1、第二章 焊接化学冶金,河南工业大学机电工程学院,焊接化学冶金及相关理论概述:,焊接化学冶金:在熔焊的过程中,焊接区内各种物 质之间在高温下相互作用的过程,是一个极为复杂 的物理化学变化过程。 焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分、物相、组 织、性能，某些焊接缺陷（气孔、结晶裂纹等） 以及焊接工艺性能都有很大的影响。进行了广泛深入系统的研究，现已发展成为焊接理论的重要分支 焊接化学冶金学,焊接化学冶金学的研究内容： 在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成 分、物相、组织、性能之间的关系及其变化规律。研究的目的： 运用这些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，设计创造
2、新 的焊接材料。,焊接化学冶金学的研究内容： 在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成 分、物相、组织、性能之间的关系及其变化规律。研究的目的： 运用这些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，设计创造新 的焊接材料。,本章的研究对象： 手工电弧焊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。其他熔焊方法及材料冶金问题的基础。 焊接化学冶金动力学 定性、定量的问题。,第一节 焊接化学冶金过程的特点焊接化学冶金工程 原材料： 设备： 工艺： 凝固结晶过程 炼钢,学习本课程的要求：必须研究焊接化学冶金的特点，找出其本身固有 的规律
3、，以指导人们使冶金反应向有利的方向发 展（整个过程是个复杂，但应系统考虑的过程） 从而得到优质的焊缝金属，稳定合理地焊接过程。,焊接接头的形成： 焊接过程中经历的基本过程：,加热,熔化,冶金反应,凝固结晶,固态相变,直至形成焊接接头,各过程之间相互联系，并随时间、温度而变化 需要掌握焊接过程中温度与时间变化图（课堂作业）,焊接经历的过程： TM：金属的熔化温度（液相线） Ts: 金属的凝固温度（固相线） A1:钢的A1变态点,1.焊接热过程： 熔焊过程中整个焊接过程都是在焊接热过程中发生和发展的。与冶金反应、凝固结晶、固态相变、焊接温度场、应力变形等密切相关，是影响焊接质量和生产率的重要因素之
4、一。现已发展成为焊接领域中一个独立的分学科：焊接传热学。目前做了大量的研究工作。,三、熔焊加热特点及焊接接头的形成 焊接过程中焊接热源来源主要是电弧， 热源加热的主要特点： 加热速度快 熔化后一定的冷却速度冷却至常温。 熔化焊时理想的热过程：,电阻、等离子、电子束、激光、电渣,1热能集中 2很短的时间内完成焊接过程,2. 焊接化学冶金过程,金属,熔渣,气相,金属氧化、还原、脱硫、脱磷、掺合金等,进行一系列的化学 冶金反应,影响到焊缝的成分、组织和性能,Conclusion： 控制化学冶金过程是提高焊接质量的重要途径之一 国内外研究重点：,1 通过焊接材料向焊缝中加入微量合金元素 （Ti、Mo、
5、Nb、V、Zr、B和稀土等）进行变质处理,2 适当降低焊缝中的碳，并最大限度的排除焊 缝中的硫、磷、氧、氮、氢等杂质净化焊缝,3.焊接时的金属凝固结晶和相变过程 随着热源的离开，经过化学冶金反应的 熔池金属就开始凝固结晶， 金属原子的结合排列分布状态发生变化：,近程有序排列,远程有序排列,液态,固态,对于同素异构转变的金属，随温度的下降，将发生固态相变,焊接条件下是快速连续冷却，并受局部拘束应力的作用，可能 产生偏析、夹杂、气孔、冷裂纹、热裂纹、氢化、脆化等,一、焊条熔化及熔池形成,焊条的熔化,熔滴过渡特性,熔池的物理参数,对焊接工艺和生产率有很大影响,冶炼条件方面赋予焊接 冶金独特的特点,焊
6、接冶金具有显著影响,（一）焊条的加热及熔化 1.焊条的加热： 电弧焊时用于加热和熔化焊条（或焊丝）的热能 有焊接电流通过焊芯时将产生电阻热，使其本身和 药皮的温度升高。 正常焊接规范下手工电弧焊时：电流对焊芯的预 热作用是不大的。 在使用大电流密度焊接时：产生的电阻热过大， 焊芯和药皮的温升过高，产生不良后果。,电阻热,电弧热,化学反应热,产生的不良后果： 飞溅增加， 药皮丧失冶金作用 焊缝成形变坏， 容易产生气孔等缺陷焊接材料的选择：不锈钢焊条焊接时。 结论：手工电弧焊时，应严格限制焊芯和药皮的加热温度。焊接结束时，焊芯的温度不应超过600-650oC,焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率： Q
