一、焊缝结晶与偏析

1.1结晶：金属的凝固过程常称为结晶；

1.2结晶（广义）：物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）

1.3过渡为另一种原子排列状态（晶态）的转变过程；

1.4一次结晶：物质从液态转变为晶体状态的过程；

1.5二次结晶：一种固体晶体过渡为另一种固体晶体的转变（同素异构转变）。

1.6偏析：金属中的化学成份不均匀的现象；

1.7焊接熔池结晶的特点

1.7.1焊接熔池在极短的时间内，经过了高温下的一系列冶金反应，当电弧离开后便冷却结晶。它的结晶与一般钢锭的结晶比，具有下列不同的特点：

1）较大的冷却速度

2）熔池金属处于过热状态：熔滴的平均温度约为℃，熔池的平均温度也要达到℃左右(比铸钢温度高)

3）熔池在运动状态下结晶,熔池的形状和结晶组织，均要受到焊接速度的影响

胞状晶、胞状树枝晶、柱状树枝晶

1.8焊缝金属的一次结晶

1.8.1焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程，称为焊缝金属的一次结晶。

1.8.2它遵循着金属结晶的一般规律，也包括”生核“和“长大”两个基本过程。

1.8.3晶胚→晶核→长大

晶胚：过冷液态金属中短程规则排列的晶态小集团。

晶核：几何尺寸达到一定程度的晶胚。

1.8.4焊缝金属一次结晶组织的微观形态：胞状晶、胞状树枝晶和柱状树枝晶。

1.9焊缝金属的二次结晶

1.9.1钢材的焊缝在完成一次结晶后，随温度的继续降低，也会发生晶体结构的变化，即从一种晶格转变为另一种晶格。焊缝金属在固态下的这种晶格变化（同素异构转变），称为固态相变。

1.9.2它与一次结晶相似，也有晶核的形成（一般在旧晶界上）和长大两个过程。

1.10魏氏组织:

1.10.1焊接热影响区中的过热区，由于奥氏体晶粒长得非常粗大，这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过组织。其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体(渗碳体)针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种过热组织称为铁素体(渗碳体)。

1.10.2魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面，使金属的韧性急剧下降，这是不易淬火钢焊接接头变脆的一个主要原因。

1.11焊缝结晶过程中的偏析现象

1.11.1偏析：是指合金中化学成分的不均匀性。焊缝金属的一次结晶通常都是在不平衡的冷却条件下进行的（无限缓慢的冷却称为平衡条件），即：焊缝金属结晶时的冷却速度很快，结晶又有先后，使在每一温度下固相内的成分来不及趋于一致，在相当大的程度上保持着由于结晶先后而产生的化学成分不均匀性。

1.11.2焊缝中的偏析，主要有微观偏析、宏观偏析和层状偏析

1.11.3宏观偏析：它是一种区域性的偏析。

1.11.4偏析对焊缝质量的影响很大，它不仅由于化学成分不均匀而导致性能改变，同时也是产生裂纹、气孔、夹杂物等焊接缺陷的主要原因之一。

1.11.5宏观偏析与熔池的宽度及深度有关。当熔池窄而深时，柱状晶从两边向熔池中心生长，使焊缝中心最后凝固形成严重的宏观偏析，此处杂质最多。当熔池宽而浅时，柱状晶从底部向上生长，使最后凝固时的杂质被堆向焊缝表面，从杂质分布的观点来看，宽焊缝较窄焊缝有利。

1.11.6层状偏析常集中了一些有害的元素，因而缺陷也往往出现在偏析层中。

1.11.7一般焊缝金属中珠光体的含量，要比缓慢冷却的低碳钢平衡组织高。焊缝的硬度和强度都有所提高，而塑性和韧性则有所降低。甚至还有魏氏组织特征，焊缝的机械性能将明显下降。

