復習焊接冶金學第1頁/共81頁

焊接化學冶金學的研究內容：在各種焊接工藝條件下，冶金反應與焊縫金屬成分、物相、組織、性能之間的關系及其變化規律。研究的目的：運用這些規律合理地選擇焊接材料，控制焊縫金屬的成分和性能使之符合使用要求，設計創造新的焊接材料。第2頁/共81頁

焊接化學冶金學的研究內容：在各種焊接工藝條件下，冶金反應與焊縫金屬成分、物相、組織、性能之間的關系及其變化規律。研究的目的：運用這些規律合理地選擇焊接材料，控制焊縫金屬的成分和性能使之符合使用要求，設計創造新的焊接材料。第3頁/共81頁

本章的研究對象：手工電弧焊焊接低碳鋼和低合金鋼時的冶金問題為重點，從熱力學的角度來闡明焊接化學冶金的一般規律。其他熔焊方法及材料冶金問題的基礎。焊接化學冶金動力學定性、定量的問題。第4頁/共81頁

第一節焊接化學冶金過程的特點焊接化學冶金工程原材料：設備：工藝：凝固結晶過程煉鋼第5頁/共81頁

學習本課程的要求：必須研究焊接化學冶金的特點，找出其本身固有的規律，以指導人們使冶金反應向有利的方向發展（整個過程是個復雜，但應系統考慮的過程）從而得到優質的焊縫金屬，穩定合理地焊接過程。第6頁/共81頁焊接接頭的形成：

焊接過程中經歷的基本過程：

加熱熔化冶金反應凝固結晶固態相變直至形成焊接接頭

各過程之間相互聯系，并隨時間、溫度而變化

需要掌握焊接過程中溫度與時間變化圖（課堂作業）第7頁/共81頁

焊接經歷的過程：

TM：金屬的熔化溫度（液相線）

Ts:金屬的凝固溫度（固相線）

A1:鋼的A1變態點第8頁/共81頁

1.焊接熱過程：熔焊過程中整個焊接過程都是在焊接熱過程中發生和發展的。與冶金反應、凝固結晶、固態相變、焊接溫度場、應力變形等密切相關，是影響焊接質量和生產率的重要因素之一。現已發展成為焊接領域中一個獨立的分學科：焊接傳熱學。目前做了大量的研究工作。第9頁/共81頁三、熔焊加熱特點及焊接接頭的形成

焊接過程中焊接熱源來源主要是電弧，

熱源加熱的主要特點：

①加熱速度快

②熔化后一定的冷卻速度冷卻至常溫。

熔化焊時理想的熱過程：電阻、等離子、電子束、激光、電渣1熱能集中2很短的時間內完成焊接過程第10頁/共81頁2.焊接化學冶金過程

金屬熔渣氣相金屬氧化、還原、脫硫、脫磷、摻合金等進行一系列的化學冶金反應影響到焊縫的成分、組織和性能第11頁/共81頁Conclusion：控制化學冶金過程是提高焊接質量的重要途徑之一國內外研究重點：1通過焊接材料向焊縫中加入微量合金元素（Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）進行變質處理2適當降低焊縫中的碳，并最大限度的排除焊縫中的硫、磷、氧、氮、氫等雜質凈化焊縫第12頁/共81頁3.焊接時的金屬凝固結晶和相變過程隨著熱源的離開，經過化學冶金反應的熔池金屬就開始凝固結晶，金屬原子的結合排列分布狀態發生變化：近程有序排列遠程有序排列液態固態對于同素異構轉變的金屬，隨溫度的下降，將發生固態相變焊接條件下是快速連續冷卻，并受局部拘束應力的作用，可能產生偏析、夾雜、氣孔、冷裂紋、熱裂紋、氫化、脆化等第13頁/共81頁

一、焊條熔化及熔池形成焊條的熔化熔滴過渡特性熔池的物理參數對焊接工藝和生產率有很大影響冶煉條件方面賦予焊接冶金獨特的特點焊接冶金具有顯著影響第14頁/共81頁

（一）焊條的加熱及熔化1.焊條的加熱：電弧焊時用于加熱和熔化焊條（或焊絲）的熱能有焊接電流通過焊芯時將產生電阻熱，使其本身和藥皮的溫度升高。正常焊接規范下手工電弧焊時：電流對焊芯的預熱作用是不大的。在使用大電流密度焊接時：產生的電阻熱過大，焊芯和藥皮的溫升過高，產生不良后果。電阻熱電弧熱化學反應熱第15頁/共81頁

產生的不良后果：飛濺增加，藥皮喪失冶金作用焊縫成形變壞，容易產生氣孔等缺陷焊接材料的選擇：不銹鋼焊條焊接時。結論：手工電弧焊時，應嚴格限制焊芯和藥皮的加熱溫度。焊接結束時，焊芯的溫度不應超過600-650oC第16頁/共81頁

