焊接(第2章)研究.ppt

化工机械研究所第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所第2章 焊接化学冶金过程第2章焊接化学冶金过程§2.1 焊缝金属的构成§2.2 焊接化学冶金过程§2.3 焊接熔渣§2.4 氢、氮对熔池金属的作用  §2.5 焊缝金属的氧化与还原§2.6 焊缝金属的脱硫、脱磷§2.7 焊缝金属的合金化化工机械研究所§2.1 焊缝金属的构成焊缝金属的构成   焊件经焊接后所形成的结合部分称作焊缝焊缝金属是由熔化的母材与填充金属组合而成    一、焊条的加热与熔化    二、母材的熔化与熔池    三、焊缝金属的熔合比第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所 1 焊条的加热电焊时，焊条的熔化热量有电焊时，焊条的熔化热量有3个部分组成：个部分组成：a）焊接电弧传给焊条的热量；（主要热源）b）焊接电流通过焊芯产生的电阻热；c）化学冶金反应产生的反应热.一  焊条的加热与熔化焊条的加热与熔化第2章 焊接化学冶金过程1) 电弧加热焊条的特点：2) 电阻加热的特点3） 焊条加热温度的控制化工机械研究所2  焊条金属的熔化速度1）平均熔化速度VmVm = m/t2）熔化系数apvm = apI ap = m/It3）熔敷系数aHaH  = mH /It4）飞溅率Ψ Ψ = (m- mH )/m = 1- aH /ap 第2章 焊接化学冶金过程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•熔滴的尺寸大小和长大情况决定熔滴反应时间和比表面积，决定熔滴反应速度和完全程度•熔滴过渡形式和频率影响焊接生产率•熔滴过渡的主要参数有：过渡质量、过渡频率、过渡周期、比表面积化工机械研究所 2）熔滴过渡形式 熔滴过渡有4种形式：（见表P23, 表2-1）•粗滴短路过渡粗滴短路过渡电弧稳定性较差，飞溅大熔滴还未形成，就与熔池接触而形成短流•附壁过渡附壁过渡电弧稳定性较好，飞溅最小熔滴沿着焊条套筒向熔池过渡•喷射过渡喷射过渡过渡稳定，飞溅小，熔深大，成形好熔滴以细小滴粒高速从套筒喷出•爆炸过程爆炸过程电弧稳定性差，飞溅大熔滴由于激烈冶金反应，产生爆炸粉碎第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所 4 药皮的熔化•在一般情况下，药皮的导热性较差，比焊芯小得多，再加上药皮表面的散热作用，因此，在焊条端面上温度分布不均匀由焊芯内至药皮外逐步降温从而形成了药皮套筒药皮套筒的长度对焊接工艺性能、熔滴过渡形态和化学冶金反应等均有影响•药皮熔点越高，厚度越大，套筒越长•药皮套筒的长度对焊接工艺性能、熔滴过渡形态和化学冶金反应有影响。

•增加套筒长度，可以增加电弧吹力，增大熔深，熔滴变细 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所二 母材的熔化与熔池  •在焊接时，焊条熔化的同时，被焊金属母材也发生局部熔化由熔化的焊条金属和熔化的母材组成具有一定几何形状有液体金属部分称为熔池1.   熔池的形状与尺寸熔池的形状与尺寸•熔池的外形接近于不太规则的半个椭球,其轮廓是熔点的等温面 •熔池的主要尺寸有：熔池长度L、最大宽度Bmax、最大熔深Hmax•增加焊接电流，Bmax增加、Hmax减小；• 增加电弧电压，Bmax增加、Hmax减小 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所 2.   熔池温度熔池温度•熔池各点温度分布不均匀•熔池的最高温度位于电弧下面的熔池表面以热源中心为界，将熔池划为头部与尾部 •熔池的头部输入的热量大于散失的热量，所以随热源的移动母材不断的熔化；•熔池的尾部输入热量小于散失的热量，所以随温度下降而不断凝固             （温度见表2-2，P26）第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所3.   熔池金属的流动熔池金属的流动• 熔池金属的强烈运动，使得熔池中热量和液体的传输过程得以进行。

