì)的相互作用，使焊縫金屬的成分和性能與母材和焊材有較大的不同；因此，為了提高焊縫的質(zhì)量，在焊接制造重要焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，焊接冶金的首要作用就是對(duì)

11、熔化金屬進(jìn)行保護(hù)，以免受空氣的有害作用。 不同的焊接方法有不同的保護(hù)方式。熔焊時(shí)采用的各種保護(hù)方式與其適用的焊接方法見(jiàn)表1-1。焊接冶金的第二個(gè)作用，就是對(duì)熔化金屬進(jìn)行冶金處理，通過(guò)調(diào)整焊接材料的成分和性能，控制冶金反應(yīng)的發(fā)展，來(lái)獲得預(yù)期的焊縫成分。焊接冶金的特點(diǎn) 焊接冶金與普通冶金相比較，主要有以下特點(diǎn)：(1)冶金反應(yīng)溫度高普通冶金反應(yīng)溫度在15001700，而焊接弧柱區(qū)的溫度可達(dá)50008000。焊條熔滴的平均溫度達(dá)21002200，熔池溫度高達(dá)16002000，與熔融金屬接觸的熔渣溫度也高達(dá)1600。因此，焊接冶金反應(yīng)在超高溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程快速而劇烈，容易造成合金元素的燒損與蒸發(fā)。(2

12、)冶金反應(yīng)時(shí)間短熔焊時(shí)，熔滴和熔池存在的時(shí)間很短，熔滴在焊條端部停留的時(shí)間只有0.010.1s；由于焊接熔池體積小(一般23cm3)，冷卻速度快，熔池存在的時(shí)間最多也不超過(guò)幾十秒(通常，熔池從形成到凝固約10s)。因此，冶金反應(yīng)時(shí)間短導(dǎo)致冶金反應(yīng)不能充分進(jìn)行，各種冶金化學(xué)反應(yīng)無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)，在焊縫中很容易出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的偏析(3)冶金反應(yīng)條件差熔焊時(shí)，焊接熔池一般暴露在空氣中，熔池周圍的氣體、鐵銹、油污等在電弧的高溫下，將分解成原子態(tài)的氧、氮等，極易同金屬元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)生成的氧化物、氮化物混入焊縫中，使焊縫的力學(xué)性能下降；空氣中的水蒸氣分解出氫原子，在焊縫中產(chǎn)生氣孔、裂縫等缺陷和

13、“氫脆”現(xiàn)象。由于焊接冶金反應(yīng)條件差，將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，因此，焊接時(shí)必須采取有效措施來(lái)保護(hù)焊接區(qū)，防止周圍有害氣體侵入熔池。(4)冶金反應(yīng)界面大熔焊時(shí)，焊接冶金反應(yīng)是多相反應(yīng)，熔滴和熔池金屬的比表面積大，能與熔渣、氣相充分接觸，促使冶金反應(yīng)快速完成。(5)熔融金屬處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)熔焊時(shí)，熔滴和熔池金屬均處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有利于提高冶金反應(yīng)的速度，促使氣體和雜質(zhì)快速的排除，使焊縫成分均勻化。焊接冶金反應(yīng)區(qū)焊接冶金過(guò)程是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的，且各區(qū)的反應(yīng)條件也有較大的差異。不同的焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)。焊條電弧焊時(shí)，焊接冶金反應(yīng)區(qū)分為藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)，如圖1-1所示。熔化極氣體保護(hù)

14、焊時(shí)，只有熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)；無(wú)填充金屬的氣焊、鎢極氬弧焊和電子束焊則只有一個(gè)熔池反應(yīng)區(qū)。下面以焊條電弧焊為例，說(shuō)明各反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)。1.藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)主要在焊條端部的套筒附近(圖1-1中的區(qū))，反應(yīng)溫度范圍從100至藥皮的熔點(diǎn)(鋼焊條約為1100)。參加反應(yīng)的物質(zhì)是藥皮的組成物，反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生氣體和熔渣。主要物化反應(yīng)是水分蒸發(fā)、某些物質(zhì)分解和鐵合金的氧化。當(dāng)加熱溫度超過(guò)100，藥皮中的水分就開(kāi)始蒸發(fā)。當(dāng)升高到一定溫度，藥皮中的有機(jī)物(木粉、纖維素、淀粉等)、碳酸鹽(如大理石CaCO3、菱苦土等)和高價(jià)氧化物(如赤鐵礦、錳礦等)逐步發(fā)生分解，析出CO2和O2等氣體，這些氣體既對(duì)焊接區(qū)

15、金屬有保護(hù)作用，又對(duì)被熔化的金屬和藥皮中的鐵合金(如錳鐵、硅鐵、鉬鐵等)產(chǎn)生很大氧化作用，使氣象的氧化性大大下降，此即先期脫氧過(guò)程。 藥皮反應(yīng)階段可視為準(zhǔn)備性的階段，因?yàn)檫@一階段反應(yīng)的產(chǎn)物為熔滴和熔池提供了反應(yīng)物，所以它對(duì)整個(gè)焊接冶金過(guò)程和焊接質(zhì)量有一定影響。2.熔滴反應(yīng)區(qū)從熔滴形成、長(zhǎng)大到過(guò)渡至熔池中都屬于熔滴反應(yīng)區(qū)。熔滴反應(yīng)區(qū)(圖1-1中區(qū))是冶金反應(yīng)最劇烈的區(qū)域，對(duì)焊縫的成分影響最大。從反應(yīng)條件看這個(gè)區(qū)域有如下特點(diǎn)。1)熔滴溫度高。電弧焊焊接鋼材時(shí)熔滴最高溫度約2800，平均溫度在18002400范圍內(nèi)。其過(guò)熱度很大，可達(dá)300900。2)熔滴金屬與氣體和熔渣接觸面積大。因熔滴尺寸小，在

16、正常情況下其比表面積可達(dá)1104cm2/kg，比煉鋼時(shí)約大1000倍。 3)各相之間的反應(yīng)時(shí)間短。熔滴在焊條末端停留時(shí)間約0.010.1s，向熔池過(guò)渡速度快，經(jīng)弧柱區(qū)時(shí)間只有0.00010.001s。在這個(gè)區(qū)內(nèi)各相接觸的平均時(shí)間約為0.010.1s，反應(yīng)時(shí)間很短，主要在焊條末端進(jìn)行。4)熔滴金屬與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈混合。熔滴在形成、長(zhǎng)大和過(guò)渡過(guò)程中受到電磁力、氣吹力等外界因素作用，便與熔渣發(fā)生強(qiáng)烈的混合，既增加彼此接觸面積，也加速反應(yīng)進(jìn)行。由上述特點(diǎn)可知，在該區(qū)的反應(yīng)時(shí)間雖短，但因溫度高，相接觸面積很大，并有強(qiáng)烈的混合作用，所以冶金反應(yīng)最激烈。許多反應(yīng)可以進(jìn)行到接近終了的程度，因而此階段對(duì)焊縫成分影

