《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第二章
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焊接化学冶金知识概述PPT(89张)
化学成分。 （3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。
焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区内的金属加强保护，以免 受空气的有害作用。
(二) 保护的方式和效果
1 埋弧焊：是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。
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=αpI
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。
G G DgMgD1 H
G
gM
P
熔敷速度才是反映焊接生产率指标 H(1 ) P
目前还不能从理论上精确地计算出熔滴温度，只能作为定性的参 考。
●随焊丝直径的增大，熔滴的温度降低。
●低碳钢熔滴的平均温度在2100~2700 K的范围内。
（二）熔池的形成
熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态 金属部分就是熔池。
熔池是由熔化的焊条金属与局部熔化的母材金属所组成的。 若用非熔化极进行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。
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。
图1-5 TIG焊 钛合金时熔池 中金属的流向
二 焊接过程中对金属的保护
(一) 保护的必要性 （1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中
氧和氮的含量。 （2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的
(2)熔滴的比表面积和相互作用时间 熔滴的比表面积:表面积与质量之比：
焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区内的金属加强保护，以免 受空气的有害作用。
(二) 保护的方式和效果
1 埋弧焊：是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。
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=αpI
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。
G G DgMgD1 H
G
gM
P
熔敷速度才是反映焊接生产率指标 H(1 ) P
目前还不能从理论上精确地计算出熔滴温度，只能作为定性的参 考。
●随焊丝直径的增大，熔滴的温度降低。
●低碳钢熔滴的平均温度在2100~2700 K的范围内。
（二）熔池的形成
熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态 金属部分就是熔池。
熔池是由熔化的焊条金属与局部熔化的母材金属所组成的。 若用非熔化极进行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。
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。
图1-5 TIG焊 钛合金时熔池 中金属的流向
二 焊接过程中对金属的保护
(一) 保护的必要性 （1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中
氧和氮的含量。 （2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的
(2)熔滴的比表面积和相互作用时间 熔滴的比表面积:表面积与质量之比：
焊接冶金原理02焊接热过程课件2
2.2焊接温度场
2.2.4焊接温度场的有限单元法 1、温度场有限单元法理论基础（略）
➢ 有限差分法无论是在空间还是时间上均采用插商的方法迭代求取 不同时间与不同位置的节点温度值；而有限单元法是通过整体的 观点利用变分原理求取空间上某一时刻的所有节点温度值，而温 度场随时间的变化采用差分法迭代求解。
➢ 有限差分法不含有网格内部的温度信息，仅求取节点温度；而有 限元法通过插值函数能够比较精确地反应单元内部任意一点的温 度信息；
3、高温停留时间
➢高温持续时间可以是相变温度停留时间； ➢分为加热过程的停留时间t’和冷却过程的停留时间t’’。
4、冷却速度
➢ 冷却速度是决定热影响区组织性能最重要的参数之一； ➢ 常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变
化，如采用800~500℃的冷却时间t8/5，800~300℃的冷却时间t8/3 和从缝值温度Tm冷却至100℃的冷却时间t100等