•热量与液体的传输过程对熔池的形状、结晶、气体和夹杂物的吸收、聚集和逸出、化学成份的均匀性以及化学反应的平衡有影响•熔池金属运动原因： a) 液体金属的密度差产生的自由对流运动；液体金属的密度差产生的自由对流运动； b) 表面张力引起的强迫运动；表面张力引起的强迫运动； c) 机械力产生的搅拌运动机械力产生的搅拌运动第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所三 焊缝金属的熔合比•焊条电弧焊时，填充金属与熔化的被焊金属的组成比例决定焊缝的成分熔焊时，被熔化母材在焊缝金属中所占的百分比称作熔合比见图P26,l图2-8） Q = Am/(AH+Am) Q – 熔合比 Am – 焊缝截面中母材所占面积； AH – 焊缝截面中焊条金属所占面积 •熔合比又称为稀释比第2章 焊接化学冶金过程•熔合比取决于母材的熔透情况与焊条的焊化情况，熔合比取决于母材的熔透情况与焊条的焊化情况，而此与焊接方法、焊接参数、接头形状尺寸形状、而此与焊接方法、焊接参数、接头形状尺寸形状、坡口形状、焊道数目等有关坡口形状、焊道数目等有关化工机械研究所§2.2 焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程的特点一．焊缝金属的保护焊缝金属的保护1 焊接时为什么要对高温作用下的金属进行保护？      •无保护的情况下在空气焊接中时，由于熔化金属与其周围的空气激烈地相互作用，会使焊缝金属中氧和氮的含量显著增加。

 •焊条电弧焊时，如果采用无药皮的光焊丝在空气中进行焊接，就会发生电弧不稳定、焊条易粘钢板、飞溅大等现象，焊缝成形差，并伴有气体不仅如此，元素Mn、Si含量大大减少，塑性、韧性大大下下降见表2-4、表2-5）2 不同保护方式的效果 •为提高焊缝金属的质量，必须减少有益元素合金的损失，得到合适的化学成份 •因此，焊接化学冶金的重要任务就是对熔化金属加强保护对于不同的焊接方法，发展了不同的保护方式第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所保护方式保护方式焊接方式焊接方式熔渣保护埋弧焊、电渣焊、不含造气物质的焊条或药芯、焊丝焊接气体保护在惰性气体或其它气体保护中焊接、气焊气－渣联合保护具有造气物质的焊条或药芯焊丝焊接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第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所3）机械保护作用）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  •造气剂主要成份是有机物、碳酸盐等，受热分解，析出大量气体。

 •气体在药皮套筒中被加热膨胀，形成定向气流吹向熔池，起保护作用•机械保护效果用焊缝金属中的含氮量衡量第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所 二、焊接化学冶金反应区二、焊接化学冶金反应区•焊接化学冶金反应的特点之一是分区域（或阶段）连续进行的，而且各区的反应条件（反应物的性质和浓度、温度，反应时间，物质接触面积，对流和搅拌运动等）也有较大的差异•不同的焊接方法有不同的反应区a)焊条电弧焊时有焊条电弧焊时有3个反应区：个反应区：          药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区b)对熔化极气体保护焊：对熔化极气体保护焊：               熔滴反应区、熔池反应区;c)对气焊、钨极氩弧焊和电子束焊：对气焊、钨极氩弧焊和电子束焊：                   熔池反应区第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所1. 药皮反应区（冶金过程的准备阶段）•温度：100℃～1200℃（药皮的熔点）•主要是水份的蒸发、物质的分解、铁合金的氧化等•过程如下：  （1）>100℃，水分开始蒸发；  （2）>200～250℃，药皮中有机物（木粉、纤维素、淀粉等）开始分解，折出CO2和H2等气体；  （3）>300～400℃，药皮内一些组成物（如白泥、白云母、滑石）中结晶水和化合水开始蒸发；（4）温度继续升高，药皮中的碳酸盐发生分解，产生大量的CO2、O2等第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所 2   熔滴反应区 •特点特点：（1）温度高，接近焊芯材料的沸点，2800℃，是焊接区最高部分。

