焊接熱過程和冶金過程

李樹聰

摘要：在焊接過程中，被焊金屬由于熱的輸入和傳播，而經(jīng)歷加熱、熔化（或達(dá)到熱塑性狀態(tài)）和隨后的連續(xù)冷卻過程，通常稱之為焊接熱過程。本文就此做了簡要的分析，希望能對實(shí)際的工作起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：焊接熱過程;冶金過程;焊縫

一、焊接熱過程

1.焊接熱過程特點(diǎn)

1.1局部集中性：焊件在焊接時(shí)不是整體被加熱，而熱源只是加熱直接作用點(diǎn)附近的區(qū)域，加熱和冷卻極不均勻。

1.2焊接熱源的運(yùn)動性：焊接過程中熱源相對于焊件是運(yùn)動的，焊件受熱的區(qū)域不斷變化。

1.3瞬時(shí)性：在高度集中熱源的作用下，加熱速度極快，即在極短的時(shí)間內(nèi)把大量的熱能由熱源傳遞給焊件，又由于加熱的局部性和熱源的移動而使冷卻速度也很高。

1.4復(fù)合性：焊接熱過程涉及到各種傳熱方式。

2.焊接熱源（熔化焊）

電弧熱、化學(xué)熱、電阻熱、摩擦熱、等離子弧、電子束、激光束。

3.焊接熱循環(huán)

在焊接過程中熱源沿焊件移動時(shí)，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間由低到高，達(dá)到最大值后又由高到低的變化稱為該點(diǎn)的焊接熱循環(huán)。在焊縫兩側(cè)不同距離的點(diǎn)，所經(jīng)歷的熱循環(huán)是不同的，見圖1-1。

圖1-1 距焊縫不同距離各點(diǎn)的熱循環(huán)

3.1焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)

3.1.1 加熱速度（vH）。加熱速度受許多因素的影響，如不同的焊接方法、不同的被焊金屬、不同厚度及不同的焊接熱輸入等都會影響加熱速度。

3.1.2 加熱的最高溫度（Tm）。距焊縫遠(yuǎn)近不同的各點(diǎn)，加熱的最高溫度不同，見圖1-1。

3.1.3 在相變溫度以上的停留時(shí)間（tH）。為便于分析研究，把相變溫度以上的停留時(shí)間tH又分為加熱過程的停留時(shí)間t和冷卻過程的停留時(shí)間t”，即tH = t+ t”。

3.1.4 冷卻速度（或冷卻時(shí)間t8/5）。冷卻速度指焊件上某點(diǎn)熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時(shí)溫度的冷卻速度。為了便于測量和分析比較，采用800～500℃的冷卻時(shí)間（ t8/5 ）來代替瞬時(shí)冷卻速度，因?yàn)?00～500 ℃是相變的主要溫度范圍。

3.2多層焊接熱循環(huán)的特點(diǎn)。多層焊接是許多單層熱循環(huán)相繼作用，在相鄰焊層之間彼此具有熱處理的作用，因此，從提高焊接質(zhì)量來看，多層焊比單層焊更為優(yōu)越。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)情況不同，多層焊分為“長段多層焊”和“短段多層焊”。

3.2.1 長段多層焊接熱循環(huán)。所謂長段多層焊，就是每道焊縫較長（1m以上），這樣在焊完第一層再焊第二層時(shí)，第一層已基本上冷卻到較低的溫度（一般在100～200℃以下）。長段多層焊接熱循環(huán)的變化如圖1-2。相鄰各層之間有依次熱處理的作用，為防止最后一層淬硬，可多加一層“退火焊道”，從而使焊接質(zhì)量有所改善。對一些淬硬傾向較大的鋼種，不適于長段多層焊接。

圖1-2 長段多層焊接熱循環(huán)

a）焊接各層時(shí)，近縫區(qū)1、2、3點(diǎn)的熱循環(huán) ?b）各層焊縫斷面示意圖

3.2.2 短段多層焊接熱循環(huán)。所謂短段多層焊，就是每道焊縫較短（約50～400mm），在這種情況下，未等前層焊縫冷卻到較低溫度（如Ms點(diǎn)）就開始焊接下一層焊縫。其特點(diǎn)是后焊一層對先焊層具有緩冷作用，可以防止焊接接頭出現(xiàn)淬硬組織，適于焊接晶粒易長大而又易于淬硬的鋼中。

3.3脈沖焊接熱循環(huán)的應(yīng)用。脈沖電弧焊是生產(chǎn)中常用的一種高質(zhì)量的焊接方法，常用在封底焊和高強(qiáng)鋼、鋁合金、鈦合金、不銹鋼等重要產(chǎn)品全位置的焊接上。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)需要不同，選擇合適的焊接方式。

