第一章 熔化焊连接原理12

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1、第一章 熔化焊连接原理1.1熔化焊热过程及接头形成1.2熔化焊接化学冶金1.3熔化焊接头的组织和性能1.4焊接冶金缺陷1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金焊接材料焊接熔渣焊接化学冶金反应区焊接气氛及其与金属的相互作用焊接熔渣与金属的相互作用焊缝金属的合金化典型焊接材料冶金特性分析获得良好接头的条件:合适的热源,良好的熔池保护,焊缝填充金属焊接热过程,焊接化学冶金,焊接物理冶金1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金一、焊接材料1、焊接材料的类型：焊接时所消耗的材料。焊条、焊剂、焊丝、保护气焊接材料应具有以下作用：1.保证电弧稳定燃烧和焊接熔滴顺利过渡；2.在焊接过程中保护液

2、态熔池金属，以防止空气侵入；3.进行冶金反应和过渡合金元素，调整和控制焊缝金属的成分与性能；4.防止气孔、裂纹等焊接缺陷的产生；改善焊接工艺性能，在保证焊接质量的前提下尽可能提高焊接效率。焊接过程中的各种填充金属以及为了提高焊接质量而附加的保护物质统称为焊接材料。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2、焊条1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（）（）焊芯焊芯焊丝焊丝作用：作用：导电、填充金属 焊芯材料有选择性:用量最多的是用量最多的是H08H08、H08AH08A，还有，还有H08EH08E。（2 2）药皮药皮作用：作用：机械保护作用 冶金处理作用 工艺性能良好药皮的组

3、成？焊条的组成焊条的组成1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金稳弧剂:改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为易电离或电离势低的物质。如：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃造渣剂:造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。如：钛铁矿、金红石、萤石、长石等。造气剂:造气保护,有机物、碳酸盐.有机物。如：木粉、淀粉、析出气体CO、H，碳酸盐析出气体CO2，高温时产生CO。药皮的组成？1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金脱氧剂:降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧铁合金：锰铁、钛铁、硅铁、Re等。合金剂:使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成

4、分。如合金、纯金属、一般Mn-Fe、Si-Fe要纯化粘结剂:将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水玻璃混合。增塑剂:便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、白泥、滑石等。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（3）焊条的分类和性能 1）用途和化学成分焊条牌号焊条型号序号焊条分类（按用途分类）代号汉字（字母）焊条分类（按化学成分分类）代号国家标准123结构钢焊条钼及铬钼耐热钢焊条低温钢焊条结（J）热（R）温（W）碳钢焊条低合金钢焊条EEGB/T5117-95GB/T5118-954不锈钢焊条：1.铬不锈钢焊条2.铬镍不锈钢焊条铬（G

5、）奥（A）不锈钢焊条EGB/T983-955678910堆焊焊条铸铁焊条镍及镍合金焊条铜及铜合金焊条铝及铝合金焊条特殊用途焊条堆（D）铸（Z）镍（Ni）铜（T）铝（L）特（TS）堆焊焊条铸铁焊条镍及镍合金焊条铜及铜合金焊条铝及铝合金焊条-EDEZENiTCuTAl-GB984-2001GB10044-88GB/T13814-92GB3670-95GB3669-20011.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2）按熔渣碱度分类 在实际生产中，将焊条分为两大类-酸性焊条和碱性焊条（称低氢型焊条），按熔渣中酸性氧化物与碱性氧化物的比例分类。当熔渣中酸性氧化物的比例高时为酸性焊条，反之为碱性焊

6、条。酸性焊条电弧柔软，飞溅小，熔渣流动性和覆盖性均好，焊缝外表美观，焊波细密，成形平滑；碱性焊条的熔滴过渡是短路过渡，电弧不够稳定，熔渣的覆盖性差，焊缝形状凸起，且焊缝外观波纹粗糙，但在向上立焊时，容易操作。酸性焊条的药皮中含有较多的氧化铁、氧化钛及氧化硅等，氧化性较强，在焊接过程中使合金元素烧损较多，同时由于焊缝金属中氧和氢含量较多，因而熔敷金属塑性、韧性较低。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金碱性焊条的药皮中含有多量的大理石和萤石，并有较多的铁合金作为脱氧剂和渗合金剂，因此药皮具有足够的脱氧能力。大理石等碳酸盐分解出CO2做保护气体，弧柱气氛中氢的分压较低，且萤石中的氟化钙在

