1、焊 接 技 術主編：葉琦化 學 工 業 出 版 社緒 論一、焊接技術在工程建設中的作用與地位鋼材冶煉： 煉鋼（保證鋼材成分）軋鋼（改變鋼材形狀）金屬材料加工方法：冷加工：車、刨、鉆、銑、磨 .熱加工：鑄、鍛、焊、熱處理。 50的鋼鐵材料需要經過焊接加工。 鋼鐵構件在使用過程中，焊接接頭是最容易發生事故的部位。二、焊接的本質及分類1焊接的定義：被焊工件通過加熱或加壓或兩者并用，用或不用填充材料，使被焊材料之間達到原子間的結合而形成永久性連接的工藝過程稱為焊接。2熔接的本質： 只有當被連接金屬原子之間距離接近rA（rA 0.30.5nm）時，金屬鍵才能起作用，這時金屬原子之間的結合力最大。 為了使

2、金屬表面緊密接觸，焊接通常采取以下幾種措施：(1) 對被焊接金屬施加壓力或不斷地摩擦，破壞接觸表面的氧化膜，使結合處緊密接觸。(2) 將金屬加熱到塑性狀態，施加壓力使接觸面的氧化膜被破壞。加熱也增加原子的振動能，促進擴散和結晶過程的進行。(3) 通過液態中間材料，如粘結劑或低熔點金屬，將兩個固態金屬連接在一起。因液態金屬原子之間的距離很容易達到rA，所以加熱熔化金屬，凝固后兩塊金屬即可實現連接。焊接方法分為：熔焊：焊接接頭加熱熔化，使原子相互擴散接觸，凝固結晶連接。壓焊：對焊件加熱加壓，使焊接接頭之間接觸，原子擴散連接。釬焊：通過低熔點釬料將焊接接頭連接在一起。三、焊接技術的發展 古代：熱鍛連

3、接，熔化焊、釬焊 19世紀末：碳弧焊； 20世紀初： 氣焊、電弧焊； 20世紀中：高效焊接技術，如埋弧焊、氣體保護焊等； 20世紀末至今：高能、高質量焊接，如電子束焊、激光焊，計算機技術在焊接中的應用。各種金屬、非金屬、復合材料的焊接等。四、學習建議 本課程包括：焊接冶金基礎、焊接應力與變形、焊接材料、焊接工藝、焊接方法、常用金屬的焊接、焊接缺陷的產生與防止、焊接結構、焊接檢驗等。內容量大、涉及面廣、實踐性強。 學好基礎理論，理論與實踐結合，培養分析問題和解決問題能力。第一章 焊接冶金基礎熔焊過程：加熱熔化冶金反應結晶固態相變接頭。熔化焊的冶金反應：金屬、熔渣、氣相之間的反應。第一節 焊接熱過

4、程焊接加熱特點：局部、高溫、加熱冷卻速度快、熱源運動。一、常用焊接熱源（一） 常用熱源：電弧熱、化學熱、電阻熱、摩擦熱、高能束。 焊接熱源發展趨勢是： 高能（激光）、高效（高熔覆率）、低能耗（熱效率）、高質量（氣保焊）、低勞動強度（自動焊）。（二） 焊接加熱效率 式中：q電弧有效功率(W)；I焊接電流(A)；U電弧電壓(V)；焊接熱效率。 與焊接方法、焊接材料、焊接工藝等因素有關。TIG (tungsten-inert-gas arc welding)：鎢極惰性氣體保護焊MIG (metal-inert-gas arc welding)：金屬熔化極惰性氣體保護焊焊接線能量式中：E焊接線能量J/