7、e=e UI e：焊条加热有效系数结论：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。,2.焊条金属的平均熔化速度： 基本概念： 平均熔化速度 平均熔敷速度 损失系数 作业：,3. 焊条金属熔滴及其过渡特性： 熔滴：,熔滴过渡一般特点：焊接过程中，电弧热加热过 程中形成的熔滴长大到一定程度时，便在各种力 的作用下脱离焊条，以滴状的形式过渡到熔池中 去。 影响范围：焊接过程的稳定性、焊接冶金、焊缝成形有很大影响。,在电弧热的作用下，焊条端部熔化 形成的滴状液态金属称为熔滴,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化
8、学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,根据外观形态、熔滴尺寸、以及过渡频率等特征，熔滴过渡通常可分为三种形式： 自由过渡 接触过渡 渣壁过渡,第三节 焊丝的熔化与熔滴过渡,1自由过渡又分为：滴状过渡（弧压高，分为粗滴和细滴过渡，粗滴过渡飞溅大，细滴过渡适于CO2气体保护焊接和酸性焊条焊接和铝合金熔化极氩弧焊或大电流焊接或活性气体保护焊中）、喷射过渡（适于氩气或富氩气体焊接厚 板）； 2 .接触过渡分为短路过渡与搭桥过渡。 3. 渣壁过渡出现
9、在焊条电弧焊和埋弧焊中。,焊条金属的熔滴过渡特性作用与影响： 焊接过程的稳定性、焊接冶金、焊缝成形有很大影响 与本课程相关内容： 熔滴过渡形式：用药皮焊条焊接时，主要有三种过渡形式。 短路过渡、颗粒状过渡、附壁过渡,短路过渡：在短弧焊时， 颗粒状过渡：电弧的长度足够长时 附壁过渡：熔滴的过渡形式、尺寸、过渡频率取决于焊接方 法与工艺、焊接参数、焊接材料、药皮的成分与 厚度、焊芯直径、焊接电流和极性等因素。一般情况下，碱性焊条在较大的焊接电流范围内主要是短路过渡和大颗粒状过渡。 酸性焊条为细颗粒状过渡和附壁过渡。,（2）熔滴的比表面积和相互作用时间 作用与意义：熔滴的比表面积：熔滴的比表面积Ag
10、与其质量Vg 的比值。焊接时金属与熔渣和气体的相互作用属于高温多相反应， 所以熔滴的比表面积和其与周围介质相互作用时间，对熔 滴阶段的冶金反应有很大影响。,若熔滴为球体，半径为R，则比表面积为：,焊滴比表面积增大途径：增大焊接电流；加入表面活性物质 从而有利于加强冶金反应 熔滴的比表面积的数值很大，介于103 -104cm2/Kg之间,熔滴与周围介质的平均相互作用时间,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,（二）熔池的形成 熔焊时，在热源的作用下焊条熔化的同时被焊金属也发生局部熔化。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叫熔池。 如果焊接时不填充金属，熔池的
11、组成。,1熔池的形状和尺寸2熔池的质量和存在时间 手弧焊时熔池的重量通常在0.6-16g范围之内，多数情况下小于5g。埋弧焊时，熔池质量部超过100g,电弧焊时熔池的存在时间变化在几秒到几十秒之 间。 熔池中各种物化反应的时间是短暂的，但比熔滴 阶段长。 3.熔池温度分布 4.熔池中流体的运动状态,二、焊接过程中对金属的保护： 焊接化学冶金的特点之一：焊接过程中必须对焊接区内的金属进行保护。 焊接化学冶金的首要任务： 对比实验： 用低碳钢光焊丝在空气中无保护焊时 焊缝金属的成分和性能与母材和焊丝相比： 焊缝金属中O、N的含量显著增加。 资料记载：,含氮量可达0.105%-0.218%， 比焊丝
12、中含氮量高20-45倍,含氧量可达0.14%-0.72%， 比焊丝中含氧量高7-35倍,锰、碳等有益合金元素 的烧损、蒸发、减少,电弧不稳定，焊缝中产生气孔,光焊丝无保护焊接是没有实用价值的,二、焊接过程中对金属的保护： 焊接化学冶金的特点之一：焊接过程中必须对焊接区内的金属进行保护。 焊接化学冶金的首要任务： 对比实验： 用低碳钢光焊丝在空气中无保护焊时 焊缝金属的成分和性能与母材和焊丝相比： 焊缝金属中O、N的含量显著增加。 资料记载：,含氮量可达0.105%-0.218%， 比焊丝中含氮量高20-45倍,含氧量可达0.14%-0.72%， 比焊丝中含氧量高7-35倍,锰、碳等有益合金元素