7、高温时与氢结合成氟化氢，降低焊缝中的含氢量，故碱性焊条又称为低氢型焊条。但由于氟的反电离作用，为了使碱性焊条的电弧能稳定燃烧，一般只能采用直流反接（即焊条接正极）进行焊接，只有当药皮中含有多量稳弧剂时，才可以交直流两用。用碱性焊条焊接时，故具有较高的塑性和冲击韧性。3)按焊条药皮的类型氧化钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢型等1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 J 507 J 507 焊条为例焊条为例J507低氢型药皮、直流焊缝金属抗拉强度不低于500MPa结构钢焊条焊条的牌号焊条的牌号根据焊条的主要用途及性能特点来命名的。以结构钢为例：牌号,编制法。结XXX,结为

8、结构钢焊条,第3个数字,代表药皮类型,焊接电流要求,第1、2数:代表焊缝金属抗拉强度。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金E5015(J 507)焊条为例 书P57E5 0 1 5表示焊条适用于全位置焊接表示焊条表示焊条药皮为低氢钠型，并可采用直流反接焊接表示熔敷金属抗拉强度的最小值 焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。以结构钢为例，型号编制法为字母“E”表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金电焊条的选用电焊条的选用同种钢材焊接时焊条选用要点（1）

9、考虑焊缝金属力学性能和化学成分对于普通结构钢,通常要求焊缝金属与母材等强度,应选用熔敷金属抗拉强度等于或稍高于母材的焊条。对于合金结构钢,还要求合金成分与母材相同或接近。(2)考虑焊接构件使用性能和工作条件对承受动载荷和冲击载荷的焊件,除满足强度要求外,主要应保证焊缝金属具有较高的冲击韧度和塑性,可选用塑、韧性指标较高的低氢型焊条。接触腐蚀介质的焊件,应根据介质的性质及腐蚀特征选用不锈钢类焊条或其它耐腐蚀焊条。(3)考虑焊接结构特点及受力条件对结构形状复杂、刚性大的厚大焊接件,由于焊接过程中产生很大的内应力,易使焊缝产生裂纹,应选用抗裂性能好的碱性低氢焊条。对受力不大、焊接部位难以清理干净的焊

10、件,应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的酸性焊条。(4)考虑施工条件和经济效益在满足产品使用性能要求的情况下,应选用工艺性好的酸性焊条。在狭小或通风条件差的场合,应选用酸性焊条或低尘焊条。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金焊接电弧的弧定性焊接电弧的弧定性(稳弧性稳弧性)影响因素：焊条药皮成份,电源的特性,焊接规范等.药皮成份的影响.若药皮中含低电离势元素若药皮中含低电离势元素,U,U稳弧性稳弧性某些元素的电离势元素KNaBaCaTiMnFeSiCHOFCO2电离势4.325.125.166.086.817.407.837.9411.2213.5313.5618.614.31.2 1

11、.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金3 3、焊剂、焊剂焊剂是焊接时能够熔化形成焊渣和气体，对熔化金属起保护和冶焊剂是焊接时能够熔化形成焊渣和气体，对熔化金属起保护和冶金处理作用的一种颗粒状物质。金处理作用的一种颗粒状物质。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金焊剂和焊丝都是埋弧焊、电渣焊时使用的焊接材料。焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯。埋弧焊、电渣焊多用于焊接钢，少数用于焊接有色金属。.按制造方法分类按制造方法分类()熔炼焊剂：将原料按配方比例配成炉料，放在电炉或火焰炉中熔炼，这种焊剂叫熔炼焊剂。()非熔炼焊剂：依烘熔温度不同分为粘结焊剂和烧结焊剂。2.2.按焊剂化学成分分

12、类按焊剂化学成分分类(1)按氧化物性质分 (2)按SiO2含量分(3)按MnO含量分 (4)按CaF2含量分 一、钢用焊剂分类1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金a.高硅焊剂：焊剂含SiO2 30%b.中硅焊剂：焊剂含SiO2 1030c.低硅焊剂：焊剂含SiO2 30%b、中锰焊剂：含MnO 1530%c、低锰焊剂：含MnO 25%d、无锰焊剂：不加MnO，焊剂中MnO是混入的杂质MnO 30%b、中氟焊剂：含CaF2 1030%c、低氟焊剂：含CaF2 1时为碱性渣，B1 1.5时，熔渣才是碱性的。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金碱度B的倒数称为酸度分子理论认为

