焊接化学冶金过程的特点
第一章 焊接化学冶金
一、焊条熔化及熔池的形成
（一）焊条的加热及熔化
1、焊条的加热 电阻热： 1) 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻 热。 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。 2) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。 化学反应热： 3) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应 时产生的热量。 时产生的热量。
第一章 焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金
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（二）熔滴过渡特性的影响 ①焊接电流I的变化 I ↑ t 滴 ↓ 冶金反应不充分 ②焊接电压V的变化 U ↑ 弧长↑t ↑ 冶金反应 滴 充分
第一章 焊接化学冶金
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五、焊接化学冶金系统及其不平衡性
• 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统 • 焊接区的不等温条件排除了焊接冶金系统平衡的可 能性 • 焊接化学冶金系统的不平衡性包含：成分不均匀、 焊接化学冶金系统的不平衡性包含：成分不均匀、 温度不相同、反应条件的不相同。 温度不相同、反应条件的不相同。 • 不能直接用热力学平衡的计算方法来定量的分析焊 接化学冶金问题， 接化学冶金问题，但做定性分析是有一定科学依据 的。
第一章 焊接化学冶金
本节结束
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第二节 气相与金属的作用
一、焊接区内的气体
（一）气体的来源和产生 来源： 来源：1.焊接材料
2.气体介质 3.焊丝和母材表面上的油锈等杂质。 4.金属和熔渣的蒸发产生的气体
CO 成分： 、 CO 2 、 H 成分： 金属及熔渣蒸气
2
、 H 2 O 、 O 2、 N
2
第一章 焊接化学冶金
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２.氢在焊缝中分布 氢在焊缝中分布
（1）氢沿长度方向的分布基本均匀 但裂口处含氢量较高。 （2）氢沿焊接接头横断面的分布 （3）母材与焊缝的匹配
焊接冶金
3.2.2 氮的作用
根据氮与金属的作用特点，可分为两种情 况进行讨论： ①与氮不发生作用的金属，如铜和镍等， 它们既不溶解氮，又不形成氮化物。所以 焊接这些金属时可以用氮气作为保护气体。 ②与氮发生作用的金属，如铁、锰、钛、 硅、铬等，它们既溶解氮，又形成氮化物。 所以焊接这些金属及其合金时就要防止焊 缝金属的氮化。
3.3.3 氧对焊接质量的影响
焊缝中的氧不论以何种形式存在，对焊缝的性 能都有很大的影响： 降低焊缝的力学性能 [O]↑→焊缝的强度、塑性、韧性↓↓ ，尤其 低温冲击韧性急剧下降 （2）增加焊缝的冷脆与热脆敏感性 （3）降低焊缝导电性、导磁性、耐蚀性等物 化性能 （4）使焊缝中有益的合金元素烧损，并造成 飞溅和气孔。
③沉淀脱氧（置换脱氧） 这是置换氧化的逆反应。它的原理是利用溶于液态 金属中的脱氧剂和[FeO]反应，把铁还原，而且要求 脱氧产物浮入渣中。沉淀脱氧比先期脱氧进行的彻 底，是最重要的脱氧方法。下面介绍几种常见的脱 氧反应： 碳脱氧 [C]+[FeO]=CO↑+[Fe] 锰脱氧 [Mn]+[FeO]=(MnO)+[Fe] 硅脱氧 [Si]+2[FeO] =(SiO2)+2[Fe] 硅锰联合脱氧
3.1.3控制氢的措施
（4） 焊后脱氢处理 焊后加热焊件，促使氢扩散外逸，从而减 少接头中含氢量的工艺叫做脱氢处理。 焊后将焊件加热到350℃保温一小时，或加 热到250℃保温6-8小时，可促使大部分氢 扩散逸出。
3.2 氮对金属的作用
3.2.1 氮的来源 焊接周围的空气是电弧气相中氮的主要来 源。尽管焊接时采取了保护措施（药皮保 护、气保护等），但总有或多或少的氮侵 入焊接区，与熔化金属发生作用。
焊接冶金学(基本原理)
绪论一、焊接过程的物理本质1.焊接：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问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。
物理本质：1）宏观：焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不可拆卸性（永久性）2）微观：焊接是在焊件之间实现原子间结合。
2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？从理论来讲，就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。
然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。