焊接電弧用于加熱和熔化焊條的功率：Qe=ηeUIηe：焊條加熱有效系數結論：焊條端部得到的電弧熱是熔化焊條并使液體金屬過熱和蒸發的主要能源。第17頁/共81頁

2.焊條金屬的平均熔化速度：基本概念：平均熔化速度平均熔敷速度損失系數作業：第18頁/共81頁

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3.焊條金屬熔滴及其過渡特性：熔滴：熔滴過渡一般特點：焊接過程中，電弧熱加熱過程中形成的熔滴長大到一定程度時，便在各種力的作用下脫離焊條，以滴狀的形式過渡到熔池中去。影響范圍：焊接過程的穩定性、焊接冶金、焊縫成形有很大影響。在電弧熱的作用下，焊條端部熔化形成的滴狀液態金屬稱為熔滴第20頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第21頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第22頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第23頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第24頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第25頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第26頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第27頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第28頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第29頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第30頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第31頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第32頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第33頁/共81頁

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根據外觀形態、熔滴尺寸、以及過渡頻率等特征，熔滴過渡通常可分為三種形式：自由過渡接觸過渡渣壁過渡第三節焊絲的熔化與熔滴過渡第36頁/共81頁1．自由過渡又分為：滴狀過渡（弧壓高，分為粗滴和細滴過渡，粗滴過渡飛濺大，細滴過渡適于CO2氣體保護焊接和酸性焊條焊接和鋁合金熔化極氬弧焊或大電流焊接或活性氣體保護焊中）、噴射過渡（適于氬氣或富氬氣體焊接厚板）；2.接觸過渡分為短路過渡與搭橋過渡。3.渣壁過渡出現在焊條電弧焊和埋弧焊中。第37頁/共81頁

焊條金屬的熔滴過渡特性作用與影響：焊接過程的穩定性、焊接冶金、焊縫成形有很大影響與本課程相關內容：熔滴過渡形式：用藥皮焊條焊接時，主要有三種過渡形式。短路過渡、顆粒狀過渡、附壁過渡第38頁/共81頁

短路過渡：在短弧焊時，顆粒狀過渡：電弧的長度足夠長時附壁過渡：熔滴的過渡形式、尺寸、過渡頻率取決于焊接方法與工藝、焊接參數、焊接材料、藥皮的成分與厚度、焊芯直徑、焊接電流和極性等因素。一般情況下，堿性焊條在較大的焊接電流范圍內主要是短路過渡和大顆粒狀過渡。酸性焊條為細顆粒狀過渡和附壁過渡。第39頁/共81頁

（2）熔滴的比表面積和相互作用時間作用與意義：熔滴的比表面積：熔滴的比表面積Ag與其質量ρVg的比值。焊接時金屬與熔渣和氣體的相互作用屬于高溫多相反應，所以熔滴的比表面積和其與周圍介質相互作用時間，對熔滴階段的冶金反應有很大影響。第40頁/共81頁

若熔滴為球體，半徑為R，則比表面積為：焊滴比表面積增大途徑：增大焊接電流；加入表面活性物質從而有利于加強冶金反應熔滴的比表面積的數值很大，介于103-104cm2/Kg之間,熔滴與周圍介質的平均相互作用時間第41頁/共81頁第42頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第43頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第44頁/共81頁

（二）熔池的形成熔焊時，在熱源的作用下焊條熔化的同時被焊金屬也發生局部熔化。母材上由熔化的焊條金屬與局部熔化的母材所組成的具有一定幾何形狀的液體金屬叫熔池。如果焊接時不填充金屬，熔池的組成。第45頁/共81頁

1熔池的形狀和尺寸2熔池的質量和存在時間手弧焊時熔池的重量通常在0.6-16g范圍之內，多數情況下小于5g。埋弧焊時，熔池質量部超過100g第46頁/共81頁

電弧焊時熔池的存在時間變化在幾秒到幾十秒之間。熔池中各種物化反應的時間是短暫的，但比熔滴階段長。3.熔池溫度分布4.熔池中流體的運動狀態第47頁/共81頁

二、焊接過程中對金屬的保護：焊接化學冶金的特點之一：焊接過程中必須對焊接區內的金屬進行保護。焊接化學冶金的首要任務：對比實驗：用低碳鋼光焊絲在空氣中無保護焊時焊縫金屬的成分和性能與母材和焊絲相比：焊縫金屬中O、N的含量顯著增加。資料記載：含氮量可達0.105%-0.218%，比焊絲中含氮量高20-45倍含氧量可達0.14%-0.72%，比焊絲中含氧量高7-35倍錳、碳等有益合金元素的燒損、蒸發、減少電弧不穩定，焊縫中產生氣孔光焊絲無保護焊接是沒有實用價值的第48頁/共81頁

