第二章 焊接化学冶金(修改)
定义：单位时间内熔敷金属的质量
焊条的熔敷系数H (g/A.h)
gD＝GD/t＝ HI H＝（1－）p， 为损失系数
是真正反映焊接生产率的指标
精品课件
7
焊条熔化速度
药皮类型
钛钙型 钛铁矿型 低氢型 钛钙铁粉型
几种焊条的p 、 H 、
焊条牌号
p /（g/A.h） H /(g/A.h)
J422 J423 J507 J422Fe
保护的目的是：
减少焊缝中有害杂质的影响及 减少有益合金元素的损失。
精品课件
19
氮、氧、氢对焊缝性能的影响
例常数 热输入E→L
精品课件
焊接熔池形状示意图
17
焊接熔池及其特征
熔池的质量和存在时间
手弧焊0.6g~16g，埋弧焊小于100g 熔池存在的最大时间：tmax=L/v ，v为焊速
熔池的温度分布不均匀 熔池中的液态金属处于不断运动状态
有利于焊缝成分均匀化。 有利于气体和非金属夹杂物的外逸。
第二章 焊接化学冶金 Chemical Reaction in
Welding
精品课件
1
Base metal
母材
焊接材料 Filler metal
化学冶金反应 Chemical reaction
焊缝成分与 性能
Weld metal composition and mechanical properties
焊渣 焊缝
焊条熔化及熔池形成
焊芯
电弧
熔池
母材
焊条电弧精示品课意件 图
4
焊条的加热
电阻热
电流通过焊芯时产生的（主要用于加热药皮）
正常焊接时，电阻热对焊芯的预热作用不大
通常，在同样的焊接电流密度条件下，不锈钢焊条 比碳钢焊条更易发热一些。
电弧热qe
电弧热主要加热焊条端部及邻近区域 （约10mm)
a) 颗粒过渡(globular transfer)
b) 熔滴呈粗大颗粒状向熔池 自由过渡。－长弧焊时发生
b) 喷射过渡（spray transfer)
c) 附壁过渡（slag-wall transfer)
d) 爆炸过渡（explosive transfer)
熔滴在形成、长大或过渡过程 中，由激烈的冶金反应，在熔 滴内部产生CO气体，使熔滴 急剧膨胀发生爆裂而形成的一 种过渡形式。
qe=eIU ( e=0.2～0.27)
(1)
化学反应热
很少，可忽略不计
精品课件
5
焊条熔化速度
平均熔化速度gm（melting rate)
定义：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度
一般用熔化系数p表示
单位时间内单位电流所熔化焊芯的质量， g/A.h
gm=G/t=pI (g/h) p与电流极性，药皮成分及厚度有关
母材上由熔化的焊条 金属与局部熔化的母 材所组成的具有一定 几何形状的液体金属。 如果焊接时不填充金 属，则熔池仅由局部 熔化的母材组成。
精品课件
16
焊接熔池及其特征
熔池的形状和尺寸
描述焊接熔池的特征尺 寸有：
熔池的长度L； 最大深度Hmax ; 最大宽度Bmax
I → Bmax , Hmax U → Bmax , Hmax L=P2q=P2UI , p2为比
焊接化学冶金：焊接区内各种物质在高温下相互作用的过 程。
精品课件
2
本章主要内容
❖ 焊接化学冶金的特殊性 ❖ 焊接区内的气体和焊接熔渣 ❖ 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用
❖ 气体与金属的反应 ❖ 渣与金属的反应
❖ 焊缝金属的合金化及其成分控制
精品课件
3
2-1焊接化学冶金过程的特点
焊条 药皮
保护气氛
加入易电离物质， p减小 含有强烈放热的物质（如铁粉）， p增加
不能反映真正的焊接生产效率
精品课件
6
焊条熔化速度
平均熔敷速度gD(deposition rate)
熔敷金属（deposited metal)：完全由填充材料熔 化后所形成的焊缝金属。
焊缝金属(weld metal)：熔
10.1
9.7
8.42
7.74
8.15（系指焊 10.76 芯而言）
/（%）
9.8 4.0 11.60
精品课件
8
熔滴及其过渡形式
1-粘滞力
熔滴（droplet）：
2-气体膨胀力 和吹力
3-惯性力
在电弧热的作用下， 焊条（丝）端部熔化 形成的滴状液态金属。
熔滴过渡（metal transfer）:熔滴通过 电弧空间向熔池的转
直流反极性：DCRP（direct current reverse polarity)或DCEP（direct current electrode positive)
精品课件
13
电流极性
DCSP 或 DCEN
精品课件
DCRP 或 DCEP
14
熔滴的特性
熔滴的比表面积S大
S＝Ag/Vg
（㎝2/kg)
其中，Ag－熔滴的表面积
Vg －熔滴的质量 若为球体熔滴，则S＝3/(R)
