第五章　焊接基礎(chǔ)理論

一、焊接電弧

電弧焊時(shí)，熔化被焊金屬和填充材料(焊條或焊絲)的主要能量來(lái)源是電弧熱。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，如自然中的閃電，在放電的一瞬間會(huì)放出大量的光和熱，但焊接電弧又有不同之處，是一種持久的放電現(xiàn)象，原因是弧焊電源給它提供了源源不斷的能量支持。

那么，焊接電弧是如何產(chǎn)生的呢?氣體的放電需要一定的條件，即導(dǎo)電用的帶電粒子。正常情況下，空氣中只含有氣體分子和原子，不顯電性，因此也不能導(dǎo)電，但在適當(dāng)條件下，如加熱、加高電壓或碰撞時(shí)，會(huì)有一部分氣體電離，就產(chǎn)生了導(dǎo)電所需要的帶電粒子，氣體放電的通道就暢通了。如果沒有持續(xù)的帶電粒子的補(bǔ)充，帶不同電荷的兩極中的帶電粒子中和完后，放電現(xiàn)象就終止了，閃電就是這樣一種放電形式。而焊接電弧由于有弧焊電源不斷給它提供帶電粒子，因此，放電現(xiàn)象就能持續(xù)下來(lái)。

在電弧焊實(shí)際操作時(shí)，引燃焊接電弧的過(guò)程叫做引弧。

(一)焊接電弧的引燃方法

焊接電弧的引燃方法有接觸短路引弧法和非接觸引弧法(高頻高壓引弧法)。

1．接觸短路引弧法

一般情況下，空氣是不導(dǎo)電的，所以不具備電弧產(chǎn)生所需的兩個(gè)條件。但當(dāng)把焊條(焊絲)與工件接觸時(shí)，強(qiáng)大的短路電流通過(guò)少數(shù)的接觸點(diǎn)，使接觸部分的金屬熔化甚至汽化，迅速把焊條(焊絲)拉開時(shí)，由于焊條(焊絲)與工件之間的高溫及瞬時(shí)的強(qiáng)電場(chǎng)作用，使焊條(焊絲)與工件之間的氣體發(fā)生電離，同時(shí)陰極也開始發(fā)射電子，電弧就引燃了。這種引弧法常用于焊條電弧焊和埋弧自動(dòng)焊中。

2．非接觸引弧法

非接觸引弧法也稱為高頻高壓引弧法。他是利用高壓(2000～3000V)直接將兩電極之間的空氣間隙擊穿電離、引燃電弧。通常將其頻率提高到150～260kHz，利用高頻電強(qiáng)烈的趨膚效應(yīng)消除高壓對(duì)人體的危害。這種引弧法常用于氬弧焊、等離子弧焊中。

(二)焊接電弧的結(jié)構(gòu)與溫度分布

當(dāng)焊接電弧產(chǎn)生后，在電弧長(zhǎng)度方向的電壓分布和溫度分布是不均勻的，在電弧軸線上形成了3個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域，即陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)、弧柱區(qū)。如圖5－1所示。

圖5－1　焊接電弧的結(jié)構(gòu)及電壓沿長(zhǎng)度的分布

1．陰極區(qū)

焊接電弧緊靠負(fù)極的區(qū)域稱為陰極區(qū)，陰極區(qū)很窄，但具有很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，便于發(fā)射電子。在陰極表面發(fā)射電子最集中的地方，稱為陰極斑點(diǎn)，是陰極區(qū)溫度最高的地方。

2．陽(yáng)極區(qū)

焊接電弧緊靠正極的區(qū)域稱為陽(yáng)極區(qū)，較陰極區(qū)寬。由弧柱區(qū)飛來(lái)的電子堆積而成，所以形成一個(gè)電壓降，稱陽(yáng)極電壓降。陽(yáng)極區(qū)集中接收電子的微小區(qū)域，也形成一個(gè)亮斑，成為陽(yáng)極斑點(diǎn)。

3．弧柱區(qū)

弧柱區(qū)是在陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)中間的區(qū)域，其長(zhǎng)度占弧長(zhǎng)的絕大部分，在弧柱區(qū)充滿了電子、正離子、負(fù)離子和中性的氣體分子或原子，但其整體是電中性的。

