焊接技术课题研究总结.ppt

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1、,焊接技术,目录,1、焊接的定义及分类(35)2、手工焊条电弧焊(619)3、CO2气体保护焊(2029)4、焊接保护机理及特点(3031)5、焊接接头的组织与性能(3234)6、焊接变形和焊接应力(3543)7、气体对金属的作用(4453)8、钎焊(5364),一、焊接的定义,焊接是指通过加热或加压,或两者并用,并且用或不用填充材料,使焊件达到原子结合而形成永久性连接的一种加工工艺方法。焊接是现代制造技术中重要的金属连接方法，是现代工业生产中用来制造各种金属结构和机械零件的主要工艺方法之一，被广泛应用于船舶、汽车、建筑、容器、航空航天、机械制造、石油化工、矿山机械、电子等各个部门。世界上钢产

2、量的50%60%要经过焊接才会最终投入使用。此外，电气线路的连接也会用到焊接成型技术。,焊接方法分类,在工业生产应用中，焊接的方法很多。根据焊接过程特点的不同，焊接可分为三大类：熔化焊、压力焊和钎焊。焊接方法分类如下图所示。熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一

3、体。钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。,二、手工焊条电弧焊,1、焊条电弧焊的基本原理 焊条电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。2、焊接电弧的产生 焊接电弧是由焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。产生焊接电弧的过程如图所示，将夹在焊钳上的焊条，擦划或敲击焊件，由于焊条末端与焊件瞬

4、时接触而造成短路，产生很大的短路电流，在短时间内产生大量的热，触点金属温度迅速升高，使焊条末端温度迅速提高并熔化。在很快提起焊条的瞬间，电流只能从已熔化金属的细颈处通过，使细颈部分的金属温度急剧升高、蒸发和汽化，焊条末端与工件间隙中的空气被电离，产生了正离子和自由电子，在电场力作用下，正离子奔向阴极，自由电子奔向阳极。在焊条端部与焊件之间形成了电弧，并产生大量的光和热。,3、电弧的组成焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图所示。阴极区指电弧紧靠负电极的区域，是发射电子的地方，阴极区产生的热量占电弧总热量的36左右，温度大约在2400K左右。阳极区指电弧紧靠正电极的区域，是接收电子的地

5、方，产生的能量占到电弧总热量的43左右，温度大约在2600K左右。弧柱区是阴极区和阳极区之间的区域。弧柱区产生的热量占电弧总热量的21左右，但弧柱区中心温度最高，大约在6000-8000K的范围内。,4、手工焊条电弧焊工作原理 手工电弧焊由焊接电源、电缆、焊钳、焊条、焊件、电弧构成回路，焊接时采用焊条和工件接触引燃电弧。电弧在工件和焊条之间燃烧，产生高温，电弧热使工件、焊芯同时熔化，形成熔池，同时药皮熔化和分解。药皮熔化 进入熔池发生反应 形成熔渣 保护熔化金属；药皮分解 产生CO2、CO、H2等气体 围绕在电弧周围 保护熔化金属 熔池内金属冷却凝固时熔渣也随之凝固形成焊渣覆盖在焊缝表面，防止

6、高温的焊缝金属被氧化，并且降低焊缝的冷却速度。在焊接过程中，液态金属与液态熔渣和气体间进行脱氧、去硫、去磷、去氢等复杂的冶金反应，从而使焊缝金属获得合适的化学成分和组织。,手工焊条电弧焊的特点,（1）焊条电弧焊的优点：使用的设备比较简单，成本较低且轻便焊条电弧焊使用的交流和直流焊机都比较简单，焊接操作时不需要复杂的辅助设备，只需配备简单的辅助工具。因此，焊条厂购置设备的投资少，而且维护方便，这是它广泛应用的原因之一。不需要辅助气体防护焊条不但能提供填充金属，而且在焊接过程中可以产生保护熔池和焊接外避免氧化的气体，并且有较强的抗风能力。操作灵活，适应性强焊条电弧焊适用于焊接单件或小批量的产品，短

