焊接冶金学基本原理要点归纳总计

焊接冶金学基本原理

绪 论

1)焊接：焊接是指被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用

或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。

2)焊接、钎焊和粘焊本质上的区别:

焊接：母材与焊接材料均熔化，且二者之间形成共同的晶粒；

钎焊：只有钎料熔化，而母材不熔化，在连接处一般不易形成共同晶粒，只有在母材和

钎料之间形成有相互原子渗透的机械结合；

粘焊：既没有原子的相互渗透而形成共同的晶粒也没有原子间的扩散，只是靠粘接剂与母材的粘接作用。

3)熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电子束、激光束、化学热。

压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、高频感应热。

4)焊接加热区：可分为活性斑点区和加热斑点区

5)焊接温度场：焊接时焊件上的某瞬时的温度分布称为焊接温度场。

表示方法：等温线或者等温面。

特点：焊接时焊件上各点的温度在每一瞬时都在有规律的变化。

影响因素：（1）热源的性质；（2）焊接线能量；（3）被焊金属的热物理性质；<

热导率，比热容容积比热容，热扩散率，热焓，表面散热系数>;（4）

焊件的板厚和形状。

6)稳定温度场：当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之

7)准稳定温度场：恒定功率的热源作用在焊件上做匀速直线运动时，经过一段时间后，焊。，

件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可随着热源以同样速度移动。

8)焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程。

9）焊接热传递的三种形式：传导、对流和辐射。

由热源传热给焊件的热量以辐射和对流为主，而母材和焊丝获得热能后热的传播

以传导为主。

10）焊接线能量：热源功率q与焊接速度v的比值。

热输入：在单位时间内，在单位长度上输入的热能。

第一章 焊接化学冶金

1）平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。

平均熔敷速度：单位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔敷速度。(真正反应焊

接质量的指标)

损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属(或焊丝)质

量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。

熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。

注：假设焊接是合金元素没有任何损失，这时焊缝金属中的浓度称为原始浓度

焊缝金属中合金元素的实际浓度:

熔滴的比表面积:熔滴表面积与其质量之比。 2）熔滴过度：当熔滴长大到一定尺寸时，在各种力的作用下脱离焊条，以熔滴的形式过

度到熔池中去的过程。 熔滴过渡的形式：短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。

3）熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分就是熔池。

注：熔池：T=1770±100℃； 溶滴：T=2300±200℃；熔渣：T=1550±100℃

熔池的温度中中间温度最高头部次之，尾部最小。

在熔池形成的过程中熔池中流体的运动状态有以下特点：

① 液态金属密度差引起自由对流运动；

② 表面张力差强迫对流运动；

③ 熔池中各种机械搅拌力；

④ 对焊接质量有影响，有利于消除气孔夹渣等缺陷，有利于成分分布均匀。

熔滴：在电弧热的作用下，焊条端部溶化形成的滴状液态金属。

4）焊接过程中对金属的保护的必要性：（1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，

降低焊缝金属中氧和氮的含量。（2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝

得到合适的化学成分。（3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。

用光焊丝焊接时的缺点：①电弧不稳定；②焊缝中产生气孔；③飞溅严重；④焊缝中氮氧量增加；⑤C、Mn烧损严重，焊缝的塑形和韧性急剧下降。

5）手工电弧焊时的反应区：药皮反应区、熔滴反应区（冶金反应最剧烈）和熔池反应区。

焊接冶金的特点：①电弧区温度高；②熔池体积小，存在时间短，成分不均匀；③熔

池金属不断更新；④反应接触面大，搅拌激烈；⑤反应时间短。

6）药皮反应区主要物化反应有：1 水分蒸发： 2 有机物燃烧和分解：3 铁合金氧化。

物化反应产生的大量气体和熔渣，一方面对融化金属有机械保护作用，另一方面

对被焊金属和药皮中的铁合金有很大的作用。

7）熔滴反应区的特点：

1、熔滴温度高，熔滴金属过热度大；

2、熔滴与气体和熔渣的接触面积大；

3、各相之间的反应时间短；

4、熔滴与熔渣发生强烈的混合。

在熔滴反应区主要进行的反应是：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其

合金成分的氧化和还原、焊缝金属的合金化。

熔池反应区的特点：熔池反应区的物理条件、熔池反应区的化学条件。

① 池的平均温度较低；

② 比表面积较小；

③ 反应时间长；

④ 在熔池前部发生金属的溶化和气体的吸收，并有利于发展吸热过程；在熔池的

后部发生金属的凝固和气体的溢出，有利于当热反应；

⑤ 搅拌没有熔滴反应区激烈；

⑥ 与熔滴反应阶区相比熔池反应区的反应速度小，贡献小，被氧化的程度小。

焊接工艺条件与化学冶金反映的关系：改变焊接工艺条件（如焊接方法、焊接工

艺参数等）必然引起冶金反应条件（反应物的种类、数量、浓度、温度、反应时间等

的）变化，因而影响到冶金反应的过程。

8）焊接区气体来源：

1、焊接材料：焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都

含有造气剂。

2、热源周围的保护气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中

的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空气。

3、焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、油污、氧化铁皮

以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。

4、焊接时析出的气体。

气体的产生：

1、有机物的分解和燃烧

2、碳酸盐和高价氧化物的分解

3、材料的蒸发

9） 氮对金属的作用：

焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。

焊接时空气中的氮总是或多或少地会侵入焊接区，与熔化金属发生作用。

氮的溶解度随着温度升高而增大，在2200℃时达到最大值。

Ⅰ、氮对焊接质量的影响：

1、促使焊缝产生气孔：液态金属在高温时可以溶解大量的氮，凝固结晶时氮的

溶解度突然下降，过饱和氮以气泡形式从熔池中逸出，若焊缝金属的结晶速度大于氮

的逸出速度时，就形成气孔。

2、氮是提高低碳、低合金钢焊缝强度，降低塑性和韧性的元素。如果熔池中含

有比较多的氮，一部分氮将以过饱和的形式存在于固溶体中；另一部分氮则以针状氮

化物Fe4N的形式析出，分布于晶界或晶内，因而使焊缝金属的强度、硬度升高，而

塑性、韧性，特别是低温韧度急剧下降。

3、氮是促使焊缝金属时效脆化的元素：焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，

随着时间的延长，过饱和的氮逐渐析出，形成稳定的碳氮化物Fe4N，因而使焊缝金

属的强度增加、塑性、韧性降低。

4、氮可以作为合金元素加入钢中。在焊缝金属中加入能形成稳定氮化物元素，

如RE、A1、Ti、Zr等，可以抑制或消除时效现象，可以细化晶粒。

Ⅱ、控制焊缝合氮量的措施

1、加强焊接区的保护

（1）焊条药皮的保护作用，取决于药皮的成分和数量。

（2）药芯焊丝的保护效果，取决于保护成分含量和形状系数。

2、焊接工艺参数的影响

（1）U↑（电弧长度↑），氮可以与熔滴作用时间τ↑，SN ↑ ，应尽量采用短弧焊。

（2）I↑，熔滴过渡频率f↑,熔滴阶段作用时间τ↓, SN ↓ 。

直流正极性焊接时焊缝含氮量比反极性(焊条接正极，工件接负极)时高。

（3）焊接速度对焊缝的含氮量影响不大。

（4）增加焊丝直径，熔滴变粗，焊缝含氮量下降。

（5）多层焊时焊缝含氮量比单层焊时高，这与氮的逐层积累有关。

3、利用合金元素控制焊缝合氮量：

(1)增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量，其原因是：

a)碳能够降低氮在铁中的溶解度。

b)碳氧化生成CO、CO2加强保护作用，降低了氮分压。

c)碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出。

(2)Ti、A1、Zr和稀土元素对氮有较大的亲合力，能形成稳定的氮化物。并且这些

氮化物不溶于铁水，而进入熔渣中。这些元素对氧的亲力也很大，因此，可减

少气相中NO的含量，这在一定程度上减少了焊缝的含氮量。

重○10）焊缝金属中的氢（扩散氢+残余氢=焊缝中的总氢量） 扩散氢：氢原子及离子半径很小，可以在焊缝金属晶格中自由扩散，故被称为扩散氢。

残余氢：氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空隙中时，

结合成氢分子，由于分子的半径大而不能自由扩散，被称为残余氢。

Ⅰ、氢的主要来源：焊接材料中的水分、含氢物质和电弧周围空气的水蒸气。

Ⅱ、氢在焊缝中的存在形式：以H、H+、H-存在。它们与焊缝金属形成间隙固溶体。

Ⅲ、氢在焊缝中的溶解：①熔渣溶解；②阳极溶解；③气相溶解；④通过搅拌和扩散直

接进入。

Ⅳ、氢对焊接质量的影响：

1、形成气孔 熔池凝固结晶时，氢的溶解度突然下降，使氢处于过饱和状态，

就促使发生如下反应：2H→H2，反应生成的分子氢在液态金属中形成气泡。当气泡

向外逸出的速度小于熔池的凝固速度时，就在焊缝中形成气孔。

2、产生冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时

才产生的焊接裂纹称为冷裂纹。

3、造成氢脆 氢在室温附近使钢塑性严重下降现象称为氢脆。氢脆是由于原

了氢扩散聚集于钢显微空隙中，结合为分子氢，造成空隙内产生很高压力，阻碍金

属塑性变形，导致金属变脆。(可以通过时效或热处理消除)