焊接電弧中3個(gè)區(qū)域的分布是不均勻的?；≈鶇^(qū)溫度最高，而兩個(gè)電極的溫度較低，但從產(chǎn)熱角度來(lái)講，陽(yáng)極斑點(diǎn)溫度高于陰極斑點(diǎn)溫度，分別占放出熱量的43%和36%，但由于其導(dǎo)熱性的原因，其溫度并沒有弧柱溫度高。

(三)電弧靜特性

1．焊接電弧的靜特性

焊接電弧可以看作是一個(gè)負(fù)載，是把焊接電源供給的電能轉(zhuǎn)化成熔化母材和焊材金屬的熱能，和一般的負(fù)載相比，電壓和電流之間也存在著某種關(guān)系。我們把在電極材料、氣體介質(zhì)和弧長(zhǎng)一定的情況下，電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，焊接電流與電弧電壓變化的關(guān)系稱為焊接電弧的靜特性，也稱伏安特性。表示這種關(guān)系的曲線稱為靜特性曲線。焊接電弧是氣體導(dǎo)電，與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電不一樣。圖5－2列出了金屬伏安特性曲線與電弧靜特性曲線的區(qū)別。

圖5－2　金屬與焊接電弧伏安特性的比較
(a)金屬的伏安特性曲線　(b)電弧的靜特性曲線

從上圖可以看出，金屬導(dǎo)電服從歐姆定律，其伏安特性曲線為一斜線;而焊接電弧的靜特性曲線為U形，簡(jiǎn)稱U形曲線。U形曲線可以分為三部分:下降特性段ab，此時(shí)焊接電流較小，隨著焊接電流的增加，電弧電壓迅速減小;水平段bc，此時(shí)電流稍大，隨著焊接電流的增加，電弧電壓基本不變;上升階段cd，此時(shí)隨著焊接電流的增加，電弧電壓也隨之增加。

不同的焊接方法，在一定條件下，其靜特性只是曲線的某一部分。例如:焊條電弧焊，靜特性曲線無(wú)上升段，一般工作在水平段;埋弧焊，在正常電流密度情況下，工作在靜特性曲線的水平段，而在大電流密度焊接時(shí)，此時(shí)工作段為上升段;鎢極氬弧焊，在小電流區(qū)間焊接時(shí)，靜特性為下降段;采用大電流焊接時(shí)，靜特性為平特性區(qū)。

CO2氣體保護(hù)焊:電流密度大，工作在上升段。

由于不同的焊接方法工作在焊接電弧靜特性曲線的不同階段，因此，對(duì)焊接電源的外特性要求也不一樣。

2．電弧長(zhǎng)度對(duì)電弧靜特性的影響

電弧長(zhǎng)度主要由弧柱的長(zhǎng)度決定，所以，電弧長(zhǎng)度的改變，主要是弧柱的長(zhǎng)度發(fā)生變化。電弧拉長(zhǎng)時(shí)，弧柱區(qū)壓降增加，電弧電壓增加，電弧的靜特性曲線平行上移如曲線2。反之，當(dāng)弧長(zhǎng)縮短時(shí)，電弧的靜特性曲線平行下移。如曲線1(圖5－3)。

圖5－3　電弧長(zhǎng)度對(duì)電弧靜特性曲線的影響

(四)焊接電弧的穩(wěn)定性

焊接電弧的穩(wěn)定性，是指電弧保持穩(wěn)定燃燒的程度。電弧的穩(wěn)定性，直接影響到焊接質(zhì)量和焊接過(guò)程的正常進(jìn)行。焊接電弧的穩(wěn)定性大致與以下幾個(gè)方面有關(guān):

1．電源及電源極性接法

直流電弧比交流電弧的穩(wěn)定性好。因?yàn)椴捎媒涣麟娫春附訒r(shí)，電弧的極性是周期性地改變的。當(dāng)采用工頻交流電源供電時(shí)，每秒鐘內(nèi)，電弧的引燃和熄滅要交替進(jìn)行100次，因此，交流電弧不如直流電弧穩(wěn)定。

2．焊條藥皮成分的影響

當(dāng)焊條藥皮中含有較多易電離元素(K、Na、Ca等)或他們的化合物時(shí)，焊條熔化時(shí)可產(chǎn)生更多的帶電粒子，電弧燃燒就穩(wěn)定。但當(dāng)藥皮中含有較多氟化物時(shí)，會(huì)降低電弧的穩(wěn)定性，例如:堿性焊條藥皮中含有一定量的CaF，其穩(wěn)定性就較含K、Na、Ca較多的酸性焊條要差。