R → S
熔滴的比表面积越大，则金属与熔渣和气相的相互
作用越强，即有利于加强冶金反应。
熔滴与周围介质相互作用时间短
熔滴的温度高
手工电弧焊焊接低碳钢:2100~2700K
精品课件
15
焊接熔池及其特征
熔池（weld pool)
精品课件
18
§2-1焊接化学冶金过程的特 点—焊接过程中对金属的保护
保护的必要性
低碳钢无保护焊时焊缝的性能
性能指标 母材
焊缝 性能指标
σb(N/mm2) 390~440 334~390 α(°)
δ(%)
25~30
5~10 αk(J/cm2)
母材 180 >147.0
焊缝 20~40 4.9~24.5
精品课件
11
熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡
颗粒过渡(globular transfer)也称为粗熔 滴过渡
精品课件
12
熔滴及其过渡形式
影响因素
药皮成分与厚度
焊芯直径
焊接电流与极性
直流正极性：DCSP（direct current straight polarity) 或 DCEN（direct current electrode negative)
4-材料蒸发斥 力
5-等离子体吸 力
7-静电力
8-表面张力
9-电磁收缩力
10-重力
移过程。
焊条端部熔滴上各种力示意图
精品课件
9
熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡
短路过渡（circuit－short transfer)
通常发生在电弧长度较短时，即短弧焊时。
精品课件
10
熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡
焊条的熔敷系数H (g/A.h)
gD＝GD/t＝ HI H＝（1－）p， 为损失系数
是真正反映焊接生产率的指标
精品课件
7
焊条熔化速度
药皮类型
钛钙型 钛铁矿型 低氢型 钛钙铁粉型
几种焊条的p 、 H 、
焊条牌号
p /（g/A.h） H /(g/A.h)
J422 J423 J507 J422Fe
保护的目的是：
减少焊缝中有害杂质的影响及 减少有益合金元素的损失。
精品课件
19
氮、氧、氢对焊缝性能的影响
例常数 热输入E→L
精品课件
焊接熔池形状示意图
17
焊接熔池及其特征
熔池的质量和存在时间
手弧焊0.6g~16g，埋弧焊小于100g 熔池存在的最大时间：tmax=L/v ，v为焊速
熔池的温度分布不均匀 熔池中的液态金属处于不断运动状态
有利于焊缝成分均匀化。 有利于气体和非金属夹杂物的外逸。
第二章 焊接化学冶金 Chemical Reaction in
Welding
精品课件
1
Base metal
母材
焊接材料 Filler metal
化学冶金反应 Chemical reaction
焊缝成分与 性能
Weld metal composition and mechanical properties
焊渣 焊缝
焊条熔化及熔池形成
焊芯
电弧
熔池
母材
焊条电弧精示品课意件 图
4
焊条的加热
电阻热
电流通过焊芯时产生的（主要用于加热药皮）
正常焊接时，电阻热对焊芯的预热作用不大
通常，在同样的焊接电流密度条件下，不锈钢焊条 比碳钢焊条更易发热一些。
电弧热qe
电弧热主要加热焊条端部及邻近区域 （约10mm)
a) 颗粒过渡(globular transfer)
b) 熔滴呈粗大颗粒状向熔池 自由过渡。－长弧焊时发生
b) 喷射过渡（spray transfer)
c) 附壁过渡（slag-wall transfer)
d) 爆炸过渡（explosive transfer)
熔滴在形成、长大或过渡过程 中，由激烈的冶金反应，在熔 滴内部产生CO气体，使熔滴 急剧膨胀发生爆裂而形成的一 种过渡形式。
qe=eIU ( e=0.2～0.27)
(1)
化学反应热
很少，可忽略不计
精品课件
5
焊条熔化速度
平均熔化速度gm（melting rate)
定义：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度
一般用熔化系数p表示
单位时间内单位电流所熔化焊芯的质量， g/A.h
gm=G/t=pI (g/h) p与电流极性，药皮成分及厚度有关
母材上由熔化的焊条 金属与局部熔化的母 材所组成的具有一定 几何形状的液体金属。 如果焊接时不填充金 属，则熔池仅由局部 熔化的母材组成。
精品课件
16
焊接熔池及其特征
熔池的形状和尺寸
描述焊接熔池的特征尺 寸有：
熔池的长度L； 最大深度Hmax ; 最大宽度Bmax
I → Bmax , Hmax U → Bmax , Hmax L=P2q=P2UI , p2为比