4、出现白点 白点是出现在焊缝金属拉伸或弯曲试件的断面上的一种白色园

形斑点，中心含有微细气孔或夹杂物，周围则为银白色的脆化部分，其形状类似鱼

眼珠中的白点。它主要是在外力作用下，氢在微小气孔或夹杂物处的集结造成脆化。

Ⅴ、控制氢的措施

1、限制焊接材料中的含氢量

2、清除工件及焊丝表面上的油污、杂质 工件坡口附近以及焊丝表面上的铁

锈、油污、水分等是使焊缝增氢原因之一。

3、冶金处理

1)焊条药皮和焊剂中加入氟化物2）控制焊接材料的氧化还原势。

3）在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素。

4、控制焊接工艺参数。

5、焊后脱氢处理（焊后把焊件加热到一定的温度，促使氢扩散外逸的工艺,

具体为350℃保温1h）。

11）焊缝中的氧：（无论那种金属氧对其都是有害的）

Ⅰ、焊缝中氧的来源：

① 电弧气体周围的空气；

② 药皮中大残酸盐和高价氧化物；

③ 药皮中的含水物质和工件表面的铁锈，以及空气中和保护气体中的水汽；

Ⅱ、氧在焊接过程中的存在特点：

① 不溶解氧，焊接时与金属发生激烈的氧化反应，形成氧化物；

② 有限溶解氧，一部分溶解另一部分与金属发生氧化反应；

③ 金属氧化后生成的金属氧化物溶解于相应的金属中；

④ 以气孔的形式存在于焊缝中。

Ⅲ、氧在金属中的溶解：

① 以原子氧形式溶解 ； ② 以FeO形式溶解。

Ⅳ、氧对焊接质量的影响；

1、降低焊缝的力学性能：焊缝的强度、塑性、韧性明显下降；

2、形成气孔：在熔池阶段，溶解的氧与碳发生冶金反应，反应产物是不溶于

金属的CO。如果在熔池进行凝固时CO气泡来不及逸出，就会形成CO气孔；

3、烧损的有益合金元素，从而使焊缝金属的性能变坏；

4、形成飞溅 在熔滴中所进行的氧与碳的冶金反应，生成CO受热膨胀，造

成熔滴爆炸，形成飞溅，破坏了焊接过程的稳定性；

5、增加焊缝的冷脆性与热敏感性；

6、使焊缝的物理及化学性能发生变化 降低焊缝的导电性、导磁性和耐腐蚀

性等。

Ⅴ、控制氧的措施是预防和脱氧。（一防二脱）

(1) 采用纯度高的焊接材料 尽量采用不含或少含氧量的焊接材料。例如，采

用低氧或无氧焊条、焊剂；采用高纯度的惰性气体作为保护气体；真空条件下焊接，

可以降低焊缝金属含氧量。

(2) 控制焊接工艺参数 增加电弧电压使空气容易侵入电弧，并且增加了氧与

熔滴接触的时间，致使焊缝含氧量增加。为了减少焊缝合氧量应尽量采用短弧焊。

(3) 采用冶金方法进行脱氧 通过向焊丝或焊条药皮中加入某种合金元素，使

这些合金元素在焊接过程中被氧化，从而保护被焊金属及其合金元素不被氧化。

12）熔渣在焊接过程中的作用

（1）机械保护作用

（2）冶金处理作用

（3）改善焊接工艺性能

碱度：离子理论把液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）定义为碱度。碱

度的倒数为酸度。

粘度：在单位浓度梯度下，作用在单位接触面积上的内摩擦力称为粘度。

影响：粘度太大，冶金作用降低，保护效果降低；粘度太大，成形较差，保

护效果降低。

表面张力：是气相与熔渣之间的界面张力。

熔点：常把固态熔渣开始熔化的温度称为熔渣的熔点。

造渣温度：焊条药皮的熔点是指药皮开始熔化的温度。

注：熔渣的分子理论：

①、液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成。

②、自由氧化物与其复合氧化物处于化合与分解的平衡状态。

③、只有自由氧化物才能与金属作用。

熔渣的离子理论：

①、熔滴是由简单和复杂的离子组成的电中性溶液。

②、离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩 。

③、液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子交换电荷的过程。

13）焊缝金属的脱氧

用于脱氧的元素或铁合金称为脱氧剂。

脱氧：就是焊丝、焊剂或焊条药皮中加入某种元素，使它在焊接过程中夺取氧而自身

被氧化，使被焊金属不被氧化，或减少氧化。

目的：尽量减少焊缝中的含氧量。①防止焊缝金属被氧化，减少在液态金属中的氧；

②排除脱氧后的产物；

