焊接化学成分的不均匀性
焊接熔合区的组织与性能的不均匀性
焊接熔合区的组织与性能的不均匀性熔合区的成分不均匀性，必然会导致金属组织和性能的不均匀性。
其不良影响的严重程度，一方面同成分不均匀性的沿着沉甸甸有关；另一方面在很大程度上又与母材金属A（或B）同焊缝金属D各组成元素间相互作用的性质有关。
以奥氏体填充材料焊接碳钢-奥氏体不锈钢焊接接头为例：此时在碳钢一侧熔合区如果生产了严重的不均匀搅拌层，则出现Ni、Cr含量低于奥氏体不锈钢而高于碳钢的水平，其碳含量又接近于碳钢水平的特殊成分带，因此不可避免的要出现淬硬的马氏体组织。
这种焊接接头的组织按以下组织形式出现：奥氏体不锈钢一侧焊缝和焊缝金属为奥氏体组织；碳钢一侧焊缝的熔合区有可能出现马氏体组织；而在奥氏体不锈钢焊接热影响区，会出现晶粒长大；在碳钢的焊接热影响区，也可能出现淬硬组织。
这样，在奥氏体填充材料焊接碳钢-奥氏体不锈钢焊接接头就形成了十分复杂的不均匀组织，而其性能，自然也包括力学性能也是十分复杂和不均匀的。
焊接熔合区固、液相间化学成分不均匀性。
通常，被焊的两异种材料的成分差异与得到的，则焊缝金属与焊缝两侧或焊缝一侧母材金属的成分差异也愈大。
另外，即使是焊缝金属同母材金属之间的某元素的含量相同，焊缝金属同母材金属之间也就形成一种异种材料的连接副。
焊接过程中，一侧是固态的A（或B）母材金属，一侧是D成分的液态焊接熔池。
即使某元素在熔池中的含量与某侧母材中的含量相等，但由于该元素在固、液共存条件下，在固、液相界面两侧的含量也不会不同。
一般来说，将是液相（即熔池）含量高，固相（即母材）含量低，而在熔合线两侧出现化学成分的不均匀性。
相反，对于焊接熔池含有某元素，而母材没有时，一般来说，也会由于扩散使母材在熔合线附近会溶入这种元素，而降低熔合线两侧化学成分的不均匀性。
如图8-3所示，微信公众号：hcsteel在焊接熔池的高温下，D 元素将从熔池向母材A（或B）发生扩散（包括某些情况下的上坡披散），由D进入A（或B）扩散进入D的元素则由于液体的流动而均匀化，并不影响该局部的焊缝金属成分，焊缝一侧（或两侧）的不均匀性决定于A（或B）和D的成分和各组成元素的本性，这是不可避免的；但其扩散的深度和最终的浓度梯度，则受到温度的高低和高温下停留时间以及元素固有性能（如扩散能力）的影响。
常见的焊接缺陷及成因
常见的焊接缺陷及成因
常见的焊接缺陷及其成因如下：
1. 冷焊缺陷：产生于金属之间传递的电流过小，导致电弧不稳定，焊接部位没有熔化和合金化。
2. 未熔合缺陷：电弧温度过低或焊接速度过快，导致焊接材料没有完全熔化。
3. 未充满缺陷：焊缝内未能完全填充焊丝或焊接材料，导致焊缝的力学性能不佳。
4. 气孔缺陷：焊接过程中，焊缝与大气中的气体发生反应产生气泡。
5. 比较成分错配缺陷：焊接材料的成分与基材成分不匹配，导致焊缝的化学成分不均匀。
6. 裂纹缺陷：焊接过程中，由于应力过大或冷却速度过快，焊缝中出现裂纹。
7. 夹渣缺陷：焊接材料中存在杂质或氧化物，导致焊缝中出现夹渣。
8. 变形缺陷：焊接材料收缩或热变形过大，导致焊接构件出现形状和尺寸上的变形。
这些焊接缺陷的成因主要包括焊接工艺参数不当、焊接材料质量不过关、焊接操作不规范等原因。
对这些缺陷的预防和修复可以通过合理的焊接工艺设计、选择质量良好的焊接材料、进行焊前和焊后的检测等方式来实现。
焊接构件失效的原因及预防措施
焊接构件失效的原因及预防措施焊接构件在各种⼤型设备中常见，往往作为底座的外壳、⽀撑底座、⼯作平台等结构出现。
焊接构件的使⽤寿命影响着整个设备的使⽤寿命，但往往在焊接位置出现裂纹等失效问题，现在就来分析⼀下焊接失效的原因以及预防措施。
⼀、铸-焊结构焊接失效的原因及危害通常意义上讲，焊接失效就是焊接接头由于各种因素，在⼀定条件下断裂（如：应⼒、温度、材质、焊接质量和实际使⽤⼯况条件等）。
接头⼀旦失效，就会使相互紧密联系成⼀体的构件局部分离、撕裂并扩展，造成焊接结构损坏，致使设备停机，影响正常⽣产。
焊接失效的基本条件：⼀是焊接结构设计不合理，如在局部或整体焊缝的布置与设计上存在问题；⼆是材料本⾝的缺陷，如板材化学成分偏析，铸钢件的组织存在缩松、⽓孔、裂纹等；三是焊接⼯艺的应⽤不合理，如焊接材料的选择、焊接⽅法的制定；四是构件所处的⼯作环境、⼯况条件差（如受到交变及冲击载荷），引起结构材料疲劳破坏。
针对接头失效进⾏分析，应从两个⽅⾯⼊⼿：⼀是产⽣的根源；⼆是其危害性。