焊接化学冶金：焊接区内各种物质在高温下相互作用的过 程。
精品课件
2
本章主要内容
❖ 焊接化学冶金的特殊性 ❖ 焊接区内的气体和焊接熔渣 ❖ 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用
❖ 气体与金属的反应 ❖ 渣与金属的反应
❖ 焊缝金属的合金化及其成分控制
精品课件
3
2-1焊接化学冶金过程的特点
焊条 药皮
保护气氛
加入易电离物质， p减小 含有强烈放热的物质（如铁粉）， p增加
不能反映真正的焊接生产效率
精品课件
6
焊条熔化速度
平均熔敷速度gD(deposition rate)
熔敷金属（deposited metal)：完全由填充材料熔 化后所形成的焊缝金属。
焊缝金属(weld metal)：熔
10.1
9.7
8.42
7.74
8.15（系指焊 10.76 芯而言）
/（%）
9.8 4.0 11.60
精品课件
8
熔滴及其过渡形式
1-粘滞力
熔滴（droplet）：
2-气体膨胀力 和吹力
3-惯性力
在电弧热的作用下， 焊条（丝）端部熔化 形成的滴状液态金属。
熔滴过渡（metal transfer）:熔滴通过 电弧空间向熔池的转
直流反极性：DCRP（direct current reverse polarity)或DCEP（direct current electrode positive)
精品课件
13
电流极性
DCSP 或 DCEN
精品课件
DCRP 或 DCEP
14
熔滴的特性
熔滴的比表面积S大
S＝Ag/Vg
（㎝2/kg)
其中，Ag－熔滴的表面积
Vg －熔滴的质量 若为球体熔滴，则S＝3/(R)
R → S
熔滴的比表面积越大，则金属与熔渣和气相的相互
作用越强，即有利于加强冶金反应。
熔滴与周围介质相互作用时间短
熔滴的温度高
手工电弧焊焊接低碳钢:2100~2700K
精品课件
15
焊接熔池及其特征
熔池（weld pool)
精品课件
18
§2-1焊接化学冶金过程的特 点—焊接过程中对金属的保护
保护的必要性
低碳钢无保护焊时焊缝的性能
性能指标 母材
焊缝 性能指标
σb(N/mm2) 390~440 334~390 α(°)
δ(%)
25~30
5~10 αk(J/cm2)
母材 180 >147.0
焊缝 20~40 4.9~24.5
精品课件
11
熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡
颗粒过渡(globular transfer)也称为粗熔 滴过渡
精品课件
12
熔滴及其过渡形式
影响因素
药皮成分与厚度
焊芯直径
焊接电流与极性
直流正极性：DCSP（direct current straight polarity) 或 DCEN（direct current electrode negative)
4-材料蒸发斥 力
5-等离子体吸 力
7-静电力
8-表面张力
9-电磁收缩力
10-重力
移过程。
焊条端部熔滴上各种力示意图
精品课件
9
熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡
短路过渡（circuit－short transfer)
通常发生在电弧长度较短时，即短弧焊时。
精品课件
10
熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡
合集下载
第二章 焊接化学冶金反应1
3
（Zn=907℃）
（ CO2 在 熔 滴 反 应阶段的氧化程 度大于熔池）
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
素在焊缝金属中的原始浓度（Co）与熔合化（θ） 间的关系。 Co =θCb+(1-θ)Ce Cb—该元素在母材中的浓度 Ce—该元素在焊条中的浓度 实际上，焊条中 Me 在焊接过程中是有损失的（飞溅） ，而母 材中的 Me 几乎全部过渡到焊缝中，因此焊缝金属中 Me 的实际浓 度 Cw =θCb+(1-θ)Cd Cd-熔敷金属中元素的实际浓度 多层焊时：Cn=θCb+(Cd-Cb)θn Cn—第几层堆焊中 Me 的浓度 （2）熔合比的取决因素： 焊接方法、规范、接头形式及尺寸、坡口的型式、角度， 母材的性质，焊村的种类，焊丝（条）的倾角。 2、熔滴过渡特性的影响（熔滴反应区） 熔滴过渡特性主要取决于焊接规范。 （1）Ih↑—熔滴过渡频率↑—反应时间↓—反应程度↓ （2）U 弧↑—熔滴的反应阶段时间↑—反应程度↑ 以上讨论可以看出，母材一定的条件，影响焊缝成份的因 素：一是焊接材料，二是焊接工艺规程。 四、焊接化学冶金系统的不平衡性 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统 1、焊接方法不同，组成系统的相不同 SAW、SMAW：三相：液态金属，熔渣、气相 气体保护焊：二相：气相、液态金属 电渣焊：二相：渣相、液态金属 2、焊接区的不等温条件导致化学冶金的不平衡
