1、熔化焊接的基本概念第一節 熔化焊接的特點熔化焊接（簡稱熔焊）是利用熱能（如電能、化學能等）將兩個分離的金屬工件局部加熱、熔化，藉原子或分子間的結合與擴散，緊密而牢固地連成一個整體的工藝過程。熔焊與冶煉鋼鐵基本相同，以熔化和結晶兩個階段實現其工藝過程，但從工藝特點看，卻截然不同。焊接的工藝特點是：一、熱源為移動的一、熱源為移動的焊接時，熱源（如電弧、氣體火焰等）沿著接口按一定方向由一端向另一端做有規律的移動。由于熱源移動的不穩定，焊接參數的多變性，增大了熔池的溫度控制和焊縫質量的保證難度。二、熱源溫度高而集中二、熱源溫度高而集中熱源在自身（如焊條直徑）或外界因素的作用下，體積被壓縮得很小，相應的

2、溫度也很高。如氣焊的火焰溫度約3000K；電焊的弧柱溫度約50008000K；鎢極氬弧焊的弧柱溫度則高達10000K以上。三、受熱金屬體積小三、受熱金屬體積小焊接時，熱源只作用在整體金屬工件的局部，受熱面積很小，熔池的尺寸依焊材及熱源的截面積確定，一般只有210立方厘米。四、熔凝時間短促四、熔凝時間短促施焊時，每一焊點的金屬從加熱熔化到冷卻凝固的時間非常短促，通常以分或秒計。五、具有高的溫度梯度五、具有高的溫度梯度被焊金屬工件上的某一點在熱源的作用下熔化，距離熱源越遠，金屬受熱溫度越低，這種溫度差別叫溫度梯度。溫度梯度的大小與被焊工件的厚度、焊接線能量和金屬導熱系數有關，焊件越厚，線能量越大，

3、導熱性越差，所形成的溫度梯度也越大。六、化學反應不平衡六、化學反應不平衡焊接過程中，由于熔融金屬的熔凝時間短，金屬、氣體和溶渣之間的化學反應尚未充分進行便已凝固，焊縫內部的氣體、渣物來不及脫出，便以氣孔、夾渣等缺陷形態殘留在焊縫內。同時，某些化學元素也在尚未達到均勻分布的情況下固定下來，而形成偏析。七、化學成分和金相組織的變化七、化學成分和金相組織的變化溶池和焊材溶滴與周圍空氣接觸，金屬表面的油、銹、漆蒸發分解以及潮濕環境，均會將氧、氮、氫等有害氣體殘留在焊縫中，形成各類不同的缺陷。同時，金屬中的化學成分在高溫作用下，嚴重被燒損或發生遷移、擴散現象，造成化學成分的不均勻性。在熱源作用下，金屬的

4、金相組織也會發生變化，如典型的、粗大的鑄造組織就是一例。由于金屬的熔凝速度很快，對淬硬傾向大的焊件還易出現馬氏體的淬火組織。八、基本金屬的組織變化八、基本金屬的組織變化靠近熔池未被溶化的基本金屬會因受熱而發生組織的轉變，該部分稱為熱影響區。對碳素鋼來說，這個區不可避免地存在著過熱組織（如魏氏組織）。對合金鋼來說，極易出現淬硬組織。由此可見，溶化焊接雖有一定優點，但因為上述工藝特點，給施焊過程帶來了一系列的難度。為此，必須從設備、焊材及工藝技術等方面加以更新和改善，方能獲得優良的焊接接頭。第二節 焊接過程的機理不同熱源和施焊方式、方法，經歷的過程也有很大的差異，但它們的共同點都是經過加熱熔化和冷

5、卻凝固兩個階段而形成焊縫的。前一個階段叫冶金過程，后一個階段叫結晶過程， 這兩個過程的總體就是焊接過程。步驟是：加熱熔化冶金反應固態相變形成焊接接頭。（見圖21）TmTsTAcTOtwtlt，stnTo初始溫度Tm最高加熱溫度Ts 金屬凝溶溫度TAc金屬下臨界相變點tw加熱時間tl 冷卻時間tn 液態金屬停留時間圖21 焊接過程示意圖一、熔焊冶金過程一、熔焊冶金過程被焊金屬局部在熱源作用下熔化，進行一系列的物理變化和化學反應，這種現象稱為焊接熱過程。焊接熱過程主要體現在溶化金屬、氣相和熔渣的冶金反應，這種反應直接影響焊縫金屬的化學成分、組織和性能。因此，控制好冶金過程是提高焊接質量的重要環節。

6、1、金屬與氣相間的作用熔焊過程中，焊接區的熔化金屬（焊條熔滴和熔池）經常受到周圍大氣中的氧、氮等的侵襲，同時也吸收來自焊條涂料、焊劑等產生的氣體以及金屬表面的鐵銹、油脂、漆物等分解出來的氣體，這些氣體不斷地與液態金屬發生化學反應，自由排出，或以化合物形態浮于焊縫表面。來不及排出者便殘留在焊縫內，形成程度不一的各種焊接缺陷。氧、氮、氫對焊縫質量極為有害，故重點敘述。（1）、氧的影響氧在高溫作用下由分子氧分解成原子氧。原子氧的化學性能比分子氧更為活潑，使鐵或其他元素形成氧化物，如氧融入鐵中則形成氧化鐵（Fe+OFeO）；與錳化合物形成氧化錳（Mn+O MnO）；與硅化合物形成二氧化硅（Si+2O

