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焊接冶金学考试复习总结

编辑：

章敏

§金属焊接性及其试验方法

一、金属焊接性的定义：

金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度以及该接头能否在使用条件下可靠运行。

它包括两方面的内容：

工艺焊接性和使用焊接性。

工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。

使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包括常规的力学性能、低温韧性、高温蠕变、疲劳性能、持久强度，以及抗腐蚀性和耐磨性等。

二、影响焊接性的因素 内因+外因1. 材料因素 母材、焊接材料 2. 工艺因素 焊接方法、焊接工艺参数和焊接顺序、焊后热处理等 3. 结构因素 结构形式、接头形式、接口断面的过渡、焊缝的位置，以及某些部位焊缝的集中程度造成多向应力的状态等 4. 使用条件 工作温度、受载类别和工作环境等。

三、常用焊接性试验方法：

斜Y形坡口焊接裂纹试验法主要用于评定母材金属焊接热影响区的冷裂纹倾向。

拘束焊缝为双面焊缝，事先焊好，实验焊缝可在不同温度下施焊，焊后静置24h再检测解剖计算裂纹率。

§合金结构钢的焊接

1、热轧正火钢（热轧：

σs=294～343N/mm2，基本上属于C-Mn和Mn-Si系钢种；正火:

σs=343～490N/mm2,C-Mn，Mn-Si系基础上加V，Nb，Ti，Mo等,在固溶强化基础上，通过沉淀强化和细化晶粒来↑σb，保证韧性。

0

（一）热裂纹一般含碳量都较低，含Mn量较高，Mn/S比达要求，抗裂热性好，正常情况下不会出现热裂纹。

当材料成分不合格，或严重偏析使局部C、S偏高时，Mn/S可能低于要求而出现热裂纹。

解决办法：

工艺上设法减小熔合比。

选用低碳焊丝，降低焊缝含碳量提高含锰量。

（二）冷裂纹与钢材化学成分（主要是C）、淬硬组织与冷裂倾向三者间存在着密切的联系。

a、在低合金高强钢中，热轧钢的淬硬倾向最小，只有在快冷的情况下才可能出现冷裂纹。

而且随着钢材强度级别的提高，它的淬硬倾向增大。

正火钢的强度级别较高，合金元素含量也较多，与低碳钢相比，冷裂纹倾向较大。

b、碳当量与裂纹敏感性的关系。

降低含碳量对焊接性有很大的改善，热轧钢不需预热和严格控制线能量。

正火钢CE在0.5%以上的要严格控制线能量、预热、焊后热处理。

c、热影响区最高硬度值与裂纹敏感性的关系。

最高硬度允许值就是焊接不出现冷裂纹的临界硬度值。

（三）再热裂纹焊后焊件在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其它加热过程）而产生的裂纹称为再热裂纹。

钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素会促使形成再热裂纹。

热轧钢对再热裂纹不敏感。

正火钢有轻微再热裂纹，可通过预热或焊后后热处理来解决。

（四）层状撕裂影响因素（不受σs级别限制）1）Z向拘束力（与板厚有关，<16mm不易产生）2）钢材本身（取决于冶炼条件、夹杂物，片状S化物等）一般冶炼条件下生产的热轧和正火钢都达不到要求。

（五）热影响区脆化热轧钢与正火钢在选择线能量的差别主要在于合金化方式不同，热轧钢属于固溶强化，合金元素在全部固溶的情况下能保证良好的性能，正火钢除固溶强化外还有沉淀强化，因此必须正火才能保证性能。

正火钢的过热敏感性比热轧钢大。

热轧钢的脆化与含碳量有关，当含碳量低时，采用大线能量会使奥氏体粗大，冷却时形成粗大的魏氏组织。

小线能量可避免粗化现象，并且由于低碳，即使快冷也是形成低碳马氏体，可避免脆化。

当含碳高时，小线能量会形成淬硬的马氏体而发生脆化。

正火钢的强化方式是固溶强化加沉淀强化，加热时沉淀相如TiC溶入奥氏体，位错钉扎作用消失，奥氏体粗化，冷却时来不及析出而使铁素体硬度升高，脆性下降。

随热输入越大，脆化越严重。

（6）焊接工艺热轧正火钢具有良好的焊接性，适合于各种焊接方法。

1）焊接材料的选择a、选择与母材强度（不是化学成分）匹配的材料，焊接强度较低，裂纹倾向较大的热轧钢可选用钛钙型焊条，也可以用低氢型，对于强度级别高的钢，应用低氢型焊条;b避免焊缝出现缺陷，主要是裂纹，同时考虑熔合比和冷却速度的影响c）如果有热处理，必须考虑到对焊缝的影响2）焊接工艺参数：