2）比表面积大：可达1000～10000cm2/kg，熔滴金属与气体和熔渣的接触面积极大3）反应时间短：熔滴在焊条末端停留的时间仅为0.01～0.1秒，经过弧柱区的时间仅0.0001～0.001秒4）熔滴金属与熔渣混合程度高：（5）熔滴反应区是焊接冶金反应最为激烈的部位主要物理化学反应有：金属的蒸发、气体的分解和溶解、氧化物的分解、金属及其合金成分的氧化、还原第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所 3.熔池反应区特点：1）与熔滴反应区相比，温度略低，1600～1900℃；2）比表面积较小，约3130cm^2/kg；3）反应时间稍长，几秒至几十秒，电弧焊3～8秒；4）温度分布不均匀：在熔池的头部和尾部，反应可以同时向相反方向进行，熔池的头部处于升温阶段，发生金属的熔化，气体的吸收，吸热熔池的尾部处于降温阶段，发生气体逸出及金属的凝结、放热；5）反应过程不仅在液态金属与气、渣界面上进行，而且也在液态金属与固态金属和液态熔渣的界面上进行第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所§2.3 焊接熔渣焊接熔渣 熔渣是指焊接过程中焊条药皮或焊剂熔化后，在熔池中参与化学反应而形成覆盖于熔池表面的熔融状非金属物质。

熔渣在焊接区形成独立的相 一、熔渣的作用、成分和分类 二、熔渣的结构理论 三、熔渣的碱度 四、熔渣的物理性能 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所一、熔渣的作用、成分和分类 1 熔渣在焊接过程中的作用 1）机械保护作用机械保护作用 2）改善焊接工艺性能作用改善焊接工艺性能作用 3）冶金处理作用冶金处理作用2 熔渣的成份与分类 （1）  盐类熔渣盐类熔渣 （2）  盐－氧化物型熔渣盐－氧化物型熔渣 （3）  氧化物型熔渣氧化物型熔渣 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所二 熔渣的结构理论1 分子理论分子理论： • 分子理论是以对焊渣（凝固后的熔渣）进行相分析和化学成份分析的结果为依据2 离子理论：离子理论： •熔渣的离子理论不否认凝固后的焊渣中有各种氧化物和复合物，但认为构成熔渣的基本质点不是中性分子，而是离子 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所三 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 •酸性氧化物酸性氧化物： SiO2，TiO2，P2O5，V2O5(由强至弱) •碱性氧化物碱性氧化物： K2O，NaO，CaO，MnO，FeO（由强至弱） •两性氧化物两性氧化物： Al2O3，Fe2O3，Cr2O3，V2O3，既可是酸性也可是碱性第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所3 熔渣碱度的计算熔渣碱度的计算a) 按分子理论计算按分子理论计算B1=Σ碱性氧化物物质的量（碱性氧化物物质的量（mol）） Σ酸性氧化物物质的量酸性氧化物物质的量(mol) 第2章 焊接化学冶金过程b）IIW化工机械研究所四  焊接熔渣的物理性能1.   熔渣的熔点2.   粘度3.  密度4. 表面张力5.   线膨胀系数第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所§2.4氢、氮对熔池金属一一 焊接区内气体的来源与组成焊接区内气体的来源与组成 1.来自于焊接材料  2.来自于热源周围空气 3.来自于焊丝和母材表面的杂质 4.来自于高温蒸发产生的气体        因此，焊接的金属与气体的作用可归结为氢、氮、氧的作用。

第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所二二 氢对熔池金属的作用氢对熔池金属的作用Ø      1.氢在金属中的熔解         2.氢的扩散         3.氢对焊接质量的影响           （2）白点白点：第2章 焊接化学冶金过程( 1）氢脆性氢脆性：（3）气孔气孔：（4）冷裂纹冷裂纹：化工机械研究所4  控制氢的措施（1）限制焊接材料中氢的来源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清除焊件和焊丝表面的杂质：（3）冶金处理冶金处理：（4）控制焊接参数控制焊接参数：（5）焊后脱氢处理焊后脱氢处理：第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所三、氮对熔池金属的作用 q焊接区周围的空气是气相中氮的主要来源qFe、Ti、Mn、Cr等金属，既能溶解氮，又能与氮形成氮化物，在焊接这类材料时必须设法防止氮的有害作用q而铜、镍等金属，既不溶解氮，又不形成氮化物，故焊接这一类金属可用氮作为保护气体1.氮在金属中溶解（1）氮以原子形式溶入（主要形式）（2）氮以NO形式溶入（3）氮以离子形式溶入第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所2.氮对焊缝质量的影响（1）形成气孔：（2）降低焊缝金属的力学性能：（3）时效脆性：第2章 焊接化学冶金过程3.控制氮的措施（1）加强机械的保护：（2）选择合理的焊接参数：（3）控制焊丝金属的化学成分：化工机械研究所       §2.5焊缝金属的氧化与还原焊缝金属的氧化与还原q氧化还原反应是贯穿焊接化学冶金过程的基本反应。