3．氣流的影響

由于焊接電弧是氣體導(dǎo)電，所以氣流可使電弧中帶電粒子的流動(dòng)發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致電弧偏吹。因此，在大風(fēng)的情況下，一般要采取防風(fēng)措施或停焊。

4．磁偏吹

正常情況下，組成電弧的粒子流是沿著焊條中心線的方向，在熱收縮及電磁收縮的作用下，電弧保持著沿焊條中心線的挺度。采用直流電源焊接時(shí)，電弧(帶電粒子流)受到焊接回路所產(chǎn)生的電磁力作用而發(fā)生電弧偏移，稱為磁偏吹。此外，如果在電弧附近有鐵磁物質(zhì)存在，也會(huì)引起磁偏吹。在焊接過(guò)程中，把焊條朝偏吹方向傾斜一個(gè)角度或壓短電弧，可以減小磁偏吹的影響。

二、焊接冶金基本過(guò)程

在電弧熱作用下，熔化的母材金屬與填充材料的各組分間，包括產(chǎn)生的氣相和熔渣會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程稱為焊接冶金。

(一)焊條(焊絲)的熔化

熔化極電弧焊時(shí)，焊條(焊絲)具有兩個(gè)作用:一方面作為電弧的一個(gè)電極，另一方面向熔池提供填充金屬。焊接時(shí)，加熱并熔化焊條(焊絲)的熱量主要包括這樣幾部分:焊條(焊絲)所產(chǎn)生的電阻熱、電弧熱。其中，電阻熱的大小決定于焊條或焊絲的伸出長(zhǎng)度、焊接電流密度和焊條(焊絲)金屬的電阻率。過(guò)高的電阻熱會(huì)給焊接過(guò)程帶來(lái)不利的影響，會(huì)使焊條發(fā)熱，甚至藥皮脫落。

焊條(或焊絲)金屬受到電阻熱和電弧熱的加熱后，開始熔化。在正常焊接參數(shù)內(nèi)，其熔化速度與焊接電流成正比。

(二)焊條(焊絲)金屬的熔滴過(guò)渡

焊條(焊絲)熔化后，焊條(焊絲)端部形成滴狀液態(tài)金屬，稱為熔滴。熔滴通過(guò)電弧空間向熔池轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為熔滴過(guò)渡。其過(guò)渡方式有:滴狀過(guò)渡、短路過(guò)渡和噴射過(guò)渡等形式。見圖5－4。

圖5－4　熔滴過(guò)渡的方式
(a)滴狀過(guò)渡　(b)短路過(guò)渡　(c)噴射過(guò)渡

1．滴狀過(guò)渡

熔滴呈粗大顆粒狀向熔池自由過(guò)渡的形式，如圖5－4(a)所示。其又可分為粗顆粒過(guò)渡和細(xì)顆粒過(guò)渡。焊接過(guò)程中熔滴尺寸的大小與焊接電流、焊(芯)絲成分、藥皮成分有關(guān)。

2．短路過(guò)渡

焊條(焊絲)端部的熔滴與熔池短路接觸，由于強(qiáng)烈的熱和磁收縮作用使其爆斷，直接向熔池過(guò)渡的形式，如圖5－4(b)所示，短路過(guò)渡在小功率電弧下，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的金屬熔滴過(guò)渡和穩(wěn)定的焊接過(guò)程，適用于薄板或需要低熱輸入情況下的焊接。

3．噴射過(guò)渡

熔滴以細(xì)小顆粒并以噴射狀態(tài)快速通過(guò)電弧空間向熔池過(guò)渡的形式，如圖5－4(c)所示。實(shí)現(xiàn)噴射過(guò)渡除了需要有一定的電流密度外，還必須有一定的電弧長(zhǎng)度。其特點(diǎn)是熔滴細(xì)、過(guò)渡頻率高、電弧穩(wěn)定、飛濺小、熔深大，焊縫成形美觀，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

金屬熔滴以不同形式過(guò)渡到熔池中，是熔滴上不同作用力共同作用的結(jié)果。

(三)熔滴上的作用力

1．重力

焊接時(shí)，熔滴由于本身的重力而有下墜的傾向。平焊時(shí)促進(jìn)熔滴過(guò)渡，仰焊時(shí)阻礙熔滴過(guò)渡。

2．表面張力

金屬熔化后，在表面張力的作用下形成球滴狀，使液體金屬不會(huì)馬上脫離焊條。表面張力的大小與熔滴的成分、溫度及環(huán)境氣氛有關(guān)，與焊絲直徑成正比。與保護(hù)氣體的性質(zhì)有關(guān)。平焊時(shí)阻礙熔滴過(guò)渡，其他位置有利于過(guò)渡。