7、SiO2);與碳化合物形成一氧化碳(C+O CO)等。這些氧化物大部分都以焊渣或氣體形態排出焊縫外，部分則以夾渣、氣孔方式殘留在焊縫中，同時一些有益的元素（如錳、硅等）因被氧化而損失掉，致使焊縫的性能大為降低，尤其是沖擊韌性降低的更為明顯。熱態金屬中存有過剩氧時，晶粒有長大的趨勢。冷凝后，以四氧化三鐵（Fe3O4）及三氧化二鐵(Fe2O3)化合物形式，呈不規則分布的點狀凝集物或沿晶粒邊界以下不完整褐色的細網存在，對焊縫性能有很大的影響。（2）、氮的影響氮易溶解于鐵中而形成穩定的化合物。氮在溶池中的溶解方式有原子氮形式（單一氣體）、氧化氮形式和離子形式三種。在不同的條件下，有時以一種形式為主，有

8、時幾種形式同時存在。原子氮在高溫時化學性能非常活潑，與許多元素化合成氮化物，并在一定的溫度下處于穩定狀態。氮化錳（MnN）在1300下穩定；氮化硅（SiN）在1500下穩定，并殘留在焊縫中形成缺陷。氮對金屬的機械性能影響很大，氮含量增加，焊縫強度和硬度升高，塑性和韌性急驟下降，原因是溶池的驟冷，使一部分原子氮以過飽和的形式存在于固溶液體中，另一部分則以針狀氮化物形式析出，分布在晶界和固溶體上，改變了焊縫的機械性能。另外，焊縫中過飽和的氮是處于不穩定的狀態，隨著時間的延長而被析出、長大，形成穩定的針狀氮化物，使焊縫的塑性和韌性大為下降。（3）、氫的影響通常，氫與其它金屬元素不起化合作用，但能與鐵

9、、鎳、鉻、銅、鉬等形成固溶體。氫在鐵中的溶解度與溫度和鐵的同素異構體以及氫的壓力有關。氫以原子或離子狀態溶入鐵中，溫度越高，溶入的數量也越多。鐵在同素異構轉變時，氫的溶解度會發生突變。（見圖22）-Fe(體）體）-Fe(面）-Fe(體）液體910o1390o0.00050.00100.00150.00200.002510001400TooC氫的溶解度圖22 0.1MPa時氫在鐵中的溶解度氫的溶解度與焊縫冷卻速度有關，當焊縫金屬的結晶速度大于氫從焊縫中逸出速度時，會形成氫氣孔存在于焊縫中。過飽和氫所形成的局面壓力可達1000MPa，還會使焊縫或熔合線處產生微裂紋。對淬硬傾向較大的合金鋼，氫的擴散

10、可使焊縫產生冷裂紋。2、金屬與溶渣間的作用焊接過程中，焊條藥皮所形成的溶渣對熔融金屬起到氣體機械保護、穩定電弧燃燒、改善焊縫化學成分、摻入合金元素的作用。這些功能，主要在焊條藥皮中含有一定量的、能防止或排除有害氣體及雜質的有害氣體及雜質的有益成分（如錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鋁鐵以及石墨等），這些成分在冶金過程中，不但具有強的脫除氧、氮等有害氣體的能力，而且對硫、磷等的親和力也很強，形成各種化合物由焊縫內脫出。同時，這些成分還補充了被燒損或冶金過程以渣形式排出的損失量，而不降低焊縫的性能。二、焊縫的結晶過程二、焊縫的結晶過程熔池溫度隨著熱源的遠離逐漸冷卻、凝固而成焊縫。這種由液態金屬轉變成固態金屬的過

11、程就是金屬的結晶過程。液態金屬在冷卻過程中，凝結成本身所具有的晶體結構，這個過程就叫結晶。我們知道，一切物質都是由原子組成，而物質內部的原子按一定的規則排列成一種格體，每一單位格體叫晶格（立體的），無數晶格的堆集而成晶粒，晶粒之間的分界線叫晶界，無數晶粒的合成就是晶體，金屬就是結晶體。金屬的晶體結構形式約20余種，常見的有面心晶格、體心晶格和六方晶格等三種。它們的形態已在金屬材料學中介紹，故不再闡述。熔焊時，固態金屬在熱源的作用下，將規則排列的晶格結構破壞，而形成液體（這時，金屬原子處于自由而紊亂狀態）。冷卻時，又逐漸恢復原有的晶體結構，這就是金屬的結晶過程。而晶體結構的恢復，是通過兩次結晶過

12、程完成的。1、一次結晶過程金屬從液態金屬轉變成固態金屬時的結晶過程叫一次結晶過程。開始結晶時，并非突變，是通過產生晶核（結晶中心）和晶核長大兩個過程進行的。晶核的生成和長大是隨冷卻速度快慢而定，冷卻速度越快，生成的晶核就越多，晶體長大的速度也越慢，形成的晶粒尺寸（晶粒度）就越小。熔融金屬冷卻結晶，由熔池與焊件未熔化的交界面（即融合線）處開始，大的溫差使晶核集此生成和長大。晶體長大的方向是沿垂直于熔合線向熔池中心發展長大（或按散熱相反的方向長大，見圖23），直至各個晶體相互接觸，液態金屬消失，一次結晶過程方才結束。這時焊縫溫度為1480左右（系指20號鋼），金相組織為柱狀晶粒。熔合線兩側狹窄部分稱為晶內結晶區，是被焊金屬與焊縫間形成的共同晶體區。若熔池較大，冷卻速度較慢，使焊縫中心的液態金屬凝固拖慢，形成的晶粒為不規則的等軸晶粒（見圖24）