焊缝边界t8/5与线能量E之间的关系
峰值温度TP与线能量E及T0的关系
3、预热温度的影响
2.4 焊接热循环
焊缝边界附近热循环曲线特性与E及T0的关系
4、接头尺寸形状的影响
2.4 焊接热循环
接头尺寸形状对t8/5的影响
5、焊道长度的影响
2.4 焊接热循环
焊道长度对瞬时冷却速度ωc的影响 （E=19kJ/cm）
1、浮力
熔池内部浮力对流原理示意图
采用计算的方法可以对铝合 金定点熔池的浮力对流进行 大概估计： ➢ 液体金属沿着熔池轴线向
上流动，沿着熔池边界向 下流动； ➢ 最大速度是沿着熔池轴向 的，大约2cm/s； ➢ 由于加热熔化时金属膨胀， 熔池表面比工件表面略高。
2.3焊接对流传热
2.2.4焊接温度场的有限单元法 1、温度场有限单元法理论基础（略）
➢ 有限差分法无论是在空间还是时间上均采用插商的方法迭代求取 不同时间与不同位置的节点温度值；而有限单元法是通过整体的 观点利用变分原理求取空间上某一时刻的所有节点温度值，而温 度场随时间的变化采用差分法迭代求解。
➢ 有限差分法不含有网格内部的温度信息，仅求取节点温度；而有 限元法通过插值函数能够比较精确地反应单元内部任意一点的温 度信息；
3、高温停留时间
➢高温持续时间可以是相变温度停留时间； ➢分为加热过程的停留时间t’和冷却过程的停留时间t’’。
4、冷却速度
➢ 冷却速度是决定热影响区组织性能最重要的参数之一； ➢ 常采用某一温度范围内的冷却时间来讨论热影响区组织性能的变
化，如采用800~500℃的冷却时间t8/5，800~300℃的冷却时间t8/3 和从缝值温度Tm冷却至100℃的冷却时间t100等
焊缝边界t8/5与线能量E之间的关系
峰值温度TP与线能量E及T0的关系
3、预热温度的影响
2.4 焊接热循环
焊缝边界附近热循环曲线特性与E及T0的关系
4、接头尺寸形状的影响
2.4 焊接热循环
接头尺寸形状对t8/5的影响
5、焊道长度的影响
2.4 焊接热循环
焊道长度对瞬时冷却速度ωc的影响 （E=19kJ/cm）
1、浮力
熔池内部浮力对流原理示意图
采用计算的方法可以对铝合 金定点熔池的浮力对流进行 大概估计： ➢ 液体金属沿着熔池轴线向
上流动，沿着熔池边界向 下流动； ➢ 最大速度是沿着熔池轴向 的，大约2cm/s； ➢ 由于加热熔化时金属膨胀， 熔池表面比工件表面略高。
2.3焊接对流传热
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；
焊接温度场
焊接加热过程中的热效率（或称功率有效系数）h＜1
q hUI
式中：q 为电弧的有效功率[J/S] U 为电弧电压[V] I 为焊接电流[A]
h 为功率有效系数
不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊 电子束及 电渣焊 TIG焊 激光焊
MIG焊
钢
铝
h 0.77~ 0.77~ >0.9
0.87 0.90
电子束
Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激辐射光放大）：经过聚焦产生能量高度集中 的激光束作为焊接热源
激光束
等离子焰
电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流，它本身携带 大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源（等离子 焊接、切割和喷涂）
热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场分 布也就不同。 热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离 子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。
2.焊接参数
有效热功率与焊接速度影响最大
随焊接速度v的增加,等温线的范围变小（a） 随热源功率q的增加,温度场范围随之增大（b） 等比例改变q和v时,等温线有所拉长（c）
.
第二章 焊接冶金学基本原理
焊接热过程
焊接热过程
.
1. 焊接热源 2. 焊接温度场 3. 焊接热循环
1.1 焊接热源的类型及特征
利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产 生的热能为焊接热源。电弧热是目前应用最广泛的 焊接热源，如手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气保焊。
电弧热
气焊：利用助燃（氧 气）和可燃气体（乙 炔）或铝、镁热剂进 行化学反应时所产生 的热能作为焊接热源。
q hUI
式中：q 为电弧的有效功率[J/S] U 为电弧电压[V] I 为焊接电流[A]
h 为功率有效系数
不同焊接方法的h
焊接方法 手弧焊 埋弧焊 电子束及 电渣焊 TIG焊 激光焊
MIG焊
钢
铝
h 0.77~ 0.77~ >0.9
0.87 0.90
电子束
Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激辐射光放大）：经过聚焦产生能量高度集中 的激光束作为焊接热源
激光束