5、cm； v焊接速度cm/s。（三） 焊接傳熱的基本方式(1) 傳導：金屬固體的內部、焊縫對熔渣之間的熱傳遞。(2) 對流：液態金屬和液態熔渣的內部熱傳遞。(3) 輻射：焊條端部對熔池、熱金屬對大氣之間的熱傳遞。二、焊接溫度場 指焊接某一區域某一瞬間溫度的分布。也可以說，溫度是空間某點位置和時間的函數。 T = f （x, y, z, t）式中：T焊件上某點某瞬時的溫度；x, y, z焊件某點的坐標；t時間。因為焊接熱源是按一定速度勻速運動，所以焊接溫度場則是一個橢圓。（一） 焊接溫度場的特點 等溫線、等溫面：溫度場中溫度相等各點的連線和連面。 在溫度場內，不同溫度的等溫線或等溫面不會相交。 熱

6、源中心為原點，焊接方向為X軸，焊件寬度為Y軸（移動坐標系）。 焊接溫度場對Y軸對稱，對X軸不對稱。（二） 影響溫度場的因素熱源性質：熱源能量越集中，加熱面積越小。 焊接工藝參數：a) 熱源功率不變、焊接速度變；b) 焊接速度不變，熱源功率變；c) 熱源功率和焊接速度都變，但比值一定。被焊金屬物理性質：熱導率、比熱容 、熱擴散率、表面散熱系數等。焊件的幾何形狀：厚板焊接結構：三維傳熱，熱源可視為點狀；薄板焊接結構：二維傳熱，熱源可視為線狀；絲狀焊接結構：一維傳熱，熱源可視為面狀。三、 焊接熱循環（一） 焊接熱循環的概念 焊件上某一點從低溫到高溫，又從高溫降到低溫，溫度隨時間的變化稱為焊接熱循環。

7、 焊接熱循環包括：加熱的速度（H） 、最高加熱溫度（Tm） 、相變溫度以上停留的時間（tH）和冷卻速度或冷卻時間（t8/5）。（二）焊接熱循環的主要參數及特點 1 加熱的速度（H） H非常快，使相變溫度提高，并造成奧氏體均勻化和碳化物溶解都不充分。2 加熱的最高溫度（Tm） Tm越高，晶粒越粗大，焊接冶金速度越快。3 相變溫度以上停留的時間（tH） tH越長，越有利于奧氏體均質化。 但晶粒也越易長大。 tH包括加熱時的停留時間t和冷卻時的停留時間t。 tHt+ t4 焊接熱影響區的冷卻速度（Tc）和冷卻時間（t 8/5) t 8/5 焊件從800冷至500所需的時間，對焊接質量影響很大，尤其是

8、易淬硬鋼的焊接。（四）影響焊接冷卻速度（熱循環）的因素（1）金屬熱物理性質：金屬的導熱系數越大，冷卻速度就越快。（2）鋼板厚度：鋼板的尺寸越大、越厚，冷卻速度就越快。但板厚超過25mm后，冷卻速度趨于一定值。（3）鋼板初始溫度：初始溫度越高，冷卻速度越低。預熱是控制淬硬組織、避免產生冷裂紋的重要手段。（4）焊接線能量：增加焊接線能量（UI/v），可降低冷卻速度。（5）焊接接頭的形狀：角焊縫、T字接頭的冷卻速度比對接焊縫的冷卻速度要快得多。焊件不同位置的焊接熱循環的值不同。（三）多層焊的焊接熱循環1 長段多層焊（1m）：焊第二道焊縫時，第一道焊縫已降至低溫（200）。所以焊易淬硬性鋼時，焊第二道

9、焊縫時，應防止第一道焊縫溫度過低產生裂紋。2 短段多層焊：第一道焊縫仍處于高溫時，進行第二道焊縫的焊接。 短段多層焊適于焊接晶粒易長大而又易于淬硬的鋼種，尤其是用于鑄鐵補焊。（五）焊接熱循環調整方法（1） 根據被焊金屬選擇合理焊接方法。（2）合理選擇工藝參數。在保證焊接質量的前提下，盡量減少焊接線能量E。但高效焊接往往是高E。（3）對淬硬鋼采取預熱或緩冷措施。（4）采用多層焊。第二節 焊接的化學冶金過程一、 焊縫金屬的組成1 焊條的熔化與過渡 熔化焊條的熱量：焊接電弧熱、電阻熱、化學反應熱。 電弧熱：是熔化焊條的主要熱源，但僅有部分電功率被用來加熱熔化焊條 qe=eUI式中：U電弧電壓；I焊接