小线能量+预热3）焊后热处理：

一般不需要，容器需高温回火（目的）消除应力：

①提高抗应力腐蚀力，②提高低温性能，③防层裂等

2、低碳调质钢

（一）热裂纹低碳调质钢含碳量比较低，并且严格控制了S、P，所以热倾向比较小。

（二）液化裂纹液化裂纹的敏感性主要取决于Mn/S比和含碳量，避免这类裂纹的关键在于控制碳、硫的含量，保证高的Mn/S比。

此外，液化裂纹倾向随焊接热输入的增大而增大，因此工艺上采用小线能量的方法。

（三）冷裂纹低碳调质钢是一种热处理强化钢，由于加入了多种合金成分，因此淬透性大，焊接时容易得到马氏体或贝氏体组织。

但由于含碳低，得到的是低碳马氏体。

而低碳马氏体的Ms点较高，若在Ms附近缓冷，可以使生成的马氏体来得及进行一次“自回火”，形成韧性较好的回火马氏体，即可避免冷裂纹。

但若是快冷，则容易产生冷裂纹。

（四）再热裂纹在为加强淬透性和抗回火性而加入的一些合金元素中，大多数易引起再热裂纹。

V影响最大、Mo次之（同时加入更加严重），Cr的影响与含量有关。

（五）层状撕裂由于采用现代冶金技术，严控夹杂物，纯净度较高，因此敏感性较低。

（六）热影响区脆化低碳调质钢的合金化原理是通过提高淬透性来保证获得高强度高韧性的低碳马氏体和下贝氏体，所以强度高、韧性好。

但当冷却速度t8/5增加时，韧性降低，脆性增大。

其原因除奥氏体晶粒粗大引起脆化外，主要原因是由于形成了上贝氏体和M-A组元。

（七）热影响区软化热影响区凡是加热温度高于母材回火温度至Ac1的区域，由于碳化物的聚集长大而使钢材软化。

对焊后不再进行调质处理的C钢

尤为重要。

软化区的宽度与焊接工艺有关，用小线能量基本解决。

（八）工艺特点马氏体转变时的冷却速度不能太快，避免冷裂，保证自回火作用。

要求800～500℃的冷却速度>产生脆性混合组织的临界冷却速度。

1）焊接方法为减少热影响区的脆化、软化及液化裂纹，选择能量密度高，热源集中的焊接方法，如钨极和熔化极气体保护焊。

2）焊接材料调质态焊接，焊后不热处理，选焊材时，要求焊缝性解接近母材的机械性能等强，当结构刚度大时，冷裂难免，低强度匹配。

焊条电弧焊选用低氢型焊条。

3）焊接工艺在满足韧性的要求下，尽量采用大的线能量。

同时考虑是否预热。

4）焊后热处理

正常情况下，低碳调质钢不必焊后热处理。

§不锈钢的焊接

一、

铬当量：

为把每一铁素体化元素，按其铁素体化的强烈程度折合成相当若干铬元素后的总和。

镍当量：

为把每一奥氏体化元素折合成相当若干镍元素后的总和。

二、舍夫勒图：

化学成分对不锈钢基体组织的影响可用舍弗勒图来研究，它以

、

分别作为横纵坐标，再根据熔合比就能确定其组织组成。

三、贫铬理论：

固溶处理后室温下C溶解度只有0.02～0.03%，因而C过饱和，再次中温加热（450～850℃）【所谓敏华处理】，多余C向晶界扩散，与Cr形成

沉淀。

造成靠近晶界一薄层严重缺Cr，将发生明显腐蚀 。

四、刀状腐蚀：

是熔合区产生的晶间腐蚀，只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢焊接接头中。

腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的过热区，由于区域很窄，形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。

高温过热和中温敏化是导致焊接接头过热区产生刀状腐蚀的重要条件。

五、δ相作用：

a）打乱单一奥氏体方向性、以免形成连续贫Cr层b）δ富Cr,有良好的供Cr条件。

§铸铁的焊接

二、灰铸铁的焊接性   焊接接头白口及淬硬组织   1） 焊缝区焊缝主要由共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体组成，即焊缝基本为白口铸铁组织。