等离子焰
电弧放电或高频放电产生高速电离的离子流，它本身携带 大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源（等离子 焊接、切割和喷涂）
热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场分 布也就不同。 热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。等离 子焊时，热量集中，加热范围仅为几毫米的区域。
2.焊接参数
有效热功率与焊接速度影响最大
随焊接速度v的增加,等温线的范围变小（a） 随热源功率q的增加,温度场范围随之增大（b） 等比例改变q和v时,等温线有所拉长（c）
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第二章 焊接冶金学基本原理
焊接热过程
焊接热过程
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1. 焊接热源 2. 焊接温度场 3. 焊接热循环
1.1 焊接热源的类型及特征
利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产 生的热能为焊接热源。电弧热是目前应用最广泛的 焊接热源，如手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气保焊。
电弧热
气焊：利用助燃（氧 气）和可燃气体（乙 炔）或铝、镁热剂进 行化学反应时所产生 的热能作为焊接热源。
焊接化学冶金及焊缝金属的合金化
一、焊条熔化及熔池形成
（一）焊条的加热及熔化
1、焊条的加热 a)电阻热：焊接电流通过焊芯时将产生电阻热，使焊芯和药皮温度升高。 正常焊接规范手弧焊，电阻热对焊芯预热作用不大； 大电流密度焊接，电阻热过大，焊芯和药皮的温升过高，不良后果，如 药皮开裂或脱落，丧失冶金作用、飞溅增加、焊缝成形变坏，甚至产生 气孔等缺陷。不锈钢（尤其是奥氏体钢热导率约为低碳钢的1/3，马氏体 和铁素体钢热导率约为低碳钢的1/2 ）焊条焊接时，更为严重。 焊接终了时，焊芯温度不应超过600~650℃。 b)电弧热：焊条端部得到的电弧热是熔化焊条并使液体金属过热和蒸发 的主要能源。其中只有一小部分传导到焊芯深处加热焊芯和药皮。焊条 端部药皮表面温度可达600℃左右，因此，在该处开始发生冶金反应。 c)化学反应热：仅占1%~3%，忽略不计。
研究内容：在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间 的关系及其变化规律。
研究目的：运用上述规律合理地选择焊接材料、控制焊缝金属的成分和性 能使之符合使用要求，设计新的焊接材料。
研究对象：手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢时的焊接化学冶金一般规律。 研究手段：热力学（焊接化学冶金动力学还很不成熟）
（二）熔池的形成
1、熔池的形状和尺寸：不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。
熔池：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。
2、熔池的质量和存在时间：手弧焊0.6~16g，多数情况下小于5g；埋弧 焊低碳钢，即使焊接电流很大，熔池的质量也不过100g
存在时间：几秒到几十秒，熔池中各种物化反应短暂，但比熔滴阶段长。 3、熔池的温度：电弧下的熔池表面（熔池中部）温度最高， 低碳钢：平均温度1600~1900 ℃ 。
（一）焊条的加热及熔化
1、焊条的加热 a)电阻热：焊接电流通过焊芯时将产生电阻热，使焊芯和药皮温度升高。 正常焊接规范手弧焊，电阻热对焊芯预热作用不大； 大电流密度焊接，电阻热过大，焊芯和药皮的温升过高，不良后果，如 药皮开裂或脱落，丧失冶金作用、飞溅增加、焊缝成形变坏，甚至产生 气孔等缺陷。不锈钢（尤其是奥氏体钢热导率约为低碳钢的1/3，马氏体 和铁素体钢热导率约为低碳钢的1/2 ）焊条焊接时，更为严重。 焊接终了时，焊芯温度不应超过600~650℃。 b)电弧热：焊条端部得到的电弧热是熔化焊条并使液体金属过热和蒸发 的主要能源。其中只有一小部分传导到焊芯深处加热焊芯和药皮。焊条 端部药皮表面温度可达600℃左右，因此，在该处开始发生冶金反应。 c)化学反应热：仅占1%~3%，忽略不计。
研究内容：在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间 的关系及其变化规律。
研究目的：运用上述规律合理地选择焊接材料、控制焊缝金属的成分和性 能使之符合使用要求，设计新的焊接材料。
研究对象：手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢时的焊接化学冶金一般规律。 研究手段：热力学（焊接化学冶金动力学还很不成熟）
（二）熔池的形成
1、熔池的形状和尺寸：不标准的半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。
