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焊接概念及原理ppt

发布日期:2020-06-14 20:27 作者:赌钱网址 点击:

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  (3)氧气对金属的作用 氧在金属中的溶解 氧是以原子氧和氧化亚铁(FeO)两种形式溶于液态铁中的。如果与液态铁平衡的是纯FeO熔渣,温度升高时,氧在液态铁中的溶解度增大。当液态铁中含有合金元素时,随着合金元素含量的增加,氧的溶解度下降。 气体对金属的氧化 焊接时焊接区的氧化性气体如O2、H2O、CO2以及它们的混合气体在各个反应区与金属发生氧化反应,导致合金元素烧损,并使焊缝增氧,降低焊接接头的性能。 氧对焊接质量的影响 焊接过程中,即使母材和焊接材料的含氧量很低,但是由于气相、熔渣与金属反应的结果,焊缝的含氧量总是增加的。 氧在焊缝金属中以溶解状态和氧化物夹杂两种形式存在,通常所说的焊缝含氧量是指总含氧量而言的,一般溶解在钢中的氧很少,绝大部分氧是以夹杂物的形式存在的。但是,氧在焊缝中不论以何种形式存在,对焊缝的性能都有很大的影响。随着焊缝含氧量的增加,其强度、塑性、韧性明显下降;尤其是焊缝金属的低温冲击韧性急剧下降。此外,还会引起焊缝金属的时效硬化、红脆、冷脆以及物理及化学性能的变化。特别是在焊接有色金属,难熔金属时,氧的有害作用就更大。 在熔池阶段,溶解的氧与碳发生冶金反应,反应产物是不溶于金属的CO,如果在熔池进行凝固时CO气泡来不及逸出,就会形成CO气孔。 控制氧的措施 采用纯度高的焊接材料 在焊接活性金属及某些合金钢时,应尽量采用不含或少含氧量的焊接材料。例如,采用低氧或无氧焊条、焊剂;采用高纯度的惰性气体作为保护气体;或者采用真空条件下焊接,这样可以降低焊缝金属的含氧量。 控制焊接工艺参数 焊条电弧焊时增加电弧电压使空气容易侵入电弧,并且增加了氧与熔滴接触的时间,致使焊缝含氧量增加,所以,为了减少焊缝含氧量应尽量采用短弧焊。此外,焊接方法、焊接电流种类和极性以及熔滴过渡特性等对于焊缝含氧量也有一定的影响。采用控制焊接工艺参数来减少焊缝含氧量的办法是很有限的。 采用冶金方法脱氧 可通过向焊丝或焊条药皮中加入某种合金元素,使这些合金元素在焊接过程中首先被氧化,从而保护被焊金属及其合金元素不被氧化。这种措施在生产实际中是行之有效的。 三、焊接熔渣 焊接时焊条药皮、药芯和焊剂受热熔化并通过化学反应形成的多种物质组成的体系就是焊接熔渣。熔渣与液体金属发生一系列的物理化学反应,这些反应在很大程度上决定了焊缝的成分和性能,在焊接过程中有非常重要的作用。 1、熔渣的作用 (1)机械保护作用 焊接时形成的液态熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上,把液态金属与空气隔离开,保护液态金属不被氧化和氮化。熔渣凝固后所形成的渣壳覆盖在焊缝金属上,可以使高温的焊缝金属不受空气的有害作用。 (2)改善焊接工艺性能 在熔渣中加入某些物质可以使电弧容易引燃、稳定燃烧,减少飞溅,保证具有良好的操作性、脱渣性和焊缝成形等。 (3)冶金处理作用 在一定的条件下,熔渣可以去除焊缝中的有害杂质,如氧、硫、磷以及氢等。还可向焊缝金属过渡有益的合金元素,实现焊缝金属的合金化,提高焊缝金属的性能。 2、熔渣的成分及结构 根据焊接熔渣的渣系主要成分和特点,可将焊接熔渣分为三大类,即盐型熔渣、盐-氧化物型熔渣和氧化物型熔渣。 熔渣的结构理论有两种:分子理论、离子理论 3、熔渣的性能 碱度:酸性、碱性 粘度:对焊接的工艺性能、金属的保护、焊缝成形以及焊接冶金反应都有显著的影响。(长渣、短渣) 表面张力:熔渣的表面张力就是气相与熔渣之间的界面张力,它对熔滴过渡、脱渣性、焊缝成形及冶金反应有着重要的影响。 熔点:要求熔渣的熔点(或焊条药皮的熔点、焊剂的熔点)与焊丝和母材的熔点相匹配,以满足焊接工艺性能和焊接质量的要求。 §1.2.3 焊接接头的组织及性能 熔化焊时,被焊材料在高温热源作用下,发生了局部熔化,并与熔化的填加材料混合形成具有一定几何形状的液态金属,称之为熔池,在此过程中,发生了冶金反应。当热源离开后,熔池开始冷却结晶、凝固及固态相变,最终形成焊缝。靠近熔池的金属,由于经历了焊接高温热源的热循环作用,其组织和性能也会发生变化,这一区域称之为焊接热影响区(Heat Affected Zone,简称HAZ)或近缝区。介于焊缝和热影响区之间的过渡区称为熔合区。焊接接头主要是由焊缝和热影响区组成的,如下图所示。由于焊接接头各组成部分经历的焊接热循环作用是不同的,所以会形成不同的微观组织,有时甚至会产生缺陷,从而影响到整个接头的作用。在很多情况下,焊接热影响区的质量与焊缝质量是同等重要的,有些金属的焊接热影响区存在的问题比焊缝更要复杂。 焊接接头组成示意图 1-焊缝 2-熔合区 3-热影响区 4-母材 焊缝凝固时的晶粒主要是柱状晶和少量等轴晶,焊接熔池完全凝固以后,随着冷却过程的继续进行,对于钢铁材料来讲,焊缝金属将发生组织转变。转变后的组织根据焊缝的化学成分和冷却条件不同而不同。 对于低碳钢焊缝来说,由于其含碳量较低,固态相变后的结晶组织主要是铁素体加少量珠光体。铁素体一般都是首先沿原奥氏体边界析出,这样就勾勒出凝固组织的柱状轮廓,其晶粒十分粗大。 低合金钢焊缝的固态相变组织。低合金钢焊缝固态相变后的组织化学成分和冷却条件不同,焊缝中可形成铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体,而且各自还可表现出不同的形态,从而对焊缝金属的性能具有十分重要的影响。 1、焊缝组织及性能 2、焊缝组织及性能的控制 冶金方面的措施:就是通过向焊缝中添加合金元素,起固溶强化和变质处理(Modification)的作用,来改善焊缝金属凝固组织的方法。这些合金元素主要有锰、硅、钛、硼、钼、铌、钒、锆、铝以及稀土元素等。 焊接工艺方面的措施: 调整焊接工艺参数可以控制焊缝组织和性能; 振动结晶; 焊后热处理可以改善整个焊接接头的组织,可充分发挥焊接结构的潜在性能。 对于相同板厚焊接结构,采用多层焊接可以有效地提高焊缝金属的性能。 锤击焊道表面既能改善后层焊缝的凝固结晶组织,也能改善前层焊缝的固态相变组织。 跟踪回火就是每焊完一道焊缝立即用气焊火焰加热焊道表面,温度控制在900~1000℃左右。采用跟踪回火,不仅改善了焊缝的组织,同时也改善了整个焊接区的性能,因此焊接质量得到显著的提高。 3、焊接热影响区的组织和性能 焊接热影响区各点因距离焊缝远近不同,因此各点经历的焊接热循环也是不同的,获得组织也就不同。另外,不同钢种即使经历的热循环相同,其热影响区获得的组织也不同。焊接结构用钢一般可分为两类:一类是淬火倾向较小的钢,如低碳钢和某些低合金钢,称为不易淬火钢;另一类钢含碳量较高或者合金元素较多,淬火倾向大,如中碳钢、低碳调质钢、中碳调质钢等,称为易淬火钢。