熔焊原理：焊接冶金缺陷.ppt

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1、熔焊原理：焊接冶金缺陷 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 2形成气孔的气体 构成气孔的气体，一是来自于周围介质，二是化学冶金反应的产物。按不同的来源，气体可以分为下述两种类型：1)高温时能大量溶于液体金属，而在凝固过程中溶解度突然下降的气体。如H2,N2。2)在熔池进行化学冶金反应中形成而又不溶解于液体金属中的气体。3氢气孔产生的原因及其特征 氢是还原性气体且扩散能力很强，在低碳钢焊缝中，气孔大都分布于焊缝表面，断面为螺钉状，内壁光滑，上大下小呈喇叭

2、口形。在焊条药皮组成物中含有结晶水，或焊接密度较小的轻金属时，氢气孔也会残留在焊缝内部。氢气孔是凝固过程中首先在枝晶间谷底部形成气泡。气泡形成后，一方面氢本身的扩散能力促使其浮出，另一方面又受到晶粒的阻碍与液态金属粘度的阻力，二者综合作用的结果，气孔就形成了上大下小的喇叭口形，并往往呈现于焊缝表面。熔焊原理：焊接冶金缺陷4一氧化碳气孔产生的原因及特征 CO主要是FeO、02或其它氧化物与C作用的产物。即 C十OCO FeO十CCO十Fe MnO十CCO十Mn SiOz十2C2CO十SiO 生成气孔的CO是在冶金反应后期形成的。熔池开始凝固后，液体金属中的碳和FeO的浓度随固相增多而加大，造成二

3、者在液体金属某一局部富集，浓度增加促进了式(42)的反 应进行，而生成一定数量的CO。这时形成的CO由于温度下降、液体金属粘度增加及冷却快等原因，难于从熔池中逸出，而被围困于树枝晶粒问。此外，式(42)的反应是吸热过程，促使冷速加大，对气体析出更为不利。熔焊原理：焊接冶金缺陷 CO气泡浮出的速度比氢气泡浮出速度低，因而CO气孔多在焊缝内部，沿结晶方向 分布，呈条虫状，内壁有氧化颜色。二、气孔形成的过程与影响因素 1气孔形成的过程 虽然不同的气体所形成的气孔不仅在外观与分布上各有特点，而且产生的冶金与工艺因素也不尽相同。但任何气体在熔池中形成气泡都是在液相中形成气相的过程，即服从于新相形成的一般

4、规律，也由形核与长大两个基本过程所组成。气泡长大需要两个条件：一是气泡的内压足以克服其所受的外压；二是长大要有足够的速度，以保证在熔池凝固前达到一定的宏观尺寸。气泡上浮由两个过程组成，首先气泡必须脱离所依附的现成表面，其难易程度与气泡和表面的接触情况有关。气泡上浮速度与下列因素有关：(1)气泡半径：r增加，气泡迅速提高。熔焊原理：焊接冶金缺陷 (2)熔池金属的密度1：1越大，气泡上浮的速度越高。(3)液体金属的粘度：值急剧上升，这时气泡浮出的速度明显降低。2影响气孔生成的因素和控制措施 (1)冶金因素对气孔的影响 冶金因素主要指与焊接冶金过程有关的因素，如被焊金属与填充金属的成分、熔渣的组成与

5、性质、电弧气氛的种类，以及铁锈、吸附水的有无等。对一定的产品来说，则主要是焊接材料的成分、保护方式、保护介质的性质、铁锈及水分等。1)熔渣氧化性的影响：氧化性过强会出现CO气孔，还原性过强则出现氢气孔。碱性焊条对CO气孔与氢气孔都更为敏感。因此，在用碱性焊条焊接时，需要更严格地控制气 体的来源。2)焊条药皮与焊剂组成物的影响。焊条药皮与焊剂的组成都比较复杂，依被焊材料不同而异。CaF 2对防止氢气孔是很有效的在含有CaF2的焊条药皮或焊剂中，为了稳定电弧而需加入K、Na等低电离电位物质，如 Na 2CO、K 2CO、熔焊原理：焊接冶金缺陷 KHCO 2、水玻璃等，这也会使气孔倾向加大。因为高温