   2）   半熔化区该区域很窄，温度处于液相线和固相线之间，其范围为1150～1250℃，是固相奥氏体与部分液相并存的区域。

该区冷却速度快，有些组织转变为马氏体或莱氏体或二次渗碳体等，形成白口。

  3）  奥氏体区该区处于共晶转变温度下限与共析转变温度上限之间，加热温度范围约为820～1150℃，此区无液相出现。

加热后冷却时，如果冷却速度较快，会从奥氏体中析出一些二次渗碳体，在共析转变快时，奥氏体转变为珠光体类型的组织；冷却更快时，会产生马氏体与残余奥氏体。

由于以上的原因，该区硬度比母材有一定的提高。

2、灰口铸铁焊接材料及工艺——同质，异质。

（一）同质（铸铁型）焊缝的熔化焊（电弧热焊、气焊、电弧冷焊工艺）

1）电弧热焊将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600~700℃（暗红色）然后进行焊接，焊后进行缓冷的铸铁焊补工艺。

对结构复杂、刚度大的工件，宜采用整体预热，对结构简单，焊接处刚度小的工件，宜用局部预热。

2）气焊：

加热过程较慢（相当于先局部预热），冷却速度慢，有利于石墨化，焊缝易得灰口铸铁组织，HAZ不易发生白口或其他淬硬组织。

3）焊缝为铸铁型的电弧冷焊特点：

焊前对焊补工件不预热，解决白口问题的途径：

①进一步提高焊缝石墨化元素的含量（通过焊接及药皮的调整）

②提高焊接热输入量以降低冷却速度，如大直径焊条、大电流连续焊有助消除或减少HAZ的M组织。

（二）异质（非铸铁型）焊缝的弧冷焊工艺特点四句话：

“准备工作要做好，焊接电流适当小，短段断续分散焊，焊后立即小锤敲。

”

1、做好焊前准备工作

清除工件及缺陷上的油污等其它杂质，正确观察缺察情况（如裂纹长度）及将缺陷制成适当的坡口，以备焊接。

1）对于油污，可以碱水刷洗，汽油擦洗或气焊火焰清除

2）裂纹缺陷可用肉眼放大镜观察，可借助水压，渗煤油试验。

3）为防止裂纹扩张，端部3-5mm钻止裂孔（φ5-φ8mm）

4）开坡口原则：

保证顺利施焊及质量前提下尽量减少坡口角度及母材的熔化量，

降低焊接应力及焊缝中S、P量，防止裂纹发生。

2、在保证电弧稳定及焊透的情况下，采用合适的最小电流焊接

1）可减少有害杂质进入焊缝，有利于防止热裂纹。

2）小电流减少了接头的应力。

一般采用小直径焊条采用小电流，适当提高焊速，不作横向摆动。

3、采用短段焊、断续分散焊及焊后锤击工艺

焊缝越长，拉应力越大，裂纹可能性越大。

锤击有利于松弛应力。

为避免工件局部过热以增大焊接应力，可采用分散焊法。

一般10-20mm（薄件）；30-40mm（厚件）

（三）对于厚大件的焊补工艺

1、合理安排多层焊的焊接顺序

2、采用栽丝法：

多用于承受较大工作应力的厚大件的裂纹焊补，就是人为地使焊接接头应力的大部分由栽丝材料（低碳钢）来承担，从而防止剥离性裂纹的发生。

先绕螺钉焊，再焊螺钉之间。

§铝合金的焊接

1、

 铝及其合金焊缝中的气孔

主要是H2气孔。

氢的来源：

弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分，以及焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分！

