【正文】 離的氣體導體，而電弧的兩端加有焊接電流和焊接電壓，電弧本身又具有電阻。根據(jù)電學原理可知，當電阻不變時，電弧發(fā)出的熱量與其電阻和電流成正比，也就是說，焊接電流越大，電弧產(chǎn)生的熱量越多，對焊件金屬的熔化就越快，熔深越深。而焊接電壓不宜太高，這是因為焊件本身是作為焊接回路的一部分，它又直接暴露于人們可接觸的地方，故如果電壓太高，會導致人員觸電。 由于電弧是被電離的高溫氣體，又是導體，故在焊接中常出現(xiàn)電弧的偏吹問題，它主要是受環(huán)境氣流（如大風）或電流磁場的影響所至。電弧的偏吹會使電弧的燃燒不穩(wěn)定，焊縫成型不規(guī)則，或因弧長增長而增加了有害氣體侵入的機會，從而導致焊縫質(zhì)量下降等問題。許多施工規(guī)范中都對焊接施工環(huán)境的風速進行了規(guī)定正是源于這個原因。 （二）焊縫金屬的冶金過程 焊件與焊條在電弧的作用下熔化，電弧離開后，熔化的液態(tài)金屬將結晶凝固。這個熔化凝固過程具有加熱溫度高，時間短，液態(tài)金屬少，冷卻速度快，并直接與空氣接觸發(fā)生一系列反應等特點。為此，為了補充可能被燒損的金屬，常通過焊條或藥皮（焊劑）加入一些相應的金屬，以保證焊縫金屬的性能。由此可以說，焊接的過程，存在著一個冶金反應過程。 焊接過程包括的冶金反應基本上有以下兩個方面的反應：其一是液態(tài)金屬與氣體間的反應；其二是液態(tài)金屬與焊條藥皮或焊劑的反應。 液態(tài)金屬與氣體間的反應 焊接時，熔池周圍充滿了各種成分的氣體，這些氣體主要來自于周圍的空氣，焊件或焊條中的濕氣（水分），焊件表面的鐵銹、油脂和油漆受熱后蒸發(fā)出的氣體等。在這些氣體中，以氧、氮、氫對焊縫質(zhì)量的影響最大。 在第九章中已經(jīng)講到，氧的存在會造成許多金屬元素的燒損。氧與鐵形成的氧化鐵，不僅使鐵元素的量減少，還容易溶入焊縫中形成非金屬物夾雜，從而造成焊縫金屬性能的下降。氧還能與碳生成一氧化碳氣體，使焊縫中出現(xiàn)氣孔。為了減少氧的存在，應盡量采用較短的電弧，以避免大量的空氣接觸熔池金屬。焊前應對焊條進行烘干，潮濕或雨雪天不能戶外焊接，以避免大量的濕氣（H2O）因電離而分解出對焊縫金屬有害的氫氣和氧氣。在焊條藥皮或焊劑中加入脫氧劑可以有效地脫除焊縫金屬中的氧。 氮的存在會使焊縫的塑性和韌性下降，故對它的存在也應加以控制。焊縫中的氮主要來自于焊縫周圍的空氣，故焊接時一方面要采用較短的弧長，另一方面要加強溶池熔化金屬的保護。 氫的存在會給焊縫帶來一系列不利的影響。由于氫在液態(tài)金屬和固態(tài)金屬中的溶解度差別較大，故焊縫金屬冷卻后，過飽和的氫會在晶格缺陷中聚集而還原為氫分子，從而造成局部高壓，這個高壓會導致晶格缺陷擴展成微裂紋，進而擴展為宏觀裂紋。氫是眾多合金鋼焊縫冷裂紋產(chǎn)生的主要誘因，氫在逸出過程中容易產(chǎn)生氣孔，氫分散存在于金屬內(nèi)部時容易造成金屬的脆性，等等。由此可見，焊縫金屬中的氫必須嚴加控制。氫的主要來源是潮濕的焊接環(huán)境、焊條和焊劑中的水蒸汽，焊件上的油污及油漆在高溫下也會析出氫，因此焊接時應嚴格控制這些影響因素。除此之外，在焊條藥皮或焊劑中加入CaF2(即瑩石)，它可與氫生成HF而逸出。凡是加入CaF2的焊條稱為低氫型焊條。 液態(tài)金屬與焊條藥皮或焊劑的反應 在介紹這個反應之前，首先介紹一下焊條藥皮或焊劑的作用?？偲饋碇v，焊條藥皮或焊劑主要有以下作用：a、焊條藥皮或焊劑隨金屬填充物熔化后（對焊劑是部分熔化），將以熔渣的形式覆蓋在焊縫金屬表面上，從而保護高溫的焊縫金屬免遭空氣的侵害；b、由于熔渣中存在金屬鈉、鉀、鈣等元素的化合物等易電離介質(zhì)，可以使電弧中的電離條件得到改善，使電弧容易點燃，并穩(wěn)定燃燒，減少飛濺，保證焊縫成形良好；c、在焊條藥皮或焊劑中加入一些特定的物質(zhì)，可以達到對焊縫金屬進行脫氧、脫硫、脫磷的冶金目的；d、通過在焊條藥皮或焊劑中有意加入一些特定金屬元素，可以補償焊接過程中的金屬燒損。 