17、響最大。因此熔滴反應(yīng)區(qū)是冶金反應(yīng)最激烈的部位，在此區(qū)進(jìn)行的主要物理化學(xué)反應(yīng)有：氣體的分解、氣體的溶解、熔融金屬的氧化、金屬的蒸發(fā)，熔滴金屬的合金化等。3.熔池反應(yīng)區(qū)熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材混合或接觸，繼續(xù)各相之間的物理化學(xué)反應(yīng)，從而形成熔池區(qū)的冶金反應(yīng)，直至金屬凝固形成焊縫為止。從反應(yīng)條件看該區(qū)有如下特點(diǎn)。1)熔池的溫度分布極不均勻。它的前部溫度高，處于升溫階段，進(jìn)行著金屬熔化、氣體吸收，屬于吸熱反應(yīng)；它的后部溫度低，處于降溫階段，發(fā)生氣體逸出、金屬凝固，屬于放熱反應(yīng)。因此，同一個(gè)反應(yīng)在熔池的前后部可以向相反的方向進(jìn)行。2)熔池反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)物質(zhì)是不斷更新的。新熔化的母村、焊芯和藥皮不

18、斷進(jìn)入熔池的頭部，而凝固的焊縫金屬和熔渣不斷從后部退出。在焊接參數(shù)恒定的情況下，這種物質(zhì)的更替過(guò)程可達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，從而獲得成分均勻的焊縫金屬。 3)熔池的平均溫度比熔滴低(約為16001900)，反應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)。焊條電弧焊熔池存在時(shí)間為38s，埋弧焊熔池存在時(shí)間為625s。4)由于受電弧力、氣流和等離子流等因素作用，熔池發(fā)生攪動(dòng)。熔池溫度分布不均，也造成熔池的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。這有助于熔池成分的均勻化和加大冶金反應(yīng)速度，有利于氣體或非金屬夾雜物從熔池中外逸。5)熔池反應(yīng)階段中反應(yīng)物的含量與平衡含量之差比熔滴階段小，故在相同條件下，熔池中的反應(yīng)速度比熔滴階段中的要小。6)當(dāng)藥皮重量系數(shù)Kb(單位長(zhǎng)度焊條藥皮

19、質(zhì)量與焊芯質(zhì)量之比)較大時(shí)，由于部分熔渣不與熔滴作用而直接流入熔池中，因而與熔池金屬作用的熔渣數(shù)量大于與熔滴金屬作用的熔渣數(shù)量，所以增加焊條藥皮厚度能夠加強(qiáng)熔池階段的冶金反應(yīng)。 從上述特點(diǎn)看出，熔池階段的反應(yīng)速度、合金元素被氧化的程度均比熔滴階段小，且在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的貢獻(xiàn)也較小。在采用大厚度藥皮的焊條焊接時(shí)，熔池中的反應(yīng)可獲得加強(qiáng)?？傊?，焊接化學(xué)冶金過(guò)程是分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行的。在熔滴階段進(jìn)行的反應(yīng)多數(shù)在熔池階段繼續(xù)進(jìn)行，但也有的反應(yīng)停止甚至改變反應(yīng)方向，各階段冶金反應(yīng)的綜合結(jié)果決定了焊縫金屬的最終化學(xué)成分。能力知識(shí)點(diǎn)4焊接參數(shù)對(duì)焊接冶金的影響焊接冶金過(guò)程與焊接參數(shù)有著密切的聯(lián)系，改變焊接參數(shù)必然

20、會(huì)引起冶金反應(yīng)條件的變化，進(jìn)而影響到冶金反應(yīng)的過(guò)程。在焊接時(shí)，對(duì)焊接冶金產(chǎn)生影響的參數(shù)主要有小知識(shí)熔合比是指被熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的百分比。熔合比是用面積之比來(lái)計(jì)算的。焊接參數(shù)是指在焊接時(shí),為保證焊接質(zhì)量,而選定的焊接電源、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、熱輸入等參數(shù)的總稱。 以下三種：(1)熔合比熔合比取決于焊接方法、焊接接頭形式和尺寸、坡口形式和角度、焊接參數(shù)、母材的性質(zhì)、焊接材料種類以及焊條(焊絲)的傾角等因素。焊條中的合金元素在焊接過(guò)程中是有損失的，而母材中的合金元素幾乎全部過(guò)渡到焊縫金屬中，所以改變焊縫金屬的熔合比就可以改變焊縫金屬的化學(xué)成分。因此，焊接時(shí)必須嚴(yán)格控制焊接工藝

21、條件以使熔合比穩(wěn)定合理。 能力知識(shí)點(diǎn)4焊接參數(shù)對(duì)焊接冶金的影響焊接冶金過(guò)程與焊接參數(shù)有著密切的聯(lián)系，改變焊接參數(shù)必然會(huì)引起冶金反應(yīng)條件的變化，進(jìn)而影響到冶金反應(yīng)的過(guò)程。在焊接時(shí)，對(duì)焊接冶金產(chǎn)生影響的參數(shù)主要有小知識(shí)熔合比是指被熔化的母材金屬在焊縫金屬中所占的百分比。熔合比是用面積之比來(lái)計(jì)算的。焊接參數(shù)是指在焊接時(shí),為保證焊接質(zhì)量,而選定的焊接電源、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、熱輸入等參數(shù)的總稱。 以下三種： (1)熔合比熔合比取決于焊接方法、焊接接頭形式和尺寸、坡口形式和角度、焊接參數(shù)、母材的性質(zhì)、焊接材料種類以及焊條(焊絲)的傾角等因素。焊條中的合金元素在焊接過(guò)程中是有損失的，而母材中的合

22、金元素幾乎全部過(guò)渡到焊縫金屬中，所以改變焊縫金屬的熔合比就可以改變焊縫金屬的化學(xué)成分。因此，焊接時(shí)必須嚴(yán)格控制焊接工藝條件以使熔合比穩(wěn)定合理。 （2）焊接參數(shù) 在母材一定的情況下，焊接參數(shù)的改變?cè)谝欢ǔ潭壬蠈⒂绊懸策M(jìn)過(guò)城的發(fā)展，但它不能決定焊縫金屬的合金系統(tǒng)。所以調(diào)節(jié)焊接參數(shù)是控制焊縫金屬成分的輔助手段，焊接參數(shù)一旦選定應(yīng)保持不變。所以保證焊縫金屬成分和性能的穩(wěn)定性。 （3）焊接材料 在母材一定的情況下，焊接材料（焊絲、焊劑、焊條、藥芯焊絲等）的改變，不僅影響冶金過(guò)程發(fā)展，而且決定了焊縫金屬的合金系統(tǒng)，所以調(diào)整焊接材料的是控制焊縫金屬成分的主要手段。合知識(shí)模塊二焊接熱過(guò)程 熔焊時(shí)，必須有一定能