3．電磁壓縮力

熔滴上受到由四周向中心的電磁壓縮力的作用。在任何焊接位置，電磁壓縮力都是促使熔滴過(guò)渡的。

4．斑點(diǎn)壓力

電弧的電子和正離子，在電場(chǎng)的作用下分別撞向陽(yáng)極和陰極，在兩極的斑點(diǎn)上產(chǎn)生機(jī)械壓力，這個(gè)力稱為斑點(diǎn)壓力。斑點(diǎn)壓力的作用是阻礙熔滴過(guò)渡。

5．等離子流力

電弧中由于電弧推力使等離子體迅速流動(dòng)產(chǎn)生的壓力，這種壓力稱為等離子流力，有利于熔滴過(guò)渡。

6．電弧氣體的吹力

焊條末端形成的套管內(nèi)含有大量氣體，這些氣體被電弧加熱到高溫時(shí)，體積急劇膨脹，并隨著套管方向以挺直而穩(wěn)定的氣流把熔滴送到熔池中去。電弧氣體的吹力有利于熔滴金屬的過(guò)渡。

(四)熔滴過(guò)渡時(shí)的飛濺

電弧焊過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)熔化的金屬顆粒和熔渣向周圍飛散的現(xiàn)象，叫飛濺。飛濺主要由以下原因引起:

1．氣體爆炸引起的飛濺

由于冶金反應(yīng)時(shí)在液體內(nèi)部產(chǎn)生大量CO氣體，氣體的析出十分猛烈，造成液體金屬熔滴和熔池金屬發(fā)生粉碎性的細(xì)滴飛濺。

2．斑點(diǎn)壓力引起的飛濺

短路過(guò)渡的最后階段，在熔滴和熔池之間發(fā)生燒斷開路，這時(shí)的電磁力使熔滴向上飛去，引起強(qiáng)烈飛濺。

(五)焊縫金屬的脫氧、脫硫、脫磷及合金化

為什么在有些環(huán)境下焊接時(shí)，母材表面的鐵銹、油污不會(huì)進(jìn)入焊縫，而有時(shí)候又會(huì)在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生孔洞呢?這與焊接過(guò)程中的冶金反應(yīng)過(guò)程有關(guān)。

1．焊縫金屬的脫氧

氧以FeO和原子氧溶解于鐵水中，使焊縫金屬力學(xué)性能下降，且使飛濺、氣孔和冷、熱脆性傾向增大。故應(yīng)盡量減少焊縫中氧的含量。

1)先期脫氧

焊條藥皮在加熱過(guò)程中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)叫先期脫氧。其特點(diǎn)是脫氧過(guò)程和脫氧產(chǎn)物與熔滴金屬不發(fā)生直接關(guān)系。

2)沉淀脫氧

在熔滴和熔池中，利用溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑，直接與溶解于液態(tài)金屬中的FeO作用，把鐵還原出來(lái)，稱為沉淀脫氧。

常用的脫氧劑有:錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鋁鐵等。其脫氧反應(yīng)式如下:

3)擴(kuò)散脫氧

利用FeO既能熔化在熔池金屬中，又能溶解在熔渣中的特性，擴(kuò)散FeO從熔池進(jìn)入熔渣的脫氧方式。

酸性熔渣中含有較多的酸性氧化物，擴(kuò)散脫氧為主要脫氧方式。熔渣中加入一定量的錳，可進(jìn)一步增加脫氧效果。

2．焊縫金屬的脫硫

硫是焊縫中極有害的雜質(zhì)，是焊縫產(chǎn)生熱裂紋的主要原因，還能引起偏析、降低焊縫的沖擊韌性和耐腐蝕性能。

硫在鋼中主要以MnS和FeS兩種硫化物的形態(tài)存在。

MnS不熔于液態(tài)鐵中，能進(jìn)入熔渣排除。

FeS能熔于液態(tài)鐵中，冷卻時(shí)，F(xiàn)eS從熔池中析出，并與Fe或FeO形成低熔點(diǎn)共晶體，聚集在晶界上，破壞晶粒間的聯(lián)系而引起熱裂紋。