这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。
为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：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。
二、焊接热源的种类及其特征1）电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。
2）化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源。
3）电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。
4）高频感应热：对于有磁性的金属材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。
如高频焊管等。
5）摩擦热：由机械摩擦而产生的热能作为热源。
6）等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和动能，利用这种能量进行焊接。
7）电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为热源。
8）激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。
焊接化学冶金反应区及反应条件
焊接化学冶金反应区及反应条件焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。
以手工电弧焊为例，加以讨论。
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。
1）水分蒸发T 100C0，吸附水蒸发。
2）某些物质分解T在200--250℃时，有机物分解；300--400℃时，结晶水及化合水分解。
结晶水：有金属键的联系。
化合水指不是以单一水分子形式存在。
白泥：Al2Si2O5(OH)42MnO2=MnO+O22Fe2O3=4FeO+O2 (赤铁矿)2、熔滴反应区指熔滴形成、长大脱离焊条过渡到熔池之前。
特点：1）温度高熔滴平均温度1800~2400℃熔滴活性斑点温度：2800℃熔滴金属过热度大 300—900℃2）与气体、熔渣的接触面积大比表面积大F比=1000—10000cm2/Kg比炼钢时大1000倍，弧柱空间的熔滴尺寸最小直径0.01- 3)时间短、速度快在焊条端停留时间：0.001-0.1S穿过弧柱时间：10-4—10-3S４）熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌混合。
主要冶金反应：金属蒸发；气体的分解和溶解；氧化－还原；掺合金。
３熔池反应区1）熔池温度度1600～1900℃2) 接触面积小F比=3—130Cm2/Kg3) 时间长手工焊时为3-8S 埋弧焊6-25S4)搅拌没有熔滴阶段激烈5)熔池温度不均匀(SiO2)+2[Fe]=[Si]+2FeOlgK Si=(FeO)2[Si]/(SiO2) =-13460/T+6.04(MnO)+[Fe]=[Mn]+ FeOlgK Mn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.16A F=[SiO2]+042B12(MnO)]/100B1Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)K=a MnO/a Mn.a FeO=γMnO.(MnO)/a MnO.a FeO。
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绪论一、焊接过程的物理本质1。
焊接：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问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接.物理本质:1）宏观:焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不可拆卸性（永久性）2）微观：焊接是在焊件之间实现原子间结合.2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？从理论来讲，就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的.然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面,在微观上也会存在凹凸不平之处,更何况在一般金属的表面上还常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。
这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。
为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：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。