根據(jù)焊條藥皮或焊劑的組成不同，可分為堿性焊條（焊劑）、酸性焊條（焊劑）和中性焊條（焊劑）三種。堿性焊條（焊劑）中的主要成分為Na2O、K2O、CaO、MgO、FeO、MnO等；酸性焊條（焊劑）中的主要成分為SiOTi2O、P2O5等；中性焊條（焊劑）的主要成分為Al2OFe2OV2O5等。酸性焊條的焊渣呈玻璃狀結構，外表發(fā)亮，容易形成光滑的焊縫。堿性焊條（焊劑）一般呈結晶狀，焊縫成形較差。 不同藥皮的焊條或焊劑，在焊縫的冶金反應中的作用是不同的。下面將結合冶金反應的目的來介紹它們的作用。 前面已經(jīng)講過，氧的存在會造成許多有用合金元素的燒損，或者易形成夾雜物，故焊條的藥皮或焊劑中常加入一些與氧親合力更高的元素如硅、錳、鈦、鋁等，并生成不溶于焊縫液態(tài)金屬的焊渣而排出。從這個角度來說，酸性、堿性、中性焊條或焊劑均能達到該目的。 第三章中已經(jīng)講過，硫的存在能與鐵生成FeS，并以低熔點的FeSFe（熔點為985℃）或FeSFeO(熔點為940℃)共晶存在于晶界上。在高溫下，這些共晶物容易引起材料的紅脆，降低材料的耐蝕性和材料的強度及塑性，在焊縫中它還容易導致結晶裂紋（熱裂紋）的出現(xiàn)。在焊接冶金反應中，往往在焊條藥皮或焊劑中加入比鐵對硫親合力更大的錳、鈣等元素，焊接時生成難溶于金屬溶液而容易溶于熔渣的MnS、CaS，從而達到脫硫的目的。從脫硫的目的來講，堿性焊條或焊劑更好些。磷在鋼中可全部溶于鐵素體中，使鐵素體難以變形，從而使鋼材呈現(xiàn)脆性。它也可能以Fe3P的形式存在，并與鐵形成低熔點共晶物分布于晶界上，但Fe3P與FeS不同，前者強度較高，會阻礙晶界的常溫變形，故總起來說，磷主要是導致金屬材料冷脆的有害元素。焊接冶金反應中脫磷的方法是靠FeO將磷氧化，然后再與CaO、MgO、MnO等生成復雜的磷酸鹽，從而達到脫磷目的。脫磷的反應式為： 2P + 5FeO P2O5 + Fe 2Fe3P + 5FeO P2O5 + 11Fe P2O5 + 4CaO 4CaOP2O5 CaOP2O5易溶于熔渣而排走。由此可見，只有堿性焊條才能脫磷，酸性焊條是不能脫磷的。 在焊接過程中，由于蒸發(fā)、氧化等原因，會損失一部分有用的合金元素，使焊縫的組織和性能受到影響。為了補償損失的合金元素，或者為了有意識地去改善焊縫金屬的組織和性能，可以在焊條藥皮或焊劑中加入相應的元素，使它們在焊縫冶金反應過程中熔入到焊縫金屬中，使焊縫的合金成分達到希望的要求。當然，在焊接材料中直接提高可能被燒損的合金元素含量或者有意識加入某些特定的合金元素也能達到該目的。對于氣體保護電弧焊，因為不存在焊條藥皮或焊劑，故只有通過改善焊接材料（焊絲）的成分來達到這個目的。 （三）焊接接頭的組織與性能 焊接接頭在經(jīng)歷了一個從熔化到凝固的結晶過程之后，其組織和性能相對于原材料金屬已發(fā)生了一系列變化，這個變化又直接影響到壓力管道的使用性和可靠性。為了便于理解，在介紹焊接接頭的組織和性能之前，先介紹幾個基本定義。 a、母材：被焊接的管子、管件等原構件稱為母材； b、焊接材料：焊絲、裸焊條等填充金屬與焊劑和焊條藥皮統(tǒng)稱為焊接材料； c、熔池：焊接時，被加熱熔化的母材和焊接材料處于一個池形固態(tài)金屬中，這一由固態(tài)金屬所形成的包圍液態(tài)金屬的池子稱為熔池； d、熔合線：熔池與母材的邊界線稱為熔合線。它實質(zhì)上也是焊接接頭的液態(tài)金屬與未被熔化的母材金屬的交界線。 e、焊縫：熔池內(nèi)的液態(tài)金屬凝固后所形成的區(qū)域稱為焊縫。