因两类钢淬火倾向不同,获得的组织也不同 不易淬火钢焊接热影响区主要由熔合区、过热区、相变重结晶区和不完全重结晶区。 易淬火钢焊接热影响区的组织分布。对于焊接淬硬倾向较大的钢种,包括低碳调质高强钢、中碳钢和中碳调质高强钢,焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。如果母材焊前是正火或退火状态,则焊后热影响区的组织由完全淬火区和不完全淬火区组成,如果母材焊前热处理状态是调质,那么焊接热影响区的组织除了上述的完全淬火区和不完全淬火区之外,还可能发生不同程度的回火处理,称为回火区。 4、热影响区的性能 热影响区由于组织分布是不均匀的,导致其性能的分布也是不均匀的。焊接热影响区与焊缝不同,焊缝可以通过化学成分的调整再配合适当的焊接工艺来保证性能的要求,而热影响区性能不可能进行成分上的调整,它是在焊接热循环作用下才产生的不均匀性问题。对于一般焊接结构来讲,主要考虑热影响区的硬化、脆化、韧化、软化,以及综合的力学性能、抗腐性能和疲劳性能等,有些结构还要考虑高温性能等。这要根据焊接结构的具体使用要求来决定。 金属是依靠金属键结合在一起的。由图1可以看到,两个原子间的结合力的大小是引力与斥力共同作用的结果。当原子间的距离为rA时,结合力最大。对于大多数金属,rA≈0.3~0.5nm,当原子间的距离大于或小于rA时,结合力都显著降低。从理论来讲,为了实现材料原子之间的连接,就是当两个被连接的固体材料表面接近到相距rA时,就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程,从而形成键合。然而,事实上即使是经过精细加工的表面,在微观上也是凹凸不平的,更何况在材料表面上还常常带有氧化膜、油污和水分等吸附层。这样,就会阻碍材料表面的紧密接触。 * 为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素,在焊接工艺上采取以下两种措施: (1)对被焊材料施加压力 其目的是破坏接触表面的氧化膜,使结合处增加有效的接触面积,从而达到紧密接触。 (2)对被焊材料加热 对于金属来说,结合处达到塑性或熔化状态时接触面的氧化膜就会迅速被破坏,降低金属变形的阻力,加热也会增加原子的振动能,促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。 根据压力与温度的不同配合,在工程上已获得很多广泛应用的焊接方法,尽管实现焊接的方法和手段不同,但它们所达到的效果是相同的,即实现原子间的冶金结合。 * * 1.熔焊,也有称熔化焊,是将被焊件在待焊处的局部加热熔化,连接处的界面熔合,然后冷却结晶形成焊缝的焊接方法。熔焊方法需要一个或多个能量密度足够高的热源加热金属材料使之熔化。根据焊接热源的不同,熔焊方法又可细分为:以化学热作为热源的气焊、铝热焊;以熔渣电阻热作为热源的电渣焊;以电弧作为主要热源的电弧焊,包括焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护电弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊等;以高能束作为热源的电子束焊和激光焊等。 熔焊时,被焊材料局部是在不承受外加压力的情况下被加热熔化,需要在焊接区采取有效的隔离空气的措施,焊接接头要经历复杂的冶金过程,两种被焊材料之间必须具有必要的冶金相容性。 近年来,激光+电弧的双热源焊接工艺是熔化焊方法较新的技术发展。 2.压焊,也有称压力焊,是在焊接过程中必须对焊件施加压力(加热或不加热)以完成焊接的连接方法。其中,施加压力的大小同材料的种类、焊接温度、焊接环境和介质等因素有关,而压力的性质可以是静压力、冲击压力或爆炸力。 多数压焊过程中,焊接区金属仍处于固相状态,依赖于在压力(不加热或伴以加热)作用下产生的塑性变形、再结晶和扩散等作用形成接头,强调压力对形成连接接头的主导作用。但是,采用加热可促进焊接过程的进行和更易于实现焊接。在少数压力焊过程中(电阻点焊、电阻缝焊等),焊接区金属已经熔化并同时被施加压力:加热→熔化→冶金反应→凝固→固态相变→形成接头,类似于熔化焊的一般过程。但是,通过对焊接区施加一定的压力可以提高焊接接头的质量。 压焊种类繁多,包括锻焊、电阻焊、高频感应焊、冷压焊、超声波焊、摩擦焊、爆炸焊等。 近年来,压焊方法新的技术发展主要有搅拌摩擦焊、激光辅助搅拌摩擦焊和激光-高频焊等复合焊接工艺。 3.钎焊,是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属或合金作钎料,经过加热使钎料熔化而母材不熔化,液态钎料通过毛细作用填充接头接触面的间隙,润湿被焊材料表面,通过液相与固相之间相互扩散而实现连接。钎焊的热源可以是化学反应热,也可以是间接热能。根据使用钎料的熔点的高低,钎焊方法又可分为硬钎焊和软钎焊,其中硬钎焊使用的钎料熔点高于450℃,软钎焊使用的钎料熔点低于450℃。根据钎焊的热源和保护条件的不同也可分为:火焰钎焊、感应钎焊、炉钎焊、浸沾钎焊、电阻钎焊等。钎焊加热温度较低,母材不熔化。但焊前必须采取一定的措施清除被焊工件表面的油污、灰尘、氧化膜等。这是使工件润湿性好、确保接头质量的重要措施。钎焊时由于加热温度比较低,故对工件材料的性能影响较小,焊件的应力变形也较小。但钎焊接头的强度一般比较低,耐热能力较差。目前,由于用含铅钎料钎焊的电子产品大量废弃,其中的铅会污染地下水及环境,因此无铅钎料钎焊是钎焊技术发展的一个重要方向。 * * 上述两方面的问题使光焊丝无保护焊接在工程中没有实用价值。因此,焊接化学冶金的首要任务就是对金属加强保护,使其免受空气中气体的有害作用,从而减少焊缝中有害杂质的含量,减少有益合金元素的损失,使焊缝金属得到合适的化学成分,提高焊接质量。 * 1 药皮反应区 药皮反应区是指焊条端部药皮开始反应的温度至药皮熔点之间的区域,对于结构钢焊条来说这一区域的温度范围是从100℃至1200℃。药皮反应区发生的反应主要是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。药皮反应阶段的反应产物为熔滴阶段及熔池阶段提供了反应物。这一阶段对于整个焊接化学冶金过程和焊接质量有着重要的影响。 2 熔滴反应区 熔滴反应区是指从熔滴的形成、长大到过渡到熔池中这一阶段。熔滴反应区进行的反应主要有气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原以及焊缝金属的合金化等。这个反应区与炼钢冶金相比,具有熔滴温度高、过热度大、相接触面积大、反应时间短以及各相之间强烈混合等特点。熔滴反应区的冶金反应最激烈,许多冶金反应可以进行到接近终了的程度,因此对于焊缝成分的影响很大。 