二、焊接热源的种类及其特征1) 电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。
2) 化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源。
焊接化学冶金
(二) 保护的方式和效果
1 埋弧焊：利用焊剂及其熔化以后形成的熔渣隔离空气保护金 属的，焊剂保护效果取决于焊剂的粒度和结构。 2 气体保护焊：保护效果取决于保护气的性质与纯度。惰性气 体(氩、氦等)保护效果好，用于合金钢和化学活性金属及其 合金。 3 渣-气联合保护：焊条药皮和焊丝药芯一般是由造气剂、造渣 剂和铁合金等组成，这些物质在焊接过程中形成渣-气联合保 护。 4 真空：真空保护效果是最理想的，如真空度高于0.0133Pa的 真空室内进行电子束焊接，把氧和氮有害作用减至最小。
t max
L v
m tcp vAw
Aw，焊缝截面积
3 熔池的温度
熔池各处的温度不均匀。
熔池前部，母材就不断地熔化 熔池中部具有最高的温度。
熔池后部的温度逐渐降低。
低碳钢熔池的平均温度约为 1770±100 ℃。
图1-4熔池的温度分布 1-中部 2-前部 3-后部
4 熔池中流体的运动状态 熔池中液体金属发生强烈运动，使熔池中 热量和质量传输过程得以进行。 1 运动方向 熔化的母材由熔池前部，沿结晶前沿的弯 曲表面向熔池的后部运动； 熔池的表面上，液态金属由熔池的后部向 中心运动。 2 运动作用 a) 使母材和焊条金属充分混合，形成成分 均匀的焊缝金属。 b) 有利于气体和非金属夹杂物外逸，加速 冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔)，提高 焊接质量。
电弧热：焊条熔化、使液体金属过热和蒸发的主要能源。
2 焊条金属的平均熔化速度 平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。平均熔化速 度与焊接电流成正比 。gM=G/t=αpI 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。gD=GD/t=αHI 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。
第九讲 焊接化学冶金反应区
第九讲焊接化学冶金反应区教学目的：掌握焊接化学冶金反应区三个阶段的特点及温度分布情况；了解焊接参数变化对焊接化学冶金的影响。
教学重点：焊接化学冶金反应区的特点及温度分布情况。
教学难点：焊接化学冶金反应区的特点及温度分布情况。
教学方法：讲述法课时分配：2课时教学内容：焊接冶金过程的特点之一是：反应分区域（阶段）连续进行的。
焊条电弧焊时，反应从焊条端部开始，通过弧柱区而到达熔池，最后形成焊缝而终止。
药皮反应区整个反应分为熔滴反应区熔池反应区三个区的温度不同，所发生的具体反应不同，但又是相互衔接而连续。
一、药皮反应区温度在100℃至药皮的熔点之间，主要发生水分蒸发，有机物、碳酸盐和高价氧化物分解，析出H2、O2、和大量的CO2等气体。
如：C a CO3——C a+ CO22MnO2——MnO+ O2这些气体一方面对熔池形成机械保护作用，另一方面将使药皮及液体金属中的合金元素氧化。
如：2Mn+ O2=2MnOMn+H2O= MnO+ H2Mn+ CO2= MnO+ CO反应结果使电弧气氛的氧化性减弱，即所谓的“先期脱氧”。
药皮反应区是整个冶金过程的准备阶段。
二、熔滴反应区温度最高，可达1800～2000℃，熔滴与气相和熔渣接触面积大，而且在过渡过程中液体金属与熔渣表面发生强烈的混合，因而虽然反应时间短，但反应最为激烈。
其中主要反应有：金属的蒸发、气体的分解与溶解、氧化物的分解、金属的氧化与还原等。
因此，熔滴反应区对焊缝的质量影响最大。
三、熔池反应区熔滴与熔渣进入熔池后与熔化的母材接触并熔合，从而进入熔池反应区。
平均温度较低，约为1600～1900℃，单位体积表面积较小，尽管反应时间长些，但反应远不如熔滴反应区激烈。
此外，熔池头部与尾部分别处于升温与降温过程，对同一反应来说，在头部和尾部进行的方向可能相反。
总之，焊接化学冶金过程是分区域连续进行的。
在熔滴阶段进行的反应多数将在熔池中继续，但也有的反应停止甚至改变方向。
焊接冶金学复习提纲
焊接冶⾦学复习提纲焊接冶⾦学复习提纲注：编者⽔平有限，如总结不全，可⾃⾏翻阅教材及课件，祝考试周顺利，新年快乐！焊接冶⾦学考题类型⼀、焊接概念及术语解释5*2分=10分⼆、选择20*1分=20分三、判断20*1分=20分四、简单题4*5分=20分五、论述题3*10分焊接复习课重点概括1、焊接概念题举例：焊接热循环的定义2、简答题举例：低碳调制钢的要点（焊材、⼯艺、焊接⽅法）⼯艺：起弧板、收弧板？线能量控制？多层焊层间温度？焊前预热？焊前清理？3、论述题举例：奥式体不锈钢的要点及困难。
要点见上题。
