熔焊原理.docx

1、熔焊原理一、熔焊原理1 什么是焊接？常用的焊接方法分为哪几类？通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种加工工艺方法称为焊接。工件可以用各种同类或不同类的金属、非金属材料（塑料、石墨、陶瓷、玻璃等），也可以用一种金属与一种非金属材料。金属的焊接在现代工业中具有广泛的应用，因此狭义地讲，焊接通常就是指金属材料的焊接。按照焊接过程中金属材料所处的状态不同，目前把焊接方法分为以下三类：熔焊 焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法称为熔焊。常用的熔焊方法有电弧焊、气焊、电渣焊等。压焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为

2、压焊。常用的压焊方法有电阻焊（对焊、点焊、缝焊）、摩擦焊、旋转电弧焊、超声波焊等。钎焊 焊接过程中，采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法称为钎焊。常用的钎焊方法有火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊、盐浴钎焊和真空钎焊等。2 焊接区内有哪些气体？其来源如何？焊接过程中，焊接区内充满大量气体。用酸性焊条焊接时，主要气体成分是CO、H2、H2O；用碱性焊条焊接时，主要气体成分是CO、CO2；埋弧焊时，主要气体成分是CO、H2。焊接区内的气体主要来源于以下几方面：一是为了保护焊接区域不受空气

3、的侵入，人为地在焊接区域添加一层保护气体，如药皮中的造气剂（淀粉、木粉、大理石等）受热分解产生的气体、气体保护焊所采用的保护气体（CO2气体、Ar气）等；其次是用潮湿的焊条或焊剂焊接时，析出的气体、保护不严而侵入的空气、焊丝和母材表面上的杂质（油污、铁锈、油漆等）受热产生的气体，以及金属和熔渣高温蒸发所产生的气体等。3 试述氮、氢、氧对焊缝金属的作用和影响氮 氮主要来自焊接区域周围的空气。手弧焊时，堆焊金属中约含有0.025%的氮。氮是提高焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素，也是在焊缝中产生气孔的主要原因之一。氢 氢主要来源于焊条药皮、焊剂中的水分、药皮中的有机物，焊件和焊丝表面上的污物（铁锈

4、、油污）和空气中的水分等。各种焊接方法均使焊缝增氢，只是增氢的程度不同：手弧焊时用纤维素药皮焊条焊得的焊缝含氢量比母材高出70倍；只有采用低氢型焊条施焊时，焊缝的含氢量才比较低；而用CO2气体保护焊时，含氢量最低。氢使焊缝金属的塑性性严重下降，促使在焊接接头中产生气孔和延时裂纹，并且还会在拉伸试样的断面上形成白点。氧 氧主要来源于空气、药皮和焊剂中的氧化物、水分及焊接材料表面的氧化物。随着焊缝中含氧量的增加，其强度、硬度和塑性会明显下降，还能引起金属的热脆、冷脆和时效硬化，并且也是焊缝中形成气孔（CO气孔）的主要原因之一。总之，进入焊缝金属中的氮、氢、氧都是属于有害的元素。4 为什么对焊接区域

5、要进行保护？如何保护？对焊接区域进行保护的目的是防止空气侵入熔滴和熔池，减少焊缝金属中的氮、氧含量。保护的方式有下列三种：气体保护 例如，气体保护焊时采用保护气体（CO2、H2、Ar）将焊接区域与空气隔离起来。渣保护 在熔池金属表面覆盖一层熔渣使其与空气分开隔离，如电渣焊、埋弧焊。气渣联合保护 利用保护气体和熔渣同时对熔化金属进行保护，如手弧焊。5 如何减少焊缝金属中的含氧量？对焊接区域进行保护、防止空气与熔化金属进行接触是控制焊缝金属中含氧量的重要措施，但是不能根本解决问题，因为氧还可以通过许多其它渠道进入焊缝中，要彻底堵塞这些渠道事实上是不可能的，因此目前只能采取措施，对已进入熔化金属中的