6、时，K、Na对F的 亲和力比氢大，可将HF中的氢取代而生成更稳定的NaF或KF，而使氢呈游离状态，分压户H2上升所致。3)铁锈及水分等的影响。母材表面的氧化铁皮、铁锈、水分、油渍以及焊接材料中的水分也是导致气孔产生的重要原因，其中以母材表面的铁锈的影响最大。加热时氧化皮和铁锈中的高价氧化物及结晶水都要分解，产生O、Hz、H、及OH等。反应的结果，在增强了氧化作用的同时又提高了氢的分压，因而使CO气孔与氢气孔的倾向都有可能增大。对酸性焊条来说，少量的铁锈或氧化皮影响不大，这是因为酸性熔渣中FeO容易形成复化物，活度较低，不易向熔池中过渡。此外，酸性熔渣的氧化性比较强，所以对氢气孔也不很敏感。为此

7、，酸性焊条焊前焙烘温度比较低，一般规定为l 50一200。熔焊原理：焊接冶金缺陷 碱性焊条对铁锈及氧化皮等比较敏感，这主要是因为碱性熔渣中FeO活度较大，熔渣中FeO稍有增加，焊缝中的FeO就明显增多。因此用碱性焊条焊接时，为了防止气孔，要求对工件表面进行较严格的清理。此外，碱性焊条对水分也很敏感，因为这类焊条熔池脱氧比较完全，不具有CO气泡沸腾而排除氢气的能力，熔池中一旦溶解了氢就很难排出。一般称碱性焊条为低氢型焊条，这是因为焊条药皮中含有较多的碳酸盐，而且不含有机物，焊接时弧柱气氛中氢的分压很低，从而保证了焊缝中扩散氢含量也很低；但这并不表示碱性焊条具有较强的脱氢能力。如果由于某种原因使弧

8、柱区氢的分压提高，还是要产生氢气孔。为了防止由水分而引起的气孔，碱性焊条要求在350400下烘干，这样不仅可清除吸附水，还可除去某些药皮组成物中的结晶水。(2)工艺因素对气孔的影响 1)焊接线能量 2)电流的种类和极性。熔焊原理：焊接冶金缺陷 3)点固焊或定位焊。实际生产表明，点固焊的部位很容易出现气孔，这主要是因保护不好、冷却速度高所致。4)其它操作上的因素。焊前清理、焊条(焊剂)的焙烘、操作技术的熟练程度等都对气孔倾向有影响。焊缝中的夹杂物 焊缝中的夹杂物，系指由于焊接冶金反应产生的、焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂质(如氧化物、硫化物等)。一、夹杂物的种类及危害1氧化物夹杂 在焊接一般

9、钢铁材料时，焊缝中或多或少地存在了一些氧化物夹杂，其主要组成是SiO2。其次是MnO、TiO2及Al2O 3等，一般以硅酸盐的形式存在。这类夹杂物的熔点大都比母材低、在焊缝凝固时最后凝固，因而往往是造成热裂纹的主要原因。氧化物夹杂主要是由熔池中的FeO与其它元素作用而生成的，只有少数是因工艺不当而从熔渣中直接混人。因此，熔池脱氧越完全，焊缝中氧化物夹杂就越少。熔焊原理：焊接冶金缺陷 2硫化物夹杂 硫化物主要来自焊条药皮或焊剂原材料，经过冶金反应而过渡到熔池中。当母材或焊丝中含硫量偏高时，也会形成硫化物夹杂。钢中的硫化物夹杂主要是以MnS和FeS形式存在，其中FeS的危害更大。硫在铁中的溶解度随