3 熔池反应区 熔池反应区是指由熔滴、熔渣和熔化的母材相混合所形成的反应区。熔滴和熔渣落入到熔池后,各相之间仍然进行着复杂的物理化学反应,直至温度降低,熔池金属凝固而形成焊缝金属。熔池反应区有具有反应不同步、反应速度低、熔池存在时间长、有一定的搅拌作用、熔池反应物不断更新以及药皮重量系数的影响熔池反应邓特点。熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小,并且在全部的冶金中,熔池阶段的作用比较小。 总之,焊接化学冶金过程是电弧气氛、熔渣与液态金属之间的高温多相反应。它在各阶段上进行冶金反应的综合结果,决定了焊缝金属的化学成分,从而影响着焊接接头的力学性能与焊接质量。 * 调整熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。因此,在堆焊时可调整焊接工艺参数使熔合比尽可能的小,以减少母材成分对堆焊层性能的影响。在异种钢焊接时,熔合比对焊缝的成分及性能的影响更大,因此应当根据熔合比进行焊接材料的选择。 * 焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。虽然不同的焊接方法都有着保护措施,但是空气中的氮总是或多或少地会侵入焊接区,与熔化金属发生作用。 * * (1)盐型熔渣 主要由氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。常用的渣系有CaF2-NaF,CaF2-BaCl2-NaF,KCl-NaCl-Na3AlF6,BaF2-MgF2- CaF2-LiF等。此类熔渣的特点是氧化性很小。主要用于铝、钛和其他化学活性金属及其合金的焊接。也可用于含活性元素的高合金钢的焊接。 (2)盐-氧化物型熔渣 主要由氟化物和强金属氧化物组成。常用渣系有:CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3-SiO2等。此类熔渣的氧化性比较小,有较好的除氢作用,可用于焊接合金钢等重要结构件。 (3)氧化物型熔渣 主要由金属氧化物组成。典型的渣系有MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。此类渣系的特点是含有较多的弱氧化物,如MnO、SiO2等,氧化性较强,主要用于焊接低碳钢和低合金钢的一般构件。 * 熔渣的粘度取决于熔渣的成分和温度,而实质上取决于熔渣的内部结构。熔渣结构越复杂,阴离子尺寸越大,熔渣指点的运动越困难,熔渣的粘度就越大。如果熔渣中含有固态颗粒使熔渣流动受阻,也会造成熔渣粘度增大。 熔渣粘度与温度的关系如图7-4所示,可以看出,随着温度的升高,熔渣粘度下降。图示的酸性渣粘度曲线下降比较缓慢,而碱性渣粘度曲线下降比较迅速。当这两种渣的粘度都变化⊿η时,含SiO2多的酸性渣对应的温度变化⊿T2较大,即凝固时间长,称为长渣。长渣不适于仰焊。而碱性渣粘度变化⊿η时,对应的温度变化⊿T1较小,即凝固时间短,称为短渣。低氢型和氧化钛型焊条的熔渣属于短渣,适用于全位置焊接。 * 承受多层焊或热处理的焊缝金属将会得到改善的作用,使焊缝获得细小的铁素体和少量珠光体,并使柱状晶组织遭到破坏。一般使钢中柱状晶消失的临界温度约在A3点以上20~30℃,但在多层焊时由于受热的温度和时间不同,故柱状晶消失的程度是不均匀的。 * 控制焊接质量的主要目标就是控制焊缝性能,而焊缝性能又取决于焊缝组织,因此,本节讨论如何采用合理措施控制焊缝组织来获得良好的焊缝综合力学性能。优良的焊缝综合力学性能不但要求焊缝具有足够高的强度,还要求具有足够高的韧性。实际焊接生产中,采用的方法主要措施有冶金方面和焊接工艺方面两类。 冶金方面的措施: A.Mn和Si是焊缝中常用的合金化元素。它们一方面可使焊缝金属脱氧,另一方面可提高焊缝的抗拉强度(属于固溶强化),但对韧性的影响比较复杂。 B.适量的V和Nb可以提高焊缝的冲击韧性; C.焊缝金属中添加适量的Ti和B能明显细化焊缝组织,显著提高焊缝的韧性。 D.低合金钢焊缝中加入少量的Mo不仅提高强度,同时也能改善韧性。 E.在焊态下,焊缝Ni含量未超过2.5%时,韧性随Ni量的提高而提高;当Ni量超过2.5%后,韧性变差,这是由于焊缝中出现了上贝氏体(或无碳贝氏体)和马氏体组织,且含Ni量越高,韧性越差。只有经过调质处理是焊缝具有细小的铁素体组织,焊缝韧性才对Ni含量增加而提高。另外,Ni的有利作用还需以限制S、P、C等元素含量为前提,否则不仅难以获得良好的韧性,还可能促使产生结晶裂纹。 F.稀土是化学活性极强的元素,它可以与钢中的有害杂质,如氧、氯、硫等发生激烈的作用,从而减轻和消除这类微量杂质的有害影响,改善焊缝的抗热裂倾向;稀土与钢中的合金元素发生作用,可改善组织及夹杂物形态和分布,从而提高韧性;可降低焊缝中的扩散氢含量能改善焊缝金属的低温韧性;细小的稀土氧化物颗粒弥散分布于焊缝中,可作为针状铁素体的形核质点,促进针状铁素体的形成及晶粒细化,提高了焊缝金属的韧性。 G.碲(Te)和硒(Se)是属于同族元素向焊缝中过渡微量碲,可使焊缝金属中的扩散氢含量显著降低,从而使抗冷裂能力大为提高,并使焊条的抗潮性改善。如果再配合少量稀土(Y或Ce)的加入,将会进一步降氢,使夹杂物球化并弥散分布、焊缝组织细化,提高低温韧性。 焊接工艺方面的措施: A.在焊接结构和焊接材料一定的情况下,通过调整焊接工艺参数可以控制焊缝组织和性能。调整焊接工艺参数(如焊接热输入、预热及后热等)可控制焊接区的冷却条件,进而控制熔池的结晶形态、晶粒的大小以及固态相变组织形态,从而提高焊缝金属的强度和韧性。 B.振动结晶。采用振动的方法来破坏正在成长的晶粒,一方面可以增加结晶中心,改变结晶形态,获得细晶组织;另一方面振动的搅拌作用可消除气孔和夹杂,有利于成分的均匀化。根据振动的方式不同,可分为低频机械振动、高频超声振动和电磁振动等。 低频机械振动的频率在10000Hz以下,这种振动一般都是采用机械的方式实现的,振幅一般都在2mm以下。高频超声振动的频率在20kHz以上,振幅只有0.1um。超声振动可使焊接熔池中正在结晶的金属承受拉压交替的应力,从面形成一种强大的冲击波。电磁振动是利用强磁场使熔池中的液态金属发生强烈的搅拌,使成长着的晶粒不断受到“冲洗”,造成较大的剪应力。 C.焊后热处理可以改善整个焊接接头的组织,可充分发挥焊接结构的潜在性能。因此,一些重要的焊接结构都要进行焊后热处理。 D.对于相同板厚焊接结构,采用多层焊接可以有效地提高焊缝金属的性能。这种方法一方面由于每层焊缝变小而改善了凝固结晶的条件,另一方面,使后一层对前一层焊缝具有附加热处理的作用,从而改善了焊缝固态相变的组织。 E.锤击焊道表面既能改善后层焊缝的凝固结晶组织,也能改善前层焊缝的固态相变组织。