焊接冶金学——基本原理-完整版
第10讲焊接冶金学(3)
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⑶ 氮的控制 ① 加强焊接区的保护 氮来自空气，故控制氮的主要措施是加强对焊接 区的保护，防止空气与液态金属发生接触。目前生 产上对焊接区的保护措施主要有：气体保护、熔渣 保护、气渣联合保护和抽真空等。
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下表为用不同焊接方范焊接低碳钢时焊缝的含 氮量，说明了各自氮的保护效果。
焊条药皮的保护作用，在很大程度上取决于药 皮的成分和数量。
有利于氮的逸出。
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图 合金元素1600℃下对氮在 铁中的溶解度的 影响
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本讲小结
气体的来源与产生 气体分解 氮在金属中的溶解 氮对焊接质量的影响 氮的控制
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⑵ 气体的产生
焊接区内的气体除了外界侵入或人为直接输入 气体外，一般都是通过如下物化反应产生：
① 有机物的分解和燃烧 如焊条药皮中常用的淀粉、纤维素、糊精等有 机物作通气剂和增塑剂，受热后将发生热氧化分解 反应，产生CO、CO2、 H2和水气等气体。
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② 碳酸盐和高阶氧化物的分解
在焊接冶金中常使用碳酸盐，如CaCO3、 MgCO3等，用来造气和造渣，也有利于稳定电弧。 当加热超过一定温度时，就开始发生分解，产上 CO2气体。
第三章 焊接冶金学
第10讲
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上讲回顾
焊接熔渣的作用 熔渣的结构 熔渣的碱度 熔渣的物理性能：粘度、表面张力、
熔点、导电性
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3.3 氮、氢对金属的作用
焊接时，焊接区内气相成分重要有CO、 CO2 、 H2O、N2、H2、O2 、金属和熔渣的蒸气以及 它们的分解物和电离物等。
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2. 气体分解 焊接区内的气体是以分子、原子及离子等状
焊接冶金原理02焊接热过程课件2
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
焊接冶金基础
（2） 熔池质量和存在时间 熔池质量在几克到几十几克之间，取决于焊接方法。 熔池液态存在的时间取决于焊接方法、焊接规范等。
表 1-4 碳钢电弧焊时溶池最大存在时间
焊接方法
焊接规范
熔池最大存在时间
I ／(A) U (V) υ(m／h)
(s)
埋弧焊
575
36
50
840
37
41
20
1100
38
18
1560
2 短段多层焊：第一道焊缝仍处于高温时，进行第二 道焊缝的焊接。 短段多层焊适于焊接晶粒易长大而又 易于淬硬的钢种，尤其是用于铸铁补焊。
（五）焊接热循环调整方法
（1） 根据被焊金属选择合理焊接方法。
（2）合理选择工艺参数。在保证焊接质量 的前提下，尽量减少焊接线能量E。但高效 焊接往往是高E。
（3）对淬硬钢采取预热或缓冷措施。
焊接线能量 E = Q =ηUI vv
式中：E－焊接线能量J/cm； v－焊接速度cm/s。
（三） 焊接传热的基本方式
(1) 传导：金属固体的内部、焊缝对熔渣之间的热传递。 (2) 对流：液态金属和液态熔渣的内部热传递。 (3) 辐射：焊条端部对熔池、热金属对大气之间的热传递。
二、焊接温度场
指焊接某一区域某一瞬 间温度的分布。也可以说， 温度是空间某点位置和时间 的函数。
(2) 将金属加热到塑性状态，施加压力使接触面的氧化膜被破 坏。加热也增加原子的振动能，促进扩散和结晶过程的进 行。
(3) 通过液态中间材料，如粘结剂或低熔点金属，将两个固态 金属连接在一起。
(4) 因液态金属原子之间的距离很容易达到rA，所以加热熔化 金属，凝固后两块金属即可实现连接。
焊接方法分为：
焊接冶金原理04熔池凝固与焊缝组织2
a
b
焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的 影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min
4.3.3 焊缝凝固组织的调控
在组织形态上，柱状晶对焊缝性能不利，而等轴晶组织有利于获得 良好的强韧性；在结构尺度上，焊缝的显微组织越细小，焊缝综合性能 越好。为了获得良好的焊缝性能，一般希望焊缝凝固组织为细小的等轴 晶组织。
1
K
2 y
K
2 y
K
2 z
K
2 z
2
当z=0时，有：
cos
1
A
Pv
aTM
1
K
2 y
K
2 y
1 2
其中：Ky=Y/OB，Kz=Z/OH
大厚件表面堆焊熔池示意图
焊接线能量为 E P v
有
cos
1
晶主轴方向与焊接方向一致。
➢ 当焊接线能量不变时，随焊接速度
增大，cos 值减小，焊缝柱状晶
结晶主轴方向与焊接方向的夹角增 大
焊接速度对熔池形状和焊缝柱状晶主轴 方向的影响：(a)低速焊接；(b)高速焊接
a
b
焊接速度对纯铝钨极氩弧焊焊缝组织的 影响：(a) 250mm/min；(b) 1000mm/min
(a)
(b)
(c)
Ti的添加量对Al-2.5%Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影响， (a) 0.005% Ti, (b) 0.011%Ti, (c) 0.029%Ti
(a)
(b)
合金元素Zr对7020 Al–Zn–Mg合金钨极氩弧焊焊缝组织的影 响[29]：(a)未做变质处理;(b) 添加0.5% Zr变质处理
焊接冶金原理05焊接熔合区2
5.1 熔合区的特征 5.2 非对流混合区4 部分熔化区
5.4.1 部分熔化区的特征 在某些材料过程的焊接过程中，在接近熔合线附近的母材可能发生部 分熔化，形成部分熔化区（或半熔化区）。
填充4145焊丝的熔化极气体保护焊接6061 铝合金形成的部分熔化区组织形貌
2219铝合金部分熔化区晶界液相凝固模式
5.4.3部分熔化区对接头性能的影响
1、液化裂纹
部分熔化区中的液化裂纹 a) 电弧AA4043铝合金，b) 激光焊接IN738LC镍基高温合金
2、强度与韧性损伤
部分熔化区的液化成份在凝固 过程中会发生严重的偏析，导 致弱化的部分熔化区组织是由 软的贫溶质相与脆而硬的共晶 相相互毗邻而组成的混合组织。 在拉伸载荷的作用下，贫溶质 相由于固溶强化水平的降低， 在很小的变形抗力下发生屈服， 而共晶相则发生了严重的脆性 断裂
晶界偏析示意图，a)组织示意图，b)在 图a)中沿线段AB的溶质浓度分布
熔化极气体保护焊焊接2219、2024、6061及7075铝合金时，焊缝中 能够观察到合金元素的严重晶界偏析
2219铝合金焊缝部分熔化区的晶界偏析， (a)显微照片，(b)浓度分布
4、晶界凝固模式
一般情况下，沿着共晶晶界生长的带状α相主要是平面凝固模式生长， 而非树枝凝固或者包晶凝固模式。但是在某些条件下，包状晶凝固 也时有发生。这些胞状α带具有两个共同特点：一是通常位于接近熔 池的底部；二是他们明显比临近的平面状α带更厚。
垂直于轧制方向上2219铝合金熔化极气体保护焊抗拉测 试结果
实例：对于碳钢、低合金钢附近的温度梯度约为300~80℃/mm，固/液 相线的温度差约为40℃。部分熔化区的宽度为：
A 40 0.133 ~ 0.50(mm) 300 ~ 80
(最新整理)焊接冶金学基础知识
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2）焊缝成形系数φ
焊缝余高(a)
焊缝宽度(B)
焊缝熔深（H)
热影响区（HAZ) 焊缝成形系数—— 焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值
公式： φ = B/H (一般大于1.0—1.3，对防止裂纹有利）
综合机械性能：多层多道焊优于单层焊，因为前道焊缝对后道焊缝是预 热，后道焊缝对前道焊缝有退火作用，防止产生淬硬组织。
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3）焊缝余高系数
余高系数——焊缝有效宽度B与余高a的比值。 公式： Ψ = B/a（%）
4）焊缝成形过程
在热作用下，焊丝与母材被熔化，焊件上形成一个具 有一定形状和尺寸的液态熔池，熔池随着热源的移动向前 运动，在电弧后形成凝固的焊缝。