顯而易見，焊縫是被熔合線所包絡的一個區(qū)域； f、熱影響區(qū)：熔合線外側的母材金屬，由于受到加熱的影響，在靠近熔合線的一段區(qū)域內(nèi)，將經(jīng)歷一次不同程度的熱處理，從而使其組織和性能也發(fā)生了不同于母材的變化。這樣的區(qū)域稱為熱影響區(qū)； g、焊接接頭：焊縫和其熱影響區(qū)總稱為焊接接頭。 由上述的各名詞定義中不難看出，焊接接頭相對于母材來說，其組織和性能的變化可以分為兩部分討論：其一是發(fā)生在焊縫區(qū)域內(nèi)的熔化結晶變化；其二是發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)的熱處理變化。 焊縫金屬的組織和性能 焊縫金屬在經(jīng)歷了一次熔化結晶過程之后，其組織和性能已完全不同于母材，此時的組織為鑄造組織，即為粗大的柱狀組織，鑄造組織中存在的缺陷它也可能存在（在下面的焊接缺陷部分中將詳細介紹）。但有別于鑄造組織的地方是，它可以通過焊接材料加入較母材金屬更多的合金元素，因此焊接接頭的機械性能要比鑄造材料高，有時焊縫金屬的機械性能能達到甚至超過母材金屬。通過改變焊接工藝，可以改變焊縫金屬的組織。例如，減少焊接電流，即減少加熱熱量和熔池體積，使焊縫金屬結晶速度加快，獲得的焊縫組織就比較細。工程上對厚壁管子、管件的焊接，常采用小電流多層焊的方法，就是基于這樣的道理；增大焊接速度，也能使結晶速度加快，獲得的組織也比較細；在焊接材料中，有意識地加入一些熔點較高的合金元素，可增加結晶時的晶核數(shù)量，從而達到細化晶粒的目的；焊接前的預熱會降低結晶速度，對改善組織是不利的，但它有助于防止某些合金焊接時的開裂問題。該問題將在下面講到。 焊縫熱影響區(qū)金屬的組織和性能 焊縫熱影響區(qū)的金屬由于經(jīng)歷了一次熱處理過程，故其組織和性能也將發(fā)生一系列變化。不難理解，由焊縫到母材的遠處，溫度是呈梯度分布的。焊縫金屬溫度最高，從焊縫到母材遠處，溫度逐漸降低。焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，由于距焊縫的距離不同，發(fā)生的熱處理并由此造成的金屬組織是不一樣的。根據(jù)所發(fā)生的熱處理和金屬的組織不同，可將熱影響區(qū)劃分為半熔化區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)、再結晶區(qū)和藍脆區(qū)等六個部分。見圖104所示。 a、半熔化區(qū)：它位于焊縫金屬與母材的交界處。在焊接過程中，該區(qū)域的金屬被加熱到半熔化狀態(tài)，金屬組織為鑄造組織和粗晶組織共存，組織的化學成分和機械性能有較大的不均勻性。因此，該區(qū)域金屬的機械性能較差，常常是產(chǎn)生裂紋和局部脆性的多發(fā)區(qū)。該區(qū)域較窄（~1mm），有時很難分出，但它對焊接接頭性能的影響卻是比較大的。 b、過熱區(qū)：該區(qū)域的金屬處在AC3以上100℃~200℃至固相線的溫度區(qū)間內(nèi)。即金屬處于過熱狀態(tài)，得到的組織相對于母材來說比較粗大，常出現(xiàn)過熱組織。該區(qū)域金屬的性能特點是沖擊韌性顯著降低，一般可降低25%~30%。它也是焊接接頭開裂的多發(fā)區(qū)。影響過熱區(qū)組織和性能的因素有焊 圖10－4 焊縫熱影響區(qū)接電流、高溫停留時間等。焊接電流過大，過熱現(xiàn)象越嚴重；氣焊加熱溫度雖然較低，但其加熱時間較長，故它比電弧焊更容易使焊接接頭的過熱區(qū)惡化。 c、正火區(qū) 該區(qū)域的金屬處于AC3以上100℃~200℃溫度區(qū)間內(nèi)，而且冷卻過程中一般為自然冷卻，故具有正火熱處理的過程特征和條件，得到的組織也為細晶粒的正火組織，其機械性能一般優(yōu)于母材性能。