二、焊接冶金

大多數(shù)焊接（熔焊）過程都包含焊接區(qū)液態(tài)金屬在高溫條件下與焊接氣氛、焊接熔渣之間的化學(xué)冶金反應(yīng)過程，以及液態(tài)金屬冷卻后的凝固過程與焊縫固態(tài)相變過程。

1.焊接化學(xué)冶金

焊接化學(xué)冶金過程是指焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。

2.焊接區(qū)金屬的保護(hù)

一般焊接過程的保護(hù)不如鋼鐵冶金過程，必然會有較多空氣中的氧、氮侵入焊接區(qū)，使焊縫金屬中w（O）、w（N）增加，有益合金元素被燒損，并嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，特別是使其塑性和韌性急劇下降。

3.焊接冶金反應(yīng)區(qū)及其反應(yīng)條件

焊接化學(xué)冶金反應(yīng)過程是在不同反應(yīng)區(qū)連續(xù)進(jìn)行的。不同焊接方法有不同的反應(yīng)區(qū)。其中最具有代表性的是焊條電弧焊，它有藥皮、熔滴和熔池等3個(gè)反應(yīng)區(qū)。

3.1 藥皮反應(yīng)區(qū)。處于焊條端部被加熱到藥皮開始反應(yīng)的溫度100℃至藥皮熔點(diǎn)約1200 ℃（對鋼焊條而言）的區(qū)域?yàn)樗幤し磻?yīng)區(qū)。這一反應(yīng)區(qū)的溫度較低，主要進(jìn)行的是水分的蒸發(fā)、某些物質(zhì)的分解和鐵合金的氧化（即先期脫氧）等反應(yīng)。

3.2 熔滴反應(yīng)區(qū)。從焊條端部熔滴形成、長大到過渡至熔池的整個(gè)區(qū)域都屬于熔滴反應(yīng)區(qū)。主要反應(yīng)有氣體的分解和溶解、金屬的蒸發(fā)、金屬及其合金成分的氧化與還原以及焊縫金屬的合金化等。

3.3 熔池反應(yīng)區(qū)。熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池即熔池反應(yīng)區(qū)，在熔池內(nèi)各相間進(jìn)一步發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，直至金屬凝固，形成焊縫金屬。

三、氣體對焊縫金屬的影響控制

1.氮與金屬的作用控制

氮在焊縫金屬中以過飽和固溶體形式存在，提高了焊縫的強(qiáng)度，卻降低了焊縫的塑性和韌性。在焊縫中形成的氮?dú)饪捉档土撕缚p的致密性和力學(xué)性能。氮化物（Fe4N）的形成和析出，提高了焊縫的強(qiáng)度和硬度，卻使塑性和韌性急劇下降。同時(shí)Fe4N還是一種時(shí)效產(chǎn)物，即氮是一種促使焊縫金屬時(shí)效脆化的元素。當(dāng)焊縫金屬中氮的體積分?jǐn)?shù)<0.01%時(shí)，對焊縫力學(xué)性能影響不大。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)焊縫中氮與釩同時(shí)存在時(shí)，氮與釩形成穩(wěn)定的化合物氮化釩（VN），可抑制時(shí)效現(xiàn)象。

2.氫與金屬的作用控制

氫主要來源于焊條藥皮、焊劑、焊條和焊絲以及空氣中的水分、焊條藥皮、焊件坡口上的油污、氣體保護(hù)焊中的保護(hù)氣體不純等。在電弧的高溫作用下，電弧區(qū)域中的氫主要以原子、離子及分子形態(tài)存在。當(dāng)弧柱中的溫度大于5000K時(shí)，氫主要以原子形態(tài)存在，分解度大于96%，當(dāng)溫度低于2000K時(shí)，氫主要以分子狀態(tài)存在。根據(jù)氫與金屬作用的特點(diǎn)可把金屬分為兩類：第一類是能形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如Zr、Ti、V、Ti、Nb等。這類金屬吸收氫的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，焊接這類金屬及合金時(shí)，必須防止在固態(tài)下吸收大量的氫，否則將嚴(yán)重影響接頭的質(zhì)量。第二類是不形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。焊縫金屬中的氫大部分以原子或離子形態(tài)存在。由于氫的原子或離子的半徑很小，一部分氫可以在焊縫金屬的晶格中自由擴(kuò)散，稱之為擴(kuò)散氫。

四、結(jié)束語

總之，為了提高焊縫金屬的質(zhì)量，就必須盡量減少焊縫金屬中有害雜質(zhì)的含量和有益元素的損失，或者把所需要的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬中，即合金化。合金化的目的首先是補(bǔ)償焊接過程中因蒸發(fā)、氧化等原因造成的合金元素?fù)p失。其次是消除焊接缺陷，如氣孔、裂紋等，改善焊縫金屬的組織和性能，如細(xì)化晶粒、提高塑性、對焊縫進(jìn)行脫氧、脫硫、脫磷等。最后，能獲得具有特殊性能的堆焊金屬，如耐磨性、耐熱性、耐蝕性等。