浅谈焊接热过程研究方法

浅谈焊接热过程研究方法

作者：贾震伟

来源：《装饰装修天地》2015年第03期

摘要：焊接电弧产生后，焊接区的物质在高温作用下，会发生激烈的物理化学反应，反应的过程称为焊接冶金过程。本文就此做了简要的分析，希望能对实际的工作起到一定的指导作用。

关键词：焊接热过程;作用控制 一、焊接热过程

在焊接过程中，被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、熔化（或达到热塑性状态）和随后的连续冷却过程，通常称之为焊接热过程。 1.焊接热过程特点

1.1局部集中性：焊件在焊接时不是整体被加热，而热源只是加热直接作用点附近的区域，加热和冷却极不均匀。

1.2焊接热源的运动性：焊接过程中热源相对于焊件是运动的，焊件受热的区域不断变化。

1.3瞬时性：在高度集中热源的作用下，加热速度极快，即在极短的时间内把大量的热能由热源传递给焊件，又由于加热的局部性和热源的移动而使冷却速度也很高。 1.4复合性：焊接热过程涉及到各种传热方式。 2.焊接热源（熔化焊）

电弧热、化学热、电阻热、摩擦热、等离子弧、电子束、激光束。 3.焊接热循环

在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由低到高，达到最大值后又由高到低的变化称为该点的焊接热循环。在焊缝两侧不同距离的点，所经历的热循环是不同的。 3.1多层焊接热循环的特点

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多层焊接是许多单层热循环相继作用，在相邻焊层之间彼此具有热处理的作用，因此，从提高焊接质量来看，多层焊比单层焊更为优越。在实际生产中，可以根据情况不同，多层焊分为“长段多层焊”和“短段多层焊”。 3.2长段多层焊接热循环

所谓长段多层焊，就是每道焊缝较长（1m以上），这样在焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本上冷却到较低的温度（一般在100～200℃以下）。

相邻各层之间有依次热处理的作用，为防止最后一层淬硬，可多加一层退火焊道，从而使焊接质量有所改善。对一些淬硬倾向较大的钢种，不适于长段多层焊接。 3.3短段多层焊接热循环

所谓短段多层焊，就是每道焊缝较短（约50～400mm），在这种情况下，未等前层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始焊接下一层焊缝。其特点是后焊一层对先焊层具有缓冷作用，可以防止焊接接头出现淬硬组织，适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢中。长段多层焊接热循环的变化。 4.焊接冶金

大多数焊接（熔焊）过程都包含焊接区液态金属在高温条件下与焊接气氛、焊接熔渣之间的化学冶金反应过程，以及液态金属冷却后的凝固过程与焊缝固态相变过程。一般焊接过程的保护不如钢铁冶金过程，必然会有较多空气中的氧、氮侵入焊接区，使焊缝金属中w（O）、w（N）增加，有益合金元素被烧损，并严重影响其力学性能，特别是使其塑性和韧性急剧下降。

二、焊接冶金反应区及其反应条件

焊接化学冶金反应过程是在不同反应区连续进行的。不同焊接方法有不同的反应区。其中最具有代表性的是焊条电弧焊，它有药皮、熔滴和熔池等3个反应区。处于焊条端部被加热到药皮开始反应的温度100℃至药皮熔点约1200 ℃（对钢焊条而言）的区域为药皮反应区。这一反应区的温度较低，主要进行的是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化（即先期脱氧）等反应。

三、气体对焊缝金属的影响控制 1.氮与金属的作用控制

焊接区内的氮气主要来自于周围空气，根据近似计算在电弧区气体中空气的体积分数约占3%。氮与金属的作用分两种情况：一种是氮与金属不发生反应，也不溶解，如与Cu和Ni等;

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另一种是既与金属反应，又溶解于金属中，如与Fe、Mn、Cr、Ti等，焊接这类金属必须防止氮气的侵入。

氮在焊缝金属中以过饱和固溶体形式存在，提高了焊缝的强度，却降低了焊缝的塑性和韧性。在焊缝中形成的氮气孔降低了焊缝的致密性和力学性能。氮化物（Fe4N）的形成和析出，提高了焊缝的强度和硬度，却使塑性和韧性急剧下降。同时Fe4N还是一种时效产物，即氮是一种促使焊缝金属时效脆化的元素。当焊缝金属中氮的体积分数<0.01%时，对焊缝力学性能影响不大。应当指出，当焊缝中氮与钒同时存在时，氮与钒形成稳定的化合物氮化钒（VN），可抑制时效现象。在经过正火或调质处理后，VN以细小颗粒弥散分布，可以提高钢的强度，而不降低塑料和韧性。 2.氢与金属的作用控制

氢主要来源于焊条药皮、焊剂、焊条和焊丝以及空气中的水分、焊条药皮、焊件坡口上的油污、气体保护焊中的保护气体不纯等。在电弧的高温作用下，电弧区域中的氢主要以原子、离子及分子形态存在。当弧柱中的温度大于5000K时，氢主要以原子形态存在，分解度大于96%，当温度低于2000K时，氢主要以分子状态存在。

根据氢与金属作用的特点可把金属分为两类：第一类是能形成稳定氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ti、Nb等。这类金属吸收氢的反应是放热反应，焊接这类金属及合金时，必须防止在固态下吸收大量的氢，否则将严重影响接头的质量。第二类是不形成稳定氢化物的金属，如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。

焊缝金属中的氢大部分以原子或离子形态存在。由于氢的原子或离子的半径很小，一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，称之为扩散氢。部分扩散氢随着时间延长，可从焊缝表面逸出。还有一部分氢聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物的空隙中，结合成分子，不能自由扩散，称之为残余氢。对于上述第一类金属，氢化物影响较大，而对于第二类金属，扩散氢的体积分数占80%～90%，它对接头影响比残余氢大。 四、结束语

总之，为了提高焊缝金属的质量，就必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益元素的损失，或者把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中，即合金化。合金化的目的首先是补偿焊接过程中因蒸发、氧化等原因造成的合金元素损失。其次是消除焊接缺陷，如气孔、裂纹等，改善焊缝金属的组织和性能，如细化晶粒、提高塑性、对焊缝进行脱氧、脱硫、脱磷等。最后，能获得具有特殊性能的堆焊金属，如耐磨性、耐热性、耐蚀性等。 参考文献：

[1]陈晓，习天辉.大线能量低焊接裂纹敏感性钢的研究[J].材料导报，2002年05期.

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