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5、焊接化学冶金过程（手工电弧焊）：
②熔滴反应区
使气相的氧化性下降，通常 把这个过程称为“先期脱氧”
从熔滴形成、长大到过渡到熔池中，属于熔滴反应区。
该区反应时间虽短(0.01-1S)，但温度很高(1800-2400℃)， 相(气相、液相、熔渣)接触面积大，并伴随着强烈混合作用 ，冶金反应激烈，反应进行相对完全，对焊缝影响极大。
主要的物理化学反应：金属的蒸发，气体的分解和溶解，金 属的氧化还原以及合金化等。
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(一)短路过渡 (二)滴状过渡 (三)渣壁过渡 (四)喷射过渡
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熔滴过渡的形式
小电流、低电压。熔滴长大 受到空间限制而与母材短路， 在表面张力及小桥爆破力作 用下脱离焊丝。
电弧长度较长，熔滴可自由 长大，直至下落力大于表面 张力时，脱离焊丝落入熔池， 属自由过渡。
焊接冶金学(基本原理)习题
焊接冶金学（基本原理）习题1. 试述熔化焊接、钎焊和粘接在本质上有何区别？熔化焊接：使两个被焊材料之间(母材与焊缝)形成共同的晶粒针焊：只是钎料熔化，而母材不熔化，故在连理处一般不易形成共同的晶粒，只是在钎料与母材之间形成有相互原于渗透的机械结合。
粘接：是靠粘结剂与母材之间的粘合作用，一般来讲没有原子的相互渗透或扩散。
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。
3. 焊条的工艺性能包括哪些方面? （详见：焊接冶金学（基本原理）p84）焊条的工艺性能主要包括：焊接电弧的稳定性、焊缝成形、在各种位置焊接的适应性、飞溅、脱渣性、焊条的熔化速度、药皮发红的程度及焊条发尘量等4. 低氢型焊条为什么对于铁锈、油污、水份很敏感？（详见：焊接冶金学（基本原理）p94）由于这类焊条的熔渣不具有氧化性，一旦有氢侵入熔池将很难脱出。
所以，低氢型焊条对于铁锈、油污、水分很敏感。
5. 焊剂的作用有哪些？隔离空气、保护焊接区金属使其不受空气的侵害，以及进行冶金处理作用。
6. 能实现焊接的能源大致哪几种？它们各自的特点是什么？见课本p3 ：热源种类7. 焊接电弧加热区的特点及其热分布？（详见：焊接冶金学（基本原理）p4）热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。
焊接冶金学
焊接冶金基础三、焊接热影响区的组织和性能焊接热影响区焊接接头各部位的加热峰值温度分布如图10所示。
加热时各部位组织变化情 况是：加热温度超过 Ac3开始发生a — Y 的转变，在且Ac1〜Ac3之间转变继进行，到达Ac3 转变完了，温度继续升高达 1100 C 时，晶粒急剧长大，热影响区各点的组织变化首先取决于峰值温度Tmax 不同焊接方法热影响区的平均尺寸如表2所示。
按照Tmax 的不同，淬硬 倾向小的低碳钢和淬硬倾向大的钢种热影响区的组织可分为以下几个区。
图10 焊接热影响区分布特征1 一熔合区卡2过热匾丨3正火区i4不完全畫结晶何I 5—母材；6悴火区；分陣火lit 岂一回硬区回5方去各区平均尺寸丿叩 S K / nwi 和品叵｛逗讯叵 姗品区〔阳E 重茫品区， 手丄囲2 1^3.0 1 5^2 5 2. 2A /!□ 6.0^6.50.8^1.e 0.S-* L " 0.7^1 □ 2.3^4.0 ma 5.0-^T.O2J>-3 □ 2E-S0 21 4,0 2.027.0―— — 0.Q5-0.7S 1 •低碳钢接头的热影响区组织和性能（1）熔合区 焊缝金属和母材之间的过渡区， 即半熔化区和未混合区， 称为熔合区，其温度处于固相线与 液相线宰。
熔合区在化学成分和组织性能上都有较大的不均匀性， 在接近母材一侧的金属组 织是过热组织，塑性差。
同时又因温度梯度大，所以熔合区是很窄的，但对强度、塑性都有 很大的影响。
在许T/VS/mm不热粹火啊14 5易淬火駅（遇火） 6 7 5 易那火钢（捽火】 6 7 8 515001100500多情况下，熔合区是产生裂纹、局部脆性破坏的发源地。
（2）过热区此区段处于1100C到固相线温度的高温范围。
在这样高的温度下，奥氏体晶粒严重长大，尤其在1300 C以上时晶粒十分粗大，冷却后就获得粗大的过热组织（气焊时还可能得到魏氏组织），使材料的塑性大大降低，特别冲击韧性的影响尤为显著（通常要降低20%〜30%）。