2
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
过渡速度 v=2.5～10m/s （4）熔滴和熔渣发生强烈的混合 d=2-3mm 2、物化反应： （1）金属的蒸发，黄铜 cu-Zn 防止 Zn 蒸发和 Zn 中毒 （2）气体的分解和溶解 (H2O)气、CO、CO2、H2、N2 （3）金属及其合金的氧化和还原 [Fe]+CO2→FeO+CO 气体对金属的氧化 (SiO2)+Fe→FeO+Si 液态熔滴对金属的氧化的氧化 MnO+Fe→FeO+Mn （4）焊缝金属的合金化 （三）熔池反应区： 1、熔池反应区的物理条件 （1）熔池的平均温度低 1600-1900℃ （2）比表面积小 3-130cm2/kg （3）熔池的持续时间长（反应时间长）SMAW:3-8S SAW:6-25S （4）温度分布不均匀 熔池的头部：金属的熔化，气体的吸收-有利于吸热反应 熔池的尾部：金属的凝固，气体的逸出-有利于放热反应 2、熔池反应区的化学条件 （1）熔池中反应物的浓度与平衡浓度之比比熔滴区小-----反 应速度慢。 （2）药皮重要系数 kb 大时，与熔池作用的熔渣比熔滴多--反应充分。 （3）熔池反应区的物质是不断更新的---更新可达到稳定，从 而得到均匀的焊缝成份。 总之，焊接化学冶金反应过程是分区进行的（连续进行的） 。 在熔滴阶段进行的反应多数在熔池反应阶段将继续进行，但也有 停止甚至于改变方向的，其综合结果决定了焊缝的最终成份。 ※在焊材、母材一定的条件下，要得到高质量的焊缝，就必 须从焊接工艺控制焊接化冶金反应。 三、焊接工艺与化学冶金反应的关系 改变焊接工艺条件（方法、规范）必然引起冶金条件的变化 （反应物的数量、种类、温度、反应时间等） ，也就影响到冶金 反应的过程。 1、熔合比的影响：对焊缝金属的成份有很大的影响 （1）熔合比：在焊缝金属中局部熔化母材所占的比例 假设合金元素 Me 在焊接过程中无损失时，某元
（Zn=907℃）
（ CO2 在 熔 滴 反 应阶段的氧化程 度大于熔池）
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
素在焊缝金属中的原始浓度（Co）与熔合化（θ） 间的关系。 Co =θCb+(1-θ)Ce Cb—该元素在母材中的浓度 Ce—该元素在焊条中的浓度 实际上，焊条中 Me 在焊接过程中是有损失的（飞溅） ，而母 材中的 Me 几乎全部过渡到焊缝中，因此焊缝金属中 Me 的实际浓 度 Cw =θCb+(1-θ)Cd Cd-熔敷金属中元素的实际浓度 多层焊时：Cn=θCb+(Cd-Cb)θn Cn—第几层堆焊中 Me 的浓度 （2）熔合比的取决因素： 焊接方法、规范、接头形式及尺寸、坡口的型式、角度， 母材的性质，焊村的种类，焊丝（条）的倾角。 2、熔滴过渡特性的影响（熔滴反应区） 熔滴过渡特性主要取决于焊接规范。 （1）Ih↑—熔滴过渡频率↑—反应时间↓—反应程度↓ （2）U 弧↑—熔滴的反应阶段时间↑—反应程度↑ 以上讨论可以看出，母材一定的条件，影响焊缝成份的因 素：一是焊接材料，二是焊接工艺规程。 四、焊接化学冶金系统的不平衡性 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统 1、焊接方法不同，组成系统的相不同 SAW、SMAW：三相：液态金属，熔渣、气相 气体保护焊：二相：气相、液态金属 电渣焊：二相：渣相、液态金属 2、焊接区的不等温条件导致化学冶金的不平衡
2
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
过渡速度 v=2.5～10m/s （4）熔滴和熔渣发生强烈的混合 d=2-3mm 2、物化反应： （1）金属的蒸发，黄铜 cu-Zn 防止 Zn 蒸发和 Zn 中毒 （2）气体的分解和溶解 (H2O)气、CO、CO2、H2、N2 （3）金属及其合金的氧化和还原 [Fe]+CO2→FeO+CO 气体对金属的氧化 (SiO2)+Fe→FeO+Si 液态熔滴对金属的氧化的氧化 MnO+Fe→FeO+Mn （4）焊缝金属的合金化 （三）熔池反应区： 1、熔池反应区的物理条件 （1）熔池的平均温度低 1600-1900℃ （2）比表面积小 3-130cm2/kg （3）熔池的持续时间长（反应时间长）SMAW:3-8S SAW:6-25S （4）温度分布不均匀 熔池的头部：金属的熔化，气体的吸收-有利于吸热反应 熔池的尾部：金属的凝固，气体的逸出-有利于放热反应 2、熔池反应区的化学条件 （1）熔池中反应物的浓度与平衡浓度之比比熔滴区小-----反 应速度慢。 （2）药皮重要系数 kb 大时，与熔池作用的熔渣比熔滴多--反应充分。 （3）熔池反应区的物质是不断更新的---更新可达到稳定，从 而得到均匀的焊缝成份。 总之，焊接化学冶金反应过程是分区进行的（连续进行的） 。 在熔滴阶段进行的反应多数在熔池反应阶段将继续进行，但也有 停止甚至于改变方向的，其综合结果决定了焊缝的最终成份。 ※在焊材、母材一定的条件下，要得到高质量的焊缝，就必 须从焊接工艺控制焊接化冶金反应。 三、焊接工艺与化学冶金反应的关系 改变焊接工艺条件（方法、规范）必然引起冶金条件的变化 （反应物的数量、种类、温度、反应时间等） ，也就影响到冶金 反应的过程。 1、熔合比的影响：对焊缝金属的成份有很大的影响 （1）熔合比：在焊缝金属中局部熔化母材所占的比例 假设合金元素 Me 在焊接过程中无损失时，某元
焊接(第2章)
真空
真空电子束焊接
自保护
用含有脱氧、脱氧剂的“自保护 ‘焊丝进行焊接
注意：要获得与母材性能相同的焊缝金属，不要求二者的化学成分完全一样。
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
3）机械保护作用
•焊条药皮、药芯焊丝一般由造气剂、造渣剂、铁合 金等组成。这些物质熔化后形成熔渣覆盖在液体金属 表面，将金属与空气隔离，防止金属中有益元素的烧 损和有害元素的侵入。
4）飞溅率Ψ
aH = mH /It
Ψ = (m- mH )/m = 1- aH /ap
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
3 焊条金属的过渡特性
1）熔滴过渡参数
•焊条金属熔化后，只有一小部分（<10％）的蒸发损失， 而90％的是以滴状过渡到熔池中。
• 熔滴过渡的速度和熔滴的尺寸影响焊接过程的稳定性、 飞溅程度、焊缝的成形好坏。
因此，焊接的金属与气体的作用可归结为 氢、氮、氧的作用。
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
二 氢对熔池金属的作用 1.氢在金属中的熔解
2.氢的扩散 3.氢对焊接质量的影 ( 1）氢脆性：
（2）白点：
（3）气孔： （4）冷裂纹：
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
4 控制氢的措施 （1）限制焊接材料中氢的来源：焊接材料中 的有机物和各形式的水分是焊缝中氢的主要来 源。 （2）清除焊件和焊丝表面的杂质： （3）冶金处理： （4）控制焊接参数： （5）焊后脱氢处理：
化工机械研究所
第2章 焊接化学冶金过程
三 熔渣的碱度 1 定义
碱度是表征熔渣碱性强弱的一个量。 2 氧化物分类
•酸性氧化物：
SiO2，TiO2，P2O5，V2O5(由强至弱)
焊接化学冶金知识概述
焊接化学冶金知识概述1. 焊接的定义焊接是一种通过加热和熔化填充材料来连接金属或非金属的工艺。
焊接常用于工业制造、建筑结构、航空航天和汽车等领域。
2. 焊接的基本原理焊接的基本原理是利用热能将工件加热到熔点或熔化状态，然后通过填充材料或者使工件之间发生扩散、合金化等方式实现连接。
3. 焊接的分类3.1 按焊接方式分类•熔化焊：包括气体焊、电弧焊、激光焊等。
•压力焊：如冷压焊和高频电磁铁焊等。
•固态焊接：如超声波焊接、摩擦焊接等。
3.2 按焊接材料分类•金属焊接：主要包括钢铁焊接、铝及其合金焊接等。
•非金属焊接：如塑料焊接、陶瓷焊接等。
4. 焊接过程中的化学反应焊接过程中常涉及几种重要的化学反应，包括氧化反应、还原反应和合金化反应。
4.1 氧化反应在焊接过程中，工件与氧气接触会导致氧化反应的发生。
氧化反应会产生氧化物，降低焊接接头的质量和强度。
因此，焊接过程中需要采取控制氧气的措施，如铜嘴焊接时采用保护气体。
4.2 还原反应焊接过程中，一些还原剂可以用来减少氧化反应，并将金属离子还原为金属形态。
常用的还原剂包括草酸、亚硫酸盐等。
这些还原剂可以在焊接过程中加入填充材料或采用保护气体形式。
4.3 合金化反应合金化反应是指在焊接过程中，工件之间发生化学反应，形成新的金属合金。
这种合金化反应可以增强焊接接头的强度和耐腐蚀性能。
5. 焊接中的冶金知识焊接冶金是焊接中重要的一部分，它涉及到金属的物理性质、热力学和组织变化等方面。
5.1 金属物理性质焊接过程中，金属的物理性质如导热性、熔点、膨胀系数等都会对焊接产生影响。
了解金属的物理性质有助于选择适合的焊接方法和工艺参数。
5.2 金属热力学热力学是研究能量转化和系统平衡的科学。
在焊接过程中，热力学的知识可以用来预测金属的相变行为、溶解度等。
