焊缝组织的控制

第五章　焊接基础理论

一、焊接电弧

电弧焊时，熔化被焊金属和填充材料(焊条或焊丝)的主要能量来源是电弧热。电弧是一种气体放电现象，如自然中的闪电，在放电的一瞬间会放出大量的光和热，但焊接电弧又有不同之处，是一种持久的放电现象，原因是弧焊电源给它提供了源源不断的能量支持。

那么，焊接电弧是如何产生的呢?气体的放电需要一定的条件，即导电用的带电粒子。正常情况下，空气中只含有气体分子和原子，不显电性，因此也不能导电，但在适当条件下，如加热、加高电压或碰撞时，会有一部分气体电离，就产生了导电所需要的带电粒子，气体放电的通道就畅通了。如果没有持续的带电粒子的补充，带不同电荷的两极中的带电粒子中和完后，放电现象就终止了，闪电就是这样一种放电形式。而焊接电弧由于有弧焊电源不断给它提供带电粒子，因此，放电现象就能持续下来。

在电弧焊实际操作时，引燃焊接电弧的过程叫做引弧。

(一)焊接电弧的引燃方法

焊接电弧的引燃方法有接触短路引弧法和非接触引弧法(高频高压引弧法)。

1．接触短路引弧法

一般情况下，空气是不导电的，所以不具备电弧产生所需的两个条件。但当把焊条(焊丝)与工件接触时，强大的短路电流通过少数的接触点，使接触部分的金属熔化甚至汽化，迅速把焊条(焊丝)拉开时，由于焊条(焊丝)与工件之间的高温及瞬时的强电场作用，使焊条(焊丝)与工件之间的气体发生电离，同时阴极也开始发射电子，电弧就引燃了。这种引弧法常用于焊条电弧焊和埋弧自动焊中。

2．非接触引弧法

非接触引弧法也称为高频高压引弧法。他是利用高压(2000～3000V)直接将两电极之间的空气间隙击穿电离、引燃电弧。通常将其频率提高到150～260kHz，利用高频电强烈的趋肤效应消除高压对人体的危害。这种引弧法常用于氩弧焊、等离子弧焊中。

(二)焊接电弧的结构与温度分布

当焊接电弧产生后，在电弧长度方向的电压分布和温度分布是不均匀的，在电弧轴线上形成了3个性质不同的区域，即阴极区、阳极区、弧柱区。如图5－1所示。

图5－1　焊接电弧的结构及电压沿长度的分布

1．阴极区

焊接电弧紧靠负极的区域称为阴极区，阴极区很窄，但具有很大的电场强度，便于发射电子。在阴极表面发射电子最集中的地方，称为阴极斑点，是阴极区温度最高的地方。

2．阳极区

焊接电弧紧靠正极的区域称为阳极区，较阴极区宽。由弧柱区飞来的电子堆积而成，所以形成一个电压降，称阳极电压降。阳极区集中接收电子的微小区域，也形成一个亮斑，成为阳极斑点。

3．弧柱区

弧柱区是在阴极区和阳极区中间的区域，其长度占弧长的绝大部分，在弧柱区充满了电子、正离子、负离子和中性的气体分子或原子，但其整体是电中性的。

焊接电弧中3个区域的分布是不均匀的。弧柱区温度最高，而两个电极的温度较低，但从产热角度来讲，阳极斑点温度高于阴极斑点温度，分别占放出热量的43%和36%，但由于其导热性的原因，其温度并没有弧柱温度高。

(三)电弧静特性

1．焊接电弧的静特性

焊接电弧可以看作是一个负载，是把焊接电源供给的电能转化成熔化母材和焊材金属的热能，和一般的负载相比，电压和电流之间也存在着某种关系。我们把在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为焊接电弧的静特性，也称伏安特性。表示这种关系的曲线称为静特性曲线。焊接电弧是气体导电，与金属导体导电不一样。图5－2列出了金属伏安特性曲线与电弧静特性曲线的区别。

图5－2　金属与焊接电弧伏安特性的比较
(a)金属的伏安特性曲线　(b)电弧的静特性曲线

从上图可以看出，金属导电服从欧姆定律，其伏安特性曲线为一斜线;而焊接电弧的静特性曲线为U形，简称U形曲线。U形曲线可以分为三部分:下降特性段ab，此时焊接电流较小，随着焊接电流的增加，电弧电压迅速减小;水平段bc，此时电流稍大，随着焊接电流的增加，电弧电压基本不变;上升阶段cd，此时随着焊接电流的增加，电弧电压也随之增加。