6、氧进行脱氧处理。6 焊缝金属常用的脱氧方法有哪些？利用熔渣或焊芯（丝）金属与熔化金属相互作用进行脱氧，是焊缝金属常用的脱氧办法。扩散脱氧 当温度下降时，原先熔解于熔池中的FeO会不断地向熔渣进行扩散，从而使焊缝中的含氧量下降，这种脱氧方法称为扩散脱氧。如果熔渣中有强酸性氧化物SiO2、TiO2等，它们会与FeO生成复合物，其反应式为（SiO2+FeO）= FeOSiO2（TiO2+FeO）= FeOTiO2反应的结果使熔渣中的自由FeO减少，这就使熔池金属中的FeO不断地向渣中扩散，焊缝金属中的含量因此得以减少。酸性熔渣（如焊条J422、焊剂HJK431熔化所成的熔渣）中含有较多量的SiO2、

7、TiO，所以其脱氧方法主要是扩散脱氧。但是在焊接条件下，由于熔池冷却速度快，熔渣和液体金属相互作用的时间短，扩散脱氧进行得很不充分，因此用酸性焊条（剂）焊成的焊缝，其含氧量还比较高，焊缝金属的塑性和韧性也比较低。用脱氧剂脱氧 在焊芯、药皮或焊丝中加入某种元素，使它本身在焊接过程中被氧化，从而保证被焊金属及其合金元素不被氧化或已被氧化的金属还原出来，这种用来脱氧的元素称为脱氧剂。常用的脱氧剂有碳、锰、硅、钛和铝。碱性焊条的脱氧剂以铁合金的形式加入到药皮中去，如锰铁、硅铁等。埋弧焊常采用合金焊丝，如H08MnA、H10MnSi等。用脱氧剂脱氧的效果比扩散脱氧好得多，所以用碱性焊条施焊的焊缝，其含氧

8、量比用酸性焊条施焊时要低，塑性、韧性相应得到提高，因此碱性焊条常用来焊合金钢及重要的焊接结构。7 如何减少焊缝金属中的含氢量？减少焊缝金属中含氢量的常用措施有：1） 烘干焊条的焊剂；2） 清除焊件和焊丝表面上的杂质；3） 在药皮和焊剂中加入适量的氟石（CaF2）、硅砂（SiO2），两者都具有较好的去氢效果；4） 焊后立即对焊件加热，进行后热处理；5） 采用低氢型焊条、超低氢型焊条和碱性焊剂。8 试述焊缝金属中硫的危害性。如何脱硫？硫是焊缝中常存的有害元素之一。硫能促使焊缝金属产生热裂纹、降低冲击韧度和需腐蚀性，并能促使产生偏析。厚板焊接时，硫还会引起层状撕裂。硫在液态金属中以FeS的形式存在，

9、熔渣中的Mn、MnO、CaO具有一定的脱硫作用；其反应式如下 Mn+FeS =MnS+Fe MnO+FeS=MnS+FeO CaO+FeS =CaS+FeO生成的MnS、CaS都进入熔渣中，由于MnO、CaO均属碱性氧化物，在碱性熔渣中含量较多，所以碱性熔渣的脱硫能力比酸性熔渣强。9 试述焊金属中磷的危害性。如何脱磷？磷也是焊缝中常存的有害元素之一。磷会增加钢的冷脆性，大幅度地降低焊缝金属的冲击韧度，并使脆性转变温度升高。焊接奥氏体类钢或焊缝中含碳量较高时，磷也会促使焊缝金属产生热裂纹。磷在液态金属中以Fe2P、P2O5形式存在。脱磷反应可分为两步进行：第一步是将磷氧化成P2O5；第二步使之与