1．弧柱气氛中水分的影响（潮湿的空气、保护气氛）

　　　该气孔具有白亮内壁的特征。

　　１）原理

在平衡条件下，氢的溶解度将沿图中实线变化，在凝固点时可从0.69突降到0.036ml/100g，相差20倍，这就是氢很容易使铝产生气孔的原因。

而实际的冷却条件并非平衡状态，溶解度变化沿abc（冷速大时）或

（冷速小时）。

a~b：

溶解度差造成的气孔虽然不多，但是由于冷却速度大，气泡在液体凝固之前聚合上浮，被搁浅，形成粗大的“皮下气孔”；

a~

：

冷却速度小，气泡在液体凝固之前聚合浮出，不致产生气孔。

在凝固点时，由于溶解度突变（b~c、

），伴随着凝固过程可在枝晶前沿形成许多小气泡，枝晶交互的生长使聚合的气孔生长受限，并且不利于浮出，因而可在结晶的层状线形成均匀分布的小气孔，即“结晶层气孔”。

2、不同的焊接方法，敏感性不同

1）MIG>TIG（同样的气氛条件下）

A．MIG焊丝是以细小熔滴过渡的，比表面积很大，弧柱温度高于熔池，利于吸氢；

B．MIG熔池深度大于TIG方法的深度，不利于气泡浮出。

工艺

2）尽量促使氢从熔池中逸出，控制焊接工艺a、对TIG焊接，一方面尽量采用小线能量，减少熔池存在时间，一方面，应该充分保证根部熔透，利于气泡浮出。

大电流高焊接速度比较有利。

b、对MIG焊接,焊丝氧化膜的影响更重要，一般希望增大溶池存在时间以利气泡的逸出，降低焊接速度提高线能量，有利于气孔析出，必要时可采用预热办法降低焊接速度。

2、时效强化化合金的软化问题，主要是HAZ“过时效”软化问题。

影响因素：

其严重程度决定于合金第二相的性质，也与焊接热循环特性有一定关系，第二相越易于脱溶解出并易于聚集长大，越易发生“过时效”。

§堆焊

1、堆焊：

用焊接方法在零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。

其目的不是为了连接零件，而在于修复零件或增加其耐磨、耐热、耐蚀等方面性能。

2、作用：

1、制造新零件。

2、修复旧零件

三、特点：

1、堆焊层的合金成分和组织是决定堆焊层效果的主要因素成分↔组织↔性能（具体条件不同）

2、降低稀释率是工艺制定的要点之一为了保证堆焊层的特殊性能，尽量减少堆焊层被基体金属稀释。

3、堆焊层金属与基价金属的相变温度和膨胀系数要相近。

（堆焊金属与基体金属的匹配）

4、提高生产率堆焊零件往往数量多、堆敷金属量大。

§焊接工艺评定

一、定义：

为验证所拟订的焊件的焊接工艺的正确性而进行的试验过程及对试验结果的评价，称为焊接工艺评定。

二、焊接工艺评定的目的

1、验证施焊单位拟订的焊接工艺是否正确。

2、评价施工单位能否焊出符合有关要求的焊接接头。

待评的焊接工艺由施工单位拟订。

试件要由施工本单位技能熟练的焊接人员施焊。

试件要利用施工本单位的焊接设备施焊。

三、制定焊接工艺评定规则的目的：

防止漏评；

尽量减少不必要的评定。

4、焊接工艺评定的一般程序

一）编制焊接工艺指导书

焊接工艺指导书是焊接工艺评定的原始依据和评定对象，应将待评定的焊接工艺内容全部反映出来。

包括：

焊接接头自然情况，母材种类、焊接方法、焊接材料、焊接电流、焊接电压、焊接速度、预热温度等。

二）施焊条件按照标准规定准备试件；

由本单位技能熟练的焊接人员使用本单位的焊接设备焊接试件；采用的焊接工艺条件应严格遵守焊接工艺指导书；

三）理化实验

按照有关标准确定试验项目；按照有关标准制备各种性能试样；按照有关标准进行各种性能试验；填写各个试验项目的试验报告。

四）编制焊接工艺评定报告

焊接工艺评定报告是对焊接工艺评定试验的全面总结，因此应对各项试验的试验结果进行汇总，同时给出最后的结论。

焊接工艺评定报告的作用：

作为制定焊接工艺规程的依据，具有指导作用。

焊接工艺评定报告通常采用标准中推荐的格式。

§金相图谱分析

低碳钢焊接接头金相组织

粗晶区先析铁素体（白色）+魏氏组织400×细晶区细小铁素体+珠光体（黑色）400×

柱状晶界是白色的先析铁素体，向晶内大致平行生长的侧板条铁素体，晶内分布有无方向性的针状铁素体

焊缝组织先共析铁素体呈粗大片状沿柱状晶界分布，晶内为魏氏组织铁素体，其间有珠光体300×

片状与块状先共析铁素体沿原始奥氏体晶界呈网状分布，无碳贝氏体由晶界向晶内平行生长。

晶内为粒状贝氏体与珠光体

左侧半熔化区:

亚共晶白口;右侧奥氏体区:

片状石墨,马氏体,残余奥氏体和屈氏体

中部为半熔化区白口组织,由共晶莱氏体和珠光体组成,呈树枝状结晶并指向焊缝。

左侧焊缝,白色条状为渗碳体,右侧为母材

母材组织白色铁素体黑色珠光体200×

热影响区组织（正火区）200×