困难有热裂纹倾向⼤，结晶裂纹为最；晶间腐蚀4、熔池、熔滴的特点5、为什么要焊接保护？eg：熔渣保护6、熔合⽐的定义7、溶度过渡形式8、⽓体的种类及来源：C、H、O与⾦属作⽤，H（扩散氢、溶解氢、⽩点、氢⽓孔、裂纹）9、熔池的⼤⼩等与焊接线能量有关10、焊接线能量的定义11、⾦属焊接性的定义？如何评价？eg：碳当量的定义12、可⽤焊接接头的硬度来代替检测是否淬硬13、熔渣分酸性和碱性，⼯艺上酸性好，但碱性的⼒学性能好14、如何⼯艺上评价熔渣15、⽓孔的分类及来源：H、N⽓孔16、裂纹的分类？出现在什么材料中？产⽣的原因？17、焊接接头的概念？（焊缝、热影响区、部分母材的组成、组织、⼒学性能不均、显微偏析、层状偏析）18、焊接热循环的定义19、脆化和软化20、提⾼焊缝性能的⽅法：合适的焊接⽅式、焊接线能量，细化组织21、CCT图，淬硬倾向与⽣成的⾦相组织，eg：铁素体、马⽒体？22、脱硫脱氧的⽅法23、不同钢材与铝焊接性的要点绪论1、焊接定义：通过加热或加压或两者并⽤，使⽤或不使⽤填充材料，使被焊⼯件达到原⼦间结合⽽形成永久性连接的⼯艺过程。
2、焊接的物理本质：⾦属形成⾦属键结合；塑料形成共同的分⼦链。
宏观上形成永久性的接头，微观上组织上建⽴内在联系3、焊接⽅法⼀般分三⼤类：熔化焊、压⼒焊、钎焊4、焊接热源的种类及其特性电弧热、化学热、电阻热、摩擦热、等离⼦焰、电⼦束、激光束、超声波5、焊件上加热区的热能分布(1) 活性斑点区：活性斑点区是带电质点（电⼦和离⼦）集中轰击的部位，并把电能转为热能(2) 加热斑点区：加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进⾏的. 在该区内热量的分布是不均匀的，中⼼⾼，边缘低，形如⽴体⾼斯锥体第⼀章焊接化学冶⾦第⼀节焊接化学冶⾦过程的特点⼀、焊条的加热及熔化1、焊条⾦属的加热电弧焊时，⽤于加热和熔化焊条或焊丝的热能有：电阻热（可忽略）、电弧热（主要因素，占总功率的⼀⼩部分）、化学反应热（可忽略）。
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研究目的：利用规律合理选择焊接材料，控制焊缝成分 和性能，使之符合使用要求；研发新的焊接材料。
2.1.1 焊接化学冶金过程的特点
焊接过程中对金属的保护
焊接过程保护的必要性：无保护下焊接，焊缝 金属与母材和焊丝比较发生了很大变化。
保护方式
熔渣保护
气体保护
渣气联合保护 真空保护 保护效果以焊缝金 属中氮的含量评价。
当焊条金属在焊接过程有损失时
Cw Cb (1 )Cd
多层焊时，如各层熔合比恒定，n层金属成分
Cn Cd (Cd Cb ) n
因此，要保证焊缝金属和性能的稳定性， 必须严格控制焊接工艺条件，使熔合比稳定； 堆焊时，需要调节焊接规范使熔合比尽可能小， 减少母材成分对堆焊层性能的影响；异种钢焊 接熔合比对焊缝成分和性能影响很大，要根据 熔合比选择焊接材料。
综上所述：熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小， 且在整个反应过程中的贡献较小；但在某些情 况下（大厚药皮）熔池反应也有相当大的作用。
焊接工艺条件与化学冶金反应的关系
焊接化学冶金过程与焊接工艺条件有密切关系。改 变焊接工艺条件（焊接方法、焊接规范）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，影响到冶金过程。
熔合比的影响
熔合比：焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例。 熔合比的数值取决于焊接方法、规范、接头型式和尺寸、 坡口型式和角度、母材性质、焊接材料种类以及焊条的 倾角。
当母材和填充金属的成分不同时，熔合比对焊缝金 属的成分有很大的影响。
当焊接时无任何金属损失时
C Cb (1 )Ce
物理条件
- 温度相对低 - 比表面小 - 反应时间稍长 化学条件 1600～1900℃，且分布不均。 3～130cm2/kg 3～8s
- 浓度差小，反应速度↓
- 药皮重量系数Kb影响 - 熔池反应是不断更新的
药皮重量系数Kb：单位长度上药皮与焊芯的质量比
Kb大时，有部分药皮只参与熔 池反应。
假设存在一临界药皮厚度h0，在 h0外的药皮所形成的熔渣不与 熔滴接触，只与熔池发生作用。
熔滴过渡特性的影响
熔滴阶段
I↑反应时 间t↓；V↑ 反应时间t↑
焊接化学冶金系统及其不平衡性
焊接化学冶金系统是一个复杂的高温 多相反应系统。
说明不能直接应用热力学平衡的计算 公式定量分析焊接冶金化学问题，但作为定 性分析还是有益的。
焊接化学冶金反应区及其反应条件
焊接化学冶金反 应是分区域连续进行 的，且反应条件有较 大差异。
药皮反应区
温度：100℃～熔点 反应：水蒸发、物质分解和铁合金氧
- T>100℃吸附水蒸发，200～400℃结晶水 被排除，化合水需要更高温度才能析出 - 有机物、碳酸盐分解 - 铁合金氧化——先期脱氧
药皮反应阶段是一准备阶段，对质量有一定影响
熔滴反应区
温度高 斑点温度：2800℃，平均1800～2400℃ 比表面大 作用时间短 约为炼钢的1000倍 反应主要在焊条末端进行
熔滴与渣发生强烈的混合 ——对焊缝金属的成分影响非常大 反应：气体分解、溶解、金属蒸发、氧化还原、合金化
熔池反应区
2 焊接化学冶金
2.1 焊接化学冶金
焊接化学冶金过程：焊接区内各种物质之间在高温下相 互作用的过程，这是一个极为复杂的物理化学变化过程。 该过程对焊缝金属的成分、性能，焊接缺陷以及工艺性 能有很大影响。
焊接化学冶金学主要研究各种焊接工艺条件下，冶金反 应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。