因为锤击焊道可使前一层焊缝(或坡口表面)不同程度地晶粒破碎,使后层焊缝在凝固时晶粗细化,这样逐层锤击焊道就可以改善整个焊缝的组织性能。此外,锤击可产生塑性变形而降低残余应力,从而提高焊缝的韧性和疲劳性能。 F.跟踪回火就是每焊完一道焊缝立即用气焊火焰加热焊道表面,温度控制在900~1000℃左右。采用跟踪回火,不仅改善了焊缝的组织,同时也改善了整个焊接区的性能,因此焊接质量得到显著的提高。 * 三维温度场分布 实测结果 四、影响焊接温度场的主要因素 1、热源的种类和焊接工艺参数 (b) (a) (c) (d) a)v=0.5m/min b)v=1m/min c)v=1.5m/min d)=2m/min 2、被焊金属的热物理性能参数 不同材料板上线、焊件的形态 焊件的几何尺寸、板厚和所处的状态(预热和环境温度)。 4、热源的分类 瞬实集中热源:点焊 连续作用的热源:固定不动、正常移动和高速移动。 五、焊接热循环及其主要参数 距焊缝不同距离各点的焊接热循环 1、定义:焊接过程中,热源沿焊件移动时,焊件上某点的温度由低而高,达到最大值后,又由高而低的变化称为焊接热循环。 2、焊接热循环的主要参数 焊接热循环的参数 加热速度 加热的最高温度(Tm) 在相变以上的停留时间(tH) 冷却速度(T8/5) 3、焊接热循环的特点 1)加热的温度高 热处理:AC3以上100-200℃,例如45号钢AC3:770 ℃ 焊接近缝区:接近熔点,钢的熔点1350 ℃ 2)加热的速度快 比热处理快几十倍甚至上百倍。 3)高温停留时间短 手工电弧焊:4-20S,埋弧焊:20-40S。 4) 自然条件下连续冷却 5)局部加热 §1.2.2 焊接化学冶金 熔焊时,焊接区内的各种物质,即液态金属、熔渣和气相之间在高温下进行的极为复杂的物理化学变化的过程,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、焊接缺陷(如气孔、裂纹等)以及焊接工艺性能都有重要的影响。 一、焊接化学冶金的特点 1、焊接区金属的保护 必要性:如果在空气中不采用任何保护方式进行焊接,主要带来两方面的问题。 (1)焊接工艺性能差 光焊丝无保护焊接时电弧空间电离度低,电弧不稳定,飞溅大,焊缝表面质量差,焊缝易产生各类气孔。 (2)焊缝金属成分和性能变化大 光焊丝无保护焊接所得到的焊缝金属与母材和焊丝相比,其成分和性能都发生了较大变化。因高温熔化的金属与周围空气中的气体发生剧烈反应,使焊缝金属中氧和氮的含量显著增加,而锰、碳等合金元素由于蒸发和烧损而减少,这使得焊缝金属的塑性和韧性显著降低,但由于氮的强化作用,焊缝金属强度的变化不大。 上述两方面的问题使光焊丝无保护焊接在工程中没有实用价值。因此,焊接化学冶金的首要任务就是对金属加强保护,使其免受空气中气体的有害作用,从而减少焊缝中有害杂质的含量,减少有益合金元素的损失,使焊缝金属得到合适的化学成分,提高焊接质量。 保护方式和效果 所谓的保护就是采用某种介质把焊接区与周围的空气隔离开来。从保护的介质来看,保护方式有气体保护、熔渣保护、渣-气联合保护、真空保护和自保护等几种方式。不同的焊接方法所采用的保护方式是不同的。 (1)气体保护 就是利用外加气体对焊接区加以保护的方法。保护的效果取决于保护气体的性质和纯度、焊炬的结构以及气流的特性等。保护气体有惰性气体和活性气体两种。常用的惰性气体主要有氩气和氦气。惰性气体的保护效果很好,适用于焊接合金钢和化学活性金属及其合金。常用的活性气体主要是CO2气体,保护效果也比较好。 (2)熔渣保护 就是利用焊剂、焊条药皮或药芯熔化形成的熔渣覆盖在熔滴和熔池表面而起到的保护作用,熔渣凝固后所形成的渣壳覆盖在焊缝上面可防止高温的金属与空气接触。焊剂及熔渣的保护效果与焊剂的结构和松装密度有关:多孔性的浮石状焊剂具有较大的表面积,吸附的空气较多,保护效果较差;而玻璃状的焊剂保护效果较好。随着松装密度的增加,焊剂透气性变差,保护效果增强。 (3)渣-气联合保护 就是通过焊条药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体共同起到保护作用的。渣-气联合保护的效果主要取决于焊条药皮或药芯中保护材料的含量、熔渣的性质和焊接参数等。 (4)真空保护 真空保护就是利用真空环境进行焊接以达到隔离空气的作用。真空很难做到完全隔绝空气,但是随着真空度的提高,空气中的氧和氮的有害作用可降至最小,所以真空焊接的保护效果是最理想的。 (5)自保护 自保护就是在实芯或药芯焊丝中添加脱氧和脱氮剂,使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中的一种方法。前保护方式都是机械隔离空气的方法,而自保护是利用化学反应来防止氧和氮进入到焊缝中的冶金保护方法,保护效果较差。 2、冶金反应区 焊接化学冶金过程是分区域(或阶段)连续进行的,各区的反应物性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流及搅拌运动等反应条件也有着较大的差异。反应条件的差异就影响着反应进行的可能性、方向、速度及限度。不同的焊接方法有不同的反应区。不填丝的钨极气体保护焊和电子束焊只有熔池反应区;熔化极气体保护焊有熔滴反应区和熔池反应区两个反应区;焊条电弧焊有三个反应区:药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区,可见焊条电弧焊的反应区最多,具有一定的代表性。 焊条电弧焊的焊接化学冶金的反应区 Ⅰ—药皮反应区 Ⅱ—熔滴反应区 Ⅲ—熔池反应区 T1—药皮开始反应温度 T2—焊条端部熔滴温度 T3—弧柱中部熔滴温度 T4—熔池最高温度 T5—熔池最低温度 3、冶金反应的影响因素 1)熔合比的影响 熔焊时的焊缝金属由熔化的母材与填充金属组成。熔合比是指熔焊时被熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比。熔合比与焊接方法、工艺参数、焊缝和坡口的形式及尺寸、母材性质以及焊接材料种类等许多因素有关。当填充金属与母材的化学成分不同时,熔合比对焊缝金属的成分就有很大的影响。 2)熔滴过渡特性的影响 焊接工艺参数对熔滴的过渡特性有很大的影响,因此必然对冶金反应发生影响。试验表明,熔滴阶段的反应时间(即熔滴存在的时间)随着焊接电流的增加而变短,随着电弧电压的增加而变长。因此,可以断定随着焊接电流的增加,冶金反应进行的程度会不完全。而电弧电压的增加会使反应进行的更充分。 二、气体对金属的作用 焊接过程中,在焊接区内存在着大量的气体,这些气体不断地与熔化金属发生冶金反应,从而影响焊缝金属的成分和性能。 1、气体的来源和组成 气体的来源 (1)焊接材料 焊接区内的气体主要来源于焊接材料。一般焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂,药皮及焊剂中的高价氧化物和水分也是气体的重要来源。