7、的或者不规则的、空间任务位置的以及其他不易实现机械化焊接的焊缝。凡焊条能够达到的地方都能进行焊接。应用范围广适用于大多数工业用的金属和合金的焊接。焊条电弧焊选用合适的焊条不仅可以焊接碳素钢、低合金钢，而且还可以焊接高合金钢及有色金属，不仅可以焊接同种金属，而且可以焊接异种金属，还可以进行铸铁焊补和各种金属材料的堆焊等。,（2）焊条电弧焊的缺点：对焊工操作技术要求高焊条电弧焊的焊接质量，除靠选用合适的焊条、焊接工艺参数和焊接设备外，主要靠焊工的操作技术和经验保证。即焊条电弧焊的焊接质量在一定程度上决定于焊工操作技术，因此必须经常进行焊工培训。劳动条件差焊条电弧焊主要靠焊工的手工操作和眼睛观察完成

8、全过程，焊工的劳动强度大，并且始终处于高温烘烤和有毒的烟尘环境中，因此要加强劳动保护。生产效率低焊条电弧焊主要靠手工操作，并且焊接工艺参数选择范围较小，另外焊接时要经常更换焊条，并要经常进行焊道熔渣的清理，与自动焊相比，焊接生产率低。不适于特殊金属及薄板的焊接如活泼金属（Ti、Nb、Zr等）和难熔金属（Ta、Mo等），这些金属对氧的污染非常敏感，焊条的保护作用不能防止这些金属氧化，焊接质量达不到要求，所以不能采用焊条电弧焊；对于低熔点金属如 Pb、Sn、Zn及其合金等，电弧的温度对其来讲太高，也不能采用焊条电弧焊。另外，焊条电弧焊的焊接工件厚度一般在1.5mm以上；1mm以下的薄板不适于焊条电

9、弧焊。,5、焊接电弧的极性及应用 用直流弧焊电源焊接时，工件接正极，焊条接负极，称为正接。适于焊接厚板；工件接负极，焊条接正极，称为反接。反接适于焊接薄板；用交流弧焊电源焊接时，因阳极与阴极不断交替变化，故不存在正、反接问题。6、焊接设备 焊条电弧焊的主要设备是弧焊机，按供给焊接电弧的电流是直流电还是交流电，弧焊机分为直流、弧焊机和交流弧焊机。直流弧焊机具有电弧燃烧稳定、焊接质量较好的优点。但结构复杂，成本高，维修困难，噪声 大，损耗大，适于焊接较重要的工件。交流弧焊机效率较高，结构简单，制造方便，成本较低，使用可靠，维护、保养容易，噪声小，但电弧不够稳定。,交流弧焊机,直流弧焊机,7、电焊条

10、1）电焊条的定义电焊条（简称焊条）是带有涂层的供焊条电弧焊用的熔化电极，焊条由焊芯及药皮两部分构成。2）焊芯和药皮的作用a、焊芯：是指电焊条用的被药皮包覆的金属芯；一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。作用：（1）传导电流，产生焊接电弧；（2）焊芯熔化后成为填充金属，与熔化了的母材混合形成焊缝。b、焊条药皮：是指由具有不同物理和化学性质的细粒状物质经粘结均匀包覆在焊芯表面的涂料层。药皮成分有：稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂以及增塑剂。作用：（1）机械保护（造气、造渣、保护熔池）。（2）冶金处理（脱氧、脱硫、脱磷、掺入合金）。（3）改善焊接工艺条件（稳弧、改善成形、脱渣、减少飞溅）