10、電流；e有效加熱系數（ 0.20.3）（2）焊條平均熔化速度 平均熔化速度gM ： 式中：G熔化的焊芯質量；P焊條熔化系數 g/(Ah)，-焊接電流 平均熔敷速度gD： 式中：H焊條熔化系數 g/(Ah) 損失部分與焊芯質量之比稱損失系數 一般為10左右。 熔滴過渡作用力 重力、表面張力、電磁壓縮力、摩擦力、電弧氣體吹力等。 熔滴過渡形式 取決于焊接方法、保護氣體、焊接電流等。有滴狀過渡、短路過渡、噴射過渡（附壁過渡）。 熔滴的特點： 1）熔滴比表面積S（表面積Ag與其質量Vg之比）大： R越小，S越大，熔滴與氣相、熔渣之間的反應越激烈。2） 熔滴存在時間短，一般在0.011秒之間。3）熔滴平

11、均溫度為21002700。 因此在焊接過程中，熔滴的反應十分劇烈。 （二） 母材的熔化及熔池 熔池的形狀與尺寸 熔池呈半橢球狀，其輪廓為母材熔點的等溫面，并隨焊接熱源同步移動。 熔池的長度基本和焊接功率成正比 L= P2UI式中：P2比例系數，和焊接方法、 焊接工藝參數有關。2 熔池的溫度 熔池內的溫度是不均勻的，平均溫度約1770（2000K，焊接化學冶金的計算溫度）。 熔池中流體運動狀態 在各種力的作用下（熱對流、電弧吹力、電磁力等），熔池內發生強烈的攪拌作用，有利于加速焊接化學冶金反應、均勻焊縫金屬成分、氣體和非金屬夾雜外逸。（2） 熔池質量和存在時間 熔池質量在幾克到幾十幾克之間，取決

12、于焊接方法。 熔池液態存在的時間取決于焊接方法、焊接規范等。 二、 焊接化學冶金特點（1） 在保護狀態下進行 隔絕空氣，尤其是空氣中的氮。 不同的焊接方法采用不同的保護措施。（2）分區域或分階段連續進行：藥皮、熔滴、熔池反應 ；（3）反應溫度高：弧柱50008000、熔滴2200、熔池1800；（4）反應界面大，尤其是熔滴；（5）反應時間短；（6） 熔融金屬處于不斷運動。（三） 焊接冶金各反應區特點 1 藥皮反應區 1001200 1）400，無機化合物碳酸鹽和高價氧化物（CaCO3 、Fe2O3）開始分解，產生CO2、CO等氣體。4） 600，鐵合金開始被氧化。2 熔滴反應區 主要反應有：氣

13、體的溶解和分解、金屬的蒸發、金屬及其合金的氧化和還原、高價氧化物分解成低價氧化物 6Fe2O3（赤鐵礦）= 4Fe3O4 + O2 4MnO2（錳礦）= 2Mn2O3 + O23 熔池反應區 熔池溫度前高后低，所以熔池前后的反應不同。前面金屬熔化、吸收氣體；后面金屬凝固、氣體逸出。 熔池強烈攪拌，有利反應和氣體、夾雜逸出。所以熔池階段的反應速度要比熔滴階段小得多。三、 焊接熔渣1 熔渣的作用（1）機械保護作用：覆蓋在金屬外表面，隔離空氣。（2）改善焊接工藝：加入穩弧劑等成分使焊條容易引弧、穩定燃燒、減少飛濺、保證焊縫成形、脫渣等。（3）冶金作用：熔渣與金屬發生脫氧、脫硫、除氫、合金化等冶金反應