10、温度下降而降低，当熔池中含有较多的硫时，在冷却过程中硫将从固溶体中析出并与Mn、Fe等反应而成为硫化物夹杂。3 氮化物夹杂 氮主要来源于空气，只有在保护不良时才会出现较多的氮化物夹杂。在焊接低碳钢和低合金钢时，氮化物夹杂主要以FeN的形式存在。FeN一般是在时效过程中从过饱和固溶体中析出的，以针状分布在晶内或晶界。当氮化物夹杂较多时，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性明显下降。二、防止焊缝中形成夹杂物的措施 夹杂物的危害性与其分布状态有关。一般来说，分布均匀的细小显微夹杂物，对塑性和韧性的影响较小，还可使焊缝的强度有所提高。所以，需采取措施加以防止的乃是宏观的大颗粒夹杂物。防止夹杂物的主要措施是

11、控制其来源，即应从冶金方面人手，正确选择焊条与焊剂的渣系，以保证熔池能进行较充分的脱氧与脱硫。熔焊原理：焊接冶金缺陷 此外，对母材、焊丝及焊条药皮(或焊剂)原材料中杂质含量应严加控制，以杜绝夹杂物的来源。工艺方面的措施主要是为夹杂物从熔池中浮出创造条件。具体措施主要有：1)选用合适的线能量，保证熔池有必要的存在时间。2)多层焊时，每一层焊缝(特别是打底焊缝)焊完后，必须彻底清理焊缝表面的焊渣，以防止残留的焊渣在焊接下一层焊缝时进入熔池而形成夹杂物。3)焊条电弧焊时，焊条作适当摆动以利于夹杂物的浮出。4)施焊时注意保护熔池，包括控制电弧长度。熔焊原理：焊接冶金缺陷 焊接裂纹的分类及基本特点 一、

12、焊接裂纹的危害 裂纹是危害最严重的焊接缺陷。这主要因为裂纹两端的缺口效应造成了严重的应力集中，很容易扩散而形成宏观开裂或整体断裂。二、焊接裂纹的分类 1、焊接热裂纹 在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹，叫做焊接热裂纹。2、焊接冷裂纹 焊接接头在冷却到较低温度下时产生的焊接裂纹，叫做焊接冷裂纹。3、消除应力裂纹 4、层状撕裂熔焊原理：焊接冶金缺陷焊接热裂纹金属在产生焊接热裂纹的高温下，晶界强度低于晶粒强度，因而热裂纹具有沿晶界开裂的特征。热裂纹可分为结晶裂纹、高温液化裂纹等。一、焊缝中的结晶裂纹 1结晶裂纹的特征与产生的原因 (1)结晶裂纹的特征 结晶裂纹又叫

13、凝固裂纹，主要产生于焊缝凝固过程中。当冷却到固相温度附近时，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶界开裂。结晶裂纹主要产生在含杂质(S、P、C、Si)偏高的碳钢、低合金钢以及单相奥氏体钢、镍基合金与某些铝合金焊缝中。结晶裂纹表面无金属光泽，带有氧化颜色，焊缝表面的宏观裂纹中往往填满焊渣。结晶裂纹的上述特征，说明其形成温度是在焊缝金属凝固后期熔渣尚未凝固的高温阶段。熔焊原理：焊接冶金缺陷(2)结晶裂纹产生的原因1)焊缝金属在结晶过程中塑性的变化。液固阶段。固液阶段。完全凝固阶段。2)产生结晶裂纹的力作用。脆性温度区间的存在是产生结晶裂纹的主要根源，而力的作用是产

14、生结晶裂纹的必要条件。(3)结晶裂纹形成的条件由上述条件还可以推断出，焊缝金属在脆性温度区间实际拉伸应变随温度变化的增长率越大，裂纹倾向越大；而焊缝金属本身的变形能力min越小，裂纹倾向也越大。此外，Tb的宽度越宽，特别是其下限的温度越低，裂纹倾向也越大。其间关系如图414所示。因此，在实际生产中判断结晶裂纹倾向时，必须综合考虑脆性温度区7的宽度，焊缝金属在T间的塑性及在Tb间应变的增长率三个因素的影响。熔焊原理：焊接冶金缺陷2结晶裂纹的影响因素(1)冶金因素对结晶裂纹的影响硫、磷。硫和磷都是提高结晶裂纹敏感性的元素。钢中含有微量的硫或磷，结晶温度区间明显加宽其次，硫和磷能在钢中形成多种低熔点