23、量的熱源對(duì)焊件局部加熱、熔化、冷卻后才能形成接頭。其熱過(guò)程對(duì)焊接區(qū)金屬的成分、組織、性能影響很大，為保證焊接質(zhì)量，必須了解焊接區(qū)熱量傳遞和溫度變化等焊接熱過(guò)程的基本規(guī)律。1.常用的焊接熱源(1)電弧熱利用氣體介質(zhì)在兩電極之間強(qiáng)烈而持續(xù)放電過(guò)程產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，是目前應(yīng)用最廣的一種焊接熱源，如焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊等。(2)化學(xué)熱主要是利用助燃和可燃?xì)怏w或鋁、鎂熱劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量作為焊接熱源，如氣焊、熱劑焊等。(3)電阻熱利用電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為焊接熱源，如電阻焊、電渣焊等。(4)摩擦熱利用機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源，如摩擦焊。(5)電子束利用高壓高速的電子束轟擊金

24、屬局部表面所產(chǎn)生的熱能作為焊接常用焊接熱源及熱能傳遞的基本方式（6）等離子弧 將自由電弧壓縮成高溫、高電離度及高能量的電弧熱作為焊接熱源，即等離子弧焊。 (7)激光束利用高能量的激光束轟擊焊件產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接，即激光束焊。焊接熱源不僅影響焊接質(zhì)量，而且對(duì)焊接生產(chǎn)率有決定性的作用。為了使焊接區(qū)能夠迅速達(dá)到熔點(diǎn)并防止加熱范圍過(guò)大，我們希望焊接熱源的加熱面積小，單位面積的功率(功率密度)大，同時(shí)在正常的焊接條件下能達(dá)到較高的溫度。近年來(lái)發(fā)展的電子束、等離子弧、激光束等新的焊接熱源，其最小加熱面積僅為10-510-8cm2，而功率密度可達(dá)107109W/cm2，溫度高達(dá)1000020000，從而可以

25、獲得很高的焊接質(zhì)量與生產(chǎn)率。2.焊接過(guò)程的熱效率焊接熱源所輸出的功率在實(shí)際應(yīng)用中并不能全部得到有效利用，而是有一部分熱量損失于周圍介質(zhì)和飛濺中。一般來(lái)說(shuō)，熱源越集中，熱量損失越少，熱效率就越高，如氣焊就比各種電弧焊的熱效率要低得多。下面以電弧焊為例，來(lái)分析焊接過(guò)程中熱效率的計(jì)算方法。通常，電弧焊焊接時(shí)，電弧輸出總功率為q0,則式中q0電弧功率，即電弧在單位時(shí)間內(nèi)所放出的熱量，單位為W；U電弧電壓，單位為V；I焊接電流，單位為A。其有效功率q為式中 熱功率有效系數(shù)或稱熱效率。值大小與焊接方法、焊接參數(shù)、焊接材料及焊件材料等有關(guān)，一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。幾種電弧焊方法的熱效率數(shù)值見(jiàn)表1-2。熔焊時(shí)，由焊

26、接熱源輸入給單位長(zhǎng)度焊縫上的熱量稱熱輸入(焊接線能量)，以符號(hào)E表示，焊接熱輸入是焊接過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，計(jì)算公式為式中E熱輸入，單位為J/cm；熱功率有效系數(shù)；U電弧電壓，單位為V；I焊接電流，單位為A；v焊接速度，單位為cm/s；q有效功率，單位為J/s。3.焊接傳熱的基本形式自然界中，熱能的傳遞主要有三種基本形式，即傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳導(dǎo)指物體內(nèi)部或直接接觸的物體間的傳熱，是固體金屬內(nèi)部的唯一傳熱方式。熱傳導(dǎo)一般發(fā)生于固體內(nèi)部。金屬內(nèi)部主要依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞熱量而進(jìn)行傳導(dǎo)。熱對(duì)流指物體內(nèi)部各部分發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生的熱量傳遞。熱對(duì)流只發(fā)生于流熱輻射指物體表面直接向外界發(fā)射電磁波來(lái)

27、傳遞熱量。熱輻射過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化形式是：熱能輻射能熱能。由于物體的輻射能力與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，因此溫度越高，輻射能力越強(qiáng)。在熔焊過(guò)程中，上述三種熱能傳遞的方式都存在。熱源的熱量傳遞到焊件主要是通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流；母材和焊絲獲得熱量后在其內(nèi)部的傳遞則以熱傳導(dǎo)為主。焊接溫度場(chǎng)1.焊接溫度場(chǎng)的表示及特點(diǎn)焊接時(shí)，焊件上各點(diǎn)的溫度不同，并隨時(shí)間而變化。焊接溫度場(chǎng)是指某一瞬時(shí)焊件上各點(diǎn)的溫度分布。由于焊件上的溫度分布不僅不均勻，而且熱源的運(yùn)動(dòng)使各點(diǎn)的溫度隨著時(shí)間而變化，因此焊接溫度場(chǎng)是某一瞬時(shí)的溫度場(chǎng)。在焊接進(jìn)行過(guò)程中，焊件上溫度分布的規(guī)律總是熱源中心處的溫度最高，向焊件邊漸下降。不同的母材或熱源

28、，溫度下降的快慢不同。焊接溫度場(chǎng)的表示方式有列表、數(shù)學(xué)式和圖像法，其中最常用的是圖像法，即利用等溫線或等溫面來(lái)表示。 利用等溫線或等溫面可以形象直觀地表達(dá)焊接溫度場(chǎng)。等溫線或等溫面就是溫度場(chǎng)中相同溫度的各點(diǎn)所連成的線或面。在給定的溫度場(chǎng)中，任何一點(diǎn)不可能同時(shí)有兩個(gè)溫度，因此不同溫度的等溫線或等溫面絕對(duì)不會(huì)相交，這也是等溫線或等溫面的重要性質(zhì)。通常以熱源所處位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)O，X軸為熱源移動(dòng)方向，Y軸為寬度方向，Z軸為厚度方向，如圖1-2a所示。如工件上等溫線(或等溫面)確定，即溫度場(chǎng)確定，則可以知道工件上各點(diǎn)的溫度分布。例如，已知焊接過(guò)程中某瞬時(shí)XOY面等溫線表示的溫度場(chǎng)如圖1-2b所示，則可

29、知道瞬時(shí)XOY面任何各點(diǎn)的溫度情況。同樣也可畫(huà)出X軸上和Y軸上各點(diǎn)的溫度分布曲線，分別如圖1-2c和圖1-2d所示。 由圖1-2b、c可知，沿?zé)嵩匆苿?dòng)方向溫度場(chǎng)分布不對(duì)稱,熱源前面溫度場(chǎng)等溫線密集，溫度下降快，熱源后面等溫線稀疏,溫度下降較慢。這是因?yàn)闊嵩辞懊媸俏唇?jīng)加熱的冷金屬，溫差大，故等溫線密集；而熱源后面的是剛焊完的焊縫，尚處于高溫，溫差小，故等溫線稀疏。由圖1-2b、d可知,熱源運(yùn)動(dòng)對(duì)兩側(cè)溫度分布的影響相同。因此，整個(gè)溫度場(chǎng)對(duì)Y軸形成不對(duì)稱，而對(duì)X軸分布對(duì)稱。2.影響溫度場(chǎng)的因素(1)熱源的性質(zhì)不同熱源功率不同，加熱面積不同，從而溫度場(chǎng)的分布也不相同。熱源的能量越集中，則加熱面積越小，