14、。 焊條藥皮的原材料是一些礦物質，熔渣是由許多成分組成，構成復雜的渣系，如MnO-SiO2、 CaO-TiO2-SiO2 、CaF2-CaO-SiO2等，以保證熔渣的熔點、粘度等工藝指標。3 熔渣的堿度（分子理論） 按分子理論，渣中氧化物分為：1）酸性氧化物：按酸性強弱順序為SiO2、TiO2、P2O5等。2）堿性氧化物：按堿性強弱順序為Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等。3）中性氧化物：如Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。分子理論的堿度公式是 式中：R2O 、RO 堿性氧化物摩爾分數；RO2 酸性氧化物摩爾分數。 B1堿性渣，B1.3渣才呈堿性。第三節 有害元素對焊縫金屬的作用

15、焊接中的有害元素包括：H2、N2、O2、S、P、H2O等。一、氫對焊縫金屬的作用（一）氫的來源 焊條藥皮中的吸附水、結晶水和有機物，焊件表面的污染物、空氣中的水分。（二）氫與焊縫金屬的作用1 氫的溶解 分子狀態的氫必須分解為原子狀態和離子狀態才能向金屬中溶解。吸附 金屬中溶氫量與氣相中的氫分壓符合平方根定律。 平衡常數KH2和溫度有關。溫度越高，吸氫量越大。所以焊接中吸氫主要是在熔滴階段。由于在焊接電弧中，大部分氫分子已分解成氫原子、離子，所以實際吸氫量高于平方根定律。 在晶格變化時，金屬的吸氫量有突變。2 氫與金屬的作用方式 根據氫在金屬中的溶解量，可分為兩大類：第一類：吸氫金屬，如Zr、T

16、i、V等，能形成穩定氫化物MxHy。吸氫反應是放熱反應，低溫吸氫，高溫釋放氫。第二類：氫能溶入金屬，但不能生成氫化物，如Al、Fe、Ni.等，溶解反應是吸熱反應，溫度越高，溶解度越大。3 氫在焊縫金屬中的擴散 凝固后焊縫金屬內，氫以原子和分子兩種形式留在焊縫中：(1) 擴散氫：以原子形式存在，與金屬形成間隙固溶體。因H半徑很小，可在晶格內自由移動，所以叫擴散氫。(2) 殘余氫：當擴散氫移動到金屬內部的缺陷部位時，氫原子轉換成氫分子，因體積增大，滯留在這些部位。焊縫金屬內的含氫量與焊接方法有關。 焊縫金屬中擴散氫的行為： 隨著放置時間的延長或加熱，焊縫中的擴散氫減少，殘余氫增加，總的氫量減少。

17、由于擴散氫極易擴散到近縫區，造成體積急劇膨脹，這些部位又是焊縫性能薄弱區，所以容易在這些部位發生焊接裂紋。3 氫對焊接質量的影響（1）氫脆：在室溫下，氫可以使鋼塑性下降，但強度不變。焊縫加熱除氫后，可恢復塑性。（2）白點：含氫量高的焊縫破壞時，斷口有一些白點，導致焊縫塑性下降。（3）形成氣孔：在焊縫凝固時，來不及逸出的氫就形成氣泡，使焊縫強度下降。（4）產生冷裂紋：焊縫冷卻下來后產生的裂紋叫冷裂紋，也叫延遲裂紋。一般發生在高強鋼或一些應力比較集中的部位。（四） 控制氫的措施 以控制氫的來源為主。（1）減少焊接材料中的含氫（水）量：在使用前應烘干，以減少焊接材料儲存時吸附的水。烘干溫度取決于焊條