1. 结构件焊接失效产⽣的根源通常情况下，材料本⾝的缺陷（如化学成分的不均匀性、局部微观裂纹），焊缝由于各种原因产⽣的冷热裂纹、未焊透、夹渣、⽓孔及咬边等，焊接过程中近缝区较⾼的残余应⼒（包括焊缝及热影响区相变的组织应⼒），以及焊接过程⾼温下的组织软化和冷却后产⽣的脆化等，都是造成接头失效的根源，也为接头的脆断或扩展提供了条件。
2. 结构件焊接失效的危害性井下⼯作⾯刮板输送机、转载机和破碎机，是采煤⼯作⾯的关键设备，⼯作⾯使⽤条件复杂。
由于刮板输送机除要完成运煤、清理浮煤外，还要作为采煤机运⾏的轨道和牵引⽀承、液压⽀架前沿的基点，担负着采煤⼯艺过程中的落、装、运、⽀、控等全部⼯序，井下设备的可靠性决定了⾼效采煤的经济性，所以设备质量的好坏、寿命长短、性能的优劣，直接影响着煤炭⽣产。
由于刮板输送机和转载机的使⽤特点，中部槽之间的联结强度和可靠性显得尤为重要，⽽其结构⼤多由铸钢件与普通低合⾦板Q345（16Mn）以及⾼强板和耐磨板（NM360）焊接⽽成，铸钢件以碳锰硅（C-Mn-Si）系列为主。
焊接知识
电焊知识什么是焊接。
焊接是将两部份同质或非同质的材料，利用原子间的联系质点的扩散作用，通过加热、加压或加热的同时加压，以形成永久性连接的方法。
什么叫电弧焊。
在电极和焊件之间形成电弧，利用电弧所产生的热量，将焊缝处的金属和填充金属熔化，并形成一种永久接头的过程叫电弧焊。
电弧最佳燃烧长度。
电弧长度是指焊条末端与弧坑底部的距离，一般来说，电弧长度等于焊条直径加减1㎜。
电弧长度超过焊条的直径时，称为长弧。
等于直径时称为正常电弧。
小于焊条直径时叫短弧。
焊条药皮在焊接中起的什么作用。
1提高焊接电弧的稳定性。
2 防止空气对熔池的影响。
3 保证焊缝金属顺利脱氧、脱硫、脱磷、去氢。
4 向焊缝加入有用益合金元素。
怎样才能焊好焊缝的接头。
换焊条时，在前一根焊条终点前20MM处引燃电弧（弧长要大于焊条的直径）。
待弧坑边缘的熔渣熔化时，立即将焊条引入弧坑，并将弧坑填满，然后继续向前施焊，这个动作熟练之后，整个焊缝外观看不处接头。
关键是换焊条的动作要快，最好是在熔渣未冷却之前就将第二根焊条引燃。
如果熔渣已经冷却必须将接头上的焊渣敲掉，否则容易产生夹渣等缺陷。
熔化焊方法分5种保护方式。
1熔渣保护。
2气体保护。
3熔渣和气体联合保护。
4 真空保护。
5自保护。
对焊条的基本要求有5点。
1 引弧容易，电弧稳定，金属飞溅少。
2 焊条药皮熔化速度均匀，并稍慢于焊条芯的熔化速度。
焊接过程药皮呈喇叭壮套筒，以利于金属熔滴过渡和保护气氛。
3 熔渣的黏度即流动性应适当。
熔渣的密度应小于熔化金属的密度，且凝固温度应低于熔化金属的凝固温度，使熔渣能良好地保护焊缝金属。
凝固后脱渣性好。
4 焊条在焊接过程中应具有参入合金和冶金的作用，以保证焊缝金属和焊接接头的力学性能及物理性能，并保证焊缝不产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷。
5 焊条应适应全位置焊接，药皮强度要高、不易脱落、受潮同心度好，焊接时放出的有害气体应尽量少。
手工电弧焊接化学冶金反应分3个区1 药皮反应区。
焊接材料选用原则
焊接材料选用原则
焊接材料的选用是焊接工艺设计中非常重要的一环。
正确选择合适的焊接材料可以确保焊接接头的质量，提高焊接工艺的效果。
以下是焊接材料选用的原则。
1.焊接材料的力学性能要与母材相匹配：焊接接头的强度应该与母材的强度相适应，以确保焊接接头的强度满足设计要求。
2.焊接材料的化学成分要与母材相适应：焊接材料的化学成分应与母材相似，以降低焊接接头中的化学不均匀性，减少焊接接头的脆性。
3.焊接材料的热处理性能要符合要求：焊接材料的热处理性能包括热稳定性、热膨胀系数和回火脆性等。
这些性能应与母材相符，以确保焊接接头在焊接后的热处理过程中不发生变形、裂纹等问题。
4.焊接材料的焊接性能要好：焊接材料的焊接性能包括熔化性、延展性、流动性等。
焊接材料的选用应使得焊缝容易形成，并且在焊接过程中能够保持良好的流动性和延展性，以确保焊接接头的质量。
5.焊接材料的耐腐蚀性要好：焊接接头常常暴露在恶劣的环境中，容易受到腐蚀的影响。
因此，焊接材料的耐腐蚀性应该与母材相适应，以提高焊接接头的耐腐蚀性能。
6.焊接材料的可靠性要高：焊接接头的质量直接关系到焊接件的可靠性。
焊接材料的选用应保证焊接接头能够满足设计寿命和安全可靠性的要求，以确保焊接件能够长时间使用而不发生断裂、脱焊等问题。