气体保护焊时,焊接区内的气体主要来自所采用的保护气氛及其杂质,如氧、氮、水气等。 (2)热源周围的气体介质 热源周围的空气是难以避免的气体来源,而焊接材料中的造气剂所产生的气体,并不能完全排除焊接区内的空气。 (3)焊丝和母材表面上的杂质 焊丝表面和母材坡口附近的铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等,在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。 (4)被焊金属及其合金的蒸发 在焊接电弧的高温作用下,被焊金属元素和熔渣的各种成分也会发生蒸发,形成金属蒸气和熔渣蒸气。 气体的产生 除直接输送和侵入焊接区的气体外,焊接过程中所进行的物化反应也产生了很多气体。 (1)有机物的分解和燃烧 焊条药皮中常含有的淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等有机物和焊丝和母材表面上的油污等,这些物质受热以后,发生复杂的分解和燃烧反应,放出气体,反应产物主要是CO2,并且还有少量的CO、H2、烃和水气。 (2)碳酸盐和高价氧化物的分解 焊接材料中常用的碳酸盐有CaCO3、MgCO3、白云石(CaCO3+MgCO3)和BaCO3等。当加热至其分解温度时碳酸盐开始分解,产物主要是金属氧化物和CO2。此外,焊接材料中常用的高价氧化物如Fe2O3和MnO2等在焊接过程中也会发生分解反应生成大量的氧气和低价氧化物。 (3)材料的蒸发 焊接过程中,焊接材料中的水分、金属元素和熔渣的各种成分在电弧的高温作用下发生蒸发,形成大量的蒸汽。 气体的分解 (1)简单气体的分解 气相中的简单气体如N2、H2和O2等双原子气体,对焊接质量的影响很大。在电弧空间,气体受热而使其原子的振动和旋转能增加,当原子的能量达到足够高时,将使原子键断开,分解为单个原子或离子与电子。单原子气体在获得足够的能量时将发生电离,而电离所需要的能量比分解时高,因此只有在更高的温度时才能发生热电离。分子状态的气体也可以直接电离。但是,它比原子状态气体的电离需要更高的能量。 (2)复杂气体的分解 焊接时气相中常见的复杂气体有CO2和H2O。在电弧热作用下CO2可分解为CO和O2。H2O的分解产物有H2、O2、OH、H及O等。这不仅增加了气相的氧化性,而且增加了气相中氢的分压,其最终结果可能使焊缝金属增氧和增氢。 焊接区气相的组成 一般来说,除了外加的惰性保护气体,焊接区内的气体主要有N2、H2、O2、H2O、CO2、金属蒸气、熔渣蒸气以及它们分解和电离的产物。焊接时气相的成分和数量随着焊接方法、焊接工艺参数、焊条或焊剂的类型等因素的不同而变化。使用低氢型焊条进行焊条电弧焊接时,气相中含H2和H2O少,所以称它为“低氢型”。埋弧焊和采用中性焰气焊时,由于气相中含CO2和H2O很少,因而氧化性很小;而焊条电弧焊时气相的氧化性就相对较大。 2、气体对金属的作用 焊接区的气体种类很多,但对焊接质量有重要影响的主要是是N2、H2、O2、H2O和CO2。这些气体与金属的作用主要有两种类型:气体在金属中的溶解和气体与金属的化学反应。 (1)氮气对金属的作用及其控制 按照氮与金属作用的特点,可将金属分为两类: 一种是不与氮发生反应的金属,如Cu、Ni、Ag等,它们既不溶解氮,又不形成氮化物,因此焊接这类金属时,可以使用氮作为保护气体; 另一种是与氮发生反应的金属,如Fe、Mn、Ti、Si、Cr等。它们既能溶解氮,又能与氮形成稳定的氮化物。因此焊接这类金属时,防止焊缝金属的氮化是非常重要的。 氮对焊接质量的影响 ①在碳钢焊缝中,氮是有害杂质,是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。 ②氮是提高低碳钢、低合金钢焊缝金属强度,降低塑性和韧性的元素。室温下氮在αFe中的溶解度仅为0.001%。若熔池中含较多的氮,由于焊接时冷却速度很大,一部分氮将以过饱和的形式存在于固溶体中;另一部分氮则以针状氮化物Fe4N的形式析出,分布于晶界和晶内,因而使焊缝金属的强度、硬度升高,而塑性、韧性,特别是低温韧性急剧下降。 ③氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态,随着时间的延长,过饱和的氮逐渐析出,形成稳定的针状氮化物Fe4N,使焊缝金属的强度增高、塑性、韧性降低。如果在焊缝金属中加入能形成稳定氮化物的元素,如Ti、Al、Zr等,则可以抑制或消除时效现象。 控制焊缝含氮量的措施 ①加强焊接区的保护 一旦氮溶入液态金属中,再把它脱出来就非常困难,所以控制含氮量的主要措施就是加强保护,防止空气侵入焊接区与液态金属发生作用。 ②确定合理的焊接工艺参数 增大焊接电流,可增加熔滴的过渡频率,从而使熔滴阶段的作用时间缩短,焊缝的含氮量下降。增大电弧电压(即加大电弧长度),使保护效果变差,氮与熔滴作用的时间加长,所以焊缝中的含氮量增加。直流正极性焊接时焊缝含氮量比反极性时高,这与氮离子的溶解有关。焊接速度对焊缝的含氮量影响不大。在相同的工艺条件下,增加焊丝直径可使熔滴变粗,因此焊缝含氮量下降。此外,由于氮的逐层积累,多层焊时的焊缝含氮量比单层焊时高。 ③利用合金元素,控制焊缝含氮量 增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量,一方面是由于碳能够降低氮在铁中的溶解度,另一方面碳氧化生成CO、CO2引起熔池沸腾,有利于氮的逸出,同时而加强了保护作用,降低了氮的分压。 Ti、Al、Zr和稀土元素对氮有较大的亲合力,易形成稳定的氮化物。并且这些氮化物不溶于铁水,而进入熔渣中。这些元素对氧的亲力也很大,因此,可减少气相中NO的含量,这在一定程度上减少了焊缝的含氮量。 (2)氢气对金属的作用 焊接时的氢主要来源于焊接材料中的水分及有机物,电弧周围空气中的水分以及焊丝和母材坡口表面上的铁锈、油污等杂质。氢对焊接质量是有害的。 按照氢与金属作用的情况,可将金属划分为两类: 1)能形成稳定氢化物的金属 如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这类金属吸收氢的反应是放热反应。当吸氢量较多时,可形成氢化物(ZrH2、TiH2、VH、TaH、NbH);当温度超过氢化物保持稳定的临界温度时,氢化物发生分解,氢则扩散逸出;当吸氢量较少时,这类金属与氢可形成固溶体。 2)不形成稳定氢化物的金属 如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。氢能够溶解于这类金属及其合金中,溶解反应是吸热反应。 在钢焊缝中,氢是以H、H+的形式存在,它们与焊缝金属形成间隙固溶体。