11、。,焊芯中各合金元素对焊接的影响,1)碳(C)：碳是钢中的主要合金元素，当含碳量增加时，钢的强度、硬度明显提高，而塑性降低。在焊接过程中，碳起到一定的脱氧作用，在电弧高温作用下与氧发生化合作用，生成一氧化碳和二氧化碳气体，将电弧区和熔池周围空气排除，防止空气中的氧、氮有害气体对熔池产生的不良影响，减少焊缝金属中氧和氮的含量。若含碳量过高，还原作用剧烈，会引起较大的飞溅和气孔。考虑到碳对钢的淬硬性及其对裂纹敏感性增加的影响，低碳钢焊芯的含碳量一般为0.1%。2)锰(Mn)：锰在钢中是一种较好的合金剂，随着锰含量的增加，其强度和韧性会有所提高。在焊接过程中，锰也是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中氧的

12、含量。锰与硫化合形成硫化锰浮于熔渣中，从而减少焊缝热裂纹倾向。因此一般碳素结构钢焊芯的含锰量为0.30%0.55%，焊接某些特殊用途的钢丝，其含锰量高达1.70%一2.10%。3)硅(Si)：硅也是一种较好的合金剂，在钢中加入适量的硅能提高钢的屈服强度、弹性及抗酸性能；若含量过高，则降低塑性和韧性。在焊接过程中，硅也具有较好的脱氧能力，与氧形成二氧化硅，但它会提高渣的粘度，易促进非金属夹杂物生成。4)铬(Cr)：铬能够提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。对于低碳钢来说，铬便是一种偶然的杂质。铬的主要冶金特征是易于急剧氧化，形成难熔的氧化物三氧化二铬(Cr203)，从而增加了焊缝金属夹杂物的可能性。

13、三氧化二铬过渡到熔渣后，能使熔渣粘度提高，流动性降低。5)镍(Ni)：镍对钢的韧性有比较显著的效果，一般低温冲击值要求较高时，适当掺入一些镍。6)硫（S)：硫是一种有害杂质，随着硫含量的增加，将增大焊缝的热裂纹倾向，因此焊芯中硫的含量不得大于0.04%。在焊接重要结构时，硫含量不得大于0.03%。7)磷(P)：磷是一种有害杂质，磷的主要危害是使焊缝产生冷脆现象，随着磷含量的增加，将造成焊缝金属的韧性、特别是低温冲击韧性下降，因此焊芯中磷含量不得大于0.04%。在焊接重要结构时，磷含量不得大于0.03%。,焊条药皮中各成分的作用,1)稳弧剂:主要作用是使焊条容易引弧及在焊接过程中保持电弧稳定燃烧

14、。作为稳弧剂的原材料主要是一些含有一定数量低电离电位易电离元素的物质，如长石、水玻璃、金红石、钛白粉、大理石、云母、钛铁矿、还原钛铁矿等。2)造渣剂:焊接时能形成具有一定物理化学性能的熔渣，保护焊接熔滴和熔池金属，改善焊缝成形、作为造渣剂的原材料有大理石、萤石、白云石、菱苦土、长石、白泥、云母、石英、金红石、钛白粉、钛铁矿等。3)造气剂:在电弧高温作用下分解出气体，形成保护气氛，保护电弧及熔池金属，防止周围空气中氧和氮的侵入。常用的造气剂有碳酸盐(如大理石、白云石、菱苦土、碳酸钡等)及有机物(如木粉、淀粉、纤维素、树脂等)。4)脱氧剂:通过焊接过程中的化学冶金反应，降低焊缝金属中的氧含量，提高

15、焊缝金属的性能。脱氧剂主要是含有对氧亲和力大的元素铁合金及其金属粉，常用脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁、铝铁、硅钙合金等。5)合金剂:用于补偿焊接过程中合金元素的烧损及向焊缝中过渡合金元素，以保证焊缝金属的化学成分及性能。根据需要可选用各种铁合金(如锰铁、硅铁、铬铁、钢铁、钒铁、铌铁、硼铁、稀土硅铁等)或纯金属(如金属锰、金属铬、镍粉、钨粉等)。6)粘结剂:使药皮物料牢固地粘结在焊芯上，并使焊条药皮烘干后具有一定的强度。在焊接冶金过程中不对熔池和焊缝金属产生有害作用。常用粘结剂是水玻璃（钾、钠及其混合水玻璃）及酚醛树脂、树胶等。7)增塑剂:主要作用是改善药皮涂料在焊条压涂过程中的塑性、弹性及流动性，