不同的焊接方法，在一定条件下，其静特性只是曲线的某一部分。例如:焊条电弧焊，静特性曲线无上升段，一般工作在水平段;埋弧焊，在正常电流密度情况下，工作在静特性曲线的水平段，而在大电流密度焊接时，此时工作段为上升段;钨极氩弧焊，在小电流区间焊接时，静特性为下降段;采用大电流焊接时，静特性为平特性区。

CO2气体保护焊:电流密度大，工作在上升段。

由于不同的焊接方法工作在焊接电弧静特性曲线的不同阶段，因此，对焊接电源的外特性要求也不一样。

2．电弧长度对电弧静特性的影响

电弧长度主要由弧柱的长度决定，所以，电弧长度的改变，主要是弧柱的长度发生变化。电弧拉长时，弧柱区压降增加，电弧电压增加，电弧的静特性曲线平行上移如曲线2。反之，当弧长缩短时，电弧的静特性曲线平行下移。如曲线1(图5－3)。

图5－3　电弧长度对电弧静特性曲线的影响

(四)焊接电弧的稳定性

焊接电弧的稳定性，是指电弧保持稳定燃烧的程度。电弧的稳定性，直接影响到焊接质量和焊接过程的正常进行。焊接电弧的稳定性大致与以下几个方面有关:

1．电源及电源极性接法

直流电弧比交流电弧的稳定性好。因为采用交流电源焊接时，电弧的极性是周期性地改变的。当采用工频交流电源供电时，每秒钟内，电弧的引燃和熄灭要交替进行100次，因此，交流电弧不如直流电弧稳定。

2．焊条药皮成分的影响

当焊条药皮中含有较多易电离元素(K、Na、Ca等)或他们的化合物时，焊条熔化时可产生更多的带电粒子，电弧燃烧就稳定。但当药皮中含有较多氟化物时，会降低电弧的稳定性，例如:碱性焊条药皮中含有一定量的CaF，其稳定性就较含K、Na、Ca较多的酸性焊条要差。

3．气流的影响

由于焊接电弧是气体导电，所以气流可使电弧中带电粒子的流动发生偏移，从而导致电弧偏吹。因此，在大风的情况下，一般要采取防风措施或停焊。

4．磁偏吹

正常情况下，组成电弧的粒子流是沿着焊条中心线的方向，在热收缩及电磁收缩的作用下，电弧保持着沿焊条中心线的挺度。采用直流电源焊接时，电弧(带电粒子流)受到焊接回路所产生的电磁力作用而发生电弧偏移，称为磁偏吹。此外，如果在电弧附近有铁磁物质存在，也会引起磁偏吹。在焊接过程中，把焊条朝偏吹方向倾斜一个角度或压短电弧，可以减小磁偏吹的影响。

二、焊接冶金基本过程

在电弧热作用下，熔化的母材金属与填充材料的各组分间，包括产生的气相和熔渣会发生一系列复杂的物理化学过程，这个过程称为焊接冶金。

(一)焊条(焊丝)的熔化

熔化极电弧焊时，焊条(焊丝)具有两个作用:一方面作为电弧的一个电极，另一方面向熔池提供填充金属。焊接时，加热并熔化焊条(焊丝)的热量主要包括这样几部分:焊条(焊丝)所产生的电阻热、电弧热。其中，电阻热的大小决定于焊条或焊丝的伸出长度、焊接电流密度和焊条(焊丝)金属的电阻率。过高的电阻热会给焊接过程带来不利的影响，会使焊条发热，甚至药皮脱落。

焊条(或焊丝)金属受到电阻热和电弧热的加热后，开始熔化。在正常焊接参数内，其熔化速度与焊接电流成正比。

(二)焊条(焊丝)金属的熔滴过渡

焊条(焊丝)熔化后，焊条(焊丝)端部形成滴状液态金属，称为熔滴。熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程称为熔滴过渡。其过渡方式有:滴状过渡、短路过渡和喷射过渡等形式。见图5－4。

图5－4　熔滴过渡的方式
(a)滴状过渡　(b)短路过渡　(c)喷射过渡

1．滴状过渡

熔滴呈粗大颗粒状向熔池自由过渡的形式，如图5－4(a)所示。其又可分为粗颗粒过渡和细颗粒过渡。焊接过程中熔滴尺寸的大小与焊接电流、焊(芯)丝成分、药皮成分有关。

2．短路过渡

焊条(焊丝)端部的熔滴与熔池短路接触，由于强烈的热和磁收缩作用使其爆断，直接向熔池过渡的形式，如图5－4(b)所示，短路过渡在小功率电弧下，能实现稳定的金属熔滴过渡和稳定的焊接过程，适用于薄板或需要低热输入情况下的焊接。