由于氢原子及离子的半径很小,所以它们可以在焊缝金属的晶格中自由扩散,这一部分氢被称为扩散氢。如果氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空隙中时,可以结合成氢分子,由于氢分子的半径大而不能自由扩散,所以称这部分氢称为残余氢。 氢对焊接质量的影响 1)形成气孔 如果熔池在高温时吸收了大量的氢,在熔池凝固结晶时,由于氢的溶解度突然下降,使氢处于过饱和状态而形成氢气泡。当气泡向外溢出的速度小于熔池的凝固速度时,就在焊缝中形成气孔。 2)产生冷裂纹 焊接冷裂纹的危害性很大,它的产生与焊接接头中的含氢量、热影响区的马氏体转变、结构的刚度有关。一般认为,氢易向工件有应力集中的三向应力区扩散,此处应力也随之提高,当此部位氢的浓度达到临界值时,就会发生启裂和裂纹扩展。 3)造成氢脆 氢对钢的强度没有明显影响,而对钢的塑性有很大的影响。氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象叫做氢脆。一般认为氢脆是由于原子氢扩散聚集于钢的显微空隙中,结合为分子氢,造成空隙内产生很高的压力,阻碍金属塑性变形的发展,导致金属变脆。4)出现白点 白点是出现在焊缝金属拉伸或弯曲试件的断口上的一种白色圆形斑点。中心含有微细气孔或夹杂物,周围则为银白色的脆化部分,其形状类似鱼眼珠中的白点。它主要是在外力作用下,氢在微小气孔或夹杂物处的集结造成脆化。白色圆斑区常显示有从中心向外的放射线结构,微观上则显示为小的准解理断口。 4.控制氢的措施 1)限制焊接材料中的含氢量 2)清除工件及焊丝表面上的油污、杂质 3)冶金处理 通过控制焊接冶金反应,降低气相中氢的分压,从而减少氢在液体金属中的溶解度。具体做法是调整焊接材料的成分,使焊接时冶金反应的产物是稳定的HF和OH。 ①在焊条药皮和焊剂中加入氟化物。 ②控制焊接材料的氧化还原势,如增加气相中的氧化性气体如O2和CO2。 ③在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素。 ④控制焊接工艺参数。 ⑤焊后脱氢处理。 焊接概论 第一部分:焊接原理 §1.1 什么是焊接 一、焊接的定义: 焊接是通过加热或加压,或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件达到原子结合的一种加工方法。其主要的加工材料是金属。 二、焊接的实质: 原子之间的作用力与距离的关系 l-斥力,2-引力,3-合力 焊接过程的实质就是采用物理化学方法克服被连接物体(金属)表面的凹凸不平、表面氧化物及其他表面杂质,使被连接物体(金属)能接近到原子晶格距离并形成结合力。 在工程上已获得广泛应用的焊接方法很多,尽管实现焊接的方法和手段不同,但它们所达到的效果是相同的,即实现原子间的冶金结合。 三、焊接方法的分类 焊接方法种类繁多,新的方法仍在不断涌现,对焊接方法进行分类的方法也有所不同。有的根据焊接方法的热源和保护方法来分类,有的根据工艺特征来分类,由此出现了一元坐标法、二元坐标法、族系法等分类方法。其中,最常见的是族系法,按照焊接工艺特征来进行分类。按照这种分类方法,可以把焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类,在每一大类方法中又分成若干小类,如下图所示。 焊接方法的分类 四、焊接生产的特点 1、可减轻结构重量,节省金属材料; 2、可以制造双金属结构; 3、能化大为小,以小拼大; 4、结构强度高,产品质量好; 5、焊接时噪音小,工人劳动强度低,伸长率高,易于实现机械化和自动化。 缺点:由于焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程,焊接后会产生焊接应力与变形。 §1.2 焊接原理 熔化焊时焊接接头的形成一般都要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程,最后形成焊接接头。这一过程可从焊接热过程、焊接化学冶金过程、焊接时的金属凝固和相变过程三个方面加以学习。 §1.2.1 焊接热过程 一、焊接热过程的特点 1、焊接热过程:在焊接过程中,被焊金属由于热的输入和传播,而经历加热、熔化(或达到热塑性状态),称之为焊接热过程。 2、焊接热过程的特点 局部性 热源的运动性 瞬时性 传热过程的复合性 3、焊接热过程的作用 热量大小和分布状态决定了熔池的形状和尺寸 决定了焊接熔池进行冶金反应的程度 影响熔池金属凝固、相变过程 不均匀的加热和冷却,造成不均匀的应力状态 冶金、应力和被焊金属组织的共同影响,可能产生各种焊接裂纹和其他缺陷 影响热影响区金属的组织的转变和性能的变化 决定母材和焊材的熔化速度,因而影响焊接生产率 二、焊接热源及焊接方法 电弧热:利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为热源(手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、TIG/MIG、MAG等) 化学热:利用可燃气体(液化气、乙炔)或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时所产生的热能作为热源(气焊、热剂焊) 电阻热:利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源(电阻焊和电渣焊、高频感应热) 摩擦热:由机械高速摩擦所产生的热能作为热源(摩擦焊、搅拌摩擦焊) 电子束:在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金数局部表面,使动能转换为热能(电子束焊) 激光束:利用受激辐射而增强的光,经聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源(激光焊接与切割) 等离子焰:电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流,它本身携带大量的热能和动能,利用该能量可作为焊接热源。 各种焊接热源的特点 热 源 最小加热面积 cm2 最大功率密度 W.cm-2 温度 乙炔火焰 10-2 2 × 103 3200℃ 金属极电弧 10-3 104 6000K 钨极氩弧焊(TIG) 10-3 1.5 × 104 8000K 埋弧焊 10-3 2 × 104 6400K 电渣焊 10-2 104 2000℃ 熔化极氩弧焊(MIG) 10-4 104~ 105 CO2气体保护焊 10-4 104~ 105 等离子焰 10-5 1.5 × 105 18000K ~ 24000K 电子束 10-7 107~ 109 激光束 10-8 107~ 109 三、典型的焊接温度场 1、焊接温度场的准稳定状态 (2)在加热开始时,温度升高的范围会逐步扩大,而达到一定极限后,不再变化,只是随热源移动。