30、溫度場(chǎng)中等溫線(面)的分布越密集。(2)焊接參數(shù)同樣的焊接熱源，焊接參數(shù)不同，溫度場(chǎng)分布也不同。在焊接參數(shù)中，熱源功率和焊接速度的影響最大。當(dāng)熱源功率q一定時(shí)，隨著焊接速度v的增加，則加熱面積減小，等溫線的范圍變小，即溫度場(chǎng)的寬度和長(zhǎng)度都變小，但寬度的減小更大些，所以溫度場(chǎng)的形狀變得細(xì)長(zhǎng)些，如圖1-3a所示。當(dāng)焊接速度v一定時(shí)，隨熱源功率q的增加，加熱面積明顯增大，則溫度場(chǎng)的范圍隨之增大，如圖1-3b所示。當(dāng)線能量q/v一定時(shí)，等比例改變q和v，則等溫線有所拉長(zhǎng)，溫度場(chǎng)的范圍也隨之拉長(zhǎng)，如圖1-3c所示。(3)被焊金屬的導(dǎo)熱能力被焊金屬的導(dǎo)熱能力對(duì)溫度場(chǎng)的影響也較大。金屬的導(dǎo)熱能力可用熱導(dǎo)率來(lái)

31、表示，熱導(dǎo)率是表示金屬內(nèi)部傳導(dǎo)熱量的能力的物理量。圖1-4為幾種熱導(dǎo)率不同的金屬在相同加熱條件下對(duì)焊接溫度場(chǎng)分布的影響。在線能量與工件尺寸一定時(shí)，熱導(dǎo)率小的不銹鋼600以上高溫區(qū)(圖1-4中的陰影部分)比低碳鋼大，而熱導(dǎo)率高的鋁、純銅的高溫區(qū)要小的多。這是因?yàn)閷?dǎo)熱能力強(qiáng)的金屬(如銅、鋁)，焊接時(shí)向母材金屬內(nèi)部散失的熱量多，焊件上溫度分布比較均勻，但高溫區(qū)面積較小。反之，導(dǎo)熱能力較差的金屬(如鉻鎳奧氏體鋼)，溫度梯度大，高溫區(qū)面積較大。四種材料的熱導(dǎo)率關(guān)系是：純銅鋁低碳鋼鉻鎳奧氏體鋼。(4)焊件的幾何尺寸及狀態(tài)焊件的幾何尺寸影響導(dǎo)熱面積和導(dǎo)熱方向。焊件的尺寸不同，可將熱源分為點(diǎn)狀熱源、線狀熱源和

32、面狀熱源三種，如圖1-5所示。當(dāng)工件尺寸厚大時(shí)(圖1-5a)，熱量可沿X，Y，Z三個(gè)方向傳遞，屬于三向?qū)幔瑹嵩聪鄬?duì)于工件尺寸可看做點(diǎn)狀熱源。當(dāng)工件為尺寸較大的薄板時(shí)(圖1-5b)，可認(rèn)為工件在厚度方向不存在溫差，熱量可沿X，Y方向傳遞，是二向?qū)幔蓪嵩纯醋鼍€狀熱源。如果工件是細(xì)長(zhǎng)的桿件，只在軸向X方向存在溫差，是屬于單向?qū)幔瑹嵩纯煽醋雒鏍顭嵩?圖1-5c)。另外，焊件的狀態(tài)(如預(yù)熱、環(huán)境溫度)不同，等溫線的疏密也不一樣，預(yù)熱溫度和環(huán)境溫度越高，等溫線分布越稀疏。焊接熱循環(huán)1.焊接熱循環(huán)的概念在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程稱為焊接熱循環(huán)。 焊接熱循環(huán)是針對(duì)某個(gè)具體的點(diǎn)

33、而言的。當(dāng)熱源向該點(diǎn)靠近時(shí)，該點(diǎn)溫度升高，直至達(dá)到最大值，隨著熱源的離開(kāi)，溫度又逐漸降低，整個(gè)過(guò)程可用溫度-時(shí)間曲線來(lái)表示，即熱循環(huán)曲線，如圖1-6所示。2.焊接熱循環(huán)的基本參數(shù)及特點(diǎn)焊接熱循環(huán)的基本參數(shù)是加熱速度(vH)、最高加熱溫度(Tmax)、相變溫度以上停留時(shí)間(tH)及冷卻速度(vC)。 (1)加熱速度(vH)加熱速度是指熱循環(huán)曲線上加熱段的斜率大小。焊接時(shí)的加熱速度要比熱處理速度高很多，如焊條電弧焊時(shí)可高達(dá)2001000/s。隨加熱速度提高，相變溫度也提高，從而影響接頭加熱、冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變。加熱速度與焊接方法、工藝參數(shù)、焊件成分及工件尺寸等有關(guān)。 (2)最高加熱溫度(Tmax

34、)又稱峰值溫度，是焊接熱循環(huán)中最重要的參數(shù)之一。焊件上各點(diǎn)的峰值溫度取決于該點(diǎn)到焊縫中心的距離，圖1-7為焊條電弧焊時(shí)焊縫附近各點(diǎn)的熱循環(huán)。焊縫區(qū)的Tmax可達(dá)18002000，遠(yuǎn)高于鋼鐵冶煉時(shí)的最高溫度。未熔化的近縫區(qū)(圖1-7中點(diǎn))之Tmax亦可達(dá)到13001400，比一般熱處理也要高的多。焊件上各部位加熱到最高加熱溫度后，可發(fā)生再結(jié)晶、重結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大及熔化等一系列變化，從而影響接頭冷卻后組織 (3)相變溫度以上停留時(shí)間(tH)焊接時(shí)，近縫區(qū)必然要在高于相變溫度的溫度停留，熱影響區(qū)的某些部位也自然會(huì)發(fā)生晶粒粗化的現(xiàn)象，從而對(duì)焊接質(zhì)量帶來(lái)不利的影響。通常，在相變溫度以上停留時(shí)間越長(zhǎng)越有利于

35、奧氏體的均質(zhì)化過(guò)程，但溫度太高(如1100以上)，會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，溫度越高，晶粒長(zhǎng)大時(shí)間越短；所以，相變溫度以上高溫(1100)停留時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大越嚴(yán)重，接頭的組織與性能越差。(4)冷卻速度(vC)冷卻速度是指熱循環(huán)曲線上冷卻階段的斜率大小。冷卻速度不同，冷卻后得到的組織與性能也不一樣。從影響質(zhì)量的角度來(lái)考慮，最重要的是發(fā)生相變溫度范圍內(nèi)的冷卻速度。對(duì)于一般的鋼材來(lái)說(shuō)，就是用從800冷卻到500所需時(shí)間(t8/5)來(lái)表示冷卻速度，因?yàn)檫@個(gè)溫度區(qū)間正好是焊接接頭金屬的固態(tài)相變區(qū)，其值大小對(duì)接頭金屬的相變、過(guò)熱、淬硬傾向都有影響。t8/5越小，表示冷卻速度越大。焊接熱循環(huán)是焊接接頭經(jīng)受熱作用的過(guò)