熔池：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。
2、熔池的质量和存在时间：手弧焊0.6~16g，多数情况下小于5g；埋弧 焊低碳钢，即使焊接电流很大，熔池的质量也不过100g
存在时间：几秒到几十秒，熔池中各种物化反应短暂，但比熔滴阶段长。 3、熔池的温度：电弧下的熔池表面（熔池中部）温度最高， 低碳钢：平均温度1600~1900 ℃ 。
焊接冶金学（基本原理）
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。
焊接冶金学基本原理-第2章焊接化学冶金
西安工业大学材化学院
焊接冶金学--基本原理
c）熔滴温度
第2章 焊接化学冶金 The Principle of Welding
《焊接成形原理》
实测手工电弧焊碳钢焊条: 熔滴平均温度： 1800-2400℃ 熔渣平均温度： <1600℃ 熔池平均温度： 1770±100℃ 电流越大温度越高，焊丝直径越细温度越高。
焊接冶金学--基本原理
第2章 焊接化学冶金 The Principle of Welding
《焊接成形原理》
第2章 焊接化学冶金
内容：
2.1焊接化学冶金过程特点 2.2气相对金属的作用 2.3熔渣及其对金属的作用 2.4焊缝金属的净化及合金过渡
School of Material and Chemical Engineering
《焊接成形原理》
熔池：熔焊时，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。
就像钢锭冶炼一样，不过体积小。
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西安工业大学材化学院
焊接冶金学--基本原理
第2章 焊接化学冶金 The Principle of Welding
School of Material and Chemical Engineering
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焊接冶金学--基本原理
第2章 焊接化学冶金 The Principle of Welding
《焊接成形原理》
b) 熔滴的比表面积和 与周围介质相互作用时间 熔滴的比表面积S： 熔滴的表面积与其质量之比，称为～。
西安工业大学材化学院
焊接冶金学--基本原理
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熔渣
埋弧焊、电渣焊、不含造气成分的焊条和药芯焊丝焊接
气体
熔渣和气体 真空 自保护
气焊、在惰性气体和其他保护气体(如CO2、混合气体)中焊接
具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接 真空电子束焊接 用含有脱氧、脱氮剂的所谓自保护焊丝焊接
表2-2 熔焊方法的保护方式
2.1.1 焊接过程中对金属的保护
各种保护方式的保护效果是不同的。例如,埋弧焊是利用焊剂及其熔化 以后形成的熔渣隔离空气保护金属的,焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度 和结构。多孔性的浮石状焊剂比玻璃状的焊剂具有更大的表面积,吸附的 空气更多,因此保护效果较差。试验表明,焊剂的粒度越大,其松装密度(单位 体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮量越高,说明保护效果 越差(见表2-3)。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。因为当熔池 中有大量气体析出时,如果松装密度过大,则透气性过小,将阻碍气体外逸,促 使焊缝中形成气孔,使焊缝表面出现压坑等缺欠,所以焊剂应当有适当的透 气性。埋弧焊时焊缝的含氮量一般为0.002%~0.007%(质量分数),比焊条 电弧焊的保护效果好。
180
20~40
伸长率(%)
25~30
5~10 冲击吸收能量/J 117.6 3.92~19.6
表2-1 低碳钢无保护焊时焊缝的性能 2.保护的方式和效果
事实上,大多数熔焊方法都是基于加强保护的思路发展和完善起来的。迄 今为止,已找到许多保护材料(如焊条药皮、焊剂、药芯焊丝中的药芯、保护 气体等)和保护手段(见表2-2)。
550 800 1000 1200
3800 3000 2500 2000
0.0094 0.0043 0.0022 0.0022
表2-3 中锰高硅低氟焊剂(HJ331)的松装密度与焊缝含氮量的关系
2.1.1 焊接过程中对金属的保护
气体保护焊的保护效果取决于保护气的性质与纯度、焊炬的结构、气 流的特性等因素。一般来说,惰性气体(氩、氦等)的保护效果是比较好的,因 此适用于焊接合金钢和化学活性金属及其合金。
用低碳钢光焊丝在空气中进行无保护焊接时,焊缝金属的化学成分和性 能与母材和焊丝相比,发生了很大的变化。由于熔化金属与其周围的空气 发生激烈的相互作用,使焊缝金属中氧和氮的含量显著增加。根据资料介 绍,含氮量可达0.105%~0.218%(质量分数),比焊丝中含氮量高20~45倍; 含氧量为0.14%~0.72%(质量分数),比焊丝中含氧量高7~35倍。同时锰、 碳等有益合金元素因烧损和蒸发而减少。这时焊缝金属的塑性和韧性急剧 下降,但是由于氮的强化作用,强度变化比较小(见表2-1)。此外,用光焊丝焊 接时,电弧不稳定,使焊缝中产生气孔。因此这种光焊丝无保护焊接是没有 实用价值的。