这对于选择合适的焊接材料和研究焊接接头的稳定性非常重要。
5.3 组织变化焊接过程中，金属的组织会发生变化，这对焊接接头的性能有巨大影响。
第2章 焊接化学冶金
低碳钢CO2堆焊时熔滴过渡频率f和过渡 时间τ与硅的氧化损失率φ的关系
2. 焊接区气相对金属的作用
(1) 氮对金属的作用Fra bibliotek氮对焊缝金属常温力学性能的影响
氮对低碳钢焊缝低温冲击韧度的影响
(2) 氢对金属的作用
第一类金属吸收氢的浓度与温度的关系 (PH2=101KPa)
熔渣中水的溶解度与熔渣碱度B的关系 （CaO-Al2O3-SiO2渣系，1600℃，PH2=101KPa）
材料连接原理
第2章 焊接化学冶金
主要内容 ▲ 焊接化学冶金过程的特点 ▲ 焊接区气相对金属的作用 ▲ 焊接熔渣及其对金属的作用 ▲ 焊缝金属的合金过渡
1. 焊接化学冶金过程的特点
(1) 焊接区的金属保护
熔敷金属中的含氮量与药芯中 保护材料含量的关系
焊条熔化时析出气体的数量V 对熔敷金属含氮量的影响
焊后脱氢处理对焊缝含氢量的影响
(3) 氧对金属的作用
液态铁中氧的溶解度与温度的关系
合金元素含量对液态铁中氧的溶解度 影响（1600℃）
氧（以FeO形式存在）对低碳 钢常温力学性能的影响
低碳钢埋弧焊时硅酸盐夹杂物对焊 缝低温冲击韧度的影响
1—0.028%~0.030 2—0.034%~0.053% 3—0.104%~0.110% 4—0.196%
(2) 焊接化学冶金反应区
焊接化学冶金反应区 Ⅰ—药皮反应区 Ⅱ—熔滴反应区
T2—焊条端部熔滴温度 T5—熔池凝固温度 Ⅲ—熔池反应区 T1—药皮开始反应温度 T3—弧柱间熔滴温度 T4—熔池最高温度
(3) 工艺条件对化学冶金反应的影响
熔敷金属中含硅量与电弧电压和焊接电流的关系
焊条（Φ2.5mm，Kb=0.7 ）： 1—I=150A 2—I=220A 药芯焊丝（Φ4mm，Kb=0.66）： 3—I=240A 4—I=410A
第二章 焊接化学冶金
4
不同点： 1）原材料不同
普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。 焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。
2）目的不同
普冶：提炼金属； 焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能
5
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：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。 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。
（一）氢在金属中的溶解 1、来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物、
焊件表面杂质（锈、油），空气中水分
根据氢与金属作用的特点，可把金属分为
第一类能形成稳定氢化物金属： Zr、Ti、V、Ta、Nb 放热反应，低温下吸氢量较高温大 第二类不形成稳定氢化物的金属：Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo 吸热反应
21
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 ３) 时间短速度快：0.01~1.0s ４) 熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌、混合。
主要的物化反应：
6
2、焊条金属的熔化速度
焊条金属的平均熔化速度:
单位时间内熔化的焊芯质量或长度
gM=G/t =αpI
αp为焊条熔化系数
焊条金属的平均熔敷速度：
单位时间内熔化的进入熔池的焊芯质量或长度
gD=GD/t=αHI 损失系数
αH为焊条熔敷系数
(G GD ) / G ( g M g D ) / g D 1 aH / a p
18
02-焊接化学冶金过程
熔焊方法的保护方式
保护方式 熔渣保护 气体保护 气-渣联合保护 真空保护 自保护 焊接方法 埋弧焊、电渣焊、不含造气物质的焊条或药心芯焊接 惰性气体或其它气体（如二氧化碳、混合气体）保护焊接 具有造气物质的焊条或药芯焊丝焊接 真空电子束焊接 含有脱氧、脱硫剂的“自保护”焊丝进行焊接
二、焊接化学冶金过程的特点
E5015
但由于冶金时间短，脱硫、脱磷反应来不及充分进行， 但由于冶金时间短，脱硫、脱磷反应来不及充分进行， 总的来说，酸性焊条和碱性焊条的脱硫、 总的来说，酸性焊条和碱性焊条的脱硫、脱磷效果仍较 因此，严格的控制母材和焊接材料中的硫、 差。因此，严格的控制母材和焊接材料中的硫、磷的来 源是控制焊缝金属中含硫量含磷量的主要措施