3．喷射过渡

熔滴以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，如图5－4(c)所示。实现喷射过渡除了需要有一定的电流密度外，还必须有一定的电弧长度。其特点是熔滴细、过渡频率高、电弧稳定、飞溅小、熔深大，焊缝成形美观，生产效率高等优点。

金属熔滴以不同形式过渡到熔池中，是熔滴上不同作用力共同作用的结果。

(三)熔滴上的作用力

1．重力

焊接时，熔滴由于本身的重力而有下坠的倾向。平焊时促进熔滴过渡，仰焊时阻碍熔滴过渡。

2．表面张力

金属熔化后，在表面张力的作用下形成球滴状，使液体金属不会马上脱离焊条。表面张力的大小与熔滴的成分、温度及环境气氛有关，与焊丝直径成正比。与保护气体的性质有关。平焊时阻碍熔滴过渡，其他位置有利于过渡。

3．电磁压缩力

熔滴上受到由四周向中心的电磁压缩力的作用。在任何焊接位置，电磁压缩力都是促使熔滴过渡的。

4．斑点压力

电弧的电子和正离子，在电场的作用下分别撞向阳极和阴极，在两极的斑点上产生机械压力，这个力称为斑点压力。斑点压力的作用是阻碍熔滴过渡。

5．等离子流力

电弧中由于电弧推力使等离子体迅速流动产生的压力，这种压力称为等离子流力，有利于熔滴过渡。

6．电弧气体的吹力

焊条末端形成的套管内含有大量气体，这些气体被电弧加热到高温时，体积急剧膨胀，并随着套管方向以挺直而稳定的气流把熔滴送到熔池中去。电弧气体的吹力有利于熔滴金属的过渡。

(四)熔滴过渡时的飞溅

电弧焊过程中，会出现熔化的金属颗粒和熔渣向周围飞散的现象，叫飞溅。飞溅主要由以下原因引起:

1．气体爆炸引起的飞溅

由于冶金反应时在液体内部产生大量CO气体，气体的析出十分猛烈，造成液体金属熔滴和熔池金属发生粉碎性的细滴飞溅。

2．斑点压力引起的飞溅

短路过渡的最后阶段，在熔滴和熔池之间发生烧断开路，这时的电磁力使熔滴向上飞去，引起强烈飞溅。

(五)焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷及合金化

为什么在有些环境下焊接时，母材表面的铁锈、油污不会进入焊缝，而有时候又会在焊缝内部产生孔洞呢?这与焊接过程中的冶金反应过程有关。

1．焊缝金属的脱氧

氧以FeO和原子氧溶解于铁水中，使焊缝金属力学性能下降，且使飞溅、气孔和冷、热脆性倾向增大。故应尽量减少焊缝中氧的含量。

1)先期脱氧

焊条药皮在加热过程中进行的脱氧反应叫先期脱氧。其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴金属不发生直接关系。

2)沉淀脱氧

在熔滴和熔池中，利用溶解在液态金属中的脱氧剂，直接与溶解于液态金属中的FeO作用，把铁还原出来，称为沉淀脱氧。

常用的脱氧剂有:锰铁、硅铁、钛铁、铝铁等。其脱氧反应式如下:

3)扩散脱氧

利用FeO既能熔化在熔池金属中，又能溶解在熔渣中的特性，扩散FeO从熔池进入熔渣的脱氧方式。

酸性熔渣中含有较多的酸性氧化物，扩散脱氧为主要脱氧方式。熔渣中加入一定量的锰，可进一步增加脱氧效果。

2．焊缝金属的脱硫

硫是焊缝中极有害的杂质，是焊缝产生热裂纹的主要原因，还能引起偏析、降低焊缝的冲击韧性和耐腐蚀性能。

硫在钢中主要以MnS和FeS两种硫化物的形态存在。

MnS不熔于液态铁中，能进入熔渣排除。

FeS能熔于液态铁中，冷却时，FeS从熔池中析出，并与Fe或FeO形成低熔点共晶体，聚集在晶界上，破坏晶粒间的联系而引起热裂纹。

焊接时硫的来源主要是母材、焊丝、药皮。脱硫方法有元素脱硫和熔渣脱硫两种。

元素脱硫常用的脱硫元素是Mn。

MnS进入熔渣被排除。

熔渣脱硫是利用熔渣中的碱性氧化物进行脱硫。

CaS不熔于金属，进入熔渣被排除。

用CaF2脱硫时，氟能与硫化物生成挥发性的化合物而脱硫。

酸性焊条药皮形成的熔渣中酸性氧化物与碱性的MnO、CaO结合，脱硫效果不好。

碱性焊条药皮形成的熔渣中，含有大量的碱性化合物，萤石、铁合金等，脱硫效果好。

3．焊缝金属的脱磷

磷也是焊缝金属中的一种有害元素，主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，既会增加热裂纹的敏感性又会增加冷脆性。