13、熔渣中的氧化物按其性质可分为三类1)酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O52)碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO3)中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O31.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金离子理论对碱度定义(游离状态的氧离子)液态熔渣中自由氧离子的浓度(氧离子的活度)定义为碱度.B2=aiMiMi-渣中第i种氧化物的摩尔分数;ai-渣中第i种氧化物的碱度系数;B20 碱B20 酸B2=0 中1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（1 1）熔渣的熔点）熔渣的熔点熔渣开始凝固的温度(非晶态,无固定熔点)药皮熔点:药皮熔化温度，低于

14、焊芯熔点100200 熔渣熔点100 ，吸附水蒸发。2)某些物质分解在200-250时，有机物分解；300-400时，结晶水及化合水分解。矿物分解反应,碳酸盐,高价氧化物分解3)铁合金氧化T600，药皮中铁合金明显氧化,气相氧化性下降（先期脱氧）CO,H2CO.O2H2O1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2.2.熔滴反应区熔滴反应区(冶金反应最激烈)指熔滴形成.长大.脱离焊条.过渡到熔池之前 特点特点:)温度高熔滴平均温度 18002400熔滴活性斑点温度：2800 沸点熔滴金属过热度大 300900)与气体.熔渣的接触面积大 比表

15、面积大,F比=100010000cm2/Kg比炼钢时大1000倍，弧柱空间的熔滴尺寸最小直径0.01cm1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金)时间短、速度快 在焊条端停留时间：0.01-0.1S 穿过弧柱时间：10-410-3S)熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合.主要冶金反应：金属蒸发；气体的分解和溶解；金属氧化还原；掺合金。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金3 3、熔池反应区、熔池反应区 1）熔池温度低16001900低于熔滴2)接触面积小；比表面积3130 Cm2/Kg 3）时间长 手工焊38s，埋弧焊625s4）搅拌没有熔滴阶段激烈5）熔池温度不均匀 突出特点

16、 熔池头部熔池头部:金属熔化、气体的吸收金属熔化、气体的吸收,利于吸热反应；利于吸热反应；金属的氧化、合金化金属的氧化、合金化熔池尾部：金属凝固和气体的析出熔池尾部：金属凝固和气体的析出,利于放热反应利于放热反应 脱氧、脱硫、脱磷脱氧、脱硫、脱磷1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金气相与金属的作用气相与金属的作用四、焊接气氛及其与金属的相互作用四、焊接气氛及其与金属的相互作用 （1 1）气体的来源）气体的来源来源：来源：1）焊接材料(含造气剂)2）周围气体介质(O2,N2)3%3）焊丝表面和母材坡口上的油、锈(含结晶水)、吸附水等 4）金属和熔渣的蒸发产生的气体 成分：成分：金属及

17、熔渣的蒸气以及它们分解或电离的产物1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（2）气体的产生1）有机物的分解和燃烧 制造焊条常用有机物作为造气剂和涂料增塑剂，淀粉,木粉,纤维素等物质受热后分解和燃烧,产生气体。2）碳酸盐和高价氧化物的分解 常用的碳酸盐有CaCO3、MgCO3、BaCO3和白云石CaMg(CO3)2。对含CaCO3的焊条烘干温度不应超过450，对含MgCO3的焊条烘干温度不应超过300。3）材料的蒸发 焊接材料中的金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温的作用下发生蒸发。沸点较低的Zn、Mg、Pb、Mn容易蒸发。气相的成分复杂化,造成合金元素的损失，甚至产生焊接缺陷，增加焊接烟

18、尘,污染环境。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（3）气体的分解1）双原子气体的分解 焊接区气相中常见的简单气体是氮气、氢气、氧气等。氮气分子状态；氢气、氧气原子状态。2.复杂气体的分解 焊接冶金中常见的复杂气体是二氧化碳和H2O（气）。CO2 =CO+1/2 O2 完全分解H2O =H2+1/2 O2 复杂H2O =H2+O1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金(4）气相的成分及其分布气相的成分和数量随焊接方法、规范、焊条或焊剂的种类不同而变化。应注意室温还是高温状态气相中含H2和H2O很少-低氢型焊接质量影响最大N2、

19、H2、O2、CO2、H2O、CO成分：成分：金属及熔渣的蒸气以及它们分解或电离的产物1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2 2、氢对金属的作用、氢对金属的作用（1 1）氢在金属中的溶解）氢在金属中的溶解 1 1）来源：）来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物，焊件表面杂质（锈、油）、空气中水分 能形成氢化物 Zr,Ti,V,Nb 固态下大量吸收氢不能形成氢化物，但可溶解在金属中 Fe,Cu,Ni温度愈高，溶解度愈大,这些金属由高温急冷至室温时，即可能在晶体缺陷或孔隙处形成高压气体，钢中白点1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2 2）氢的溶解）氢的溶解 焊接区