焊接時(shí)硫的來(lái)源主要是母材、焊絲、藥皮。脫硫方法有元素脫硫和熔渣脫硫兩種。

元素脫硫常用的脫硫元素是Mn。

MnS進(jìn)入熔渣被排除。

熔渣脫硫是利用熔渣中的堿性氧化物進(jìn)行脫硫。

CaS不熔于金屬，進(jìn)入熔渣被排除。

用CaF2脫硫時(shí)，氟能與硫化物生成揮發(fā)性的化合物而脫硫。

酸性焊條藥皮形成的熔渣中酸性氧化物與堿性的MnO、CaO結(jié)合，脫硫效果不好。

堿性焊條藥皮形成的熔渣中，含有大量的堿性化合物，螢石、鐵合金等，脫硫效果好。

3．焊縫金屬的脫磷

磷也是焊縫金屬中的一種有害元素，主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，既會(huì)增加熱裂紋的敏感性又會(huì)增加冷脆性。

脫磷要求熔渣中具有足夠的游離CaO和FeO，其步驟如下:

可以看出，脫磷要求CaO和FeO配合恰當(dāng)，否則，脫磷效果不好。一般采取限制母材、填充金屬、藥皮和焊劑中磷含量的方法來(lái)減少焊縫中的含磷量。

4．焊縫金屬的合金化

焊接過(guò)程中，熔池中的合金元素由于氧化和蒸發(fā)而損失，改變了熔池合金元素的含量和力學(xué)性能。因此，必須要向熔池中補(bǔ)充一定量的合金元素。這個(gè)補(bǔ)充的過(guò)程就叫做焊縫金屬的合金化。

合金化的主要方式有:

(1)應(yīng)用合金焊絲。

(2)應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條。

(3)應(yīng)用合金藥皮或陶質(zhì)焊劑。

(4)用合金粉末，直接噴熔在焊件表面上或坡口內(nèi)。

(5)應(yīng)用置換反應(yīng)。

合金元素過(guò)渡中，有一部分被燒損掉。常常把焊接材料中的合金元素過(guò)渡到焊縫金屬中的數(shù)量與其原始含量的百分比稱為合金過(guò)渡系數(shù)。

影響合金過(guò)渡系數(shù)的因素很多，其中主要因素有焊接熔渣的酸堿度、合金元素與氧的親和力。熔渣的堿度越大，合金元素穩(wěn)定性越高，焊接電弧越短，合金元素的過(guò)渡系數(shù)就越大。

三、焊縫組織的控制、調(diào)整與改善

(一)焊接熔池的一次結(jié)晶

焊縫金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固過(guò)程，稱為焊縫金屬的一次結(jié)晶，遵循金屬結(jié)晶的一般規(guī)律。但又具有獨(dú)到的特點(diǎn)。

1．特點(diǎn)

(1)熔池體積小，冷卻速度大。以至于含碳量高、合金元素含量高的鋼和鑄鐵易產(chǎn)生硬化組織和結(jié)晶裂紋。

(2)熔池中的液態(tài)金屬處于過(guò)熱狀態(tài)。焊縫易得到柱狀晶組織。

(3)熔池是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶，熔池前半部處于熔化狀態(tài)，后半部處于結(jié)晶狀態(tài)，由于焊條的擺動(dòng)、氣體的吹力而使熔池受到攪拌作用，有利于氣體、雜質(zhì)的上浮，也有利于得到致密而性能良好的焊縫。

2．過(guò)程

熔池的一次結(jié)晶包括晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程，如圖5－5所示。晶核形成于熔合線上，晶核形成后向熔池中心生長(zhǎng)，從而形成柱狀晶組織。當(dāng)柱狀晶不斷長(zhǎng)大至互相接觸時(shí)，這一熔池?cái)嗝娼Y(jié)晶過(guò)程結(jié)束。

圖5－5　焊接熔池的結(jié)晶過(guò)程
(a)開始結(jié)晶　(b)晶體長(zhǎng)大　(c)柱狀結(jié)晶　(d)結(jié)晶結(jié)束

3．一次結(jié)晶過(guò)程中的偏析

由于熔池體積小，冷卻速度快，已經(jīng)凝固的焊縫金屬中的化學(xué)成分來(lái)不及擴(kuò)散而造成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象叫偏析。