先期脱氧：在药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧，特点

是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系；

沉淀脱氧：是在熔滴和熔池内进行的，其原理是溶解在液态金属中的脱氧剂

和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。

重扩散脱氧： 是指被焊金属的氧化物通过扩散从液态金属进入熔渣，从而降低焊缝含○

氧量的一种方式。脱氧的程度由分配定律决定。其特点是不会因脱氧造成

夹渣，但不是脱氧的主要途径。

选择脱氧剂原则：

1) 在焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力应大于母材对氧的亲和力。焊接铁基合金时，

A1、Ti、Si、Mn等可作为脱氧剂。

2) 脱氧产物不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度，从而使脱氧产物

尽快上浮到液体中上，以减少夹杂物的数量，提高脱氧效果。

3) 综合考虑脱氧剂对焊缝成分、力学性能及焊接工艺性能的影响。

4) 在满足技术要求的前提下，应注意经济性。

14）焊缝金属中硫的危害控制

硫以MnS、FeS两种形式存在于钢中。

MnS不溶于液态铁中，浮到熔渣中。少量的MnS夹杂物以弥散质点形式分布于缝。

FeS的形式存在：凝固时FeS容易发生偏析，以低熔点共晶Fe+FeS（985℃）或

FeS+FeO（940℃）的形式呈片状或链状分布了晶界，增加了结晶裂纹的倾向，降低

焊缝的韧性和耐腐蚀性。

焊接合金钢、尤其是高镍合金钢时，S形成的NiS又与Ni形成熔点为644℃的

低熔共晶NiS+Ni，使焊缝产生结晶裂纹的倾向更大。

增加含碳量会促使硫发生偏析而加则它的危害性。

控制硫的措施

（1）限制原材料的含硫 （一是母材，二是焊丝，三是药皮与焊剂）

（2）用冶金方法脱硫

15）焊缝中磷的危害

磷在钢中主要以Fe2P、Fe3P的形式存在。

在液态铁中可溶解较多的磷，固态铁中磷的溶解度很低。

磷与铁、镍可以形成低熔点共晶。 焊缝凝固时，磷易造成偏析。

磷化铁常分布于晶界，减弱晶间结合力，增加焊缝金属冷脆性；

磷还能促使形成结晶裂纹。

控制磷的措施：

（1）限制原材料的含磷量

（2）用冶金方法脱磷

16）合金过渡：就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程。

合金过渡的目的：

1、补偿焊接过程中由于氧化、蒸发造成合金元素损失。

2、消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。

A向焊缝中过渡锰，可消除因硫引起的热裂纹；

B向焊缝中加入Al、Ti、Mo、V、Nb、B、RE等合金元素以细化晶粒，提

高焊缝的韧性 。

3、获得具有特殊性能的堆焊金属。

常用堆焊方法过渡Cr、Mo、W、Mn等合金元素，使零件表面获得具有特殊

性能的堆焊层，如耐磨性、耐热性、耐蚀性、红硬性等。

合金过渡的方式：1、应用合金焊丝或带极；

2、应用药芯焊丝或药芯焊条；

3、应用合金药皮或粘接焊剂；

4、应用合金粉末。

合金过渡系数：焊接材料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。

影响过渡系数的因素：

1、合金元素的物理化学性质 沸点越低，蒸发损失越大，η越小；

对氧的亲和力越大，过渡系数越小。

2、合金元素的含量 合金元素的含量↑η↑ ,但增加一定时,趋于定值。

3、合金剂的粒度 合金剂粒度↑，比表面积↓，氧化损失↓， η↑；

但粒度过大，则不宜熔化，过渡系数减小。

4、药皮或焊剂的成分

5、药皮质量系数 Kb ↑η↓

第二章 焊接材料

1）焊条由药皮和焊芯两部分组成。

焊条药皮的作用：

1)保护作用 ；

2)冶金作用 ；

3)使焊条具有良好的工艺性能

3）药皮原材料的作用：1)稳弧 2)造渣 3)造气 4)脱氧 5)合金化 6)粘结 7)成形

4）与实芯焊丝相比，药芯焊丝优点具有工艺性好、飞溅小、焊缝成形美观、可采用大电

流进行全位置焊接和熔敷效率高等优点。

5)焊条的型号:(E4303/E5015)