13、 的烧损、蒸发、减少,电弧不稳定，焊缝中产生气孔,光焊丝无保护焊接是没有实用价值的,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，减少有宜合金元素的损失，使焊缝金属得到合适的化学成分。,焊接化学冶金的首要任务： 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 事实上，大多数熔焊方法都是基于加强保护的电路发展和完善的 目前发展的保护材料： 保护手段：,焊条药皮、焊剂、焊丝药 芯中的药芯保护气体,具体事例; 埋弧焊时利用焊剂及其熔化之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。 焊剂的粒度越大，其松
14、装密度越小、透气性越大，焊缝金属中含氮量越多，保护效果越差。,焊接化学冶金过程：焊剂的松装密度越大越好： 若松装密度过大，熔池中有大量气体逸出时，透气性过小，阻碍气体外逸，焊缝中形成气孔。 焊剂应有合适的透气性。 埋弧焊时焊缝的含氮量一般为0.002%-0.007%，比手工电弧焊的保护效果好。,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 一般情况下，惰性气体（氩、氦等）的保护效果比较好，适用于焊接合金钢与化学活性金属及合金。 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、熔渣的性质和焊接工艺参数。 焊接冶金的另一个重要任务，第二章重点学习的内容：对熔化
15、金属进行冶金处理，调整焊接材料的成分和性能，控制冶金反应的发展，获得预期要求的焊缝成分。,焊接冶金过程的特点：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程的特点：电弧温度高（能量来源） 焊接电源的温度很高，可达到6000-8000oC，金属 强烈蒸发，电弧周围的气体O2、CO2、N2、H2、 H2O 等大量分解 。（考虑到热力学问题）,定性、定量的问题，热焓、热效应、系统的自由能等能量问题。分解后的气体分子或离子很容易溶解到液体金属中，随着温度的下降，溶解度也下降，如果来不及析出，易造成气孔。 ,（2)熔滴反应区具有重要作用的作用与意义. 不同的焊接方法有不同的反应区。 熔滴的温
16、度高： 手工电弧焊焊接低碳钢而言，熔滴的平均温度在2100-2700K之间； 电弧焊焊接钢时，活性斑点处的温度接近焊芯的沸点，约为2800oC； 熔滴金属的过热度很大，可在300-900oC范围内。,熔滴与气体和熔渣的接触面积大 熔滴的比表面积可达103-104cm2/Kg, 约比炼钢时大1000倍。（比表面积）,焊接化学冶金过程：,熔滴反应区的反应时间短，温度高，相接触面积 大，并有强烈的混合作用，冶金反应最激烈，对 焊缝成分影响最大。,各相之间的接触、反应时间短 熔滴在焊条末 端停留时间仅为0.01-0.1S。熔滴与周围介质的平均相互作用时间短，在0.01-1.0S之间变化。熔滴阶段的反应
17、主要是在焊条末端进行的。熔滴与熔渣发生强烈混合,（3）熔池温度高，温差大，熔池的温度分布很不均匀，（焊接过程是处于非平衡的热力学条件）并被固态金属所包围，易产生很多结晶缺陷。熔池体积小，存在的时间短。焊接熔池的体积，电弧焊条件下，熔池体积最大只有30cm3，熔池的重量通常在0.6-16g范围之内，多数情况下小于5g，埋弧焊焊接电流很大时，熔池的质量也不超过100g。电弧焊时熔池的存在时间变化在几秒到几十秒之间。,与熔滴相比，熔池的平均温度较低： 1600-1900oC 比表面积较小：3-130 反应时间稍长：,手工电弧焊3-8S，埋弧焊6-25S,加热及冷却速度很快（快速加热与快速冷却过程，独特的凝固过程），由局部金属开始熔化形成熔池，到结晶完了的全部过程一般只有几秒钟的时间，温度剧烈变化，因此整个冶金反应常常达不到平衡。很小的金属体积内化学成分具有较大的不均匀性。,（4）熔池金属不断更新。焊接时熔池中参加反应的物质经常改变，不断有新的钢水及熔渣加入到熔池中参加反应，增加了焊接冶金的复杂性。（5）反应接触面大，搅拌剧烈。,焊接化学冶金过程：,焊接化学冶金过程：,