综上所述，焊接材料的选用原则主要包括与母材匹配的力学性能、化学成分的适应性、热处理性能的符合要求、良好的焊接性能、良好的耐腐
蚀性和高可靠性。
选用合适的焊接材料可以确保焊接接头的质量和焊接工艺的效果，提高焊接件的可靠性和安全性。
焊缝金属的化学不均匀性和夹杂
焊缝金属的化学不均匀性和夹杂（一）焊缝中的化学不均匀性化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。
1．显微偏析：→枝晶偏析指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。
如图3-34树枝中心，m表示树枝区域。
I偏析严重。
A、M表示树枝晶的间界。
其中K e最易偏析元素；先结晶M处Ni低，A与M点，Ni高。
1）产生原因：●选择性结晶，焊接时，冷却速度大，液固界面溶质来不及扩散，结晶有先后之分，纯金属先结晶，杂质后结晶。
胞状晶，晶粒内部浓度低，晶界处溶质浓度高。
树枝晶，主干处溶质浓度低，树枝区域浓度较高，晶界处浓度最高。
●结晶形态不同结晶形态，偏析不同。
以M n为例：位置M n%树枝晶界0.59 （树枝晶界偏析最严重）胞状晶界0.57胞状晶中心0.47 （希望晶粒越细化越好）2）影响因素●冷却速度v冷小，可以有充分时间溶质进行扩散，显微偏析减少；v过大，溶质来不及扩散整个液体金属瞬时凝固，偏析程度小。
●原始浓度C0溶质浓度C0 ↑，偏析加剧。
枝晶偏析的结果，晶间含较多低熔点杂质，易于形成凝固裂纹。
●元素性质（分配系数或扩散系数）若元素扩散系数小，偏析严重。
2、宏观偏析（区域偏析）指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析，当焊速较大时，成长中的柱状晶最后都会在焊缝中心相遇，使溶质和杂质聚集在那里，容易产生焊缝纵向裂纹。
2、层状偏析由于化学成分分布不均匀引起分层现象。
焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。
1）特征●晶粒主轴与层状线垂直。
●越先靠近熔合线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。
●层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。
2）产生原因：焊缝金属的凝固并不是连续均匀的过程，而是一个断续的过程，一种观点：层状偏析是由于晶体成长速度R发生周期变化引起R↑，结晶前沿的溶质浓度增大，晶粒含有一层溶质较多的带状偏析层。
焊接热裂纹产生的原因
焊接热裂纹产生的原因一、引言焊接是现代工业生产中常用的加工方法之一。
在焊接过程中，热裂纹是一个常见的问题，会导致焊接件的损坏和失效。
因此，了解热裂纹产生的原因对于提高焊接质量和可靠性具有重要意义。
二、热裂纹的定义热裂纹是指在焊接过程中或后期使用过程中由于温度变化而引起的材料开裂。
它通常出现在高强度合金钢、不锈钢、铝合金等材料上。
三、热裂纹产生的原因1. 组织不均匀性组织不均匀性是导致热裂纹产生的主要原因之一。
当材料中存在缺陷或组织不均匀时，其内部应力分布也会不均匀。
在焊接过程中，由于受到加热和冷却的影响，这种应力分布会发生变化，从而导致材料出现开裂。
2. 焊接参数不当焊接参数包括电流密度、电压、速度等多个方面。
如果这些参数设置不当，就会导致局部过热或过快的冷却，从而引起热裂纹的产生。
3. 残余应力残余应力是指焊接后材料内部的应力。
在焊接过程中，由于加热和冷却的影响，焊接件内部会产生应力。
如果这些应力没有得到合理的处理，就会在后期使用中导致材料发生开裂。
4. 材料选择不当不同材料具有不同的物理性质和化学成分。
如果选择不当的材料进行焊接，就会导致组织不均匀、化学成分变化等问题，从而引起热裂纹的产生。
5. 焊接工艺不合理焊接工艺包括预热、焊接顺序、后续处理等多个方面。
如果这些工艺设置不当或者操作不规范，就会导致局部过热或者过快冷却等问题，从而引起热裂纹的产生。
四、热裂纹防治措施1. 优化组织结构通过对原材料进行特殊处理或者采用合适的退火工艺可以改善材料组织结构，并减少组织不均匀性带来的影响。
2. 合理设置焊接参数通过合理设置焊接参数，如电流密度、电压、速度等，可以控制焊接过程中的温度和冷却速度，减少热裂纹的产生。
3. 处理残余应力通过对焊接件进行退火或者热处理等工艺可以处理残余应力，并减少热裂纹的产生。