18、類型。（2）清理焊絲和工件表面雜質：一些金屬氧化物常含結晶水，如FeOH2O, Al(OH)3, Mg(OH)2，在焊接高溫下，釋放出的結晶水會增加焊縫含氫量。（4）冶金處理：形成一些低沸點、不溶于液態金屬的含氫氣體，如HF和OH。1） 藥皮中加入氟化物：氟化物（如CaF2 ）和SiO2可顯著降低焊縫含氫量。 2CaF2 + 3SiO2 + 2H2O 2CaSiO3 + HF HF沸點低，即使在高溫下也十分穩定，所以降低了氣相中氫的活度。2） 提高焊接區域的氧化性：氫與氧反應生成穩定的OH，降低氣相中氫的分壓 CO2 + H = CO + OH O + H = OH O2 + H2 = 2OH

19、3 焊后脫氫處理 焊后將焊縫加熱幾百度并保溫一段時間，可以消除絕大部分的擴散氫。二、 氮對焊縫金屬的作用（一） 氮的來源 主要來自空氣。一旦滲入焊縫金屬形成氮化合物，就很難通過冶金的辦法消除。（二） 氮對金屬的作用(1) 不與氮發生作用的金屬：如銅、鎳等；(2) 容易和氮發生作用的金屬：如鐵、鈦等。（三） 氮對焊接質量的影響 氮是有害元素：1 產生氣孔：高溫吸收的氮在冷凝時來不及釋放就形成氣孔。2 氮可以使焊縫金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性（尤其是低溫韌性）下降。3 氮可以引起焊縫金屬時效脆化。（四） 控制氮的措施1 加強焊接區的保護：如渣保護、氣保護或氣渣聯合保護。2 焊接工藝參數：增加電

20、弧電壓將延長熔滴過渡時間，焊縫含氮量增加。3 合金元素的影響：碳在生成CO、CO2，加強氣保護，降低氮分壓。Ti、Al、Zr、RE形成穩定氮化物進入渣中。三、 氧對焊縫金屬的作用 在焊接中，氧既是有害元素，又是必須要利用的元素。（一）氧的來源 焊接氣氛中的氧化性氣體（CO2、O2、H2O）、藥皮中高價氧化物、焊件表面的銹。（二） 氧與焊縫金屬的作用 氧是以原子氧和FeO兩種形式溶于液態鐵中，溶解度隨溫度的提高而增加。 焊縫金屬的氧化（1）氧化性氣體對金屬的氧化 氧分子或氧原子對金屬的氧化： Fe + O = FeO ； Si +O2 （SiO2） ； Mn + O2 （MnO） CO2對金屬氧

21、化： CO2 CO + O2 H2O對金屬的氧化：H2O + Fe = FeO +H2 （2）熔渣對焊縫金屬的氧化1）擴散氧化 FeO既能溶入液態鋼中，又能溶入液態熔渣中，平衡時它在兩相中的濃度符合分配定律： 分配常數L與溫度、渣的性質等有關：1）溫度升高，L減少。所以擴散氧化發生在熔滴和熔池前半部的高溫區。2）L 1，所以渣中的FeO要比焊縫金屬中的FeO量多。3）FeO屬堿性氧化物，所以堿性渣中的FeO更易向金屬中擴散。（2）置換氧化對一些易分解的氧化物，如SiO2、MnO等，如果數量較大，則有可能與液態鐵發生置換反應，使鐵氧化，而該氧化物被還原。如 （FeO） (SiO2)+ Fe =

22、Si +FeO FeO （FeO） (MnO)+ Fe = Mn +FeO FeO 反應結果使焊縫中的硅、錳含量增加，鐵被氧化。（三） 氧對焊接質量的影響（1）隨著氧含量增加，焊縫強度、塑性、韌性（尤其是低溫沖擊韌性）下降。（2）和熔池中的碳反應生成CO氣體，造成飛濺和氣孔。（3）燒損合金元素，降低焊縫金屬性能。（4）可以有效減少焊縫中的含氫量。焊縫內的含氧量與焊接方法、工藝等有關。（四） 控制氧的措施（1）嚴格控制氧的來源，如氣保焊采用高純惰性氣體、低氧焊絲，清除焊絲和焊件表面鐵銹和污物。（2）焊接工藝參數：采取短弧焊，減少熔滴與氣相的反應時間。（3）用脫氧劑進行脫氧處理。（五） 焊縫金屬的