本章以焊条电弧焊方法焊接低碳钢和低合金钢时的冶金问题为重点,从 热力学的角度来阐明焊接化学冶金的一般规律。它可以作为分析其他熔焊 方法及材料冶金问题的基础。由于目前有关焊接化学冶金动力学方面的研 究还很不成熟,故本章不做介绍。
2.1 焊接化学冶金过程的特点
焊接化学冶金过程与炼钢过程相比,无论是在原材料方面还是在冶炼条 件方面都有很大的不同。因此,必须研究焊接化学冶金的特点,找出其本身 固有的规律,以指导人们使冶金反应向有利的方向发展,从而得到优质的焊 缝金属。
目录
• 2.1 焊接化学冶金过程的特点 • 2.1.1 焊接过程中对金属的保护 • 2.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件 • 2.1.3 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系 • 2.1.4 焊接化学冶金系统及其不平衡性 • 2.2 气相对金属的作用 • 2.2.1 焊接区内的气体 • 2.2.2 氮对金属的作用 • 2.2.3 氢对金属的作用 • 2.2.4 氧对金属的作用
焊接化学冶金过程对焊缝金属的化学成分、性能,某些焊接缺欠(如气 孔、结晶裂纹等)以及焊接工艺性能都有很大的影响,因此引起了人们广泛 深入的研究,现已发展成为焊接理论的一个重要分支——焊接化学冶金学。 它主要研究在各种焊接工艺条件下,冶金反应与焊缝金属化学成分、性能 之间的关系及其变化规律。其研究的目的在于运用这些规律合理地选择焊 接材料,控制焊缝金属的化学成分和性能使之符合使用要求,设计创造新的 焊接材料。
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的(见第 3章)。这些物质在焊接过程中能形成渣-气联合保护。造渣剂熔化以后形 成熔渣,覆盖在熔滴和熔池的表面上将空气隔离开。熔渣凝固以后,在焊缝 上面形成渣壳,可以防止处于高温的焊缝金属与空气接触。同时造气剂(主 要是有机物和碳酸盐等)受热以后分解,析出大量气体。据计算,熔化100g 焊芯,焊条可以析出2500~5080cm3的气体。这些气体在药皮套筒中被电 弧加热膨胀,从而形成定向气流吹出熔池,将焊接区与空气隔离开。用焊条 和药芯焊丝焊接时的保护效果,取决于其中保护材料的含量、熔渣的性质 和焊接参数等(见本章第2.2节),并用熔敷金属中的含氮量多少衡量保护的 好坏。由图2-1可以看出,随着药芯焊丝中保护材料含量的增加,熔敷金属中 的含氮量减少。过分增加其含量,则药芯的熔化将落后于金属外皮,从而使 保护效果变坏。图2-2表示出焊条熔化时析出的气体数量越多,熔敷金属中 的含氮量越少。用工业生产的焊条和药芯焊丝焊接时,焊缝含氮量(质量分 数)为0.010%~0.014%(低碳钢为0.004%),证明保护基本上是可靠的。
本节关于焊接化学冶金过程的特点将从焊接区内的金属(包括焊件、焊 条等焊接材料)进行必须的保护、焊接冶金反应的区域性及连续性、焊接 工艺条件对于化学冶金反应的影响,以及焊接冶金系统的不平衡性等几个 方面进行论述。
2.1.1 焊接过程中对金属的保护
在焊接过程中必须对焊接区内的金属进行保护,这是焊接化学冶金的特 点之一。这里主要介绍保护的必要性、保护的方式和效果及其对焊缝金属 性能的影响。 1.保护的必要性
目录
• 2.3 熔渣及其对金属的作用
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2.3.1 焊接熔渣
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2.3.2 .3.3 焊缝金属的脱氧
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2.3.4 焊缝金属中硫和磷的控制
• 2.4 合金过渡
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2.4.1 合金过渡的目的及方式
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2.4.2 合金过渡过程的理论分析
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2.4.3 合金过渡系数及其影响因素
熔焊过程中,焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程,称为焊 接化学冶金过程。这是一个极为复杂的物理化学变化过程。
为了提高焊缝金属的质量,把熔焊方法用于制造重要结构,就必须尽量 减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失,使焊缝金属得到 合适的化学成分。因此,焊接化学冶金的首要任务就是对焊接区内的金属 加强保护,以免受空气的有害作用。
2.1.1 焊接过程中对金属的保护
抗拉强度/MPa 390~440 334~390 弯曲角/(°)