10、渣中的碱性氧化物CaO生成稳定的复合物进入熔渣。其反应式为 2Fe2P+5（FeO=P2O5+11Fe P2O5+3（CaO）=（CaO）3P2O5 P2O5+4（CaO）=（CaO）4P2O5由于碱性熔渣中含有较多的CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣要好。但是实际上，不论是碱性熔渣还是酸性熔渣，其最终的脱硫、脱磷效果仍不理想。所以目前控制焊缝中的硫、磷含量，只能采取限制原材料（母材、焊条、焊丝）中硫、磷含量的方法。10 什么是焊缝金属的合金化？常用的合金化方式有哪些？合金化就是把所需要的合金元素，通过焊接材料过渡到焊缝金属（或堆焊金属）中去。合金化的目的：1）补偿焊接过程中由于氧化、蒸发等原因造

11、成的合金元素的损失；2）改善焊缝金属的组织和性能；3）获得具有特殊性能的堆焊金属。常用的合金化方式有：应用合金焊丝；应用药芯焊丝或药芯焊条；应用合金药皮或粘结焊剂；应用合金粉末；应用熔渣与金属之间的置换反应。11 什么是合金元素的过渡系数？合金元素在焊接过程中总有一部分因氧化、蒸发等原因损耗掉，不可能全部过渡到焊缝中去。合金元素的过渡系数是指焊接材料中的合金元素过渡到堆焊金属中的数量与其原始含量的百分比，即 CF = CT式中 某合金元素的过渡系数（%）； CF堆焊金属中某合金元素的含量； CT焊条（焊丝、焊剂）中某合金元素的原始总含量。手弧焊采用不同焊条型号时，合金元素的过渡系数，见表1。表

12、1 手弧焊时合金元素的过渡系数 （%）药皮类型焊条型号CMnSiCrMo钛 钙 型低氢钠型E4303E50154055484055506055655060556570808090由表1可知，碱性焊条（低氢钠型）合金元素的过渡系数比酸性焊条（钛钙型）高。12 什么是焊接熔池的一次结晶？它有什么特点？热源离开后，焊接熔池的金属由液态转变为固态的过程，称为焊接熔池的一次结晶。焊接熔池的一次结晶具有如下特点：熔池的体积小、冷却速度大 电弧焊时，熔池体积最大约为30cm3，液态金属的质量不超过200g（单丝自动埋弧焊）。由于熔池的体积小，周围又被冷金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，可达100/s，比铸

13、锭的冷却速度大几百到上万倍，这就使含碳量高、含合金元素较多的钢材，在焊接接头中出现淬火硬组织（马氏体）和结晶裂纹。熔池中的液态金属处于过热状态 对于低碳和低合金钢，弧焊时熔池的平均温度为（1770100），超过了材料的熔点，处于过热状态。因此合金元素的烧损比较严重。熔池是在运动状态下结晶 熔焊时，熔池随热源作同速移动，在熔池中金属的熔化和结晶过程同时进行，即熔池的前半部处在熔化过程，后半部处在结晶过程，故熔池内的熔化金属处于运动状态下结晶。13 什么是偏析？焊缝中会产生哪几种偏析现象？合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化

14、学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。焊缝中的偏析现象有以下三种：显微偏析 熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素和杂质最高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均现象称为显微偏析。区域偏析 熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析。焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，因此焊缝中心聚集有较多的杂质，见图1。这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质则

15、聚集在焊缝的上部，见图1b，这种焊缝具有较高的抗热裂能力。层状偏析 熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏析。层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔，见图2。14 如何改善焊缝一次结晶组织？什么是变质处理？通过焊接材料（焊条、焊剂）向熔池中加入某些合金元素如V、Mo、Ti、Nb、A1、B、N等，可以细化晶粒，得到细晶组织，从而既可保证强度和塑性，又能提高抗裂性，这种