氧对焊接质量的影响 烧损大量的有益元素，使焊缝的强度、硬度、塑性、 烧损大量的有益元素，使焊缝的强度、硬度、塑性、 韧性↓ 。 韧性↓（尤其是冲击韧性降低明显） 降低焊缝金属的物理性能和化学性能。 降低焊缝金属的物理性能和化学性能。 如：降低导电、导磁和耐蚀性。 氧与碳、氢反应生成不溶于金属的CO和H2O,结晶时来不及 逸出而在焊缝内形成气孔 形成气孔。 形成气孔 产生飞溅，使电弧不稳。 产生飞溅，使电弧不稳。 控制氧的措施： 短弧焊接，加强保护。 短弧焊接，加强保护 严格清理焊丝、焊件表面的杂质。 严格清理焊丝、焊件表面的杂质。 进行冶金脱氧。 进行冶金脱氧
磷在焊缝中主要以铁的磷化物Fe P、Fe P的形式存在。 Fe 2 3 硫、磷的危害 硫、磷是焊缝中的有害杂质。 FeS与α-Fe、FeO等形成低熔点共晶体(FeS+α-Fe、 低熔点共晶体(FeS+α Fe、 低熔点共晶体(FeS+ FeS+FeO)，聚集在晶界上形成液态薄膜，在焊接拉应力 FeS+FeO) 作用下导致晶界处开裂，产生热裂纹 产生热裂纹。 产生热裂纹 硫还能引起偏析，降低焊缝金属的冲击韧性和耐腐蚀性。 硫还能引起偏析，降低焊缝金属的冲击韧性和耐腐蚀性。 磷与硫一样可以与铁形成低熔点共晶体(Fe P+P)，聚 低熔点共晶体(Fe P+P)， 低熔点共晶体 3 集在晶界上，产生热裂纹。 集在晶界上，产生热裂纹。 磷化物削弱了晶粒间的结合力，增加冷脆性， 磷化物削弱了晶粒间的结合力，增加冷脆性，使冲击韧 性降低，造成冷裂。 性降低，造成冷裂。
第二章 化学冶金(2013版)
②碳酸盐的分解 a.空气中:分解物 开始 剧烈 CaCO3 545 ℃ 910 ℃ MgCO3 325 ℃ 650 ℃ b.BaCO3分解温度比CaCO3高 c.白云石CaMg(CO3)2分解分两步进行： CaMg(CO3)2 CaCO3 +MgO+CO2 Caபைடு நூலகம்+CO2 d.焊条烘干温度： 含CaCO3的焊条 ＜450 ℃ 含MgCO3的焊条 ＜300 ℃ 含有机物的焊条 ＜200 ℃
（2）化学条件
①熔池反应体系中各相浓度接近平衡浓
度，反应速度小 ②药皮质量系数Kb 大时，有部分熔渣直 接进入熔池，参与并强化熔池反应 ③熔池反应物质处在连续更新过程，且 维持准稳定状态
（3）特点
①熔池反应速度小，程度小，对整个 化 学冶金过程贡献小 ②主要化学冶金反应同熔滴阶段，但 程 度和方向有可能改变
③熔渣性质与结构的关系 A.熔渣碱度B
a.分子理论：
R2O、RO ——碱性氧化物（K2O、Na2O、 CaO、MgO、BaO、MnO、 FeO ）摩尔数 R2O2——酸性氧化物（SiO2、TiO2、 P2O5）摩尔数 （中性氧化物有:Al2O3、Fe2O3、Cr2O3）
(R O RO) B (R O )
总之，熔滴反应区反应时间较短，但温 度高，相互接触面积大，反应最为激烈，对 焊缝的影响最大
（2）主要冶金反应
①气体的分解和溶解 ②金属的氧化、还原 ③合金化 ④金属蒸发
3.熔池反应区
（1）物理条件 ①与熔化的母材充分混合 ②熔池的平均温度较低 （1600~1900°C） ③比表面积小（3~130cm3/kg） ④时间从几s到几十s ⑤温度分布不均匀（在熔池头部的反应 与熔池尾部的不一样）
焊接原理PPT电子教案课件-第二章 焊接化学冶金
（2）氢在金属中溶解
与Zr、Ti、V、Ta 等形成稳定的氢化物； 与Al、Fe、Ni、Cu、Cr 等不形成稳定氢化物.
三种溶解方式：
分子形式，离子形式，原子形式
(3)氢在焊缝金属中的存在形式及其扩散
氢在焊缝金属中的存在形式：
扩散氢[H]D :
以H、H+或H-形式存在于金属焊缝中, 形成间隙固溶体. 因氢原子和氢离子半径很小，可在焊缝金属的晶格中自由扩散——扩散氢.
药皮反应区 熔滴反应区
熔池反应区
图2-1
Ⅰ 药皮反应区：100℃~药皮熔化
主要化学反应：① 水分的蒸发
② 某些物质的分解 ③ 铁合金的氧化
T>600℃ 铁合金明显氧化，气相的氧化性大大降低 ——“先期脱氧” 熔滴从形成、长大直至过渡到熔池之中 Ⅱ 熔滴反应区：
特点： ① 熔滴温度高
② 熔滴与气体和熔渣的接触面积大 ③ 各相之间反应时间短 ④ 熔滴与熔渣发生强烈的混合
Po n0 n n0 n 1 V 2 2 kP 4 RT n n0 n Po
2
n0 n 2 V 2 4 RT n (n0 n)
2
1 1 [ 2 1] 4P a KP K P 4P
即：a
将 kP= f(T)、P= 1 atm = 101 kp 等关系代入上式，即可算出 上述图2-2所示的 a-T关系图.