20、氢可以处于分子、原子和离子状态 1)氢以原子形式溶入2)以 溶入渣层 3)以 溶入气体保护焊时，氢是通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶入金属的；电渣焊和电渣熔炼时，氢是通过渣层溶入金属的；手工电弧焊和埋弧焊时，以上两种途径兼而有之。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金氢从渣中向金属过渡氢 渣 金属水向渣中的溶解H2O气+(O2-)=2(OH-)碱性渣有利于水向渣中的溶解熔渣与金属的作用(Fe2+)+2(OH-)=Fe+2O+2H 氢过渡到焊缝金属中如果渣中含有氟化物：发生(OH-)+（F-）=(O2-)+HF 氟化物降低水在渣中的溶解度1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化

21、焊接化学冶金通过气相向金属中溶解氢以分子状态，符合平方根规律；氢以原子状态；溶解度与温度有关，温度高，溶解度高，温度接近沸点时，金属蒸发，溶解度下降为0在变态点处溶解度发生突变，往往是造成气孔、裂纹的主要原因1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 的影响因素的影响因素氧气可以降低液态铁中氢的溶解度合金元素的影响：氢在铁中溶解度受合金元素影响 氢在金属中的溶解度随相结构的不同而变化。如当900一个大气压时在Fe中氢的溶解度在100g金属中为3ml，而-Fe中氢的溶解度在100g金属中为4.7ml。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（2 2）焊缝金属中的氢及其扩散）焊缝金属

22、中的氢及其扩散 1 1）存在形式）存在形式 扩散氢：氢以原子或离子形式存在的并可在金属晶格中自由扩散。残余氢（剩余氢）：氢原子扩散聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹及非金属夹杂物的边缘空隙中，结合成分子不能自由扩散。总含氢量=扩散氢剩余氢1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金在焊接过程中，液态金属所吸收的大量氢，有一部分在熔池凝固过程中可以逸出。焊缝金属中的含氢量，因扩散的缘故而是随时间变化的。焊后随着放置时间的增加，扩散氢减少，残余氢增加，而总含氢量下降。）氢在焊缝中分布）氢在焊缝中分布氢沿长度方向的分布基本均匀但熔合线处含氢量较高。氢沿焊接接头横断面扩散，深度大1.2 1.2 熔化焊

23、接化学冶金熔化焊接化学冶金（3 3）氢对焊接质量的影响）氢对焊接质量的影响 结构钢焊接结构钢焊接1)1)氢氢脆脆 在室温附近，氢溶解在金属晶格中，引起钢的塑性严重下降 经消氢处理可以恢复塑性。暂态焊后把工件加热到一定温度，促使氢扩散外逸的工艺1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2)白点 肉眼可见，直径0.53mm，中心处有气孔或小的夹渣，外围有塑性裂断的痕迹，象鱼眼似的也称“鱼眼”碳钢或低合金钢焊缝，如含氢量高，则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点，称之为白点用去氢处理可消除链状排列的氢白点是形成裂纹源并使其扩展的根本原因。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学

24、冶金白点白点 产生原因：产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。“诱捕理论诱捕理论”解释：解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙,好象“陷阱”一样.捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附.由于塑性变形新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金3)3)气孔气孔 4)4)组织变化和显微斑点组织变化和显微斑点 氢在A有较大的溶解度，焊缝金属A容易发生M转变，富氢的组织内产生大的内应力，造成显微裂纹 5)5)产生冷裂纹产生冷裂纹 冷却到较低温度时产生的焊接裂纹永久现象：气孔、改变组织

25、、显微斑点、冷裂纹、不可消除1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（4 4）控制氢的措施）控制氢的措施1）限制焊接材料中的含氢量减少吸附水的数量，不加有机物，不加或少加含有结晶水的物质清除焊丝和焊件表面上的杂质（油，水，锈）2)冶金处理 形成HF或OH-Ca2F+H2O=CaO+2HF3）加入稀土或稀散元素4)控制焊接工艺参数 I增大 H增加 U增大 H下降稀散元素稀散元素全称稀有分散元素。是在自然界中并不形成独立矿床而以杂质状态分散存在于其它元素的矿物中的元素，如硒、碲、锗、镓、铟、铊，也可包括铼、铪。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金首先，限制氢及水分的来源其次，防