16、提高焊条的压涂质量，使焊条药皮表面光滑面不开裂。通常选用有一定弹性、滑性或吸水后有一定膨胀特性的物料，如云母、白泥、钛白粉、滑石粉、固体水玻璃、纤维素等。,3）焊条的分类（1）按照焊条的用途，可分为：结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍 和镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条以及特殊用途焊条。（2）按照焊条药皮的主要化学成分分类，可分为：氧化钛型焊条、氧化钛钙型焊条、钛铁矿型焊条、氧化铁型焊 条、纤维素型焊条、低氢型焊条、石墨型焊条及盐基型焊条。（3）按照焊条药皮熔化后，熔渣的特性分类，可分为:酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条药皮的主要成分为酸性氧化 物，如

17、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铁等。碱性焊条药皮的主要成分为碱性氧化物，如大理石、萤石等。酸性焊条优点：容易脱渣，具有良好的工艺性能，对锈、油、水分等的敏感度不大，熔渣飞溅小，电弧稳定，焊缝成形美 观，抗气孔能力较强，交、直流弧焊机均可使用；缺点：酸性焊条施焊后，焊缝的力学性能和抗裂性比碱性焊条差，尤其是塑性和韧性较差，故多用于焊接一般结构碱性焊条优点：抗裂性好、去氢性较强，故又称为低氢型焊条，且焊缝金属力学性能高，一般用于焊接重要结构；缺点：工艺性能稍差，电弧不稳定，不易脱渣，焊接时烟尘较多，对油、锈、污、水分敏感，容易产生气孔缺陷只 能采用直流电源焊接。,酸性焊条与碱性焊条的焊接性能对比,4

18、）焊条的选用（1）按强度等级和化学成分选用：焊接一般结构，如低碳钢、低合金钢结构件时，一般选与焊件强度等级相同的焊条，而不考虑化学成分相同或相近；焊接异种结构钢时，按强度等级低的钢种选用焊条；焊接特殊性能钢种，如不锈钢、耐热钢时，应选用与焊件化学成分相同或相近的特种焊条；焊件碳、硫、磷质量分数较大时，应选用碱性焊条；焊接铸造碳钢或合金钢时，因为碳和合金元素的质量分数较高，而且多数铸件厚度、刚度较大，形状复杂，故一般选用碱性焊条。（2）按焊件的工况条件选用焊条：焊接承受动载、交变载荷及冲击载荷的结构件时，应选用碱性焊条；焊接承受静载的结构件时，应选用酸性焊条；焊接表面带有油、锈、污等难以清理的结

19、构件时，应选用酸性焊条；焊接在特殊条件，如在腐蚀介质、高温等条件下工作的结构件时，应选用特殊用途焊条。（3）按焊件形状、刚度及焊接位置选用焊条：厚度、刚度大、形状复杂的结构件，应选用碱性焊条；厚度、刚度不大，形状一般，尤其是均可采用平焊结构件，应选用适当的酸性焊条；除平焊外，立焊、横焊、仰焊等焊接位置的结构件应选用全位置焊条。,5）焊条的管理及使用（1）焊条烘干 电焊条在制造、运输、贮存过程中容易受潮，药皮中的水份会导致焊条的工艺性能变坏，造成电弧不稳、飞溅增大，并容易产生气孔、裂纹（焊接过程中水份分解出来的氢会残留在焊缝周围的金属中）等缺陷。因此，焊条使用前应进行烘干。一般酸性焊条的烘干温度