50 40 30 20
H2 N2 L α
600
10
0
γ δ
1000
1400 1800
2200 2600
T/℃
图2-3 氮和氢在铁中的溶解度与温度的关系
图中可看出：
(1) 氮在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大；
《焊接化学冶金》课件
结语
随着焊接技术的不断发展，焊接化学冶金在工业制造中越来越重要。我们有 信心，随着更多的人加入研究队伍，这个领域的发展会更加迅速。
《焊接化学冶金》PPT课 件
本课件介绍了焊接化学冶金的基础知识、焊接过程中的化学现象、焊接材料 的化学性质、焊接质量的化学分析和焊接化学冶金在工程中的应用等知识。
焊接化学冶金的定义
焊接化学冶金的含义
焊接化学冶金是焊接技术中的一个重要分支，它包括焊接过程中的热力学基础、气体反应、 金属反应、焊接材料的化学成分、热力学性质和电化学性质以及焊接质量的化学分析等内容。
焊接化学冶金在航空航天 中的应用
介绍了焊接化学冶金在航空航天 领域中的广泛应用，包括飞机外 壳、引擎组装等方面。
焊接化学冶金在建筑工业 中的应用
介绍了焊接化学冶金在建筑领域 中的应用，包括建筑外壳、钢结 构等方面。
焊接化学冶金在机械制造 中的应用
介绍了焊接化学冶金在机械制造 领域中的应用，包括汽车制造、 船舶制造等方面。
推荐使用的化学分析方法包括X射线荧光分析、 光谱法、质谱法、中子活化分析、电极分析法、 扫描电镜等。
常用的金相分析方法包括金属显微镜检测、光电 子探针、电子背散射衍射、手持式毛细管等。
常用的断裂分析方法包括断口形貌分析法、金相 显微镜观察法、扫描电镜、能谱分析、红外线光 谱及质量证券等。
焊接化学冶金在工程中的应用
介绍了焊接过程中热力学基础的知识，包括温度、能量和焓等方面的常见术语及 其含义。
2
焊接过程中的气体反应
介绍了焊接过程中的气体反应，包括氧化、氢气和氮化等方面的化学现象。
3
焊接过程中的金属反应
介绍了焊接过程中金属反应，包括合金元素的加入、氧化还原反应以及析出物等 方面的知识。
第2章-焊接化学冶金1
(2)反应不同步 熔池的温度分布极不均 匀，其前部温度比后部高。
(3)具有一定的搅动作用 在气流、等离 子流以及由于熔池温度分布不匀造成的 液态金属密度差异和表面张力差异等因 素的综合作用下，熔池中的液态金属会 发生有规律的对流和搅动，有助于加快 反应速度，也为气体和非金属夹杂物的 外逸创造了条件。
13
2.1.2 焊接化学冶金的反应区
3.熔池反应区 (1)反应速度低 与熔滴相比，熔池平均 温度较低，约为1600～1900℃；熔池比 表面积较小，约为300～1300cm2/kg；熔 池存在时间稍长，但也不超过几十秒， 如焊条电弧焊时为3～8s，埋弧焊时为6 ～25s。
•20921-2a
2.1.2 焊接化学冶金的反应区
Mo 4804
第2章 焊接化学冶金
主要内容
第一节 焊接化学冶金过程特点 第二节 气相与金属的作用 第三节 熔渣与金属的作用 第四节 合金过渡
焊接化学冶金过程特点
焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊 接区内各种物质之间在高温下相互 作用的过程。
要点：各种物质包括气体、液态金 属、熔渣。
普通化学冶金过程和焊接化学 冶金过程对比
•20921-2a
• 反应的不平衡性
• 复杂的高温多相系统
–液态金属 –熔渣 –电弧气氛
• 焊接区内不等温条件→整个系统不可能平衡 • 系统的个别反应：短暂的平衡.
§ 2-2 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
气体的来源
➢ 焊接材料、保护气体 ➢ 焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等 ➢ 物质的蒸发
➢ 100 ℃：吸附水蒸发 ➢ 400-600 ℃：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除
(3)具有一定的搅动作用 在气流、等离 子流以及由于熔池温度分布不匀造成的 液态金属密度差异和表面张力差异等因 素的综合作用下，熔池中的液态金属会 发生有规律的对流和搅动，有助于加快 反应速度，也为气体和非金属夹杂物的 外逸创造了条件。
13
2.1.2 焊接化学冶金的反应区
3.熔池反应区 (1)反应速度低 与熔滴相比，熔池平均 温度较低，约为1600～1900℃；熔池比 表面积较小，约为300～1300cm2/kg；熔 池存在时间稍长，但也不超过几十秒， 如焊条电弧焊时为3～8s，埋弧焊时为6 ～25s。
•20921-2a
2.1.2 焊接化学冶金的反应区
Mo 4804
第2章 焊接化学冶金
主要内容
第一节 焊接化学冶金过程特点 第二节 气相与金属的作用 第三节 熔渣与金属的作用 第四节 合金过渡
焊接化学冶金过程特点
焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊 接区内各种物质之间在高温下相互 作用的过程。
要点：各种物质包括气体、液态金 属、熔渣。
普通化学冶金过程和焊接化学 冶金过程对比
•20921-2a
• 反应的不平衡性
• 复杂的高温多相系统
–液态金属 –熔渣 –电弧气氛
• 焊接区内不等温条件→整个系统不可能平衡 • 系统的个别反应：短暂的平衡.
§ 2-2 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
气体的来源
➢ 焊接材料、保护气体 ➢ 焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等 ➢ 物质的蒸发
➢ 100 ℃：吸附水蒸发 ➢ 400-600 ℃：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除