偏析有三種形式，一種是顯微偏析，它是晶粒內(nèi)部和晶粒之間的不均勻現(xiàn)象，它受金屬的化學(xué)成分的影響，化學(xué)成分決定了金屬結(jié)晶的溫度區(qū)間，結(jié)晶區(qū)間越大，越容易引起顯微偏析。一種是區(qū)域偏析，它是由于熔池柱狀晶在生長(zhǎng)的過(guò)程中把雜質(zhì)“趕”向熔池中心所造成的。其結(jié)果是熔池中心的雜質(zhì)比其他部位多。第三種是層狀偏析，其表現(xiàn)在焊縫不同分層的化學(xué)成分分布不均勻。以上三種偏析中，對(duì)焊縫質(zhì)量影響較大的是區(qū)域偏析和層狀偏析。區(qū)域偏析的程度受焊接材料的合金成分或雜質(zhì)的影響，合金成分或雜質(zhì)越多，區(qū)域偏析越嚴(yán)重;受焊接速度的影響，焊接速度越快，區(qū)域偏析程度越嚴(yán)重;當(dāng)區(qū)域偏析嚴(yán)重時(shí)，容易形成縱向裂紋。在層狀偏析中往往集中了一些有害元素，往往成為缺陷的發(fā)源地;層狀偏析還會(huì)使焊縫的力學(xué)性能不均勻，耐腐蝕性能也不一樣。

4．夾雜

焊縫中還存在一些夾雜物，包括有氧化物夾雜和硫化物夾雜。氧化物夾雜主要是SiO2、MnO、TiO2和Al2O3。一般以硅酸鹽形式存在，是焊縫中引起夾渣的主要原因。硫化物夾雜有MnS和FeS，其中FeS是引起焊縫熱裂紋的主要因素之一。

(二)焊縫金屬的二次結(jié)晶

一次結(jié)晶結(jié)束后，熔池轉(zhuǎn)變成固態(tài)焊縫。高溫的焊縫金屬在冷卻到室溫時(shí)，要經(jīng)過(guò)一系列的組織變化，這種組織變化的過(guò)程稱為焊縫金屬的二次結(jié)晶。

冷卻速度對(duì)二次結(jié)晶的組織和性能影響極大。以低碳鋼為例，冷卻速度越快，冷卻后所得到的組織硬度越高。

(三)焊接熱循環(huán)和焊接熱影響區(qū)

1．焊接熱循環(huán)

在焊接過(guò)程中熱源是沿焊件移動(dòng)的，在焊接熱源作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程，稱為該點(diǎn)的熱循環(huán)。當(dāng)熱源向該點(diǎn)靠近時(shí)，該點(diǎn)的溫度隨之升高，直至達(dá)到最大值，隨著熱源的移開，溫度又逐漸降低，整個(gè)過(guò)程可以用一條曲線來(lái)表示，該曲線稱為焊接熱循環(huán)曲線，見圖5－6。

圖5－6　焊接熱循環(huán)曲線

所以，焊接實(shí)際上是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過(guò)程;或者說(shuō)是一種特殊的熱處理，他會(huì)使焊縫兩側(cè)一定寬度區(qū)域內(nèi)的組織和性能顯示出差異性。

影響焊接熱循環(huán)的主要因素有:

1)焊接工藝參數(shù)和熱輸入

焊接工藝參數(shù)如焊接電流、電弧電壓和焊接速度等，對(duì)焊接熱循環(huán)有很大的影響。加熱功率大，加熱范圍也很大。在同樣功率的前提下，焊接速度快，加熱時(shí)間短，加熱范圍窄，冷卻得快;焊接速度慢時(shí)則相反。

熱輸入(線能量)則綜合考慮了焊接電流、電弧電壓和焊接速度三個(gè)參數(shù)對(duì)焊接熱循環(huán)的影響。其定義是單位長(zhǎng)度焊縫上的熱能輸入:

其中:q———熱輸入，J/cm;

　　 I———焊接電流，A;

　　 U———電弧電壓，V;

　　 V———焊接速度，cm/s;