E 43 0 3

焊芯的作用： ①作电极产生电弧。 ②焊芯熔化后成为填充金属，与熔化了的母材混合形成焊缝。

焊条的牌号： J 4 2 2

结（J）为结构钢焊条,

,代表药皮类型、焊接电流要求,第1、2数:代

表焊缝金属抗拉强度。

6)焊条的工艺性能

Ⅰ、焊接电弧的稳定性：

电弧的稳定性指电弧是否容易引燃及电弧稳定燃烧的连续性。电弧稳定性直接

影响着焊接过程能否连续进行和焊接质量。

在焊条药皮中加入低电离电位的物质，可降低电弧气氛的电离电位，能提

高电弧稳定性。

低氢焊条由于其药皮中萤石的反电离作用，只有采用直流电源才能维持电

弧连续稳定地燃烧。

低氢型药皮少加入稳弧剂碳酸钾，才可以在采用交流电源焊接时保持电弧

的稳定性。

药皮的熔点过高成药皮太厚时，就容易在焊条端部形成较长的套筒，致使

电弧易于熄火。

Ⅱ、焊缝成型：

良好的焊缝成形要求焊缝表面光滑，波纹细密美观，焊缝的几何形状及尺寸正

确，焊缝圆滑地向母材过渡，焊缝余高符合有关标准、无咬边等缺陷。

影响焊缝成形的因素：

(1)熔渣凝固温度

(2)熔渣的粘度

(3)熔渣的表面张力

Ⅲ、各种位置焊接的适应性：

工艺性能良好的焊条能适应空间全位置焊接。

几乎所有的焊条都能进行平焊。 横焊、立焊、仰焊的主要困难是：在重力的作用下熔滴不易向熔池过渡；

熔池金属和熔渣向下流以致不能形成正常的焊缝。

适当增加电弧和气流的吹力，以便把熔滴送向熔池并阻止金属和熔渣下流。

调节熔渣的熔点、粘度及表面张力也是解决焊条全位置焊接的技术措施，因为

这不仅可以阻止熔渣及铁水的下淌，而且还能使高温熔渣尽快地凝固。

Ⅳ、飞溅：

飞溅是熔焊过程中，熔化的金属颗粒和熔渣向周围飞散的现象。

飞溅不仅弄脏焊缝及其附近的母材，增加了清渣工作量，而且飞溅还会破坏正常

的焊接过程，降低焊条的熔敷效率。

熔渣的粘度较大或焊条含水量过多、焊条偏心率过大都会造成较大的飞溅。

增大焊接电流及电弧长度，飞溅也随之增加。

Ⅴ、脱渣性：

脱渣性就是渣壳从焊缝表面脱落的难易程度。

影响脱渣性因素：

(1)熔渣与焊缝金属的线膨胀系数相差越大，冷却时熔渣越容易与焊缝金属脱离。

(2)熔渣的氧化性

(3)熔渣的松脆性 熔渣越松脆就越容易清除。

低氢型焊条的脱渣性最不理想。

Ⅵ、焊条熔化速度：（反映焊接生产率的高低）

熔化系数αp

熔敷系数αH ：真正反应焊接生产率高低的指标，指在单位时间内单位电

流所能熔敷在焊件上的金属重量。

αH与αp的关系是： αH= αp(1-Φ)