26、止氢溶入金属最后，对溶入氢的金属作脱氢处理5）控制焊接材料的氧化还原势增加熔池的含氧量或气相的氧化性可以降低熔池中氢的平衡浓度碱性焊条含有的碳酸盐，CO2+H=CO+OH 去氢 CO2气体保护焊即使气体中含有一定的水分，焊缝含氢量依然不高氩弧焊是加入少量的氧气和CO2，可控制接头的氢气孔1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金3 3、氮与金属的作用、氮与金属的作用 来源：来源：主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况。1、不与氮发生作用的金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。Cu,Ni 2、与氮发生作用的金属，即能溶解氮又能形成氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的

27、氮化。Fe,Ti,Mn,Cr1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金(1)(1)氮在金属中的溶解氮在金属中的溶解 1）N原子形式溶于液态金属 电弧中受激的氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多 2）以NO形式溶入 在氧化性电弧气氛中形成NO，遇到温度较低的液态金属,分解为N和O，N迅速溶于金属。3）以氮离子N+形式溶入电弧中的氮离子可在阴极溶解，电场作用 阴极运动 中和电子,还原N原子1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（2 2）氮对焊接质量的影响）氮对焊接质量的影响1)气孔 主要原因（针眼一堆）氢气（喇叭状）2)时效脆化 N过饱和，时间延长，Fe4N产生 低温韧性3)有

28、利一面：可作为合金元素加入钢中，一般指高合金钢。沉淀强化，细化晶粒；15MnVN 形成VN，把氮固定，不会产生时效脆化提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素.在碳钢焊缝中氮是有害的杂质1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（3 3）影响焊缝含氮量的因素及控制措施）影响焊缝含氮量的因素及控制措施 1 1）机机械械保保护护（最最有有效效）：气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效果取决于药皮的数量及成分 2 2）焊焊接接工工艺艺规规范范影影响响：短弧焊（焊条与母材距离小），增加焊丝直径（比表面积减少）3

29、3）焊焊丝丝成成分分的的影影响响 ：增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量；Ti,Zr,Al,Re生成稳定氮化物1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金4 4、氧对金属的作用、氧对金属的作用（1 1）氧在金属中的溶解）氧在金属中的溶解 1)以原子氧形式溶解 很少 1700 0.4%；室温不溶2)以FeO形式溶解 绝大部分 溶解吸热，温度升高，溶解度增大在铁冷却过程中，氧的溶解度急剧下降，焊缝金属和钢中所含的氧绝大部分是以氧化物和硅酸盐夹杂物的形式存在。第1类 与O2发生激烈氧化,不溶解氧 Al,Mg第2类 能够有限的溶解氧,氧化物能溶于相应的金属FeCuNiTi1.2 1.2 熔

30、化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（2 2）金属被氧化的途径）金属被氧化的途径 气相中氧化气体与金属相互作用 1)自由氧对金属的氧化 电弧气氛中的氧的实际分压Po2与FeO分解压Po2之间的差值Po2 Po2，铁被氧化；Po2 FeO分解压Po2高温下对铁和许多金属是活泼的氧化剂CO2+Fe=CO+FeO平衡常数K温度升高，K增大，反应向右进行。熔滴比熔池阶段金属的氧化程度大CO2防止N，H侵入焊接区，较强氧化作用，焊接材料中加脱氧剂1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金3)H2O气对金属的氧化（增氢，氧化）H2O气+Fe=H2+FeO 平衡常数K温度升高，氧化性增加，液态铁温度范围，小

31、于CO2氧化性焊条焊剂的防潮4)实际焊接区，混合气体对金属的氧化 气体系统的氧的分压Po2与 FeO分解压Po2，比较钛铁矿型焊条析出气体 2500K 氧化性低氢型焊条析出气体 1800K 氧化性需要更多的脱氧剂1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（3 3）氧对焊接质量的影响）氧对焊接质量的影响 1)机械性能下降 低温冲击韧度急剧下降2)化学性能变差 导电,导磁,抗蚀均下降3)产生气孔,CO气孔,4)合金元素烧损 恶化焊缝性能5）冷脆，红脆5)工艺性能变差 熔滴产生的CO受热膨胀，飞溅本节结束1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（4 4）防止措施）防止措施1、纯化焊接材