36、程，具有如下特點(diǎn)。1)焊接熱循環(huán)的參數(shù)對(duì)焊接冶金過(guò)程和焊接熱影響區(qū)的組織性能有強(qiáng)烈的影響，從而影響焊接質(zhì)量。2)焊件上各點(diǎn)的熱循環(huán)主要取決于各點(diǎn)離焊縫中心的距離。離焊縫中心越近，其加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越大，如圖1-7所示。上面所述的是單層單道時(shí)的熱循環(huán)，在實(shí)際生產(chǎn)中常采用多道焊或多層焊。多道多層焊的熱循環(huán)是各道焊縫熱循環(huán)的總和，因焊件上某點(diǎn)與每道每層焊時(shí)的熱源距離不同，故每道或每層焊時(shí)的熱循環(huán)也不同。3.影響焊接熱循環(huán)的因素影響焊接熱循環(huán)的主要因素有焊接參數(shù)和熱輸入、預(yù)熱和層間溫度、焊件尺寸、接頭形式、焊道長(zhǎng)度等。(1)焊接參數(shù)及熱輸入焊接參數(shù)是指焊接電流、電弧電壓、焊接速度

37、等。焊接熱輸入與焊接電流、電弧電壓成正比，與焊接速度成反比。一般通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)來(lái)調(diào)整焊接熱輸入。熱輸入增大可顯著增大相變溫度以上停留時(shí)間(tH)、降低冷卻速度。熱輸入和預(yù)熱溫度對(duì)焊接熱循環(huán)的影響如表1-3所示。 (3)焊件尺寸當(dāng)熱輸入不變和板厚較小時(shí)，板寬增大，t8/5明顯下降，但板寬增大到150mm以后，t8/5變化不大。當(dāng)板厚較大時(shí)，板寬的影響不明顯。焊件厚度越大，冷卻速度越大，相變溫度以上停留時(shí)間越短。(4)接頭形式接頭形式不同，導(dǎo)熱情況不同，同樣板厚的X形坡口對(duì)接接頭比V形坡口對(duì)接接頭的冷卻速度大；角焊縫比對(duì)接焊縫的冷卻速度大。接頭形式對(duì)冷卻速度t8/5的影響如圖1-8所示。(5)焊

38、道長(zhǎng)度焊道越短，其冷卻速度越大。焊道短于40mm時(shí)，冷卻速度急劇增大。 4.調(diào)整焊接熱循環(huán)的措施在生產(chǎn)中為了改善焊接接頭的組織常要對(duì)焊接熱循環(huán)進(jìn)行調(diào)整，一般從以下幾個(gè)方面著手：1)根據(jù)被焊金屬的成分和性能選擇合適的焊接方法。2)合理地選用焊接參數(shù)。3)采用焊前預(yù)熱、焊后保溫或緩冷等措施來(lái)降低冷卻速度。 4）調(diào)整多層焊的層數(shù)、焊道長(zhǎng)度和控制層間溫度。單道焊時(shí)，為保證焊縫質(zhì)量及焊縫尺寸，熱輸入只能在很窄的范圍內(nèi)調(diào)整；多道焊時(shí)能通過(guò)調(diào)整焊道層數(shù)可在較大范圍內(nèi)調(diào)整線能量，從而調(diào)整焊接熱循環(huán)。層間溫度系指多層焊時(shí)，在施焊后續(xù)焊道前其相鄰焊道應(yīng)保持的最低溫度。層間溫度應(yīng)等于或略高于預(yù)熱溫度，以降低冷卻溫度

39、。在實(shí)踐中可通過(guò)保溫或加熱等措施對(duì)層間溫度加以控制。1.焊條的加熱 焊條電弧焊時(shí)，加熱與熔化焊條的熱量來(lái)自于三方面：焊接電弧傳給焊條的熱能。；焊接電流通過(guò)焊芯時(shí)產(chǎn)生的電阻熱；焊條藥皮組分之間的化學(xué)反應(yīng)熱。一般情況下化學(xué)反應(yīng)熱很小，僅占總熱量的1%3%，對(duì)焊條的加熱熔化作用可以忽略不計(jì)。 焊接電弧傳給焊條的熱能占焊接電弧總功率的20%27%，它是加熱熔化焊條的主要能量。電弧對(duì)焊條加熱的特點(diǎn)是熱量集中于距焊條端部10mm以內(nèi)，沿焊條長(zhǎng)度和徑向的溫度很快下降，藥皮表面的溫度就比焊芯要低得多。 焊接電流通過(guò)焊芯所產(chǎn)生的電阻熱與焊接時(shí)的電流密度、焊芯的電阻及焊接時(shí)間有關(guān)。焊接電流通過(guò)焊芯所產(chǎn)生的電阻熱Q

40、R（單位J）為 QR=I2Rt試中 I-焊接電流，單位為A；R-焊芯的電阻，單位為t-電弧燃燒時(shí)間，電位為S。 電阻加熱的特點(diǎn)是從焊鉗夾特點(diǎn)至焊條端部熱量均勻分布。當(dāng)焊接電流密度不大，加熱時(shí)間不長(zhǎng)時(shí)，電阻熱影響可不考慮。但當(dāng)焊接電流密度過(guò)大、焊條伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)需要電阻熱的影響。當(dāng)電阻熱過(guò)大時(shí)，會(huì)使焊芯和藥皮溫升高，從而引起以下不良后果： 1）焊芯熔化過(guò)快產(chǎn)生飛濺； 2）藥皮開(kāi)裂并過(guò)早脫落，電弧燃燒不穩(wěn)； 3）焊縫形成變壞，甚至產(chǎn)生氣孔等缺陷； 4）藥皮過(guò)早進(jìn)行冶金反應(yīng)，喪失冶金反應(yīng)和保護(hù)能力； 5）焊條發(fā)紅變軟，操作困難。 因此，為了焊接過(guò)程的正常進(jìn)行，焊接時(shí)必須對(duì)焊接電流與焊條長(zhǎng)度加以限制。

41、焊芯材料的電阻交大時(shí)（如不銹鋼焊芯），應(yīng)降低焊接電流，加以控制。2.焊條金屬的熔化 焊條端部的焊芯熔化后進(jìn)入熔池，焊條金屬的熔化速度決定了焊條的生產(chǎn)率，并影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。焊條金屬的熔化速度可以用點(diǎn)位時(shí)間內(nèi)焊芯熔化的質(zhì)量來(lái)表示。試驗(yàn)證明，在正常的工藝條件下，焊條金屬的熔化速度與焊接電流成正比，即 Vm=m/t=PI試中Vm 焊條金屬的平均熔化速度，單位為g/h;M 熔化的焊芯質(zhì)量，單位為g;t電弧燃燒時(shí)間，單位為h;P焊條的熔化系數(shù)，單位為g/(h*A);I焊接電流，單位為A； P的物理意義是：熔焊過(guò)程中，單位電流、單位時(shí)間內(nèi)焊芯(或焊絲)的熔化量。實(shí)際焊接時(shí)，熔化的焊芯(或焊絲)金屬并不