药皮成分对焊条熔化系数的影响是：

① 药皮成分影响电弧电压，电弧气氛的电离电位越低、电弧电压就越低，电

弧的热量也就越少，因此焊条的熔化系数就越小；

②、药皮成分影响熔滴过渡形态，调整药皮成分可以使熔滴由短路过渡变为

颗粒过渡，从而提高了焊条的熔化系数；

③、药皮中含有进行放热反应的物质时，由于化学反应热加速焊条熔化，也

提高焊条的熔化系数。

Ⅶ、焊条药皮发红：

焊条药皮发红是指焊条在焊接到后半段时，由于药皮温升过高而发红、开裂

或脱落的现象，这时药皮已失去保护作用和冶金作用。

Ⅷ、焊接烟尘：

在焊接电弧高温的作用下，焊条端部的液态金属和熔渣激烈蒸发。同时，在熔

滴和熔池的表面上也发生蒸发。由于蒸发而产生的高温蒸汽，从电弧区被吹出后，

迅速被氧化和冷凝，变为细小的固态粒子。这些微小的颗粒分散飘浮在空气中，

弥散于电弧周围，形成了焊接烟尘。

7）焊剂与焊丝的匹配原则：

（1）被焊材料的类别及对焊接接头性能的要求

A、在焊接低碳钢和强度等级较低的低合金钢时，应按等强原则选用与木材相

匹配的焊接材料，可选用高锰高硅焊剂（如HJ431、HJ433、HJ430）与低碳钢焊丝

（如H08A）或含锰的焊丝（如HO8MnA）相配合，或用中锰、低锰或无锰焊剂与含

锰量较高的焊丝（如HO8MnA、H10Mn2）相配合。

B、在焊接低合金高强钢时，选用中锰中硅或低锰中硅型焊剂，配合相应的合

金钢焊丝；当焊接强度级别比较高的钢时，一般选用碱度高的烧结焊剂。

C、在焊接耐热钢、低温钢和耐腐蚀钢时，选用中硅或低硅型焊剂与相应

的合金钢焊丝相配合。

D、在焊接奥氏体或铁素体高合金钢时，选用碱度比较高中硅或低硅型熔

炼焊剂，与合适的高合金钢焊丝相配合。

（2）埋弧焊的工艺特点

稀释率高、热输入高、焊接速度快

第三章 熔池凝固和焊缝固态相变

1） 熔池凝固的条件和特点、熔池结晶的一般规律（生核和晶核长大的过程）

1、熔池的体积小，冷却速度大。

2、熔池金属处于过热状态。

3、熔池在运动状态下凝固

4、联生结晶

2）熔池结晶速度：

焊接熔池的外形是椭球状的曲面，这个曲面就是结晶的等温面，熔池的散热方向是

垂直于结晶等温面，因此晶粒的成长方向也是垂直于结晶等温面；晶粒主轴的成长方

向与结晶等温面正交，并且以弯曲的形状向焊缝中心成长：

c cos ； c晶粒成长的平均线速度； 焊接速度； c与 方向之间的夹角

结论：晶粒成长的平均线速度是变化的；焊接工艺参数对晶粒成长方向及平

均线速度均有影响。

晶粒（核）长大需要一定的能量，这个能量由两部分组成：一是因为体积长大而

使体系自由能下降；另一是因长大而产生的新固相表面使体系的自由能增高。

3）熔池的结晶形态

（1）熔池的结晶形态：宏观上：（焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶）；

微观上：（在每个柱状晶内还有不同的结晶形态，如平面晶、

胞晶和树枝状晶；等轴晶内一般都呈现树状晶）

（2）焊缝组织的形态大致可分五种结晶形态：平面结晶（结晶呈平面形态）、胞状结

晶（断面是六角形，如同细胞或蜂窝状）、胞状树枝结晶、树枝状结晶、等轴结晶。

（3）影响结晶形态的因素：当结晶速度R和温度梯度G不变时，随合金中溶质浓度的

提高，则成分过冷增加，从而使结晶形态由平面晶变为胞状晶、胞状枝晶、树枝

状晶，最 后到等轴晶；当合金中溶质浓度C和结晶速度R一定时，随液相温度

梯度的提高，成分过冷的程度减小，因而结晶形态的演变方向恰好相反，有等轴

晶、树枝晶逐步演变到平面晶。

(4)焊接条件下的结晶（凝固）形态：在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结

晶速度R又较小，故成分过冷接近于零，所以平面晶得到发展；随着远离熔化边

界向焊缝中心过渡时，温度梯度G逐渐变小，而结晶速度逐渐增大，所以结晶形

态将由平面晶向胞状晶、树枝胞状晶一直到等轴晶发展。

4）焊缝金属的化学不均匀性

（1）焊缝中的化学不均匀性（即偏析）：显微偏析、区域偏析 、层状偏析。 （2）熔合区的化学不均匀性：

熔合区存在着严重的化学不均匀性和物理不均匀性，因此，在组织和性能上

也是不均匀的，成为焊接接头的薄弱部位。

T Ts TA ;温度梯度;TL被焊金属的液相线温度;Ts被焊金属的固相线温度 T Y Y

2）焊缝中偏析有三种：1、显微偏析 2、区域偏析 3、层状偏析

3）影响WM－CCT图的因素：

1、合金元素 如果焊缝中合金元素增多或含氧量降低时，使WM-CCT图向右移动。

C、N、Mn、Ni、Cu等阻碍A相变，CCT图向右移动。

强碳化物形成元素(Mo、Cr、Nb、V、Ti、A1)抑制块状及先共析F，使块状F和PF

转变曲线下移

2、A化温度与停留时间的影响 A所处的温度越高，时间越长，过冷A稳定性就越大。

原因：

(1)A晶粒长大，减少F析出的成核场所；

(2)使易于成为F析出核心的碳化物分解、溶于A中，阻碍F析出。

(3)增大A的均匀化程度，故CCT图曲线有移。

3、冷却速度的影响

冷却速度对于M形成温度Ms点有一定影响。

一般生产中的冷却速度下，缓慢冷却时Ms点升高。

4、应力应变的影响

过冷A转变过程中，如有应力、应变作用时，不仅会影响扩散型P转变，也会

影响无扩散型M的转变。

4）焊缝希望获得的固态相变组织：

针状铁素体（AF）

细珠光体（S）

下贝氏体（BL）

板条马氏体（MD）

5）改善焊缝固态相变组织的途径：

(1)焊后热处理

(2)多层焊接

(3)锤击焊道表面

(4)跟踪回火处理

6）气孔和夹杂的危害：

削弱有效工件断面，降低焊缝强度和韧性；

产生应力集中;