20、150-200，时间1小时；碱性焊条的烘干温度350-400，时间1-2小时，烘干后放在100-150的保温箱内，随用随取。（2）焊条的储存保管 焊条必须分类、分型号、分规格存放，避免混淆。焊条必须存放在通风良好、干燥的库房内。重要焊接结构使用的焊条，特别是低氢型焊条，最好储存在专用的库 房内。库房内应设置温度计、湿度计，室内温度在5以上，相对湿度不超过60。焊条必须放在离地面和墙壁的距离均在0.3m以上的木架上，以防受潮变质。,8、焊接成形常见缺陷 焊接缺陷是指在焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。最常见的缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、绞边、未熔合、未焊透

21、等。,三、CO2气体保护焊,1、CO2气体保护焊的定义：利用CO2气体在熔化极电弧焊中对电弧及熔池进行保护的焊接方法称为CO2气体保护焊。2、工作原理 CO2气体保护电弧焊是使用焊丝来代替焊条,经送丝轮通过送丝软管送到焊枪,经导电咀导电,在CO2气氛中,与母材之间产生电弧,靠电弧热量进行焊接。CO2气体在工作时通过焊枪喷嘴，沿焊丝周围喷射出来，在电弧周围造成局部的气体保护层使溶滴和溶池与空气（氧、氮、氢）机械地隔离开来，从而保护焊接过程稳定持续地进行，并获得优质的焊缝。,CO2气体保护焊示意图,3、CO2气体保护焊的工艺特点：节省能源，焊接成本低；生产效率高，CO2电弧穿透能力强，熔深大，生产

22、效率比手工电弧焊高13倍；焊接热影响区小，焊件不易变形，焊接质量好；操作性能好，适于全位置焊接；焊后不用清渣，又是明弧，便于监视和控制；对铁锈不敏感，焊缝含氢量低，抗裂性能好；采用大电流时，飞溅大，烟雾多，容易产生气孔；电弧气氛有很强的氧化性，只适合于碳素钢，低合金钢的焊接；抗风能力差，适合室内作业，室外作业比较困难；很难用交流电源焊接，设备较复杂。4、CO2气体作用：隔离空气并作为电弧的介质。纯度：纯度要求大于99.5%，含水量小于0.05%。性质：无色、无味、无毒，是空气密度的1.5倍，高温体积膨胀大，保护效果好。,CO2在高温下易分解为CO和O，导致合金元素的氧化，熔池金属的飞溅和CO气

23、孔：CO2+Fe=FeO+COFeO进入熔池和熔滴，与熔池和熔滴中的碳反应：FeO+C=Fe+CO 生成的CO在熔池和熔滴内体积急剧膨胀而爆破，导致飞溅。防止飞溅的措施：焊丝中含有Si、Mn元素(脱氧和渗合金)；低碳钢用H08MnSiA焊丝，低合金钢用H08Mn2SiA焊丝采用直流反接；直流：保证电弧稳定燃烧(CO2气流对电弧冷却作用较强)；反接：减小飞溅(工件温度低)采用药芯焊丝。,CO2保护焊的飞溅,CO2保护焊的气孔,CO2电弧焊时，由于熔池表面没有熔渣盖覆，CO2气流又有较强的冷却作用，因而熔池金属凝固比较快，但其中气体来不及逸出时，就容易在焊缝中产生气孔。可能产生的气孔主要有3种：一

24、氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。1）一氧化碳气孔 产生CO气孔的原因主要是熔池中的FeO和C发生还原反应（FeO+C=Fe+CO）；如果焊丝中含有足够的脱氧元素Si、Mn，以及限制焊丝中的含碳量，就可以抑制上述的还原反应，有效地防止CO气孔的产生。2）氢气孔 如果熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，则留在焊缝金属中形成气孔。电弧区的氢主要来自焊丝工件表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分。所以，焊前要适当清除工件和焊丝表面的油污及铁锈，尽可能使用含水分低的CO2气体，CO2气体中的水分往往是引起氢气孔的主要原因。3）氮气孔 来源：一是空气侵入焊接区；二是CO2气体不纯。产

