熔焊接头熔合比计算和焊缝成分预测 - 图文

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（3）引起焊缝的实效脆化 焊缝金属中以过饱和形式存在的氮是不稳定的，它将随时间的延长逐渐析出，形成稳定的针状碳化物，造成焊缝的强度和硬度的提高，而塑性和韧性下降，即所谓的时效脆化。当焊缝中加入像钛、铝及锆之类的能形成稳定氮化物的元素，能抑制或消除这种时效脆化现象。

二、氢对焊接质量的影响

大量研究表明，氢对许多金属及合金的性能都有不良的影响。对于焊接接头来讲，这种危害作用会更大。因此，应从多方面采取有效的控制措施，尽量降低焊缝中的氢的含量，以改善接头性能，焊缝质量。

就结构钢而言，氢对焊接质量的影响涉及两个方面，即暂态影响和永久影响。暂态影响包括氢脆和白点，可通过焊后脱氢处理予以消除。永久影响包括气孔和冷裂纹，这种影响一旦出现就无法消除。

三、氧对焊接质量的影响

在焊接过程中，由于焊接气氛和焊接熔渣在一般情况下具有一定的氧化性，导致焊接区的金属必然会受到不同程度的氧化，从而对焊接过程和接头性能产生危害作用。因此，必须采取各种有效的措施，降低氧对焊接质量的不利影响，提高焊接接头的性能。 （1）降低焊缝的力学性能 焊缝中的氧无论以何种形式存在，都会使焊缝的力学性能降低。随着焊缝含氧量的增加，焊缝强度、塑性和韧性显著降低，尤其是后者更为突出。此外，氧使钢中有益元素烧损也是焊缝性能变差，而且氧还可能引起焊缝的热脆、冷脆和时效硬化。

（2）影响焊接过程和质量 在钢材焊接中，当熔滴含氧和碳较多时，反而生成的CO气体受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，从而影响焊接过程的稳定性。同样，溶解在熔池中的氧与碳可发生反应，生成不溶于液态金属的CO气体，当液态金属凝固速度较快而CO来不及逸出时，将会在焊缝中形成CO气体。 四、硫的危害及对焊缝质量的影响

硫是焊接材料和焊缝金属中的杂质，其对焊缝的危害主要表现在使焊缝产生硫化物夹杂，增大焊缝金属产生结晶裂纹倾向，降低焊缝冲击韧度和耐蚀性能。造成这些危害的主要原因如下：

（1）在钢铁材料的焊接中，硫与铁可能结合为FeS，成为焊缝金属的夹杂之一。FeS与液态铁无限互溶，而在固溶铁中溶解度很小，因此，当焊接熔池结晶时，在晶界处将形成这两种低熔共晶薄膜，增大了焊缝的结晶裂纹倾向，而且低熔共晶以片状或链状的形态分布于晶界，严重降低了焊缝的冲击韧度和耐蚀性能。

（2）当焊接合金钢，尤其是含镍量高的合金钢时，由于硫与镍能结合成NiS与镍能

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形成熔点只有637°C的低熔共晶NiS+Ni，显著增大了产生结晶裂纹的倾向。 （3）当钢中含碳量增加时，更加重了硫在晶界处得偏析行为，使其危害程度进一步加大。因此，减小焊缝含硫量的同时，也应合理控制焊缝的含碳量。

五、磷的危害

（1）磷在液态铁中具有较高的溶解度，而在固态铁中溶解度很小，故多以Fe2P和

Fe3P的形式存在。当熔池快速凝固时，磷易发生偏析，在晶界处形成熔点为1048°C的

低熔共晶Fe3P?Fe，从而使结晶裂纹倾向增大。同时，Fe3P本身又脆又硬，而且常分布于晶界，削弱了晶粒之间的结合力，因而增加了焊接金属的冷脆性，即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。

（2）在含镍多的钢中，磷与镍能结合成Ni3P,而Ni3P与镍能形成熔点为870°C的低熔共晶Ni3P+Ni，使结晶裂纹倾向进一步加大。

（3）当钢中含碳量增加时，会加重磷在晶界处得偏析行为及其危害程度。因此，控制焊缝含磷量的同时，也应合理控制焊缝的含碳量。

综上，在焊缝中各化学成分对焊缝的质量都有不同程度的影响，要想得到高质量的焊缝，就必须先预测焊缝中各种化学元素的含量，这样才能在选择焊接参数时加以优化，如前所述，焊缝的成分不仅取决于所用的焊接材料，而且也取决去被焊母材本身。为衡量二者的共同影响，才引入了熔合比的概念。

在母材一定时，焊缝成分的控制主要有两个途径。一个是调整焊接材料的成分，另一个是控制焊接工艺来改变熔合比，例如，在堆焊时，应尽量降低熔合比，以减小母材对焊缝层成分及性能的影响；在异种钢焊接时，由于熔合比对焊缝成分的影响很大，应根据确定的熔合比来选择焊接材料。本文主要是研究焊缝熔合比及焊缝化学成分，所以在预测焊缝化学成分及其含量中，熔合比是不可或缺的一个重要实验数据。