这种状态称为准稳态。 (3)功率不变的焊接热源,在厚大焊件、薄板或细棒上作匀速直线运动时,温度场是准稳态温度场。 (1)正常焊接条件下,焊接热源是以一定速度沿焊缝移动的。 a)坐标示意图 b)xoy面上沿x轴的不同温度分布 2、厚大件上点状移动热源的温度场 c)xoy面上的等温线 厚大件上点状移动热源的温度场 d) yoz面上沿y轴的不同温度分布 e) yoz面上的等温线 厚大件上点状移动热源的温度场 X-Y方向温度场分布 X-Y方向温度场分布/全图 金属是依靠金属键结合在一起的。由图1可以看到,两个原子间的结合力的大小是引力与斥力共同作用的结果。当原子间的距离为rA时,结合力最大。对于大多数金属,rA≈0.3~0.5nm,当原子间的距离大于或小于rA时,结合力都显著降低。从理论来讲,为了实现材料原子之间的连接,就是当两个被连接的固体材料表面接近到相距rA时,就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程,从而形成键合。然而,事实上即使是经过精细加工的表面,在微观上也是凹凸不平的,更何况在材料表面上还常常带有氧化膜、油污和水分等吸附层。这样,就会阻碍材料表面的紧密接触。 * 为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素,在焊接工艺上采取以下两种措施: (1)对被焊材料施加压力 其目的是破坏接触表面的氧化膜,使结合处增加有效的接触面积,从而达到紧密接触。 (2)对被焊材料加热 对于金属来说,结合处达到塑性或熔化状态时接触面的氧化膜就会迅速被破坏,降低金属变形的阻力,加热也会增加原子的振动能,促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。 根据压力与温度的不同配合,在工程上已获得很多广泛应用的焊接方法,尽管实现焊接的方法和手段不同,但它们所达到的效果是相同的,即实现原子间的冶金结合。 * * 1.熔焊,也有称熔化焊,是将被焊件在待焊处的局部加热熔化,连接处的界面熔合,然后冷却结晶形成焊缝的焊接方法。熔焊方法需要一个或多个能量密度足够高的热源加热金属材料使之熔化。根据焊接热源的不同,熔焊方法又可细分为:以化学热作为热源的气焊、铝热焊;以熔渣电阻热作为热源的电渣焊;以电弧作为主要热源的电弧焊,包括焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护电弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊等;以高能束作为热源的电子束焊和激光焊等。 熔焊时,被焊材料局部是在不承受外加压力的情况下被加热熔化,需要在焊接区采取有效的隔离空气的措施,焊接接头要经历复杂的冶金过程,两种被焊材料之间必须具有必要的冶金相容性。 近年来,激光+电弧的双热源焊接工艺是熔化焊方法较新的技术发展。 2.压焊,也有称压力焊,是在焊接过程中必须对焊件施加压力(加热或不加热)以完成焊接的连接方法。其中,施加压力的大小同材料的种类、焊接温度、焊接环境和介质等因素有关,而压力的性质可以是静压力、冲击压力或爆炸力。 多数压焊过程中,焊接区金属仍处于固相状态,依赖于在压力(不加热或伴以加热)作用下产生的塑性变形、再结晶和扩散等作用形成接头,强调压力对形成连接接头的主导作用。但是,采用加热可促进焊接过程的进行和更易于实现焊接。在少数压力焊过程中(电阻点焊、电阻缝焊等),焊接区金属已经熔化并同时被施加压力:加热→熔化→冶金反应→凝固→固态相变→形成接头,类似于熔化焊的一般过程。但是,通过对焊接区施加一定的压力可以提高焊接接头的质量。 压焊种类繁多,包括锻焊、电阻焊、高频感应焊、冷压焊、超声波焊、摩擦焊、爆炸焊等。 近年来,压焊方法新的技术发展主要有搅拌摩擦焊、激光辅助搅拌摩擦焊和激光-高频焊等复合焊接工艺。 3.钎焊,是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属或合金作钎料,经过加热使钎料熔化而母材不熔化,液态钎料通过毛细作用填充接头接触面的间隙,润湿被焊材料表面,通过液相与固相之间相互扩散而实现连接。钎焊的热源可以是化学反应热,也可以是间接热能。根据使用钎料的熔点的高低,钎焊方法又可分为硬钎焊和软钎焊,其中硬钎焊使用的钎料熔点高于450℃,软钎焊使用的钎料熔点低于450℃。根据钎焊的热源和保护条件的不同也可分为:火焰钎焊、感应钎焊、炉钎焊、浸沾钎焊、电阻钎焊等。钎焊加热温度较低,母材不熔化。但焊前必须采取一定的措施清除被焊工件表面的油污、灰尘、氧化膜等。这是使工件润湿性好、确保接头质量的重要措施。钎焊时由于加热温度比较低,故对工件材料的性能影响较小,焊件的应力变形也较小。但钎焊接头的强度一般比较低,耐热能力较差。目前,由于用含铅钎料钎焊的电子产品大量废弃,其中的铅会污染地下水及环境,因此无铅钎料钎焊是钎焊技术发展的一个重要方向。 * * 上述两方面的问题使光焊丝无保护焊接在工程中没有实用价值。因此,焊接化学冶金的首要任务就是对金属加强保护,使其免受空气中气体的有害作用,从而减少焊缝中有害杂质的含量,减少有益合金元素的损失,使焊缝金属得到合适的化学成分,提高焊接质量。 * 1 药皮反应区 药皮反应区是指焊条端部药皮开始反应的温度至药皮熔点之间的区域,对于结构钢焊条来说这一区域的温度范围是从100℃至1200℃。药皮反应区发生的反应主要是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。药皮反应阶段的反应产物为熔滴阶段及熔池阶段提供了反应物。这一阶段对于整个焊接化学冶金过程和焊接质量有着重要的影响。 2 熔滴反应区 熔滴反应区是指从熔滴的形成、长大到过渡到熔池中这一阶段。熔滴反应区进行的反应主要有气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原以及焊缝金属的合金化等。这个反应区与炼钢冶金相比,具有熔滴温度高、过热度大、相接触面积大、反应时间短以及各相之间强烈混合等特点。熔滴反应区的冶金反应最激烈,许多冶金反应可以进行到接近终了的程度,因此对于焊缝成分的影响很大。 3 熔池反应区 熔池反应区是指由熔滴、熔渣和熔化的母材相混合所形成的反应区。熔滴和熔渣落入到熔池后,各相之间仍然进行着复杂的物理化学反应,直至温度降低,熔池金属凝固而形成焊缝金属。熔池反应区有具有反应不同步、反应速度低、熔池存在时间长、有一定的搅拌作用、熔池反应物不断更新以及药皮重量系数的影响熔池反应邓特点。熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小,并且在全部的冶金中,熔池阶段的作用比较小。 