42、是全部進(jìn)入熔池形成焊縫，而是有一部分會(huì)損失掉。我們把單位電流、單位時(shí)間內(nèi)焊芯(或焊絲)熔敷在焊件上的金屬量稱為熔敷系數(shù)(H)，可表示為：式中mH熔敷到焊縫中的熔敷金屬質(zhì)量，單位為g；H熔敷系數(shù)，單位為g/(hA)。 由于金屬蒸發(fā)、氧化和飛濺，焊芯(或焊絲)在熔敷過(guò)程中的損失量與熔化焊芯(焊絲)原有質(zhì)量的百分比叫做飛濺率()，可表示為：式中vH焊條的平均熔敷速度，單位為g/h。可見(jiàn)，熔化系數(shù)并不能真實(shí)的反應(yīng)焊條金屬的利用率和生產(chǎn)率，真正反映焊條利用率和生產(chǎn)率的指標(biāo)是熔敷系數(shù)。3.熔滴過(guò)渡的作用力熔滴是指焊接時(shí)，在焊條(或焊絲)端部形成的向熔池過(guò)渡的液態(tài)金屬滴。焊條金屬或焊絲熔化后，雖然加熱溫度超

43、過(guò)金屬的沸點(diǎn)，但其中只有一小部分(不超過(guò)10%)蒸發(fā)損失，而90%95%是以熔滴的形式過(guò)渡到熔池中去。熔滴通過(guò)電弧空間向熔池的轉(zhuǎn)移過(guò)程稱為熔滴過(guò)渡。在熔滴的形成、長(zhǎng)大及過(guò)渡的過(guò)程中，有多種力作用其上，常見(jiàn)的作用力有以下幾種： (1)重力熔滴因本身重力而具有下垂的傾向。平焊時(shí)重力可促進(jìn)熔滴過(guò)渡，立、仰焊時(shí)重力則阻礙熔滴過(guò)渡。(2)表面張力焊條金屬熔化后，在表面張力的作用下形成球滴狀。表面張力在平焊時(shí)阻礙熔滴過(guò)渡，在立、仰焊時(shí)，促進(jìn)熔滴過(guò)渡。表面張力的大小與熔滴的成分、溫度、環(huán)境氣氛和焊條直徑等因素有關(guān)。(3)電磁壓縮力焊接時(shí)，把熔滴看成由許多平行載流導(dǎo)體組成，這樣在熔滴上就受到由四周向中心的電磁

44、力，稱為電磁壓縮力。電磁壓縮力在任何焊接位置都能促使熔滴向熔池過(guò)渡。 (4)斑點(diǎn)壓力電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)(電子和陽(yáng)離子)在電場(chǎng)作用下向兩極運(yùn)動(dòng)，撞擊在兩極的斑點(diǎn)上而產(chǎn)生的機(jī)械壓力，稱斑點(diǎn)壓力。斑點(diǎn)壓力的作用方向是阻礙熔滴的過(guò)渡，并且正接時(shí)的斑點(diǎn)壓力較反接時(shí)大。(5)等離子流力電磁壓縮力使電弧氣流的上、下形成壓力差，使上部的等離子體迅速向下流動(dòng)產(chǎn)生壓力，稱等離子流力，它有利于熔滴過(guò)渡。(6)電弧氣體吹力焊條末端形成的套管內(nèi)含有大量氣體，并順著套管方向以挺直而穩(wěn)定氣流把熔滴送到熔池中。無(wú)論焊接位置如何，電弧氣體的吹力都有利于熔滴過(guò)渡。4.熔滴過(guò)渡的形式熔滴過(guò)渡的形式、尺寸、質(zhì)量和過(guò)渡的頻率等均隨焊接參

45、數(shù)變化而變化，并影響到焊接圖過(guò)程的穩(wěn)定性、飛濺情況、冶金反應(yīng)進(jìn)行的程度以及生產(chǎn)率。熔滴過(guò)渡分為滴狀過(guò)渡、短路過(guò)渡和噴射過(guò)渡三種形式，如圖1-9所示。 (1)滴狀過(guò)渡(顆粒過(guò)渡)熔滴呈粗大顆粒狀向熔池自由過(guò)渡的形式(圖1-9a)。滴狀過(guò)渡會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性，焊縫成形不好，通常不采用。(2)短路過(guò)渡焊條(焊絲)端部的熔滴與熔池短路接觸，由于強(qiáng)烈過(guò)熱和電磁收縮力的作用使其爆斷，直接向熔池過(guò)渡的形式(圖1-9b)。短路過(guò)渡時(shí)，電弧穩(wěn)定，飛濺小，成形良好，廣泛用于薄板和全位置焊接。 (3)噴射過(guò)渡熔滴呈細(xì)小顆粒，并以噴射狀態(tài)快速通過(guò)電弧空間向熔池過(guò)渡的形式(圖1-9c)。產(chǎn)生噴射過(guò)渡除要有一定的電流密度

46、外，還須有一定的電弧長(zhǎng)度。噴射過(guò)渡具有熔滴細(xì)、過(guò)渡頻率高、電弧穩(wěn)定、焊縫成形美觀及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。5.熔滴過(guò)渡時(shí)的飛濺熔焊過(guò)程中，大部分熔化金屬可過(guò)渡到熔池，部分熔化金屬顆粒和熔渣向周圍飛散而損失掉，叫飛濺，飛濺產(chǎn)生的原因有以下兩種：(1)氣體爆炸引起的飛濺由于冶金反應(yīng)時(shí)在液體內(nèi)部產(chǎn)生大量CO氣體，氣體的析出十分猛烈，造成液體金屬(熔滴和熔池)發(fā)生粉碎形的細(xì)滴飛濺。(2)斑點(diǎn)壓力引起的飛濺短路過(guò)渡的最后階段在熔滴和熔池之間發(fā)生燒斷開(kāi)路，這時(shí)的電磁力使熔滴向上飛去，引起強(qiáng)烈飛濺。母材的熔化及熔池 熔焊時(shí)，在熱源的作用下焊條熔化的同時(shí)母材也局部熔化。由熔化的焊條金屬和熔化的母材組成，具有一定幾何

47、形狀的液體金屬部分叫做熔池。在不加填充材料焊接時(shí)，熔池僅由熔化的母材組成；在加填充材料焊接時(shí)，熔池則由熔化的母材和填充材料共同組成。1.熔池的形狀和尺寸當(dāng)焊接過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，焊接參數(shù)不變時(shí)，熔池的尺寸與形狀不再變化，并與熱源作同步運(yùn)動(dòng)。熔池的形狀如圖1-10所示，接近于不太規(guī)律的半個(gè)橢球，輪廓為熔點(diǎn)溫度的等溫面。熔池的主要尺寸有熔池長(zhǎng)度L，最大寬度Bmax，最大熔深Hmax，其中Bmax即為焊縫寬度，稱為熔寬，Hmax為焊縫深度，稱為熔深。一般情況下，焊接電流增加，Hmax增加，Bmax減??；電弧電壓增加，Bmax增加，Hmax減小。熔池長(zhǎng)度L與電弧能量成正比，熔池存在的時(shí)間與熔池長(zhǎng)度成正比