32、料（铁锈，氧化膜等），惰性气体保护，2、控制焊接工艺参数降低电弧电压，短弧焊，防止空气侵入，对于减少焊缝含氧量局限3、合理的冶金方法脱氧药皮加入某种合金元素，使这些被氧化，保护被焊金属和脱氧1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金五、焊接熔渣与金属的相互作用五、焊接熔渣与金属的相互作用（1）扩散氧化 在温度不变的情况下，当增加熔渣中FeO的浓度时，将向熔池中扩散，使焊缝中的含氧量增加。熔滴阶段，分配向液态铁熔滴阶段，分配向液态铁扩散氧化扩散氧化但焊接温度下，在渣中多一些但焊接温度下，在渣中多一些扩散脱氧扩散脱氧饱和SiO2lgL=4906/T-1.877饱和CaOlgL=5014/T-

33、1.980基本形式：扩散氧化和置换氧化 1 1、活性熔渣对焊缝金属的氧化、活性熔渣对焊缝金属的氧化焊接过程中，FeO能溶于铁液中，又能溶于熔渣中分配常数分配常数L=(FeO)/FeOTL1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金碱性焊条对铁锈敏感？为什么？一定温度下设定纯FeO的反应能力为1,溶解于熔渣中的FeO相对于纯FeO的反应能力的分数就是熔渣中FeO的活度。碱性渣，酸性氧化物少，所以FeO反应能力大，可以扩散分配到金属中，熔渣FeO量相同，碱性渣焊缝含氧量比酸性渣多铁锈使焊缝显著增氧，且引起气孔1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（2）置换氧化(渗锰渗硅增氧反应)主要

34、增氧途径(SiO2)+2FeSi+2FeO 渗硅(MnO)+Fe=Mn+FeO 渗锰T反应向右进行，发生部位：熔滴阶段和熔池头部FeO大部分进入熔渣碱度增大，有利于渗锰，不利于渗硅1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金焊接熔渣的活性可用活性系数代替(取决于熔渣的组成和碱度)Af=SiO2+0.5TiO2+0.4(Al2O3+ZrO2)+0.42B22(MnO)/100B2Af0.6 高活性 Af=0.30.1低活性Af=0.50.3 中等活性 Af 0.1惰性低碳钢熔炼焊剂的熔渣：Af=SiO2+0.42B22(MnO)/100B2熔渣活性系数的增加，熔敷金属越易增氧活性系数1.2

35、1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金渗钛4TiO2=2Ti2O3+O2 高温下酸性氧化物转变弱碱性氧化物TiO2+4/3Al=2/3 Al2O3+Ti碱度增加，【Ti】增加Al增加，【Ti】增加焊接高合金钢的焊条和焊剂中不能含有SiO2？合金元素Al、Ti、Cr等，对氧的亲和力更大，夺取SiO2中的氧，生成氧化物，焊缝非金属夹杂增加，含氧量升高1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2 2、焊缝金属的脱氧、焊缝金属的脱氧（2）先期脱氧（药皮反应区）在药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧。其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。Fe2O3+Mn=MnO+2FeO；

36、CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO药皮加热阶段温度低，传质条件差，先期脱氧是不完全的，需进一步脱氧。（1）脱氧的目的和选择脱氧剂的原则脱氧剂Mn，Si，Ti，Al1、在焊接温度下对氧亲和力大的元素，夺取气相或氧化物中的氧2、脱氧产物熔点低，不溶于液态金属，密度小于液态金属3、必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性能的影响1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（3）沉淀脱氧（关键）沉淀脱氧是在熔滴和熔池中进行的。将已经溶于熔池金属的FeO或O转化为不溶于金属的氧化物1）Mn的脱氧Mn+FeO=Fe+(MnO)增加锰含量或减小MnO熔渣中的活度，利于Mn的脱氧在含SiO2、Ti

37、O2酸性渣中，转变成复合物MnOSiO2和MnOTiO2一般酸性焊条用锰铁作为脱氧剂，而碱性焊条不单独用锰铁作为脱氧剂。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2）Si的脱氧Si+2FeO(SiO2)+2Fe硅的脱氧能力比锰大，但生成的二氧化硅熔点高，处于固态，不易聚合为大的质点；其与钢液的界面张力小，润湿性好，不易从钢液中分离，易造成夹杂，故不单独用硅脱氧。碱性渣减小反应物SiO2的活度，但熔点高，粘度大，焊缝夹杂。3）Si/Mn联合脱氧Mn/Si=36,脱氧产物MnOSiO2，密度小，易于被熔渣吸收1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金实现沉淀脱氧的条件：在焊接温度下对氧