脱磷要求熔渣中具有足够的游离CaO和FeO，其步骤如下:

可以看出，脱磷要求CaO和FeO配合恰当，否则，脱磷效果不好。一般采取限制母材、填充金属、药皮和焊剂中磷含量的方法来减少焊缝中的含磷量。

4．焊缝金属的合金化

焊接过程中，熔池中的合金元素由于氧化和蒸发而损失，改变了熔池合金元素的含量和力学性能。因此，必须要向熔池中补充一定量的合金元素。这个补充的过程就叫做焊缝金属的合金化。

合金化的主要方式有:

(1)应用合金焊丝。

(2)应用药芯焊丝或药芯焊条。

(3)应用合金药皮或陶质焊剂。

(4)用合金粉末，直接喷熔在焊件表面上或坡口内。

(5)应用置换反应。

合金元素过渡中，有一部分被烧损掉。常常把焊接材料中的合金元素过渡到焊缝金属中的数量与其原始含量的百分比称为合金过渡系数。

影响合金过渡系数的因素很多，其中主要因素有焊接熔渣的酸碱度、合金元素与氧的亲和力。熔渣的碱度越大，合金元素稳定性越高，焊接电弧越短，合金元素的过渡系数就越大。

三、焊缝组织的控制、调整与改善

(一)焊接熔池的一次结晶

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，遵循金属结晶的一般规律。但又具有独到的特点。

1．特点

(1)熔池体积小，冷却速度大。以至于含碳量高、合金元素含量高的钢和铸铁易产生硬化组织和结晶裂纹。

(2)熔池中的液态金属处于过热状态。焊缝易得到柱状晶组织。

(3)熔池是在运动状态下结晶，熔池前半部处于熔化状态，后半部处于结晶状态，由于焊条的摆动、气体的吹力而使熔池受到搅拌作用，有利于气体、杂质的上浮，也有利于得到致密而性能良好的焊缝。

2．过程

熔池的一次结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个过程，如图5－5所示。晶核形成于熔合线上，晶核形成后向熔池中心生长，从而形成柱状晶组织。当柱状晶不断长大至互相接触时，这一熔池断面结晶过程结束。

图5－5　焊接熔池的结晶过程
(a)开始结晶　(b)晶体长大　(c)柱状结晶　(d)结晶结束

3．一次结晶过程中的偏析

由于熔池体积小，冷却速度快，已经凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散而造成的化学成分不均匀现象叫偏析。

偏析有三种形式，一种是显微偏析，它是晶粒内部和晶粒之间的不均匀现象，它受金属的化学成分的影响，化学成分决定了金属结晶的温度区间，结晶区间越大，越容易引起显微偏析。一种是区域偏析，它是由于熔池柱状晶在生长的过程中把杂质“赶”向熔池中心所造成的。其结果是熔池中心的杂质比其他部位多。第三种是层状偏析，其表现在焊缝不同分层的化学成分分布不均匀。以上三种偏析中，对焊缝质量影响较大的是区域偏析和层状偏析。区域偏析的程度受焊接材料的合金成分或杂质的影响，合金成分或杂质越多，区域偏析越严重;受焊接速度的影响，焊接速度越快，区域偏析程度越严重;当区域偏析严重时，容易形成纵向裂纹。在层状偏析中往往集中了一些有害元素，往往成为缺陷的发源地;层状偏析还会使焊缝的力学性能不均匀，耐腐蚀性能也不一样。

4．夹杂

焊缝中还存在一些夹杂物，包括有氧化物夹杂和硫化物夹杂。氧化物夹杂主要是SiO2、MnO、TiO2和Al2O3。一般以硅酸盐形式存在，是焊缝中引起夹渣的主要原因。硫化物夹杂有MnS和FeS，其中FeS是引起焊缝热裂纹的主要因素之一。

(二)焊缝金属的二次结晶

一次结晶结束后，熔池转变成固态焊缝。高温的焊缝金属在冷却到室温时，要经过一系列的组织变化，这种组织变化的过程称为焊缝金属的二次结晶。

冷却速度对二次结晶的组织和性能影响极大。以低碳钢为例，冷却速度越快，冷却后所得到的组织硬度越高。

(三)焊接热循环和焊接热影响区

1．焊接热循环

在焊接过程中热源是沿焊件移动的，在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程，称为该点的热循环。当热源向该点靠近时，该点的温度随之升高，直至达到最大值，随着热源的移开，温度又逐渐降低，整个过程可以用一条曲线来表示，该曲线称为焊接热循环曲线，见图5－6。