二、焊接接头的组织、性能

2.1焊接的热循环

2.1.1是指在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程

2.1.2焊接的热循环的特点、主要参数：

1）加热速度

在熔化焊时，其加热速度要比在热处理条件下快得多。组织转变不充分,化学成分不均

2）加热的最高温度

金属组织的变化除化学成分之外，主要与加热温度和冷却速度有关；

在熔合线附近,温度高,母材晶粒发生严重长大,塑性降低,对低碳钢（~℃）；

3）在相变温度以上的停留时间长,有利于奥氏体内部化学成分均匀,但C以上,严重的晶粒长大。

4）冷却速度(重要参数)→接头组织和性能

影响速度的因素:材料、板厚、焊接线能量接头形式、焊前预热、焊后缓冷。

2.2焊接热影响区的组织和性能

2.2.1焊接的热循环对焊缝附件的母材在组织和性能上有着较大的影响。

2.2.2焊接热影响区:指在焊接过程中，母材因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和机械性能变化的区域。

2.2.3焊接的热影响区的组织分布:

在母材热影响区上某点的加热速度、加热最高温度（Ac3以上）的停留时间和随后的冷却速度，决定了该点的组织和性能

①熔合区

熔合区就是指在焊接接头中，焊缝热影响区过度的区域。它在焊缝金属与母材相邻的熔合线附近，又称为半熔化区。熔合区往往是使焊接接头产生裂纹或局部脆性破坏的发源地。

②过热区

过热区所处的温度范围是在固相线以下到℃左右的区间内，在这样高的温度下，奥氏体晶粒严重长大，冷却之后就呈现为晶粒粗大的过热组织。

过热区的塑性很低，尤其冲击韧性要降低20-30%。

如果在焊接刚性较大的结构时，常会在过热区出现裂纹。

③正火区

即常温时的铁素体和珠光体此时全部转变为奥氏体，然后在空气中冷却，使金属内部重新结晶，则获得均匀而细小的铁素体和珠光体晶粒。

举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况

细化晶粒方法：

（1）增加△T

（2）孕育处理（变质处理）

（3）附加振动或搅拌

④不完成重结晶区

是焊接热影响区中处于Ac1-Ac3之间温度范围的区域。由于处于Ac1-Ac3的温度区间，故只有一部分组织发生了相变重结晶的过程，而始终未熔入奥氏体的铁素体却长大了，变成了粗大的铁素体组织。所以这个区的金属组织是不均匀的，一部分是经过重结晶的晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分是粗大的铁素体。由于晶粒大小不同，所以机械性能也不均匀。

2.2.4如母材事先经过冷加工变形或由于焊接应力而造成的变形，在Ac1以下，将发生再结晶过程。

2.2.5总的来看，钢在焊接热循环的作用下，热影响区的组织分布是不均匀的。

2.2.6熔合区和过热区有严重的晶粒长大现象，是整个焊接接头的薄弱地带。

低碳钢焊接热影响区的组织分布特征和性能

2.2.7焊接热影响区的性能

焊接热影响区的组织分布不同，所以各区在性能上也必然不同

①焊接热影响区的硬度分布

碳当量=C+Mn/6+Si/24+Ni/15/+Cr/5+Mo/4

②焊接热影响区的机械性能焊接热影响区各不同部位，由于所受热循环不同，故所获的机械性能也不同

三、影响焊接接头组织及性能的因素

3.1材料的选用

3.2线能量

焊接线能量的大小，不仅影响到过热区晶粒粗大的程度，而且直接影响到焊接热影响区的宽度，即当线能量增大时，热影响区的宽度也增大。这就直接影响了焊接接头的质量。焊接线能量的大小是由焊接工艺参数所决定的。