38、亲和力大的元素，夺取气相或氧化物中的氧。脱氧产物不溶于液态金属而成为独立液相转入熔渣，熔点低，密度小于液态金属熔渣性质与脱氧产物性质相反，降低脱氧产物在熔渣中的活度，也有利熔渣吸收脱氧产物1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（4 4）扩散脱氧）扩散脱氧L=(L=(FeO)/FeOFeO)/FeO TL TLT L T L 熔池后部的低温区熔池后部的低温区产生：熔池的凝固阶段扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，是以分配定律为理论基础的 酸性渣有利于扩散脱氧碱性渣 FeO活度大，会扩散到熔池金属所以扩散脱氧不是脱氧的主要途径。扩散脱氧的优点是不会因脱氧而造成夹杂。酸性渣：有利于扩散

39、脱氧及锰脱氧碱性渣：只能通过硅锰联合脱氧金属和熔渣粘度增大，不利于扩散，局限1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金冲洗脱氧焊接过程中液体金属同熔渣均要向熔池尾部流动，但在电弧气流的作用下，熔渣的移动速度大于液体金属的移动速度，熔渣对液体金属产生冲洗作用，使液体金属的氧化物易于被吸收到熔渣中。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金3 3、焊缝金属中硫和磷的控制、焊缝金属中硫和磷的控制(1(1）焊缝中硫的危害及控制）焊缝中硫的危害及控制1）硫的危害 硫是焊缝金属中有害的杂质之一，产生结晶裂纹，降低冲击韧性和抗腐蚀性。在焊接高镍合金钢时，644低熔点共晶2）控制硫的措施低碳钢焊缝

40、：S0.035%P0.045%限制焊接材料中含硫量焊条药皮和焊剂,锰矿、赤铁矿、锰铁等用冶金方法脱硫1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金碱性焊条脱硫碱性焊条脱硫(CaO)FeS(CaS)(FeO)(MnO)FeS(MnS)(FeO)脱硫剂：碱性氧化物、锰脱硫Mn+FeS=(MnS)+FeLgK=8220/T-1.86 T K 有利于脱硫(MgO)FeS(MgS)(FeO)不溶于钢液进入熔渣1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（2 2）焊缝中磷的危害及控制）焊缝中磷的危害及控制1）磷的危害 磷增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧性降低，韧脆转变温度升高。焊接奥氏体钢或低合金钢

41、焊缝含碳量高时，磷也促使形成结晶裂纹。2）控制磷的措施限制母材、填充金属、药皮和焊剂中的磷的含量（根本措施）用脱磷的方法将其清除，实际上，脱磷比脱硫更困难，一般采用第一种方法限制磷的含量。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金用冶金方法脱磷a）FeO将磷氧化生成P2O5b）使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3P2O5+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4P2O5+11Fe1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金六、焊缝金属的合金化六、焊缝金属的合金化(合金过渡合金过渡)1 1、合金过渡的目的及方式、

42、合金过渡的目的及方式（1）目的:补偿烧损;改善焊缝性能;获得特殊性能的堆焊金属（2）方式：1.应用合金焊丝或带材 2.应用药芯焊丝或药芯焊条 3.应用合金药皮或粘结焊剂 4.应用合金粉未把所需要的合金元素 通过焊接材料过渡到焊接金属中去1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2 2、合金过渡过程的理论分析、合金过渡过程的理论分析（1）合金剂过渡的方式合金渣-液渣-液界面液态金属中溶解扩散搅拌均匀.(2）在合金过渡过程中各阶段的作用Kb-药皮质量系数药皮质量系数Kb药皮药皮/焊芯焊芯Kb0.4熔滴过渡为主Kb0.4熔池过渡为主1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金1.2 1.2

43、 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金三、合金过渡系数及其影响因素三、合金过渡系数及其影响因素（一）合金过渡系数（一）合金过渡系数它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比它在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比=D/E=D/F+Kbc式中D-合金元素在熔敷金属中含量E-合金元素原始含量C-合金元素在药皮中的含量F-在焊芯中的含量Kb-药皮质量系数Kb药皮/焊芯1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金例1：Mn合金元素在熔敷金属中的质量分数D D为1.8%，焊条中Mn合金元素原始总质量分数E E为为7.2%7.2%，求，求Mn合金元素的过渡系数？例2：Q235A钢用CO2气体保护焊焊接时