在焊接各个阶段，氧化性气体、氧化性熔渣、焊件坡口与焊丝表面的氧化物等对金属有氧化作用因此，需要采取措施防止氧进入焊缝金属q氧的溶解:氧在金属铁中的溶解度与温度有关温度越高，溶解度越大在1600℃以上时，氧溶解度wo=0.3%；在铁凝固时，氧溶解度wo=0.16%；由δ－Fe转变为γ－Fe时，氧溶解度wo=0.05%在室温，氧几乎不溶于金属铁氧在焊缝中大都以氧化物夹杂的形式存在 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所一、气相对焊缝金属的氧化1.自由氧对焊缝金属的氧化 2.对焊缝金属的氧化3.H2O对焊缝金属的氧化4.混合气体对焊缝金属的氧化气相非单一气体，而是多种混合气体，还应考虑气体之间的相互作用 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所二、熔渣对焊缝金属的氧化 主要讨论焊接熔渣和焊件表面氧化物对焊缝金属的氧化   1.扩散氧化    2.置换氧化   3.焊件表面氧化物对焊缝金属的氧化   4.氧对焊缝质量的影响  第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所1、扩散氧化qFeO由熔渣向焊缝金属扩散，使焊缝增氧的过程称作扩散氧化                  （FeO）         [FeO]qFeO既溶于渣，又溶于液态金属铁。

        第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所2、置换氧化q焊缝金属与熔渣中易分解的氧化物发生置换反应而被氧化的过程，叫置换氧化  q反应结果使得焊缝中金属增加了Mn、Si，同时使铁氧化，生成的FeO部分进入熔渣，部分熔于焊缝，使焊缝增氧 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所4、焊接时氧的主要来源、焊接时氧的主要来源ü空气中存在的氧；ü焊条药皮或焊剂在焊接时析出的氧；ü被焊金属表面各种杂质受热分解产生的氧；ü母材及焊缝金属冶炼过程中冶金反应结果而存在的氧ü氧在电弧中主要是以原子状态存在，而在焊缝金属中以溶解状态及氧化物夹杂（FeO）两种形式存在q为了控制焊缝中的含氧量，应加强对焊接过程的保护，选择合适的焊接材料及焊接方法，并注意对焊件的清理第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所5、氧对焊缝质量的影响、氧对焊缝质量的影响（1）随着含氧量的增加，钢的强度、塑性、韧性全面下降；（2）由于焊缝金属中溶有氧和氧化物杂质，在晶界上产生氧化物与硫化物的共晶体，引起焊缝金属的热脆性3）引起时效硬化，提高脆性转变温度4）溶解在熔池中的氧与碳作用，生成不溶于金属的CO，在熔池结晶时，如来不及逸出，就形成气孔。

5）熔滴中含氧量过多，易在焊接时造成飞溅，影响焊接过程稳定进行6）使焊缝中有益的合金元素氧化烧损，改变焊缝金属的成分和性能第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所三 焊缝金属的脱氧 氧的主要来源不是空气，而是焊条药皮与焊剂的原材料及保护气体，控制氧的措施,主要采取冶金处理进行脱氧1 沉淀脱氧沉淀脱氧 通过焊丝或药皮加入某种元素，使它本身在焊接过程中被氧化,从而保护被焊金属及其合金元素不被氧化的过程 实际上是利用与氧的亲和力比铁的大的元素与熔池中的FeO作用，使Fe还原脱氧产物进入熔渣 可见，沉淀脱氧与置换氧化互逆把进行脱氧的合金元素称之为脱氧剂脱氧剂以纯金属或合金形式加在焊条药皮或焊剂中1）Mn的脱氧 （2）硅的脱氧（3）硅锰联合脱氧 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所2 扩 散 脱 氧 是 扩 散 氧 化 的 逆 过 程 根据分配定律, 进行脱氧关键是要不断减少熔池中的FeO浓度强酸性氧化物SiO2、TiO2可与FeO生成复合物，渣中FeO减少，到使熔池中FeO不断向渣中扩散。