15、共晶，这些共晶在焊缝金属凝固后期形成液态薄膜；最后，硫和磷都是偏析度较大的元素，容易在局部富集，更有利于形成低熔点共晶或化合物。碳.碳是钢中必不可少的元素，但在焊接时也是提高结晶裂纹敏感性的主要元素。碳不仅本身会造成不利影响，而且促使硫、磷的有害作用加剧。锰。锰可以脱硫，脱硫产物MnS不溶于铁可进入熔渣，少量残留在焊缝金属中呈弥散分布，对钢的性能无明显影响。因此，在一般钢焊缝中锰可以抑制硫的有害作用，有助于提高焊缝的塑性，因而可提高其抗结晶裂纹的能力。熔焊原理：焊接冶金缺陷硅。硅对结晶裂纹的影响依含量不同而不同。硅是相形成元素，含量较低时有利于 防止结晶裂纹。但当si042时，由于会形成低熔点

16、的硅酸盐，反而使裂纹倾向加大。2)易熔相的影响。晶界存在易熔第二相是生成结晶裂纹的重要原因，但也与其分布形式有关。易熔相在凝固后期以液态薄膜形式存在时裂纹倾向明显增大；而若以球状分布时，则裂纹倾向显著减小。与基本组元完全互溶的元素B对结晶裂纹倾向影响较小(图420a)。与基本组元有限互溶的B元素，随含量的增加裂纹倾向开始时增大。元素增加到一定值后，裂纹倾向开始下降(图420b)。与基本组元基本不互溶，但能形成机械混合物的元素月含量极少时，就会使裂纹倾向急剧加大(图420c)。与基本组元完全不互溶的元素月对结晶裂纹倾向无明显影响(图420d)。(2)力的因素对结晶裂纹的影响力的因素也受到许多方面

17、的影响，其中包括结构的几何形状、尺寸和复杂程度、焊接顺序、装配焊接方案以及冷却速度等。在产品结构一定时，可从工艺方面对力的因素加以控制。熔焊原理：焊接冶金缺陷3防止结晶裂纹的措施 防止结晶裂纹主要从冶金和工艺两个方面着手，其中冶金措施更为重要。(1)防止结晶裂纹的冶金措施 1)控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。2)对熔池进行变质处理。1)调整焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数。2)调整冷却速度。冷速越高，变形增长率越大，结晶裂纹倾向也越大。3)调整焊接顺序，降低拘束应力。接头刚性越大，焊缝金属冷却收缩时受到的拘束应力也越大。二、热影响区液化裂纹焊接过程中，在焊接热循环峰值温度作用下，

18、在母材近缝区与多层焊的层间金属中，由于低熔点共晶被加热熔化，在一定收缩应力作用下沿奥氏体晶界产生的开裂，即为液化裂纹。熔焊原理：焊接冶金缺陷防止液化裂纹的主要措施如下：(1)选用对液化裂纹敏感性较低的母材。(2)减小焊缝的凹度(3)采用较小的线能量 母材过热往往是产生液化裂纹的重要原因之一，降低线能量可以减小液化裂纹的倾向。熔焊原理：焊接冶金缺陷焊接冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下(对于钢来说在Ms温度以下)时产生的裂纹，统称为冷裂纹。一、冷裂纹的特征 1冷裂纹的形成温度冷裂纹形成的温度大体在l00一一100c之间2产生冷裂纹的材料冷裂纹多产生于有淬硬倾向的低合金高强度钢和中、高碳钢的焊接接头。