25、生氮气原因是保护气层遭到破坏，大量空气侵入焊接区所致。造成保护气层失效的因素有：过小的CO2气体流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件的距离过大，以及焊接场地有侧向风等。因此，适当增加CO2 保护气体流量，保证气路畅通和气层的稳定、可靠，是防止焊缝中氮气孔的关键。,5、焊丝 因CO2是一种氧化性气体，在电弧高温区分解为一氧化碳和氧气，具有强烈的氧化作用，使合金元素烧损，所以CO2焊时为了防止气孔，减少飞溅和保证焊缝较高的机械性能，必须采用含有Si、Mn等脱氧元素（含量比母材多）的焊丝。CO2焊使用的焊丝既是填充金属又是电极，所以焊丝既要保证一定的化学性能和机械性能，又要保证具有良好的导电性能和

26、工艺性能。CO2焊丝分为实芯焊丝和药芯焊丝两种。为了提高导电性能及防止焊丝表面生锈，一般在焊丝表面采用镀铜工艺，要求镀层均匀，附着力强，总含铜量不得大于0.50%。,6、药芯焊丝 使用药芯焊丝焊接时，通常用CO2或CO2+Ar气体作为保护气体，与实芯焊丝的区别主要在于焊丝内部装有焊剂混合物。焊接时在电弧热作用下熔化状态的焊剂材料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态溶渣包覆溶滴并覆盖溶池，对溶化金属形成又一层保护，实质上这种焊接方法是一种气渣联合保护的方法，它综合了手工电弧焊和CO2气体保护焊的优点。药芯焊丝的焊剂成分和焊条的药皮类似，含有稳弧剂、脱氧剂、造

27、渣剂、和铁合金等，起着造渣保护溶池，掺合金，稳弧等作用。药芯焊丝焊接优点：采用气渣联合保护，焊缝成形美观，电弧稳定性好，飞溅少且颗粒细小；焊丝熔敷速度快，熔敷效率（大约为85%90%）和生产效率较高（生产效率比手工焊高35倍）；焊接各种钢材的适应性强，通过调整焊剂的成分与比例可提供所要求的焊缝金属化学成分。药芯焊丝焊接缺点：焊丝制造过程复杂；送丝较实心焊丝困难，需要采用降低送丝压力的送丝机构等；焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，因此，需要对焊丝的保存严加管理。,7、使用焊丝的注意事项外观检查：焊丝平排密绕,直径均匀,表面光亮,焊丝盘无破损。性能检查：化学成分不合格,严重影响焊接质量,必须采用优质焊

28、丝。焊接电流：必须在焊丝许用电流范围之内。电流过大将引起溶池翻腾和焊缝成形恶化。电流过小 能量集中性变差，引弧困难，飞溅变大，溶深浅，焊缝成形不好。丝径选用：在焊丝直径允许电流范围内，尽可能选用细焊丝，以提高焊丝溶化速度、提高引弧成 功率，减少飞溅，增加溶深，改善焊缝成形，提高焊接质量。,焊丝伸出长度（干伸长度）定义:焊丝从导电咀到工件的距离。焊丝伸出长度一般取决焊丝直径，和焊接电流。推荐焊丝伸出长度：小于300A时:L=(10-15)倍焊丝直径大于300A时:L=(10-15)倍焊丝直径+5mm电流小时乘10倍的焊丝直径；电流大时乘15倍的焊丝直径。焊接过程中，保持焊丝伸出长度不变是保证焊接