4. 合理选择材料在选择材料时应根据具体情况选择合适的材料，并进行必要的预热和后续处理等工艺，以减少热裂纹的产生。
焊接冶金学(基本原理)习题总结
焊接冶金学（基本原理）部分习题及答案绪论一、什么是焊接，其物理本质是什么1、定义：焊接通过加热或加压；或两者并用，使焊件达到原子结合，从而形成永久性连接工艺。
2、物理本质：焊接的物理本质是使两个独立的工件实现了原子间结合，对于金属而言，既实现了金属键结合。
二、怎样才能实现焊接，应有什么外界条件1、对被焊接的材质施加压力：目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。
2、对被焊材料加热(局部或整体)：对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。
三、试述熔焊、钎焊在本质上有何区别钎焊母材不溶化，熔焊母材溶化。
1.温度场定义，分类及其影响因素。
1、定义：焊接接头上某一瞬间各点的温度分布状态。
2、分类：1)稳定温度场——温度场各点温度不随时间而变动；2)非稳定温度场——温度场各点随时间而变动；3)准稳定温度场——温度随时间暂时不变动，热饱和状态；或随热源一起移动。
3、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a.热导率b.比热容c.容积比热容d.热扩散率e.热焓f.表面散热系数4)焊件厚板及形状第一章二、焊接化学冶金分为哪几个反应区，各区有何特点1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。
(100-1200℃)1) 水分蒸发：100 ℃吸附水的蒸发，200－400 ℃结晶水的去除，化合水在更高温度下析出2)某些物质分解:形成Co ，CO2，H2O ，O2等气体 3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性2、熔滴反应区：指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个熔池1)温度高：1800－2400℃ 2)与气体、熔渣的接触面积大 ：1000－10000 cm2/kg 3) 时间短速度快：；熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合.3、熔池反应区1) 反应速度低熔池T 1600~1900℃低于熔滴T ；比表面积，接触面积小300~1300cm2/kg ；时间长，手工焊3~8秒埋弧焊6~25s 2) 熔池温度不均匀的突出特点熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应3) 具有一定的搅拌作用促进焊缝成分的均匀化，有助于加快反应速度，有益于气体和夹渣物的排除。
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2、宏观偏析
（3）比重偏析 a. 机理 •合金凝固时有初生相（过共晶或亚共晶），且 初生相和液相之间的比重差别较大（过共晶铸铁 石墨上浮） •个别合金液相比重不同导致分层，凝固后比重 偏析（Cu-Pb合金上部富Cu） b. 防止措施 •快速凝固 •在合金中加入第三种能形成熔点较高、比重与 液相接近的化合物相，在凝固过程中首先从液相 中析出，形成树枝状骨架，阻止偏析相的沉浮
第十五章化学成分的不均匀性
1.微观偏析 1.微观偏析 2.宏观偏析 2.宏观偏析 3.焊接接头中熔合区的化学成分的不均匀 3.焊接接头中熔合区的化学成分的不均匀 性
1、微观偏析
• 微观偏析--短程偏析，是不平衡凝固造的； • 微观偏析--晶粒内部或晶界等微区内成分不 均匀现象。 1• 枝晶偏析 2• 晶界偏析
2、宏观偏析
（4）宏观偏析的消除 • 扩散退火无效 • 改善加工工艺
3.焊接接头中熔合区的化学成 3.焊接接头中熔合区的化学成 分不均匀性
•熔合区是焊接接头中的薄弱之处. 熔合区是焊接接头中的薄弱之处. •固液界面附近的溶质浓度的分布与该元素 的扩散系数和分布系数有关. 的扩散系数和分布系数有关. •由于焊接熔合区化学成分的不均匀性,致 由于焊接熔合区化学成分的不均匀性, 使组织和性能不均匀性. 使组织和性能不均匀性.焊接熔合区的质 量问题应给以应有的关注. 量问题应给以应有的关注.