19、3冷裂纹的断口特征 宏观上冷裂纹的断口具有脆性断裂的特征，表面有金属光泽，呈人字形态发展。从微观上看，裂纹多起源于粗大奥氏体晶粒的晶界交错处。与热裂纹单一的沿晶界断裂不同，冷裂纹可以沿晶界扩展，也可以穿晶扩展，常常是晶间与晶内断裂的混合。熔焊原理：焊接冶金缺陷4冷裂纹产生的时间 冷裂纹有些出现在焊接过程中，但较多的是在焊后延续一段时间才产生。延迟的时间可能是几小时、几天或十几天。一般把有延迟现象的裂纹叫做延迟裂纹。5冷裂纹的分布(1)焊道下裂纹(2)焊趾裂纹(3)焊根裂纹(4)横向裂纹二、形成冷裂纹的基本因素及其作用1形成冷裂纹的三个基本因素(1)氢的影响(2)钢种的淬硬倾向(3)焊接接头的拘

20、束应力熔焊原理：焊接冶金缺陷根据起主要作用的因素之不同，将冷裂纹按钢种与结构之不同又分为以下三类：1)延迟裂纹。其主要特点是裂纹不在焊后立即出现，延迟现象的产生与扩散氢的活动有密切关系。2)淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹)。主要出现在淬硬倾向很大的钢种，在应力作用下即使没有氢的诱发也会形成开裂。3)低塑性脆化裂纹 某些塑性较低的材料(如铸铁)，在冷至低温时，由于收缩时引起的应变超过其本身的变形能力而产生开裂。2三个因素的作用及其关系(1)氢在开裂过程中的作用 1)氢在金属中的溶解与扩散。2)焊缝金属结晶过程中氢的溶解与扩散。(2)氢与力的共同作用产生延时现象氢逐渐向开裂部位扩散、集中、结合成分子并

21、形成一定压力的过程。开始时，氢的分布相对比较均匀，在热应力和相变应力作用下金属中出现一些微观缺陷，氢开始向缺陷前沿高应力部位迁移。焊缝中氢的平均浓度越高，则迁移的氢数量越多，迁移的速度也越高。当氢聚集到发生裂纹所需要的临界浓度时，便开始产生微裂。由于裂纹尖端的应力集中，促使氢进一步向尖端熔焊原理：焊接冶金缺陷高应力区扩散，裂纹扩展。氢的扩散、聚集并达到临界浓度都需要时间，这就形成了裂纹的延时特征。3钢材淬硬倾向的作用 马氏体是典型的淬硬组织，这是由于间隙原子碳的过饱和，使铁原子偏离平衡位置，品格发生明显畸变所致。组织对冷裂纹的敏感性，大致按下列顺序递增。铁素体或珠光体贝氏体条状马氏体马氏体十贝

22、氏体针状马氏体。马氏体对冷裂纹的影响除了其本身的脆性外，还与不平衡结晶所造成的较多品格缺陷有关。这些缺陷在应力作用下会迁移、集中，而形成裂源。裂源数量增多，扩展所需能量又低，必然使冷裂纹敏感性明显增大。三、防止冷裂纹的措施1选用对冷裂纹敏感性低的母材2严格控制氢的来源1)选用优质焊接材料或低氢的焊接方法。2)严格按规定对焊接材料进行焙烘及进行焊前清理工作。3提高焊缝金属的塑性和韧性熔焊原理：焊接冶金缺陷具体的方法有：1)通过焊接材料向焊缝过渡Ti、Nb、Mo、V、B、Te或稀土元素来韧化焊缝，利用焊缝的塑性储备减轻热影响区的负担，从而降低整个接头的冷裂纹敏感性。2)采用奥氏体焊条焊接某些淬硬倾向较大的中、低合金高强度钢，也可较好地防止冷裂纹。4焊前预热影响预热温度的因素有以下几方面：(1)钢种的强度等级(2)焊条类型(3)坡口形式(4)环境温度 5控制焊接线能量6焊后热处理熔焊原理：焊接冶金缺陷熔焊原理：焊接冶金缺陷熔焊原理：焊接冶金缺陷熔焊原理：焊接冶金缺陷