第二章 焊接化学冶金(修改)

焊缝
36.4
12
34
焊接工艺条件对化学冶金反应的影响

熔滴过渡特性的影响

焊条（Ф2.5mm,kb=0.7）

I↑→ 熔滴存在时间 ↓→ 反应进行程度 ↓→ Si%↓ U↑→ 熔滴存在时间 ↑ →反应进行程度 ↑→ Si% ↑
150A
220A
240A 410A 药芯焊丝（ Ф4mm,kb=0.66)

保护的方式

机械隔离保护方式：把熔化金属和空气隔开。


熔渣：埋弧焊（SMA）、电渣焊（ESA） 气体：GTAW，GMAW，CO2、PAW 熔渣＋气体:手工焊（SMAW），自保护药芯焊 （FCAW） 真空：电子束焊（EBW） 在焊材中加入脱氧、脱氮剂，通过某些冶金反应， 使得焊缝中的有害杂质进入熔渣。
13
电流极性
DCSP 或 DCEN
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。
Ab Ab Ad
Ab-熔化母材的面积 Ad-熔敷金属的面积
29
熔合比概念示意图
焊接工艺条件对化学冶金反应的影响

熔合比取决于：

焊接方法 规范 接头形式 板厚 坡口形式 母材、焊材类型 焊条（丝）的倾角等
铝合金焊接坡口形式对熔合比的 影响
30
焊接工艺条件对化学冶金反应的影响
熔滴反应区为冶金反应最激烈的部位。
25
焊接化学冶金反应区—熔滴反 应区

主要物化反应有：

气体的高度分解 氢气和氮气的激烈溶解 激烈的增氧反应

气氛中二氧化碳、水蒸气和氧气的直接氧化 熔渣中的（FeO)向熔滴中的分配（扩散）氧化 熔渣中的（MnO)、(SiO2)的置换氧化 药皮、焊剂、焊芯中的合金剂均能使熔滴强烈地合金化。

假设焊接时合金元素没 有任何损失，则焊缝中 某合金元素的浓度C0与 熔合比的关系为：



C0＝ Cb+(1- )Ce --(1)
如果已知Cd, Cb, 就可以 求出焊缝的化学成分。 结论：改变熔合比，就 可以改变焊缝金属的化 学成分。
式中符号含义:

若考虑焊条中的合金元 素有损失，而母材中的 合金元素无损失，则焊 缝金属中合金元素的实 际浓度Cw为：

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 334~390 5~10
性能指标 α(°) αk(J/cm2)
母材 180 >147.0
焊缝 20~40 4.9~24.5
σ b(N/mm2) 390~440 δ(%)

25~30
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。
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
3
2-1焊接化学冶金过程的特点

焊条熔化及熔池形成
焊条 药皮 焊芯 焊渣 电弧
保护气氛
焊缝
熔池 母材
焊条电弧示意图
4
焊条的加热

第二章 焊接化学冶金 Chemical Reaction in Welding
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
焊接化学冶金：焊接区内各种物质在高温下相互作用的过 程。
9.8 4.0 11.60
8
熔滴及其过渡形式
1-粘滞力


熔滴（droplet）：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 移过程。
2-气体膨胀力 和吹力 3-惯性力 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

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
7
焊条熔化速度
几种焊条的p 、 H 、 药皮类型 钛钙型 钛铁矿型 低氢型 钛钙铁粉型 焊条牌号 J422 J423 J507 J422Fe p /（g/A.h） H /(g/A.h) 8.1 10.1 8.42 8.15（系指焊 芯而言） 7.3 9.7 7.74 10.76 /（%）
本节结束
37
焊接材料

焊接时所消耗的材料统称为焊接材料 (Welding Consumables)
焊接材料
焊条
焊丝 实芯焊丝 药芯焊丝
焊剂 熔炼焊剂
保护气体
烧结焊剂
38
焊条
焊芯 药皮
39
焊条

焊条的型号是以国家标准为依据，反映 焊条主要性能的一种表示方法。
熔敷金属中硅含量与电弧电 压和电流的关系
35
Question:

焊接化学冶金反应的特点



焊接冶金过程是分区域连续进行的 焊接冶金反应具有超高温的特征 冶金反应界面大 反应过程时间短 熔池金属处于不断运动状态
(√ ) (√ ) (√ ) (√ ) (√ )
36
小结

重点掌握一些基本概念 焊条加热热源 焊条熔滴过渡的形式 焊接化学冶金反应的特点
19
氮、氧、氢对焊缝性能的影响
氮 钢 强度上升，韧 性下降 氧 韧性下降，但 如果促使形成 针状铁素体， 韧性提高。 氢 形成氢致裂纹
奥氏体或双相钢
导致铁素体含 量下降，结晶 裂纹
铝合金
钛合金 强度上升，塑 性下降
氧化膜形成夹 杂
强度上升，塑 性下降
形成气孔，降 低强度和塑性
20
焊接过程中对金属的保护

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。
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
焊条端部熔滴上各种力示意图
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。
10
熔滴及其过渡形式-焊条熔滴过渡
a) 颗粒过渡(globular transfer) 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。

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 例常数 热输入E→L
焊接熔池形状示意图
17
焊接熔池及其特征


化学反应热

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

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
27
焊接化学冶金反应区


焊接化学冶金过程是分区域连续进行的， 各阶段冶金反应的综合结果，决定了焊 缝金属的最终化学成分。 Q：影响化学冶金反应的因素有哪些？

材料成分（母材、焊材） 工艺条件
28
焊接工艺条件对化学冶金反应的影响

★熔合比(dilution) 的影响

焊缝金属中局部熔化 的母材所占的比例称 为熔合比。
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
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) 直流反极性：DCRP（direct current reverse polarity)或DCEP（direct current electrode positive)
24
焊接化学冶金反应区—熔滴反 应区


从熔滴的形成、长大到过渡至熔池中都属于熔 滴反应区。 该区的特点是：