48、，與焊速成反比。2.熔池的溫度熔池的溫度分布很不均勻，邊界溫度低，中心溫度高。在電弧下面的熔池表面溫度最高，在焊接鋼時(shí)可達(dá)2000以上，而其邊緣是固液交界處，溫度為被焊金屬的熔點(diǎn)(對(duì)鋼來(lái)說(shuō)為1500左右)。此外，在電弧運(yùn)動(dòng)方向的前方(即熔池頭部)輸入的熱量大于散失的熱量，溫度不斷升高，母材隨熱源運(yùn)動(dòng)不斷熔化；而熔池尾部輸入的熱量小于輸出的熱量，溫度不斷下降，熔池邊緣不斷凝固而形成焊縫，也就是說(shuō)熔池前后兩部分所經(jīng)歷的熱過(guò)程完全相反。 在討論冶金反應(yīng)時(shí)，為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，一般取熔池的平均溫度，熔池的平均溫度取決于被焊金屬的熔點(diǎn)和焊接方法，不同焊接方法的熔池平均溫度如表1-4所示。3.熔池金屬的流動(dòng)由于

49、熔池金屬處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其內(nèi)部金屬必然要流動(dòng)。熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)如圖1-11所示。引起熔池金屬運(yùn)動(dòng)的力分為以下兩大類：1)焊接熱源產(chǎn)生的電磁力、電弧氣體吹力、熔滴撞擊力等。2)由不均勻溫度分布引起的表面張力差和金屬密度差產(chǎn)生的浮力。焊縫金屬的熔合比與母材金屬的稀釋 熔焊時(shí)，熔化的母材在焊縫金屬中所占的百分比叫做熔合比，以符號(hào)表示。熔合比決定焊縫的成分，可用下式表示：式中Gm熔池中熔化的母材量，單位為g；GH熔池中熔敷的金屬量，單位為g。熔合比也可用熔化的母材在焊縫金屬中所占面積的百分比來(lái)表示，此時(shí)其計(jì)算公式如下：式中Am焊縫截面中母材所占的面積，單位為mm2； AH焊縫截面中熔敷金屬所占

50、的面積，單位為mm2。圖1-12為不同接頭形式的焊縫橫截面的熔透情況，所以熔合比又表示焊縫的熔透 在實(shí)際生產(chǎn)中，除自熔焊接和不加填充材料的焊接外，焊縫均由熔化的母材和填充金屬組成。由于母材與焊芯(或焊絲)的成分不同，當(dāng)焊縫金屬中的合金元素主要來(lái)自焊芯(如合金堆焊)時(shí)，局部熔化的母材將對(duì)焊縫金屬的合金成分起稀釋作用。因此，熔合比又稱為稀釋率，即熔合比越大，母材的稀釋作用越嚴(yán)重。由于母材金屬的稀釋，即使用同一種焊接材料，焊縫的化學(xué)成分也不盡相同。在不考慮由冶金反應(yīng)造成的成分變化時(shí)，焊縫的化學(xué)成分只取決于熔合比(稀釋率)。 熔合比(稀釋率)的大小與焊接方法、焊接參數(shù)、接頭形狀和尺寸、坡口形式及尺寸、

51、焊道層數(shù)、母材金屬的熱物理性質(zhì)等有關(guān)。當(dāng)焊接電流增加時(shí)，熔合比增大；電弧電壓或焊接速度增加，熔合比減小。在多層焊時(shí)，隨著焊道層數(shù)的增加，熔合比逐漸下降。但坡口形式不同時(shí)，下降的趨勢(shì)不同。在圖1-13中，表面堆焊()熔合比下降最快；V形坡口()次之；U形坡口()下降的最少。焊接熔渣焊接過(guò)程中，焊條藥皮、焊劑和非金屬夾雜互相熔解，經(jīng)化學(xué)變化形成覆蓋于焊縫表面的液態(tài)非金屬物質(zhì)稱為熔渣。它是冶金反應(yīng)的主要參與物之一，起著十分重要的作用，而焊后蓋在焊縫表面的固態(tài)熔渣叫焊渣。1.熔渣的作用熔渣在焊接過(guò)程中主要有以下三個(gè)作用：(1)機(jī)械保護(hù)作用焊接時(shí)，液態(tài)熔渣覆蓋在溶池表面，使之與空氣隔開(kāi)，阻止了空氣中有害

52、氣體的侵入。熔渣凝固后形成的渣殼覆蓋在焊縫上，可防止焊縫高溫金屬被空氣氧化，同時(shí)也減緩了焊縫金屬的冷卻速度。(2)改善焊接工藝性能熔渣中的易電離物質(zhì)可使電弧易引燃并保證電弧穩(wěn)定燃燒。熔渣適宜的物理、化學(xué)性質(zhì)可方便不同位置進(jìn)行操作，得到良好的焊縫成形，并可減少飛濺，改善焊渣的脫渣性，降低焊縫氣孔產(chǎn)生的機(jī)率。(3)冶金處理焊接熔渣與液態(tài)金屬之間可進(jìn)行一系列的冶金反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的成分和性能。通過(guò)冶金反應(yīng)，熔渣可清除焊縫中的有害雜質(zhì)，如氫、氧、硫、磷等，還可向焊縫過(guò)渡必要的合金元素，調(diào)整和控制焊縫的成分。2.熔渣的分類熔渣是一個(gè)多元的化學(xué)復(fù)合體系，按熔渣的組成不同，可將熔渣分為鹽型、鹽-氧化物

53、型和氧化型三類。(1)鹽型熔渣主要由金屬的氯化物、氟化物組成，如NaF、KF、NaCl、CaF2等。鹽型熔渣的氧化性很弱，主要用于焊接鋁、鈦和其他活性金屬及其合金。 (2)鹽-氧化物型熔渣主要由氟化物和金屬氧化物組成，如CaF2、CaO、Al2O3、SiO2等，這類熔渣氧化性也較弱，主要用于焊接各種合金鋼。 (3)氧化物型熔渣主要由各種氧化物組成，如TiO2、SiO2、MnO等，這類熔渣氧化性較強(qiáng)，主要用于焊接低碳鋼和低合金鋼。3.熔渣的物理性質(zhì)與堿度熔渣的物理性質(zhì)主要是指熔渣的熔點(diǎn)、密度、粘度、表面張力、脫渣性和透氣性等。這性質(zhì)對(duì)焊縫金屬的成形、電弧的穩(wěn)定性、焊接位置的適應(yīng)性、焊接缺陷的產(chǎn)生

54、等都有較大的影響。 (1)酸性氧化物如SiO2、TiO2、P2O5等。(2)堿性氧化物如K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO等。(3)中性氧化物如Al2O3、Fe2O3,Cr2O3。焊接熔渣中堿性氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總和與酸性氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和的比值，叫做焊接熔渣的堿度。熔渣堿度B的計(jì)算公式為堿度的倒數(shù)為酸度。理論上講，B1為堿性渣，但由于未考慮到各種氧化物酸堿性的強(qiáng)弱以及酸堿性氧化物間的復(fù)合情況，因而與實(shí)際有較大偏差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)修正為式中各種成分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，當(dāng)B11時(shí)為堿性渣，B1=1時(shí)為中性渣，B11時(shí)為酸性渣。E4303型焊條的熔渣B1=0.74為酸性；E5015型焊條