夹杂引起裂纹。

7）氢气孔 出现在焊缝的表面上，断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上看呈喇叭口形，

而气孔四周有光滑的内壁。有时也会出现在焊缝的内部。

氮气孔 形成机理与氢气孔相似，也多在焊缝表面，多数情况下成堆出现，与蜂窝相

似。由于保护不好，有较多空气侵入熔池所致

CO气孔 焊接碳钢时，冶金反应产生了大量的CO，在结晶过程中来不及逸出而残留在

焊缝内部形成气孔。气孔沿结晶方向分布，像条虫状卧在焊缝内部。

8）影响生成气孔的因素及防治措施：

1、冶金因素的影响

(1)熔渣氧化性的影响

(2)焊条药皮和焊剂的影响

(3)铁锈及水分对产生气孔的影响

2、工艺因素的影响

(1)焊接工艺参数的影响 I、U、V

(2)电流种类和极性的影响

(3)工艺操作方面的影响

9）焊缝中的夹杂的危害：

焊缝或母材中有夹杂物存在时，不仅降低焊缝金属的韧性，增加低温脆性，同时

也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。

焊缝中央杂物的种类：氮化物、氧化物、硫化物。

10）防止焊缝中产生夹杂物的最重要方面就是正确选择焊条、焊剂，使之更好地脱氧、脱

硫等。其次是注意工艺操作：

(1)选用合适的焊接工艺参数，以利于熔渣的浮出；

(2)多层焊时，应注意清除前层焊缝的熔渣；

(3)焊条要适当的摆动，以便熔渣浮出；

(4)操作时注意保护熔池，防止空气侵入。

11）改善焊缝金属性能的途径： 固溶强化、变质处理(微合金化)、调整焊接工艺。

第四章 焊接热影响区的组织

1）HAZ：热源作用下焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。

2）焊接与热处理条件比较

(1)加热的温度高

(2)加热的速度快

(3)高温停留时间短

(4)自然条件下连续冷却

(5)局部加热

3) 焊接CCT的应用

（1）预测热影响区的组织和性能，评定HAZ冷裂倾向。

（2）可以作为调节焊接工艺参数和改进工艺(预热、后热及焊后热处理等)的依据。

影响CCT图的因素

(1)母材化学成分的影响 除钴外，固溶于奥氏体合金元素都使C曲线向右移，即增加

淬便倾向，降低Ms点，其中以碳影响最大。

(2)冷却速度的影响

冷却速度不同，可得到不同的转变产物。

冷却速度的增大，A1、A3、Acm均移向更低的温度。

共析成分也由0.83％C转为0.4-0.8％C，在快速冷却条件下，0.4％C的钢就可以

得到全部为珠光体的组织（伪共析组织）。

冷却速度增大时，Ms有所上升，并且会改变M形态。因为增大冷却速度使M增大

滑移的抗力，不均匀切变就会以孪晶方式进行，M就由条状变为片状。

(3)峰值温度的影响：Tm越高，过冷A的稳定性加大，也会使A晶粒粗化，CCT图向

下和向右移动。

(4)晶粒粗化的影响 近缝区强烈过热而使晶粒发生严重长大，影响接头性能，增大裂

纹倾向。

(5)应力应变的影响

焊接时不可避免地会产生热应力、组织应力，以及拘束应力。

4) HAZ脆化：粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、热应变时效脆化、氢脆化及石墨脆化等。

第五章 焊接裂纹

1）焊接裂纹的危害性及分类

1、脆性断裂 减小有效承载面积，形成应力集中。

2、隐蔽性 潜在危险

3、产生机理的复杂性 难以预防

4、主要断裂事故

按产生裂纹的本质分类：

1) 热裂纹（结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹）;

2) 再热裂纹；

3）冷裂纹（延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低温塑性脆化裂纹）

4）层状撕裂

2）热裂纹是在焊接时高温下产生的，故称热裂纹。

1、结晶裂纹 2、高温液化裂纹 3、多边化裂纹。

3）应力腐蚀裂纹在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生一种延迟破坏的现象。

4）结晶裂纹产生原因 (机理)

和杂质富集在晶界（K0=CS/CL<1）。

（2）由于成分的偏析，富集的溶质和杂质与基体金属形成较低熔点共晶。

（3）凝固后期，低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心，呈“液态薄膜”状覆盖 在晶粒的表面，割断晶粒之间的联系。

（4）由于凝固收缩，焊缝受到拉伸应力作用，焊缝中的液态薄膜成为薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。（总括以上，产生结

晶裂纹的原因，就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用

的结果。因此，液态薄膜是产生结晶裂纹的内因，而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条

件）

结晶裂纹：

产生温度：固相线以上稍高温度；

断口特征：呈氧化颜色，没有金属光泽；

有晶间破坏特征（在晶界、柱状晶之间）；

材料：含硫、磷、碳、硅等杂质较多的碳钢、低合金钢；单相奥氏体钢、镍基合 （1）溶池凝固过程中，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含溶质和杂质较多，溶质 分布特征:宏观上一般发生在焊缝中心（横向、纵向都有），纵向上具 金以及某些合金中。

熔池结晶的三个阶段：液固阶段、固液阶段、完全凝固阶段。

5)产生结晶裂纹的条件是：焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑 性，或者说焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量(Δes)小于零时就会产生结晶裂纹。