二、焊接過程中對金屬的保護：焊接化學冶金的特點之一：焊接過程中必須對焊接區內的金屬進行保護。焊接化學冶金的首要任務：對比實驗：用低碳鋼光焊絲在空氣中無保護焊時焊縫金屬的成分和性能與母材和焊絲相比：焊縫金屬中O、N的含量顯著增加。資料記載：含氮量可達0.105%-0.218%，比焊絲中含氮量高20-45倍含氧量可達0.14%-0.72%，比焊絲中含氧量高7-35倍錳、碳等有益合金元素的燒損、蒸發、減少電弧不穩定，焊縫中產生氣孔光焊絲無保護焊接是沒有實用價值的第49頁/共81頁

為了提高焊縫金屬的質量，把熔焊方法用于制造重要結構，就必須盡量減少焊縫金屬中有害雜質的含量，減少有宜合金元素的損失，使焊縫金屬得到合適的化學成分。焊接化學冶金的首要任務：對焊接區內的金屬加強保護，以免受空氣的有害作用。第50頁/共81頁

（二）保護的方式和效果事實上，大多數熔焊方法都是基于加強保護的電路發展和完善的目前發展的保護材料：保護手段：焊條藥皮、焊劑、焊絲藥芯中的藥芯保護氣體第51頁/共81頁

具體事例;埋弧焊時利用焊劑及其熔化之后形成的熔渣隔離空氣保護金屬的，焊劑的保護效果取決于焊劑的粒度和結構。焊劑的粒度越大，其松裝密度越小、透氣性越大，焊縫金屬中含氮量越多，保護效果越差。第52頁/共81頁

焊接化學冶金過程：焊劑的松裝密度越大越好：若松裝密度過大，熔池中有大量氣體逸出時，透氣性過小，阻礙氣體外逸，焊縫中形成氣孔。焊劑應有合適的透氣性。埋弧焊時焊縫的含氮量一般為0.002%-0.007%，比手工電弧焊的保護效果好。第53頁/共81頁

氣體保護焊的保護效果取決于保護氣的性質與純度、焊炬的結構、氣流的特性等一般情況下，惰性氣體（氬、氦等）的保護效果比較好，適用于焊接合金鋼與化學活性金屬及合金。用焊條和藥芯焊絲焊接時的保護效果，取決于其中保護材料的含量、熔渣的性質和焊接工藝參數。焊接冶金的另一個重要任務，第二章重點學習的內容：對熔化金屬進行冶金處理，調整焊接材料的成分和性能，控制冶金反應的發展，獲得預期要求的焊縫成分。第54頁/共81頁

焊接冶金過程的特點：第55頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第56頁/共81頁

焊接化學冶金過程：第57頁/共81頁

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焊接化學冶金過程的特點：⑴電弧溫度高（能量來源）焊接電源的溫度很高，可達到6000-8000oC，金屬強烈蒸發，電弧周圍的氣體O2、CO2、N2、H2、H2O等大量分解。（考慮到熱力學問題）第61頁/共81頁

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定性、定量的問題，熱焓、熱效應、系統的自由能等能量問題。分解后的氣體分子或離子很容易溶解到液體金屬中，隨著溫度的下降，溶解度也下降，如果來不及析出，易造成氣孔。⑵⑶⑷第63頁/共81頁

（2)熔滴反應區具有重要作用的作用與意義.不同的焊接方法有不同的反應區。①熔滴的溫度高：手工電弧焊焊接低碳鋼而言，熔滴的平均溫度在2100-2700K之間；電弧焊焊接鋼時，活性斑點處的溫度接近焊芯的沸點，約為2800oC；熔滴金屬的過熱度很大，可在300-900oC范圍內。第64頁/共81頁

②熔滴與氣體和熔渣的接觸面積大熔滴的比表面積可達103-104cm2/Kg,約比煉鋼時大1000倍。（比表面積）第65頁/共81頁

焊接化學冶金過程：熔滴反應區的反應時間短，溫度高，相接觸面積大，并有強烈的混合作用，冶金反應最激烈，對焊縫成分影響最大。第66頁/共81頁

③各相之間的接觸、反應時間短熔滴在焊條末端停留時間僅為0.01-0.1S。熔滴與周圍介質的平均相互作用時間短，在0.01-1.0S之間變化。熔滴階段的反應主要是在焊條末端進行的。④熔滴與熔渣發生強烈混合

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（3）熔池溫度高，溫差大，熔池的溫度分布很不均勻，（焊接過程是處于非平衡的熱力學條件）并被固態金屬所包圍，易產生很多結晶缺陷。熔池體積小，存在的時間短。焊接熔池的體積，電弧焊條件下，熔池體積最大只有30cm3，熔池的重量通常在0.6-16g范圍之內，多數情況下小于5g，埋弧焊焊接電流很大時