（2）反偏析 • 外层溶质元素含量反而高于内层的含量； •不常见，易发生于凝固温度区间宽、凝固收 缩大、冷却缓慢、枝晶粗大、液体金属中含气量 较高等情况下。 •机理：由于铸件表层枝晶间以及内部的低熔 点液体，在液体金属静压力和析出气体压力的作 用下，通过树枝晶之间收缩产生的空隙渗出到表 面，在表面形成的一种含有较多低熔点组元和杂 质的偏析层。
2、宏量 低，内部溶质含量高、杂质 集中的区域偏析为正常偏析 •机理：冷速较慢，低熔点组 元充分向内部聚集 •危害：铸件性能不均匀；但 可借此对金属提纯 •防止：扩散退火无效，提高 冷速有效， 如降低浇注温 度、加速铸件凝固
2、宏观偏析
2、宏观偏析
(4) 区域偏析 焊接时,柱状晶成长过快, 焊接时,柱状晶成长过快,溶质或杂质在 中心富集, 中心富集,凝固后在焊缝中心线附近出现严 重偏析. 重偏析.
2、宏观偏析
(5)层状偏析 (5)层状偏析 焊接时,由于热的周期性作用, 焊接时,由于热的周期性作用,急冷与急 热的交替作用, 热的交替作用,致使结晶过程发生周期性变 化而造成化学成分的不均匀. 化而造成化学成分的不均匀.
低碳钢焊缝中S的晶界偏析
1、微观偏析
（3）微观偏析的消除措施 • 固相线下100~200℃长时间扩散退 火（均匀化） • 热轧或热锻也可改善
2、宏观偏析
宏观偏析为长程偏析，是发生于区域之间的 成分差别（区域偏析）。 液态金属沿枝晶间的流动对宏观偏析的产生 有着重要的影响。 焊接不易宏观偏析，熔池中有强烈的对流拌； 铸造宏观偏析严重 • 正常偏析（正偏析） •区域偏析 • 反偏析（逆偏析） • 比重偏析（重力偏) •层状偏析
1、微观偏析
（2）晶界偏析 在树枝晶体之间（晶粒与晶 粒之间）最后凝固部分（即 晶界区）积累了更多的低熔 点组元和杂质元素 晶界偏析的程度比晶内偏析 更为严重，有时在晶界上还 会出现一些不平衡的第二 相，如低熔点共晶体 产生的原因与枝晶偏析相同 塑性和韧性降低、增加热裂 倾向、降低耐腐蚀性能等
1、微观偏析
（1）枝晶偏析 a. 机理 结晶时冷速较大，扩散来不及，先结晶 富高熔点组元，导致树枝晶内部成分不均 匀. b. 影响因素 合金相图的形状：垂直、水平距离大偏 析严重，垂直比水平影响更大（结晶温度 低扩散慢） 原子的扩散能力：扩散能力差，更易偏
1、微观偏析
（1）枝晶偏析 b. 影响因素 凝固时的冷却条件：冷速越大，过冷越大， 开始结晶温度越低，扩散能力越小；冷速很大， 液相中的扩散也受到抑制，发生无扩散结晶，偏 析程度反而减小。 合金元素：C促S、P偏析；焊 接比铸造偏 析程度小，可能与焊接冷速很大，液相中的扩散 受到抑制有关.
熔合区中S的分布(E=11.76kJ/cm)
低碳钢与奥氏体焊缝(Cr23Ni13)熔合区元素的分布(质量分数E=23.94kJ/cm)