16、方法称为变质处理。变质处理对改善焊缝的一次结晶组织十分有效。例如，E5015MoV焊条，就是在原来E5015焊条的基础上，在药皮中再加入少量的钼铁和钒铁，它具有更高的抗裂性能。15 什么是焊缝金属的二次结晶？一次结晶结束后，熔池就转变为固体的焊缝。高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的组织相变过程，这种相变过程称为焊缝金属的二次结晶。低碳钢焊缝金属二次结晶结束时，其组织为铁素体加珠光体。由铁碳合金状态图可知，其中铁素体约占82%，珠光体约占18%，焊缝金属的硬度约为83HBS。但铁碳合金状态图是在材料极缓慢的冷却条件下获得的，实际上焊缝金属二次结晶时的冷却速度相当快，因此组织中的珠光体含量

17、会增加，冷却速度越高，珠光体含量也越多，焊缝的硬度和强度也随之增加，例如，当焊缝金属的冷却速度为110s时，其硬度可达96HBS，这就是为什么当焊缝金属为低碳钢，冷却时尽管并未出现淬火组织，但其硬度仍会增加的原因。16 多层多道焊为什么可以提高焊缝金属的塑性？多层多道焊可以提高焊缝金属的质量，特别是塑性，这是因为后层（道）焊缝对前层（道）焊缝具有热处理的作用，相当于对前层（道）焊缝进行了一次正火处理，因而改善了二次组织。对最后一道焊缝，可在其焊缝上再施焊一条退火焊道。有的工厂，当焊接接头的弯曲试样试验不合格时，采取改变原来的焊接工艺参数的措施，将单层焊缝改成多层焊缝，用小电流进行快速施焊，对提

18、高弯曲试样的试验合格率（塑性指标）有一定效果。应当指出，多层多道焊对提高手弧焊的质量效果较好。埋弧焊时，由于每层焊道厚度可达610mm，但次一层焊缝的热作用只达34mm，所以热处理效果较差。17 什么是焊接热循环？焊接热循环的主要参数有哪些？在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为该点的焊接热循环。当热源向该点靠近时，该点的温度随之升高，直到达到最大值；随着热源的离开，温度又逐渐降低，整个过程可以用一条曲线来表示，这种曲线称为焊接热循环曲线，见图3。显然，在焊缝两侧距焊缝远近不同的各点，所经历的热循环并不相同，距焊缝越近的各点，加热达到的最高温度越高，越远的各点加热的最高温度越低

19、。焊接热循环的主要参数是加热速度、加热所达到的最高温度、在组织转变温度以上停留的时间和冷却速度。单层电弧焊和电渣焊低合金钢时的热循环参数见表2。表2 低合金钢的焊接热循环参数板厚（mm）焊接方法焊接线能量（J/cm）900时的加热速度(/s)900以上的停留时间（s）冷却速度（/s）备 注加热时冷却时900500123510152550110110220钨极氩弧焊钨极氩弧焊埋弧焊埋弧焊埋弧焊埋弧焊埋弧焊电渣焊电渣焊电渣焊电渣焊840108037807140193204200010500050400067200011760009660001700120070040020010060473.53.

20、00.40.62.02.54.09.025.0162.036.0125.01441.21.85.57132275335168312395240120544022951.02.30.830.860301295210.30.70.280.25对接开形坡口对接开形坡口对接开形坡口，有焊剂垫对接开形坡口，有焊剂垫开V形坡口，有焊剂垫开V形，坡口有焊剂垫开V形，坡口有焊剂垫双丝三丝板极双丝18 什么是焊接线能量？如何计算？熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，称为焊接线能量，用下式表示为 IU = 式中 I焊接电流（A）； U电弧电压（V）； 焊接速度（cm/s）； q线能量（J/cm）。 例如

21、，板厚12mm，进行双面开形坡口埋弧焊，焊丝4mm，I=650A，U=38V，=0.9cm/s。，则焊接线能量q为 IU 65038 = = = 27444 J/cm 0.9线能量综合了焊接电流、电弧电压和焊接速度三大焊接工艺参数对焊接热循环的影响。线能量增大时，热影响区的宽度增大，加热到高温的区域增宽，在高温的停留时间增长，同时冷却速度减慢，见表3。表3 线能量对焊接热循环的影响线 能 量（J/cm）预热温度（）1100以上停留时间（s）650的冷却速（/s）2000020000384003840027260272605516.517144.44.41.419 焊接时，如何选择线能量？生产中