　　η———電弧的有效熱功率利用系數(shù)。η與電弧長(zhǎng)度有關(guān)?；￠L(zhǎng)增加時(shí)η降低;反之則增加。

熱輸入大時(shí)，對(duì)焊縫造成組織和性能變化的區(qū)域就越大;反之，就小。

2)預(yù)熱和層間溫度

當(dāng)焊接有淬硬傾向的鋼材時(shí)，需要焊前預(yù)熱。其目的是降低接頭的冷卻速度，減少淬硬傾向，防止產(chǎn)生裂紋。層間溫度是指多層多道焊時(shí)，焊接后一道焊縫時(shí)，前道焊縫的最低溫度。層間溫度應(yīng)等于或稍高于預(yù)熱溫度。目的與預(yù)熱相同。

3)其他因素的影響

板厚、接頭形式和材料的導(dǎo)熱性對(duì)焊接熱循環(huán)也有很大的影響。板厚增加，材料冷卻速度增大，高溫停留時(shí)間減少。

2．焊接熱影響區(qū)組織和性能的變化

由于焊接熱循環(huán)的作用，焊縫兩側(cè)一定寬度的發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域叫熱影響區(qū)。熱影響區(qū)內(nèi)各點(diǎn)所受的焊接熱循環(huán)不同，因此，所發(fā)生的組織和性能的變化也不同。

不易淬火鋼的熱影響區(qū)包括低碳鋼和含合金元素較少的低合金高強(qiáng)鋼在內(nèi)的不易淬火鋼，其熱影響區(qū)可分為以下四個(gè)區(qū)域，如圖5－7所示。

(1)熔合區(qū)。焊接接頭中焊縫與熱影響區(qū)相互過(guò)渡的區(qū)域。范圍非常窄，在化學(xué)成分和組織性能上都有較大的不均勻性。所以對(duì)接頭的強(qiáng)度和韌性都有很大的影響。許多情況下是裂紋、疲勞破壞的發(fā)源地。

圖5－7　熱影響區(qū)劃分示意圖
1－熔合區(qū);2－過(guò)熱區(qū);3－正火區(qū);4－部分相變區(qū)

(2)過(guò)熱區(qū)。是熱影響區(qū)中具有過(guò)熱組織和晶粒顯著粗大的區(qū)域。其所處的溫度范圍是指在固相線以下到1100℃左右的區(qū)間。在力學(xué)性能上表現(xiàn)為金屬的沖擊韌度大大降低，一般比基本金屬低25%～30%，是熱影響區(qū)中的薄弱區(qū)域。

(3)相變重結(jié)晶區(qū)(正火區(qū))。該區(qū)所處溫度范圍約在AC3～ 1100℃。加熱時(shí)，母材中的珠光體和鐵素體全部轉(zhuǎn)為奧氏體(重結(jié)晶)，空冷后得到均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，相當(dāng)于熱處理中的正火組織。該區(qū)具有較高的強(qiáng)度，又有較好的塑性和韌度，是熱影響區(qū)中綜合力學(xué)性能最好的區(qū)域。

(4)部分相變區(qū)。加熱溫度在AC1～AC3之間的區(qū)域，低碳鋼為750～900℃。該區(qū)母材中的珠光體和部分鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я１容^小的奧氏體，但仍保留部分鐵素體。冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體和珠光體，而未溶入奧氏體的鐵素體不發(fā)生轉(zhuǎn)變，晶粒比較粗大，故冷卻后組織晶粒大小極不均勻，力學(xué)性能也較差。

(四)焊縫組織的調(diào)整與改善

從以上焊縫金屬的形成過(guò)程分析可知，為了獲得滿意的焊接接頭組織，我們可以從兩個(gè)方面著手:

1．改善一次結(jié)晶組織

通過(guò)焊接材料、焊條、焊劑向熔池中加入某些合金元素，如V、Mo、Ti、Nb、Al、B、N等，可以起到細(xì)化晶粒，改善結(jié)晶組織的作用，既可以保證焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性，又能提高抗裂性。

2．改善二次結(jié)晶組織

(1)焊后熱處理。焊后為改善焊接接頭的組織和性能或消除殘余應(yīng)力而進(jìn)行的熱處理稱為焊后熱處理。一般重要的焊接結(jié)構(gòu)都應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。

(2)多層焊。多層焊時(shí)，每層焊縫變小改善了結(jié)晶條件，此外，后層焊縫對(duì)前層焊縫具有熱處理作用。

(3)錘擊焊道表面。錘擊可以使焊縫金屬的晶粒不同程度地被破碎，具有細(xì)化晶粒的作用。此外，還可以使焊縫金屬產(chǎn)生塑性變形而降低殘余應(yīng)力。