44、，焊缝中的Si合金元素质量分数(Si)Si)W W为0.16%，求焊丝的Si合金元素质量分数(Si)Si)s s为多少？为多少？（设熔合比为40%，母材硅过渡系数1为72%，母材中含Si合金元素量(Si)b0.24%，焊丝Si合金元素的过渡系数2为20%）1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金1.8%/7.2%=25%1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金(Si)Si)W W=1 (Si)b+2(1-)(Si)Si)s s0.758%1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（二）影响过渡系数的因素（二）影响过渡系数的因素1.合金元素的物化性质 Cu、Ni、Co、Fe

45、、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al在1600各种合金元素对氧的亲和力 由左到右增强 2.合金元素的含量合金元素的含量,但增加一定时,趋于定值.3.合金剂的粒度 粒度太小，与氧作用的机会越多，损失大 4.药皮或焊剂的成分 药皮或焊剂的氧化势 合金元素与其氧化物共存时,合金元素与其氧化物与渣的酸碱性相同时,5.药皮重量系数 Kb1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金本节小结本节小结 焊接化学冶金：焊接区内的气体、金属和熔渣在高温下相互作用，复杂的物理化学变化过程。焊接冶金反应是“分区连续反应”。从药皮反应区开始，经熔滴反应区，再进入熔池反应区，最终决定了焊缝金属的成分。熔

46、滴反应区是反应最激烈的部位，气体高度分解并向熔池金属中溶解，熔渣也会发生分解并与金属发生置换反应。熔池反应区是决定焊缝金属最终成分和纯净度（各类氧化物、硫化物夹杂、气体杂质等的含量高低）的重要阶段气体的来源和产生，气体在金属中溶解，氧除了向金属溶解外，还直接使金属氧化导致增氧。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金熔渣来自药皮和焊剂，熔渣和金属的作用可用熔渣碱度来表征，碱度变化显著影响到金属的氧化、渗合金过程、去除S、P和H的过程。提高碱度有利于抑制熔渣的渗硅反应，有利于吸收酸性氧化物和硫化物，去P的效果不佳。降低焊缝含氧量措施：限制来源；先期脱氧；沉淀脱氧。如何选脱氧剂？熔渣中避免

47、含有脱氧剂的生成物，熔渣酸碱性质与脱氧产物相反控制氮主要靠加强保护，加入合金元素固氮时，导致塑性韧性下降除氢措施：限制来源；使氢转化为不溶于熔融金属中的稳定化合物，如OH或HF，必要时，焊后进行脱氢处理。限制S、P的措施：限制来源；提高熔渣碱度；提高Mn含量对降S有利1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金思考题1.焊接化学冶金与炼钢相比，在原材料方面和反应条件方面主要有哪些不同？2.调控焊缝化学成分有哪两种手段？它们怎样影响焊缝化学成分？3.焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金4.为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它的正常溶

48、解度？5.氮对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？6.手弧焊时，氢通过哪些途径向液态铁中溶解？写出溶解反应及规律？7.氢对焊接质量有哪些影响？8既然随着碱度的增加水蒸气在熔渣中的溶解度增大，为什么在低氢型焊条熔敷金属中的含氢量反而比酸性焊条少？1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金9.综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响。10.今欲制造超低氢焊条 问设计药皮配方时应采取什么措施？11.氧对焊接质量有哪些影响？应采取什么措施减少焊缝含氧量？12.保护焊焊接低合金钢时，应采用什么焊丝？为什么？13.在焊接过程中熔渣起哪些作用？设计焊条、焊剂时应主要调控熔渣的哪些

49、物化性质？为什么？1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金14.测得熔渣的化学成分为：CaO41.94%、CaF228.34%、SiO223.76%、FeO5.78%、TiO27.23%、Al2O33.57%、MnO3.74%、(Na2O+K2O)4.25%，计算熔渣的碱度B1和B2，并判断该渣的酸碱性。15.已知在碱性渣和酸性渣中各含有15%的FeO，熔池的平均温度为1700，问在该温度下平衡时分配到熔池中的FeO量各为多少？为什么在两种情况下分配到熔池中的FeO量不同？为什么焊缝中实际含FeO量远小于平衡时的含量？1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金16.既然熔渣的碱度越高，其中的自由氧多，为什么碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条焊缝含氧量低？17.为什么焊接高铝钢时，即使焊条药皮中不含硅，只是由于用水玻璃作粘结剂，焊缝还会严重增硅？18.综合分析熔渣中的在焊接化学冶金过程是所起的作用。19.综合分析熔渣的碱度对金属的氧化、脱氧、脱硫、脱磷、合金过渡的影响。1.2 1.2 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金本节结束本节结束