22、，根据不同的材料成分，在保证焊缝成形良好的前提下，适当调节焊接工艺参数，以合适的线能量进行焊接，可以保证焊接接头具有良好的性能。例如，焊件装配定位焊时，由于焊缝长度短，截面积小，冷却速度快，焊缝容易开裂，特别是对于一些淬硬倾向较大的钢种更是如此，此时应该选择较大的线能量进行焊接，以防焊缝开裂。但是对于强度等级较高的低合金钢、低温钢，线能量必须严格控制，因为线能量增大会导致焊接接头塑性和韧性的下降。特别是当焊接奥氏体不锈钢时，为了提高焊接接头的耐蚀性，一定要采用小电流、快速焊的工艺参数，使线能量保持在最低值。20 什么是预热？预热有何作用？焊前对焊件整体或焊接区域局部进行加热的工艺手段称为预热。

23、对于焊接强度级别较高、有淬硬倾向的钢材、导热性能特别良好的材料、厚度较大的焊件，以及当焊接区域周围环境温度太低时，焊前往往需要对焊件进行预热。预热的主要目的是降低焊接接头的冷却速度，预热温度见表3。从表中可以看出，预热能够降低冷却速度，但又基本上不影响在高温停留的时间，这是十分理想的。所以当焊接具有淬硬倾向的钢材时，降低冷却速度减小淬硬倾向的主要工艺措施，是进行预热，而不是增大线能量。21 什么是层间温度？如何正确选择层间温度？对焊件进行多层多道焊时，当焊接后道焊逢时，前道焊缝的最低温度，称为层间温度。对于要求预热焊接的材料，当需要进行多层焊时，其层间温度应等于或略高于预热温度，如层间温度低于

24、预热温度，应重新进行预热。焊接奥低体不锈钢时，为保持焊接接头有较高的耐蚀性，需要有较快的冷却速度，因此此时需要控制较低的层间温度，即在前道焊缝冷却到较低温度时，再进行后道焊缝的焊接。22 什么是焊接影响区？它有什么特性？焊接（或切割）过程中，紧靠焊缝的母材因受热影响（但未熔化）而发生金相组织力学性能变化的区域称为焊接热影响区。熔焊时，焊接接头由两个相互联系、而其组织和性能又有区别的两个部分，即焊缝区和热影响区所组成。实践表明，焊接接头的质量不仅决定于焊缝区，并且在相当程度上还决定于热影响区，有时热影响区存在的问题比焊缝区还要复杂，特别是合金钢焊接时更是如此。所以，研究、掌握热影响区在焊接过程中

25、组织和性能的变化，有着十分重要的意义。23 试述固态无组织转变材料的焊接热影响区特点。固态无组织转变的纯金属（如A1、Cu、Ni、MoT W等）以及单相固溶体合金（如Zn的质量分数39%的黄铜，Ni-Cu合金以及超低碳铬镍奥氏体不锈钢和超低碳高铬纯铁素体不锈钢等）在加热和冷却时都不会发生组织转变，因此其焊接热影响区非常简单，只有过热区和再结晶区（母材焊前为冷轧状态）两个区段，见图4。过热区 由于这类材料在冷却过程中没有任何组织转变，因此加热过程中长大了的晶粒在冷却过程中不会有组织转变引起的重结晶细化作用，所以过热区内的晶粒长得十分粗大，并且无法通过热处理（如钢材的正火处理）来进行细化。过热区内