在本次研究中研究熔合比及焊缝化学成分的具体方法，如下： 熔合比是指焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例，即

r?mb?mb?md?（式1-1）[6]

r-----------焊缝的熔合比；

mb--------焊缝中熔化母材所占的质量； md--------焊缝中熔敷金属所占的质量。

如上式所述，在计算焊缝熔合比时需要焊缝中熔化母材所占的质量，焊缝中熔敷金属所占的质量，这两组数据明显不容易得到，考虑到母材和焊缝金属的密度相差不大，

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细微的差别可以忽略不计，不会对实验结果产生影响，所以将上式中的焊缝熔化母材所占的质量用焊缝熔化母材所占的横截面积代替，将上式中的焊缝中熔敷金属所占质量用焊缝熔敷金属所占的横截面积代替，代替后的计算公式如下：

r＝Am /(Am+Ah) （式1-2）

r---------焊缝熔合比

Am--------焊缝中熔化母材所占的横面积 Ah--------焊缝中熔敷金属所占的横截面积

这样就给在计算焊缝熔合比时赢得了便利。

然而，如何才能得到焊缝中熔化母材所占的质量和熔敷母材所占的质量？我们可以利用计算机绘图软件Potoshop CS4来计算焊缝不规则区域的面积。就能简便的准确的计算出焊缝熔合比。

在计算出熔合比后，已知各焊接工艺参数、焊丝型号、母材型号后，就能应用如下公式计算出焊缝中各化学成分的含量：

??Mw?????Mb???1?????Md? （式1-3）

??Mw?-------焊缝中某合金化元素的质量分数

??Mb?-------母材中该合金化元素的质量分数

??Md?-------焊缝熔敷金属中该合金化元素的质量分数

通过上述公式就能通过已知的母材钢号和焊丝型号得到较为准确的焊缝成分。 在计算或者测定焊缝化学成分及其质量分数时，也可以使用电子探针的实验手段。 电子探针的全称为电子探针X射线显微分析，它是电子光学和x射线光谱的结合产物。 现代的电子探针是扫描型电子探针，通过电子束在样品表面进行光栅扫描，并利用色散的特征X射线信号调制阴极射线管的亮度，这样得到的扫描图像可显示表面得让分布状态。电子探针是无机材料和有材料微区成分分析的工具，广泛用于冶金、地质、矿物、生物、医学和考古等领域。

电子探针的分析物质元素的基本原理：由电子枪发射的电子被加速、聚焦后, 具有一定的能量, 当其照射到样品上后，使样品的电子层受到激发, 从而产生特征X射线。不同的元素, 其特征X射线的波长不一样, 根据这些特征X射线的波长便可知道样品中含有那些元素, 这就是定性分析。样品中某种元素的含量越多, 所产生的特征X射线的强度也就越大.因此, 根据某元素的特征X射线强度的大小, 也就可以计算出某元素的含量, 这就是定量分析。

电子束照射到洋品上以后, 除了产生特征X射线外, 还产生二次电子、背散射电子、吸收电子等物理信息。利用这些物理信息就可以进行扫描图像的观察, 主要有二次电子

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像、背散射电子像、吸收电子像,

这就是扫措电子显微镜的功能和电子探针分析物质元素的基本原理。 电子探针分析的优点：

（1）.所需样品少：电子探针分析是微束分析的一种，只要样品直径大于1微米就可进行分析，因而所需的数量很少，这对很小的矿物颗粒或者较小的实验试块提供了有利的研究手段。

（2）.不破坏样品：经过电子探针分析的样品，并不受到任何破坏，还可以进行其他方面的测定，这对稀少珍贵的样品，电子探针提供了最为理想的研究手段。

（3）.直观：电子探针除了能进行点分析外，还可以进行扫描和面分析，这对了解样品中元素的分布规律、共生关系和赋存状态等提供了大量基础资料。

（4）.快速：因为电子探针一般都有三至四道谱仪同时对不同元素进行分析，并且这都是由计算机自动操作和修正计算的，因面分析速度快，成本也较低。尤其是附带有能谱仪后，更加快了分析速度。

如上所述，电子探针能为本次课题研究带来更为准确的更为详尽的实验结果和实验数据，但是电子探针同时也具备缺点，例如，1.对实验设备有很高的要求，在使用电子探针时需要电子探针和能谱仪的结合，这对实验成本的要求无疑增加了，2.在使用电子探针对本次需要研究的焊缝成分进行探测时，需要焊缝横截面仔细的抛光，因为如果抛光不好，就会严重的影响实验结果，3.电子探针虽然能得到更为准确的结果，但从上述介绍中就可以看出，在使用电子探针时，操作是很复杂繁琐的。

在权衡考虑后，决定使用第一种计算焊缝成分的方法也就是通过熔合比计算焊缝化学成分的方法，因为这种方法不仅仅在成本上有较大的节约作用，在实际操作上也很便利简单，并且可以得到较为准确的实验结果和实验数据。

上述两种方法均可得到的焊缝化学成分，通过计算焊缝的化学成分达到预测焊缝的质量、焊缝的力学性能的目的，从而能在根源上优化焊接工艺参数，并在焊后进行一系列的焊后热处理，在最大程度上改善焊缝的质量，提高焊接效率，这样就为在大量的工业生产中得到了便利，减少了不必要得浪费，从而达到了学以致用，将理论应用到实践中。

1.3 研究内容和意义

CO2气体保护焊和手工电弧焊是两种重要的金属连接工艺手段。CO2气体保护焊是一种先进的焊接方法,它具有焊接质量好、效率高、成本低、易于实现自动化等优点。手工电弧焊是焊接生产的主要方法之一，手工电弧焊是将电能转换为热能的一种焊接方法。