29、过程稳定性的重要因素之一。焊丝伸出长度过长时：气体保护效果不好，易产生气孔，引弧性能差,电弧不稳,飞溅加大,熔深变浅，成形变坏。焊丝伸出长度过短时：看不清电弧,喷嘴易被飞溅物堵塞,飞溅大，熔深变深，焊丝易与导电咀粘连。焊接电流一定时，焊丝伸出长度的增加，会使焊丝熔化速度增加，但电弧电压下降，电流降低，电弧热量减少。,导电咀L工件,焊丝伸出长度,CO2保护焊常见缺陷及原因分析,四、焊接保护机理及特点,1、焊接化学冶金过程。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

30、、裂纹等）以及焊接工艺性能都有重要的影响。2、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，主要会带来以下两方面的问题。（1）焊接工艺性能差 光焊丝无保护焊接（气体保护或药皮保护）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Mn、C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

31、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。,3、焊接保护方式和效果 焊接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

32、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-

33、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。,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，

34、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；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：焊接接头组成示意图,低碳钢焊接接头的组织变化,焊接接头的组织与性能,（1）焊缝区 焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图所示；结晶过程中将在最后结晶部位产生成分偏析。同时焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗

35、大，成分偏析，组织不致密。但由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。（2）熔合区 熔合区是焊缝到热影响区的过渡段，加热过程中的温度为固、液线之间，是一个不完全的熔化区化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，产生裂纹和脆性破坏，其性能是焊接接头中最差的。,焊缝的柱状树枝晶,（3）热影响区 热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图所示，热影响区可分为过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。过热区：最高加热温度在1100以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性

36、和韧性明显下降，是热影响区中力学性能最差的部位；正火区：焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学 性能较好；部分相变区：只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差；再结晶区：晶粒稍有长大，塑性有所增加。,低碳钢焊接接头的组织变化,对焊焊缝的应力分布,边缘焊的变形,1、焊接应力与变形产生的原因：焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。焊接时，焊件各部分冷热不均，受热部位产生拉应力，未受热部位则产生压应力。当应力达到一定程度，焊件出现变形。,焊接变形和焊接应力,平板焊接过程中的应力与变形形成原理示意图,2、焊件焊后的变形形式主要有：尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形

37、等。,3、焊接变形与应力的危害工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。,4、焊接应力的防止采取合理的装配和焊接顺序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力。而图b因 先焊焊缝1导致对焊缝2的拘束度增加，而增大残余应力；焊前预热可以减少工件温差，也能减少残余应力，预热温

38、度：400以下；采用小电流，快速焊，对厚大焊件采用多层多道焊，可减少焊缝应力。,5、焊接应力的消除：热处理法：焊后进行消除应力的退火可消除残余应力；机械法：当焊缝还处在较高温度时，锤击焊缝使金属伸长，也能减少焊接残余 应力；振动法：低频振动消应力。,6、焊接变形的防止及消除,焊缝对称布置,采用反变形方法,采用对称焊和分段倒退焊,采用多层多道焊，能减少焊接变形,采用焊前刚性固定组装焊接，限制产生焊接变形，但这样会产生较大的焊接应力。采用定位焊组装也可防止焊接变形。,严重的焊接变形应消除，常采用机械矫正法，通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。,火焰矫正法是利用火焰加热的热变形方法，一般也仅适用

39、于塑性好，且无淬硬倾向的材料。,五、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

40、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+Mg

41、CO3）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

42、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。

43、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

44、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 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；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Fe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。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

45、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。,氮气对金属的作用及其控制,控制焊缝含氮量的措施 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（例如气体保护），防止空气侵入焊接区与液态金属发生作用。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

46、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。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

47、含量，这在一定程度上减少了焊缝的含氮量。,氢气对金属的作用及其控制,（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、C

48、r、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

49、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

50、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。,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。在焊条药皮和焊剂中加入氟化物；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 在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素；控制焊接工艺参数；焊后脱氢处理。,氧气对金属的作用及其控制,（3）氧气对金属的作用