26、材料的塑性和韧性很差，为此应该采用小线能量进行焊接，并且要尽量防止在同一部位进行重复焊接，以免晶粒越长越大。再结晶区 如母材焊前处于冷轧状态，焊后过热区和母材之间存在着一个具有较细晶粒的再结晶区。但在再结晶区中，由于冷轧状态的母材组织发生了再结晶，原先冷轧过程中的冷作硬化效应完全消失，因此强度降低但塑性得到了改善。如果母材焊前是处于热轧状态或冷轧后的退火状态，则焊后热影响区无再结晶区。24 试述固态有同素异构转变的纯金属或单相合金的焊接热影响区特点。Fe、Mn、Ti、Co等金属属于固态有同素异构转变的纯金属以及以这些金属为基能形成有同素异构转变的单相合金，其焊接热影响区可分成过热区、重结晶区、

27、不完全重结晶区（单相合金）和再结晶区几个区段，见图5。其特别是除了23例题中所讲过的过热区和再结晶区外，还有一个由同素异构转变引起的重结晶区，这一区位于过热区和再结晶区之间，其组织特征为由重结晶组织转变而引起的晶粒细化，即相当于钢材进行正火处理后所得到的细晶组织，这一区段的冲击韧性较高。如果母材是单相合金，如-Ti和纯Ti相比较，在固态下都只有一个的同素异构转变，它们在高温时均为相，低温时均为相，所不同之处是纯金属的同素异构转变是在某一固定温度下进行的，而单相合金的同素异构转变是在某一温度范围内进行的，因此其热影响区的重结晶区还可进一步分为重结晶区和不完全重结晶区两部分。此外，有些具有同素异构

28、转变的纯金属，如Ti和Co等、单相合金如-Ti，在快速冷却条件下会产生马氏体转变，如纯Ti和-Ti合金，快速冷却时在焊接热影响区都能发现转变，称为钛马氏体。25 试述不易淬火钢的焊接热影响区特点。不易淬火钢，如低碳钢和合金元素较少的低合金高强钢（16Mn、15MnTi、15MnV钢），在固态下合金中除了有同素异构转变外，还有成分变化和第二相析出，即共析转变和 Fe3C的析出，其焊接热影响区可分为过热区、重结晶区、不完全重结晶区和再结晶区等四个区段，见图6。过热区（又称粗晶区） 该区紧邻焊缝，温度范围是从晶粒急剧长大的温度开始，一直到固相线的温度区间为止，对低碳钢为11001490。该区母材中的

29、铁素体和珠光体全部变为奥氏体，奥氏体晶粒长得非常粗大，冷却后使金属的冲击韧度大大降低，一般比基本金属低25%30%，是热影响区中的薄弱环节。重结晶区（又称正火区域或细晶区） 指过热区以下，加热温度在A3以上的区域，对低碳钢为9001100。空冷后得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理中的正火组织。重结晶区由于晶粒细小均匀，因此既具有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，这是热影响区中综合力学性能最好的区域。但由于整个焊接接头的性能取决于接头中的最薄弱区域，所以该区性能虽好，但却发挥不了作用。不完全重结晶区（又称不完全正火区或部分相变区） 指加热温度在Ac1Ac3之间的区域，对低碳钢为750900。该区母材中的全部珠光体和部分铁素体转变为晶粒比较细小的奥氏体，但仍保留部分铁素体。冷却时，奥氏体又转变为细小的铁素体和珠光体，而未溶入奥氏体的铁素体不发生转变，晶粒比较粗大，故冷却后的组织晶粒大小极不均匀，所以力学性能也不均匀，强度有所下降。再结晶区 指加热温度在450Ac1之间的区域，对低碳钢为450750。对于经过压力加工，即经过塑性变形的母材，晶粒发生破碎现象，在此温度区域内，再次变成完整的晶粒，称为再结晶。在本区域没有发生同素异构转变，组织没有变化，因此金属的力学性能变化不大，仅塑性稍有改善。对于焊前未经塑性变形的母材，本区不出现。26 什么是魏氏组织？它