55、的熔渣B1=1.44為堿性。熔渣的堿度是判斷熔渣堿性強(qiáng)弱的指標(biāo)，對(duì)焊接化學(xué)冶金反應(yīng)，如元素的氧化與還原、脫硫、脫磷及液態(tài)金屬氣體的吸收等都有重要影響。綜合知識(shí)模塊四有害元素及合金元素對(duì)焊縫金屬的作用為使焊縫具有合格的使用性能并防止焊接缺陷，焊接時(shí)必須對(duì)焊縫中的有害元素加以控制。焊縫中的有害元素主要有氫、氮、氧、硫、磷等。在實(shí)際生產(chǎn)中，除了對(duì)有害元素進(jìn)行控制外，為了補(bǔ)償合金元素在焊接中的氧化、蒸發(fā)等損失，消除焊接工藝缺陷，或是滿足產(chǎn)品的某些特殊性能要求(如表面耐磨性、耐蝕性)，還需要通過(guò)焊接材料向焊縫中過(guò)渡一定的合金元素。氫對(duì)焊縫金屬的作用1.氫的來(lái)源氫主要來(lái)自于焊條藥皮或焊劑中的有機(jī)物、結(jié)晶水

56、或吸附水、焊件和焊絲表面上的油污、鐵銹等污染物、空氣中的水分等。高溫下，上述物質(zhì)將分解產(chǎn)生H2分子，H2分子可進(jìn)一步分解為氫原子。H2的分解度隨溫度升高而增大?；≈鶇^(qū)的溫度在5000K以上，H2的分解度可達(dá)90%以上，氫主要以原子的形式存在。而在熔池尾部，溫度僅有2000K，氫則主要以分子形式存在。2.氫對(duì)焊縫金屬的作用(1)氫與金屬的作用方式氫與金屬的作用方式可分為兩種，第一種是與某些金屬形成穩(wěn)定的氫化物，如ZrH2、TiH2、VH、TaH、NbH2等；第二種是與某些金屬形成間隙固溶體，如Fe、Ni、Cu、Cr、Al等。當(dāng)吸氫量不多時(shí)，氫與這些金屬形成固溶體；當(dāng)吸收氫量相當(dāng)多時(shí)，則形成氫化物

57、。(2)氫的溶解氫能溶解于Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等金屬中。氫向金屬中的溶解途徑因焊接方法不同而不同。氣體保護(hù)焊時(shí)，氫通過(guò)氣相與液態(tài)金屬的界面以原子或質(zhì)子的形式溶于金屬。電渣焊時(shí)，氫通過(guò)渣層溶入金屬。焊條電弧焊與埋弧焊時(shí)，上述兩種途徑兼而有之。 在碳鋼與低合金鋼中，氫不會(huì)形成穩(wěn)定的化合物，而主要以原子(少量以離子)的形式溶解在熔池中。氫在鐵中的溶解度與其在電弧氣氛中的濃度(以分壓pH表示)、溫度及金屬的晶體結(jié)構(gòu)、氫的壓力等因素有關(guān)，即電弧氣氛中pH增大，溶入溶池中的氫增加；氫在鐵中的溶解度隨溫度升高而加大，如在1350時(shí)氫在固態(tài)鐵中的溶解度是室溫下的10倍左右；當(dāng)金屬的狀態(tài)或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變

58、化時(shí)，氫的溶解度要發(fā)生突變。當(dāng)壓力一定時(shí)，氫的溶解度與溫度的關(guān)系如圖1-14所示。從該圖中可以看出，當(dāng)金屬?gòu)墓虘B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，溶解度急劇上升；此外，氫在相中的溶解度大大高于在相中的溶解度。(3)氫在焊縫金屬中的擴(kuò)散氫有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，H和H甚至在室溫下都能在固體金屬中擴(kuò)散。在鋼的焊縫中，氫大部分以氫原子或離子的狀態(tài)存在，與鐵形成間隙固溶體。由于氫原子或離子的半徑很小，擴(kuò)散能力強(qiáng)，一部分可在金屬晶格中自由擴(kuò)散，我們把能夠在焊縫區(qū)中自由擴(kuò)散的這一部分氫稱為擴(kuò)散氫；另外一部分氫擴(kuò)散到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜物邊緣的空隙處，結(jié)合成氫分子，因其半徑大，不能繼續(xù)擴(kuò)散而殘留在焊縫中，這部分氫稱為

59、殘余氫。 焊縫中總的含氫量是擴(kuò)散氫和殘余氫之和。焊后隨焊件放置時(shí)間的增加，擴(kuò)散氫的一部分逸出到焊縫外面，一部分變成殘余氫。隨著擴(kuò)散氫的逸出，焊縫中的擴(kuò)散氫減少，殘余氫增加，總的含氫量則下降，如圖1-15所示。通常所說(shuō)的焊縫中擴(kuò)散氫的含量是指焊后立即進(jìn)行測(cè)定所得的結(jié)果。3.氫對(duì)焊接質(zhì)量的影響氫是焊縫中的有害元素之一,氫的溶解與擴(kuò)散，會(huì)給焊接質(zhì)量帶來(lái)以下影響：(1)導(dǎo)致氫脆金屬因吸收氫而導(dǎo)致塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象稱為氫脆(氫脆性)。氫脆是溶解在金屬中的氫引起的，焊縫中的剩余氫擴(kuò)散，聚集在金屬的顯微缺陷內(nèi)，結(jié)合成分子氫，造成局部高壓區(qū)，阻礙塑性變形，使焊縫的塑性嚴(yán)重下降。氫脆的特點(diǎn)是金屬的塑性明顯下降，

60、而對(duì)強(qiáng)度的影響不大，往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)的整體破壞。焊縫中剩余氫含量越高，則氫脆性越大。經(jīng)過(guò)脫氫處理，可以使鋼的力學(xué)性能得到恢復(fù)。(2)產(chǎn)生白點(diǎn)鋼的焊縫在含氫量高時(shí)，常常在焊縫金屬的拉斷面上出現(xiàn)如魚(yú)目狀的一種白色圓形點(diǎn)，稱為白點(diǎn)。白點(diǎn)的直徑一般為0.55mm，其周圍為塑性斷口，中心有小夾雜物或氣孔，白點(diǎn)的產(chǎn)生與氫的擴(kuò)散、聚集有關(guān)。白點(diǎn)會(huì)使焊縫金屬的塑性大大降低，焊縫中含氫量越高，出現(xiàn)白點(diǎn)的可能性越大。如果含氫的焊縫在拉伸前進(jìn)行一定的熱處理，則在拉伸時(shí)就不出現(xiàn)白點(diǎn)。(3)形成氫氣孔熔池結(jié)晶時(shí)氫的溶解度突然下降，使氫在焊縫中處于過(guò)飽和狀態(tài)，并促使氫原子復(fù)合成氫分子，氫分子不溶于金屬，若來(lái)不及逸出，就會(huì)在