當然，如果母材原來就為正火組織，此時該區(qū)域的組織和性能則基本上不發(fā)生變化，或者由于再次被加熱而稍有一點負面影響。 d、部分相變區(qū) 該區(qū)域的金屬處于AC1至AC3溫度之間。溫度接近于AC3的部分，其珠光體和鐵素體能全部發(fā)生奧氏體轉變，冷卻時可得到晶粒較細的鐵素體和珠光體組織。溫度稍高于AC1的部分，一般只能發(fā)生珠光體向奧氏體的轉變，而由于溫度較低，鐵素體沒能發(fā)生奧氏體轉變，或者沒能完全轉變。沒能轉變的鐵素體會長大。因此，部分相變區(qū)的組織是一個不均勻的組織，其機械性能較差。同樣道理，如果母材本身就是正火組織，則此時只有晶粒長大的機會，故機械性能也會變差。 e、再結晶區(qū) 該區(qū)域的金屬被加熱到450℃至AC1溫度區(qū)間，處于再結晶的溫度范圍。當母材有加工變形時，會發(fā)生金屬的再結晶。當母材為正火組織（即不存在加工變形等問題時）時，不會發(fā)生再結晶，并且也沒有奧氏體的轉變，一般也不會發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象（因為溫度較低，時間又短），故此時該區(qū)域的組織沒有變化，金屬性能也沒有改變。 f、蘭脆區(qū) 該區(qū)域的金屬被加熱到200℃~500℃溫度區(qū)間，此時原母材中的少量殘余奧氏體可能發(fā)生轉變而出現(xiàn)馬氏體，且有少量的滲碳體從鐵素體中析出，并以細小的微粒存在于鐵素體中，使材料的強度和硬度略有升高，而塑性和韌性下降，有時甚至在焊接應力的作用下產(chǎn)生裂紋。蘭脆區(qū)的顯微組織基本上同母材組織。 由此可見，上述的六個區(qū)都會對母材的組織和（或）性能帶來一些變化，而且大多數(shù)帶來的都是不利影響，因此在焊接過程中，應盡量減少熱影響區(qū)的寬度，并通過適當?shù)臒崽幚砗秃附右?guī)范來消除其不利影響。 熱影響區(qū)的寬度一般是比較窄的，而且一般情況下，顯微鏡下只能看到過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)三個區(qū)域。以低碳鋼為例，在不同焊接方法中各區(qū)域的寬度見表102所示。表102 不同焊接方法的熱影響區(qū)寬度各焊接熱影響區(qū)的平均尺寸，mm熱影響區(qū)總寬，焊接方法過熱區(qū)正火區(qū)部分相變區(qū)mm手工電弧焊氣焊27埋弧自動焊~~ 三、焊接接頭缺陷 前面已經(jīng)講過，焊接接頭包括焊縫及其熱影響區(qū)兩部分，熱影響區(qū)的組織和性能特點已作了詳細介紹，也提到了焊縫本身的組織為鑄造組織，那么鑄造組織常出現(xiàn)的缺陷也容易出現(xiàn)在焊縫中。但焊縫與鑄件兩者也有不同之處，焊縫本身液態(tài)金屬少，結晶速度快，故它出現(xiàn)偏析和縮松的可能性和嚴重性不如鑄件。壓力管道中的焊縫由于受結構的影響，其焊接變形較難發(fā)生，從而容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應力（結晶速度快同樣也是導致焊接應力產(chǎn)生的一個重要原因，下面將詳細介紹）。較大的焊接殘余應力容易使焊接接頭產(chǎn)生裂紋，還容易使材料的耐腐蝕性降低。由于這些差別，有必要將焊縫中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷及防止方法進行介紹。 （一）焊接殘余應力及焊接變形焊接殘余應力及焊接變形的產(chǎn)生被熔化的焊縫金屬，在冷卻過程中將會收縮。就壓力管道的焊縫來說，焊縫金屬的收縮可能以三種型式出現(xiàn)：其一是橫向（即沿管道長度方向）收縮，它使管道的結構長度趨于變短，使熔合線金屬處于拉應力狀態(tài)；其二是縱向（即徑向）收縮，它使焊縫金