图5－6　焊接热循环曲线

所以，焊接实际上是一个不均匀加热和冷却的过程;或者说是一种特殊的热处理，他会使焊缝两侧一定宽度区域内的组织和性能显示出差异性。

影响焊接热循环的主要因素有:

1)焊接工艺参数和热输入

焊接工艺参数如焊接电流、电弧电压和焊接速度等，对焊接热循环有很大的影响。加热功率大，加热范围也很大。在同样功率的前提下，焊接速度快，加热时间短，加热范围窄，冷却得快;焊接速度慢时则相反。

热输入(线能量)则综合考虑了焊接电流、电弧电压和焊接速度三个参数对焊接热循环的影响。其定义是单位长度焊缝上的热能输入:

其中:q———热输入，J/cm;

　　 I———焊接电流，A;

　　 U———电弧电压，V;

　　 V———焊接速度，cm/s;

　　η———电弧的有效热功率利用系数。η与电弧长度有关。弧长增加时η降低;反之则增加。

热输入大时，对焊缝造成组织和性能变化的区域就越大;反之，就小。

2)预热和层间温度

当焊接有淬硬倾向的钢材时，需要焊前预热。其目的是降低接头的冷却速度，减少淬硬倾向，防止产生裂纹。层间温度是指多层多道焊时，焊接后一道焊缝时，前道焊缝的最低温度。层间温度应等于或稍高于预热温度。目的与预热相同。

3)其他因素的影响

板厚、接头形式和材料的导热性对焊接热循环也有很大的影响。板厚增加，材料冷却速度增大，高温停留时间减少。

2．焊接热影响区组织和性能的变化

由于焊接热循环的作用，焊缝两侧一定宽度的发生组织和性能变化的区域叫热影响区。热影响区内各点所受的焊接热循环不同，因此，所发生的组织和性能的变化也不同。

不易淬火钢的热影响区包括低碳钢和含合金元素较少的低合金高强钢在内的不易淬火钢，其热影响区可分为以下四个区域，如图5－7所示。

(1)熔合区。焊接接头中焊缝与热影响区相互过渡的区域。范围非常窄，在化学成分和组织性能上都有较大的不均匀性。所以对接头的强度和韧性都有很大的影响。许多情况下是裂纹、疲劳破坏的发源地。

图5－7　热影响区划分示意图
1－熔合区;2－过热区;3－正火区;4－部分相变区

(2)过热区。是热影响区中具有过热组织和晶粒显著粗大的区域。其所处的温度范围是指在固相线以下到1100℃左右的区间。在力学性能上表现为金属的冲击韧度大大降低，一般比基本金属低25%～30%，是热影响区中的薄弱区域。

(3)相变重结晶区(正火区)。该区所处温度范围约在AC3～ 1100℃。加热时，母材中的珠光体和铁素体全部转为奥氏体(重结晶)，空冷后得到均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理中的正火组织。该区具有较高的强度，又有较好的塑性和韧度，是热影响区中综合力学性能最好的区域。

(4)部分相变区。加热温度在AC1～AC3之间的区域，低碳钢为750～900℃。该区母材中的珠光体和部分铁素体转变为晶粒比较小的奥氏体，但仍保留部分铁素体。冷却时，奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体，而未溶入奥氏体的铁素体不发生转变，晶粒比较粗大，故冷却后组织晶粒大小极不均匀，力学性能也较差。

(四)焊缝组织的调整与改善

从以上焊缝金属的形成过程分析可知，为了获得满意的焊接接头组织，我们可以从两个方面着手:

1．改善一次结晶组织

通过焊接材料、焊条、焊剂向熔池中加入某些合金元素，如V、Mo、Ti、Nb、Al、B、N等，可以起到细化晶粒，改善结晶组织的作用，既可以保证焊缝金属的强度和韧性，又能提高抗裂性。

2．改善二次结晶组织

(1)焊后热处理。焊后为改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理称为焊后热处理。一般重要的焊接结构都应进行焊后热处理。

(2)多层焊。多层焊时，每层焊缝变小改善了结晶条件，此外，后层焊缝对前层焊缝具有热处理作用。

(3)锤击焊道表面。锤击可以使焊缝金属的晶粒不同程度地被破碎，具有细化晶粒的作用。此外，还可以使焊缝金属产生塑性变形而降低残余应力。