3.3对过热区晶粒长大和性能的影响

焊接线能量越大，过热区越宽，过热现象也越严重，晶粒也越粗大，因而塑性和韧性下降也越严重，甚至会造成冷脆。

3.4对过热区淬硬组织的影响

线能量的增大，冷却速度就降低

3.5熔合比

熔合比就是指熔化焊时，被熔化的母材在焊道金属中所占的百分比。

3.6焊接工艺方法

3.6.1从合金元素烧损和减少焊缝中的杂质元素及气体含量来看，气焊时熔池的保护效果差，合金元素烧损大，焊缝中气体及杂质元素的含量较高，故气焊焊缝的性能较差；

3.6.2手工电弧焊和埋弧自动焊，由于分别采用了气—渣联合保护和渣保护，合金元素烧损就较少。

3.7焊缝中气体含量及杂质元素也较少，故焊缝金属性能也较好

3.8手工钨极氩弧焊，由于采取了氩气保护，在气保护效果良好及操作合理的情况下，合金元素基本不会烧损，焊缝中气体及杂质元素的含量较少，可得到较为纯净的焊缝

3.9从焊缝的组织特点来看，气焊时由于加热速度较慢，易产生过热和过烧的组织，致使焊缝中的性能恶化，而手工钨极氩弧焊时，由于氩弧热量集中，焊接冷却速度快，故焊缝的结晶组织较细，性能也较好。

3.10从焊接热影响区的宽度来看，在一般情况下，气焊较宽，手工电弧焊次之，手工钨极氩弧焊最窄。

3.11焊后热处理

1）消氢处理

2）消除应力热处理

3）改善性能热处理

①对于低碳钢

②对于易淬火的低合金高强度钢和耐热钢

③对于奥氏体不锈钢

④对于铁素体不锈钢

⑤对于马氏体不锈钢

表2-1用光焊丝焊接低碳钢时焊缝成分

四、产生的原因

1、参与一系列导致熔池化学成份发生变化的冶金反应。

2、光焊条焊接时，焊接区域内充满了空气，空气中主要成分是氧和氮，这样氧和氮与熔化金属之间的反应，就形成了光焊条焊接时区域里主要的冶金反应。

五、氧、氮、氢对焊缝质量的影响

5.1氧对焊缝质量的影响

1）钢中的氧（溶入铁里的氧、钢中的氧化亚铁、四氧化三铁）能降低焊缝金属的机械性能含氧量增高，

σ↓δ↓ψ↓αk↓

2）熔池中的氧能烧损熔池中有用的合金元素，降低焊缝金属中合金元素的含量，从而降低焊缝的机械性能。且在焊缝中形成夹杂物（SiO2），降低金属的冲击韧性。

3）熔池中的氧在凝固的过程中能和钢中的碳形成CO气孔。气孔破坏了焊缝金属的连续性，从而损坏了焊缝的气密性和水密性同时由于气孔的存在，削弱了焊缝的工作断面，引起应力集中，因而大降低了焊缝的承载能力和性能。

5.2氮对焊缝质量的影响

1）含氮量增高，

σ↑δ↓ψ↓αk↓

2）氮使焊缝金属发生时效（时效：由于发生细小的Fe4N析出而导至焊缝冲击韧性和塑性下降，强度和硬度增高这一现象）

注意:它不同于自然时效和人工时效

3）氮能在焊缝中形成气孔

5.3氢对焊缝质量的影响

1）焊缝中存在会引起氢脆，δ↓

2）引起焊缝金属中产生白点

3）促使冷裂纹的产生

4）在焊缝中形成气孔

5.4光焊条焊接质量及其提高途经

低碳钢光焊条的质量是很差的，不能满足金属结构的要求。

使焊接区域和空气隔绝，从而保护熔池,使之不被空气侵入。

5.5方法:渣保护（埋弧焊、电渣焊）

气体保护（Ar、CO2)

气渣联合保护(手工焊条焊）

5.6常用的保护气体和焊剂实际上都带有一定的氧化性，因此，他们主要是防止氮的入侵

5.7脱氧、脱氮和渗合金

5.8电容放电螺柱焊时，因焊接时间极短，氧化的可能性很小，不需要保护(只是在焊接碳钢时)。

5.9电阻焊的冶金过程比熔化焊简单,一般无需考虑空气侵袭等问题。

六、焊缝成形的基本规律

6.1电弧能量参数对焊缝成形的影响：

焊接电流（I）、电弧电压（U）和焊速（Vw）是决定焊缝成

6.2形主要能量参数：

6.2.1焊接电流

其它条件不变时，增加焊接电流，焊缝熔深和增高都增加，而熔宽则几乎不变（或略有增加）。

H=KmI

式中熔深系数Km的数值取决于电弧焊方法、焊丝直径、电流种类等。

6.2.2在焊丝直径，保护条件，熔滴过渡形式确定后，正常的电弧焊条件下，熔深总是几乎跟焊接电流成正比的。

各种电弧焊方法的熔深系数(mm/A)