  低氢型和钛型焊条金属的含氧量较低，脱氧效果较好见图）   酸性熔渣更有利于进行扩散脱氧但由于碱性药皮中FeO含量严格限制，所以，碱性焊条焊缝含氧量远远小于酸性焊条焊缝含氧量 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所     §2.6焊缝金属的脱硫、脱磷焊缝金属的脱硫、脱磷一、脱硫一、脱硫1.硫的危害及存在形式  硫是焊缝金属中有害杂质之一，主要来自于母材、焊丝、药皮或焊剂的原材料  硫的存在形式（1）MnS几乎不溶于液态铁，在焊接冶金过程中可进入浮到熔渣中，使焊缝脱硫  (2）当S以FeS的形式存在时是最有害的3）在高镍合金钢焊接时形成NiS，一般控制Ws＜0.035％（低碳钢）； Ws＜0.025％（合金钢）第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所2.控制硫的措施控制硫的措施（1）限制焊接材料中的含硫量：母材、焊丝、药皮（关键措施）  （2）用冶金方法脱硫用锰作脱硫剂，生成硫化物（不溶于液态金属）:               或碱性氧化物脱硫:      MnS、CaS直接进入熔渣第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所 二、脱磷二、脱磷1.磷的危害及存在形式    磷在固态钢中的溶解度很小，它的存在严重降低焊缝金属的冲击韧度，并使其韧脆转变温度升高。

  P在液态铁中主要以Fe2P和Fe3P存在  一般控制，Wp＜0.045 ％（低碳钢、低合金钢）            Wp＜0.035％（高合金钢） 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所2.控制措施（1）严格限制母材、填充金属、焊条药皮和焊剂中的含磷量药皮和焊剂中的锰矿往往是导致焊缝增加P的主要来源2）脱磷处理   P对氧的亲和力比铁大，因此当熔渣中存在适量的CaO和FeO时，既可使磷氧化，又可使反应产物转变为稳定的复合物进入熔渣，达到脱硫目的 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所         §2.7焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化定义定义：在熔焊时要获得预期的焊缝成分，需要通过焊接在熔焊时要获得预期的焊缝成分，需要通过焊接材料过渡一定的合金元素到焊缝金属中，这个过程称作材料过渡一定的合金元素到焊缝金属中，这个过程称作焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化一、目的  1.补偿焊接中因氧化和蒸发所引起的合金元素的损失  2.消除某些焊接工艺缺陷，改善焊缝金属的组织及力学性能  3.获得具有特殊性能的堆焊层二、合金化方式  1.合金焊丝  2.应用药芯焊丝或药芯焊条  3.普通焊丝配以合金元素的焊条药芯或焊剂  4.合金粉末第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所思考题1 为什么说熔敷系数比熔化系数更能反映焊接生产率的高低？2 在焊条直径相同时，为什么不锈钢焊条选用的电流比低碳钢低？3 焊条引弧后，为什么会在端部形成药皮“套筒”？当药皮的熔点分别等于、低于和高于焊芯熔点时，套筒的形状有何变化？4 试述焊接冶金各个反应区的特点与联系。

5 联系3种气体的来源、与金属的作用和危害，解释并比较对氢、氮、氧三种气体所采取的控制措施第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所思考题6为什么用碱性焊条（剂）焊接时焊缝中的FeO比酸性熔渣低些？ 7 比较酸、碱性熔渣脱氧过程的区别8 为什么用碱性焊条焊接时对焊前清理要求更严格些？9 焊缝的硫、磷是以什么形式存在的？其危害有哪些？10 为什么碱性熔渣的脱硫效果优于酸性熔渣？第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所思考题11 为什么说酸、碱性熔渣的脱磷效果都不够理想？控制焊缝中含磷量的根本途径是什么？12 焊缝金属合金化的目的是什么？有哪些方法实现焊缝金属的合金化？ 第2章 焊接化学冶金过程化工机械研究所人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。