总之,焊接化学冶金过程是电弧气氛、熔渣与液态金属之间的高温多相反应。它在各阶段上进行冶金反应的综合结果,决定了焊缝金属的化学成分,从而影响着焊接接头的力学性能与焊接质量。 * 调整熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。因此,在堆焊时可调整焊接工艺参数使熔合比尽可能的小,以减少母材成分对堆焊层性能的影响。在异种钢焊接时,熔合比对焊缝的成分及性能的影响更大,因此应当根据熔合比进行焊接材料的选择。 * 焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。虽然不同的焊接方法都有着保护措施,但是空气中的氮总是或多或少地会侵入焊接区,与熔化金属发生作用。 * * (1)盐型熔渣 主要由氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。常用的渣系有CaF2-NaF,CaF2-BaCl2-NaF,KCl-NaCl-Na3AlF6,BaF2-MgF2- CaF2-LiF等。此类熔渣的特点是氧化性很小。主要用于铝、钛和其他化学活性金属及其合金的焊接。也可用于含活性元素的高合金钢的焊接。 (2)盐-氧化物型熔渣 主要由氟化物和强金属氧化物组成。常用渣系有:CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3-SiO2等。此类熔渣的氧化性比较小,有较好的除氢作用,可用于焊接合金钢等重要结构件。 (3)氧化物型熔渣 主要由金属氧化物组成。典型的渣系有MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2等。此类渣系的特点是含有较多的弱氧化物,如MnO、SiO2等,氧化性较强,主要用于焊接低碳钢和低合金钢的一般构件。 * 熔渣的粘度取决于熔渣的成分和温度,而实质上取决于熔渣的内部结构。熔渣结构越复杂,阴离子尺寸越大,熔渣指点的运动越困难,熔渣的粘度就越大。如果熔渣中含有固态颗粒使熔渣流动受阻,也会造成熔渣粘度增大。 熔渣粘度与温度的关系如图7-4所示,可以看出,随着温度的升高,熔渣粘度下降。图示的酸性渣粘度曲线下降比较缓慢,而碱性渣粘度曲线下降比较迅速。当这两种渣的粘度都变化⊿η时,含SiO2多的酸性渣对应的温度变化⊿T2较大,即凝固时间长,称为长渣。长渣不适于仰焊。而碱性渣粘度变化⊿η时,对应的温度变化⊿T1较小,即凝固时间短,称为短渣。低氢型和氧化钛型焊条的熔渣属于短渣,适用于全位置焊接。 * 承受多层焊或热处理的焊缝金属将会得到改善的作用,使焊缝获得细小的铁素体和少量珠光体,并使柱状晶组织遭到破坏。一般使钢中柱状晶消失的临界温度约在A3点以上20~30℃,但在多层焊时由于受热的温度和时间不同,故柱状晶消失的程度是不均匀的。 * 控制焊接质量的主要目标就是控制焊缝性能,而焊缝性能又取决于焊缝组织,因此,本节讨论如何采用合理措施控制焊缝组织来获得良好的焊缝综合力学性能。优良的焊缝综合力学性能不但要求焊缝具有足够高的强度,还要求具有足够高的韧性。实际焊接生产中,采用的方法主要措施有冶金方面和焊接工艺方面两类。 冶金方面的措施: A.Mn和Si是焊缝中常用的合金化元素。它们一方面可使焊缝金属脱氧,另一方面可提高焊缝的抗拉强度(属于固溶强化),但对韧性的影响比较复杂。 B.适量的V和Nb可以提高焊缝的冲击韧性; C.焊缝金属中添加适量的Ti和B能明显细化焊缝组织,显著提高焊缝的韧性。 D.低合金钢焊缝中加入少量的Mo不仅提高强度,同时也能改善韧性。 E.在焊态下,焊缝Ni含量未超过2.5%时,韧性随Ni量的提高而提高;当Ni量超过2.5%后,韧性变差,这是由于焊缝中出现了上贝氏体(或无碳贝氏体)和马氏体组织,且含Ni量越高,韧性越差。只有经过调质处理是焊缝具有细小的铁素体组织,焊缝韧性才对Ni含量增加而提高。另外,Ni的有利作用还需以限制S、P、C等元素含量为前提,否则不仅难以获得良好的韧性,还可能促使产生结晶裂纹。 F.稀土是化学活性极强的元素,它可以与钢中的有害杂质,如氧、氯、硫等发生激烈的作用,从而减轻和消除这类微量杂质的有害影响,改善焊缝的抗热裂倾向;稀土与钢中的合金元素发生作用,可改善组织及夹杂物形态和分布,从而提高韧性;可降低焊缝中的扩散氢含量能改善焊缝金属的低温韧性;细小的稀土氧化物颗粒弥散分布于焊缝中,可作为针状铁素体的形核质点,促进针状铁素体的形成及晶粒细化,提高了焊缝金属的韧性。 G.碲(Te)和硒(Se)是属于同族元素向焊缝中过渡微量碲,可使焊缝金属中的扩散氢含量显著降低,从而使抗冷裂能力大为提高,并使焊条的抗潮性改善。如果再配合少量稀土(Y或Ce)的加入,将会进一步降氢,使夹杂物球化并弥散分布、焊缝组织细化,提高低温韧性。 焊接工艺方面的措施: A.在焊接结构和焊接材料一定的情况下,通过调整焊接工艺参数可以控制焊缝组织和性能。调整焊接工艺参数(如焊接热输入、预热及后热等)可控制焊接区的冷却条件,进而控制熔池的结晶形态、晶粒的大小以及固态相变组织形态,从而提高焊缝金属的强度和韧性。 B.振动结晶。采用振动的方法来破坏正在成长的晶粒,一方面可以增加结晶中心,改变结晶形态,获得细晶组织;另一方面振动的搅拌作用可消除气孔和夹杂,有利于成分的均匀化。根据振动的方式不同,可分为低频机械振动、高频超声振动和电磁振动等。 低频机械振动的频率在10000Hz以下,这种振动一般都是采用机械的方式实现的,振幅一般都在2mm以下。高频超声振动的频率在20kHz以上,振幅只有0.1um。超声振动可使焊接熔池中正在结晶的金属承受拉压交替的应力,从面形成一种强大的冲击波。电磁振动是利用强磁场使熔池中的液态金属发生强烈的搅拌,使成长着的晶粒不断受到“冲洗”,造成较大的剪应力。 C.焊后热处理可以改善整个焊接接头的组织,可充分发挥焊接结构的潜在性能。因此,一些重要的焊接结构都要进行焊后热处理。 D.对于相同板厚焊接结构,采用多层焊接可以有效地提高焊缝金属的性能。这种方法一方面由于每层焊缝变小而改善了凝固结晶的条件,另一方面,使后一层对前一层焊缝具有附加热处理的作用,从而改善了焊缝固态相变的组织。 E.锤击焊道表面既能改善后层焊缝的凝固结晶组织,也能改善前层焊缝的固态相变组织。因为锤击焊道可使前一层焊缝(或坡口表面)不同程度地晶粒破碎,使后层焊缝在凝固时晶粗细化,这样逐层锤击焊道就可以改善整个焊缝的组织性能。此外,锤击可产生塑性变形而降低残余应力,从而提高焊缝的韧性和疲劳性能。 F.跟踪回火就是每焊完一道焊缝立即用气焊火焰加热焊道表面,温度控制在900~1000℃左右。采用跟踪回火,不仅改善了焊缝的组织,同时也改善了整个焊接区的性能,因此焊接质量得到显著的提高。 *

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