6.3电弧电压

在其它条件不变时，电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加，而熔深和增高将略有减小。

6.4为了保证电弧过程的稳定性，这两个参数都有一定的范围，并且是相互制约的。

6.5电流的选择方法：

板厚→焊丝直径→焊接电流→电弧电压

6.6判断电流是否合适：

看飞溅、听声音、看电弧燃烧是否稳定、看焊缝成形、看焊丝熔化情况

6.7其它工艺条件对焊缝成形的影响

6.7.1焊丝直径和焊丝伸出长度

焊丝直径↑H↓B↑，

焊丝伸出长度L↑a↑H↓γ↓，

6.7.2焊丝倾角（操作方法）：

焊丝前倾、焊丝后倾

焊丝前倾（前指）—焊接电弧指向待焊接方向

焊丝后倾（后指）—焊接电弧指向已焊好的焊缝方向

6.7.3工件倾角

车身上有些部件在工装夹具上，是处于倾斜位置，要注意:上坡焊（相当于焊丝后倾）

α↑H↑C↑B↓

α＞60~时，增高增大，两侧出现咬边，成形明显恶化。在自动焊中应尽量避免上坡焊。

工艺参数、工艺条件对焊缝尺寸和形状的影响

七、电弧焊的熔滴过渡

7.1熔滴：

电弧焊时，在焊条（或焊丝）端部形成的向熔池过渡的液态金属滴。

7.2熔滴过渡:

熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程

7.3在手工电弧焊时，焊条金属每秒钟过渡到熔池的熔滴数为5~40滴，直经约为0.5~4毫米，呈球状。

7.4熔滴过渡对焊接过程的稳定性，焊缝成形、飞溅及焊接接头的质量有很大的影响，因此了解这个问题对于掌握熔化极焊接工艺是很重要的。

7.5根据金属熔滴向熔池过渡的形成，大致可分为三种,即：短路过渡、滴状过渡(颗粒过渡)、喷射过渡（射流过渡）

7.6为什么熔滴过渡会有上述这些不同的形式呢？

7.6.1这是由于作用于液体金属熔滴上的外力不同的缘故。

7.6.2在焊接时，采取一定的工艺措施，就可以改变熔滴上的作用力，也就使熔滴按人们所需要的过渡形式自焊条向熔池过渡。

7.7熔滴过渡的作用力：

7.7.1熔滴的重力

7.7.2表面张力

7.7.3电磁力

7.7.4极点压力

7.7.5气体的吹力

四周向中心的径向收缩力。因此称之为电磁压缩力

7.8熔滴过渡的形式

7.8.1短路过渡

焊条（或焊丝）端部的熔滴与熔池短路接触，由于强烈过热和磁收缩的作用使其爆断，直接向熔池过渡的形式称为短路过渡。

7.8.2短路过渡能在小电流，低电弧电压，实现稳定的金属熔滴过渡和稳定的焊接过程。所以适合于薄板或低热输入的情况下的焊接。

7.9喷射过渡（射流过渡）

7.9.1熔滴的尺寸呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式称为喷射过渡。

7.9.2特点：

是熔滴细，过渡频率高，熔滴沿焊丝的轴向以高速向熔池运动，并具有电弧稳定，飞溅小，熔深大，焊缝成形美观，生产率高等优点。

7.9.3MIG焊时要根据所焊金属及焊丝直径先选择熔滴过渡型式

MIG焊碳钢使用的焊接电流规范