具体来讲，焊缝是否产生结晶裂纹主要决定以下三个方面：

a、脆性温度区的大小 ；b、在脆性温度区内金属的塑性 ；

c、在脆性温度区内的应变增长率

6）防治结晶裂纹的措施：

(一)冶金因素方面

1、控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量;

2、改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径

(二)工艺因素方面

1、焊接工艺及工艺参数

2、接头形式

7)焊接冷裂纹的影响因素及延迟裂纹

（1）、影响因素

1)、钢种化学成分的影响

2）、拘束应力的影响

3)、氢的有害影响

4)、工艺影响 ①线能量②预热温度③焊后后热④多层焊

延迟裂纹：这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立 即出现，而是有一定孕育期，具有延迟现象，故称延迟裂纹。

高、中碳钢、低合金刚强钢，多在热影响区，焊缝中较少；

宏观断口：具有发亮的金属光泽的脆断特征，微观：以晶间断裂为主，但也有 穿晶断裂，也可晶间和穿晶混合断裂

8)防止冷裂纹的途径

（一）冶金方面

1）采用优质的低氢高韧焊接材料

严格控制氢的来源 如焊前烘干焊条、焊剂，仔细清除焊件上焊接区的油污、

水锈。

通过焊接材料向焊缝添加合金元素，细化焊缝晶粒，提高焊缝金属的塑性，

有利于防止冷裂

采用奥氏体焊条，奥氏体组织塑性好，可以减少焊接接头的残余应力，同时，

奥氏体组织的焊缝能溶解较多的氢

（二）工艺措施方面:焊前预热，后热或焊后缓冷；合适的焊接线能量；焊后热处理。

9)为什么预热有防止冷裂纹的作用？它对防止热裂纹是否也有这样的作用?

预热可以降低冷却速度，从而降低淬硬倾向，另外预热也可以促使H的逸出以及降

低应力，这样可以综合影响冷裂纹的产生，因此就可以根据冷裂纹敏感指数来确定不产

生冷裂纹的预热温度。(此处有一个公式)然而，对于热裂纹，预热可以降低热输入，从

而降低脆性温度区间，从而降低热裂纹倾向。预热对两种裂纹影响的机理是不同的。

10)后热对防止冷裂纹有何作用？它是否能全部代替预热？

焊后紧急后热可使扩散氢充分逸出，在一定程度上有降低残余应力的作用，也可改

善组织，降低淬硬性。从改善劳动条件出发，选择合适的后热温度可以降低预热温度或

者代替某些结构中的中间热处理。然而，对一些不含Ni，Si的低合金高强钢（18MnMoNb），

在后热过程中会使残留奥氏体分解为渗碳体与铁素体，即经过后热后反而使热影响区韧

性下降。所以它并不能全部代替预热。

11)应力腐蚀裂纹

1、应力腐蚀裂纹：在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下（包括工作应力和残余应

力）产生一种延迟破坏现象，称为应力腐蚀裂纹。

2、应力腐蚀裂纹的特征：

（1）应力腐蚀裂纹的分布：

从表面上看，裂纹的分布如同疏松的网状或龟裂分布，在焊缝的

表面上多以横向裂纹出现；从内部来看，裂纹的形态如同树根一样;从断口形态

来看，属于典型的脆性断口。

（2）SCC的开裂途径：

一般情况下，低碳钢、低合金钢、铝合金， 黄铜，以及镍基合 金

等，SCC多数咽晶开裂； 黄铜和在氯化物介质中的奥氏体不锈钢， SCC多数

穿晶开裂；奥氏体不锈钢，腐蚀介质不同，开裂性质也不同，既可能出现沿晶

开裂，也可能出现穿晶开裂，或者出现沿晶与穿晶的混合开裂。

3、产生应力腐蚀裂纹的机理

Ⅰ、电化学应力腐蚀开裂机理：

（1）阳极溶解腐蚀开裂（APC）（奥氏体不锈钢常属于这种）;

（2）阳极氢脆开裂（HEC）（低碳钢、低合金高强钢和超高强钢多属于这种）。 Ⅱ、机械破坏应力腐蚀开裂机理

SCC的扩展途径大体上分为一下三类：

A类：由起裂点开始，一直向纵向深处扩展，只有少量分枝（这种SCC主

要以穿晶形式开裂，多发生在强度较高的不锈钢和高强钢）。

B类：由起裂点开始，沿横向扩展，形成树根装的密集分枝（这种SCC也

是以穿晶形式开裂，主要发生在强度较低的不锈钢和对氢敏感的超高强钢）。

C类：这类SCC的扩张介于A类和B类之间，即由起裂点开始，既向深处

发展，也向横向扩展，其行径具有沿晶特征，主要发生在不锈钢构件。

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