23、脫氧 脫氧方法與原則：（1）減少氣相氧化性和減少熔渣氧化性；（2）在焊絲、焊條藥皮中加入對氧親和力大于鐵的合金元素，如Al、Ti、C、Si、Mn。親和力越大，脫氧能力越強。（3） 脫氧產物應不溶于液態金屬，上浮進入渣中。（4）剩余脫氧劑不能對焊縫成分、性能有不利的影響。 在焊接過程中，脫氧可以分階段進行。1 先期脫氧 發生在藥皮反應區的脫氧反應。 Fe2O3 + Mn MnO + FeO CaCO3 + Si CaO + SiO2 + CO CaCO3 + Mn CaO + MnO + CO 反應結果是減弱氣相氧化性。 由于藥皮反應區溫度低，又處于固態，所以先期脫氧是不完全的。2 沉淀脫氧 發

24、生在熔滴反應區和熔池內的脫氧反應。液態金屬中的脫氧劑和FeO直接反應，把鐵還原，脫氧產物浮出，進入渣中。 Mn + FeO = Fe + （MnO） Si + 2FeO = 2Fe +（SiO2） 提高Mn、 Si或減少(MnO)、（ SiO2 )可提高脫氧效果。雖然硅的脫氧能力比錳大，但容易在金屬中造成SiO2夾雜。 Mn在酸性渣中， Si堿性渣中脫氧效果比較好。 Mn和 Si聯合脫氧，可生成復合物MnOSiO2，脫氧效果比較好。3 擴散脫氧 擴散脫氧是在液態金屬與熔渣界面上進行的，是以分配定律為理論基礎的 降低溫度可以提高L，使FeO (FeO)，因此擴散脫氧是發生在熔池的低溫區域。四、焊

25、縫中硫的危害和控制（一） 焊縫中硫的來源 焊縫中的硫主要來自焊條藥皮。（二）焊縫中硫的危害 硫以低熔點共晶Fe+FeS（熔點985），或FeS+FeO（熔點940），呈片狀或鏈狀分布于晶界，增加了焊縫金屬產生結晶裂紋傾向（熱裂紋）。（三）控制措施1） 限制焊接材料中的含硫量。2） 冶金措施：用對硫親和力比鐵大的元素進行脫硫，如RE，Ca，Mg，Mn等。 FeS + Mn (MnS) + Fe 反應產物MnS熔點較高（1610），不溶入鋼液，大部分進入熔渣。即使留在鋼中也是以球狀彌散分布，故危害較小。第四節 焊縫金屬的合金化一、合金化的目的式1）補償在焊接過程中合金元素的損失；2）保證焊縫的組織

26、和機械性能，如加入Ti，B可以細化組織；3）消除焊接缺陷，如除硫；4）使焊縫金屬具有某種特殊性能，如耐蝕性、耐磨性等。二、合金化方式1 通過焊絲過渡：均勻、合金燒損少，但成本高、不易調整。2 合金藥皮：合金元素加到藥皮中，簡單、成本低，但合金損失大，成分不均勻。3 藥芯焊絲：焊絲內包裹合金粉末。可任意調整成分，損失小，但成本高。4 合金粉末：將合金粉末直接輸入到焊接區。比例可調，合金損失小，但均勻性差。5 置換反應（氧化）：通過金屬氧化物還原的方式來合金化。 (SiO2) Si + O (MnO) Mn +O三、合金過渡系數及影響因素（1）合金過渡系數 合金元素的過渡系數等于它在熔敷金屬中實際含量Cd與它的原始含量Ce之比 一般焊絲過渡系數 40%，藥皮過渡系數 10%。（2）影響過渡系數的因素1） 合金元素的物化性質：沸點、對氧的親和力等。2） 藥皮的氧化勢、合金元素及其氧化物在藥皮中是否共存，以及合金元素的氧化物與熔渣酸堿度關系等。第五節 焊接接頭