焊接化学冶金.pptx

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1、第一节第一节 焊接化学冶金过程的特点焊接化学冶金过程的特点本节概念性的内容较多，通过对本节的理解，加以本节概念性的内容较多，通过对本节的理解，加以记忆记忆焊条熔化焊条熔化形成熔滴形成熔滴过渡过渡形成熔池形成熔池焊接保护焊接保护熔合比熔合比化学冶金反应区化学冶金反应区焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。要点：各种物质包括气体、液态金属、熔渣。第1页/共112页2普通化学冶金过程和焊接化学普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比冶金过程对比 普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，放在特定的炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高

2、炉。二者共同点二者共同点：金属冶炼加工。第2页/共112页3不同点：不同点：1）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。2）目的不同 普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能第3页/共112页一一 焊条熔化及熔池形成焊条熔化及熔池形成(一一)焊条的加热及熔化焊条的加热及熔化 1 焊条的加热焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝或焊丝)的热能有：的热能有：电电阻阻热热：焊焊接接电电流流通通过过焊焊芯芯时时产产生生电电阻阻热热，使使其其本本身身和和药药皮皮的的温温度升高。度升高。电弧热：电弧热：焊条熔化、使液体金属过热和

3、蒸发的主要能源。焊条熔化、使液体金属过热和蒸发的主要能源。用于加热和熔化焊条的功率用于加热和熔化焊条的功率qe仅是其全部功率的一小部分，即：仅是其全部功率的一小部分，即：qe=e eUI (e e-焊条加热有效系数焊条加热有效系数)化学反应热：化学反应热：仅占仅占13，可忽略不计。，可忽略不计。第4页/共112页2 焊条金属的平均熔化速度焊条金属的平均熔化速度 平均熔化速度：平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。平均熔化速度单位时间内熔化焊芯质量或长度。平均熔化速度与焊接电流成正比与焊接电流成正比。gM=G/t=pI 平均熔敷速度平均熔敷速度：单位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔单

4、位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔敷速度。敷速度。gD=GD/t=pI 损失系数：损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属焊条金属(或焊丝或焊丝)质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。熔敷速度才是反映焊接生产率指标熔敷速度才是反映焊接生产率指标 第5页/共112页3 焊条金属熔滴及其过渡特性焊条金属熔滴及其过渡特性(1)熔滴过渡的形式熔滴过渡的形式 短路过渡短路过渡：短弧焊时焊条端部熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发短弧焊时焊条端部熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路，电

5、弧熄灭。在各种力的作用下过渡到熔池生接触，形成短路，电弧熄灭。在各种力的作用下过渡到熔池中，电弧重新引燃，如此重复这一过程。中，电弧重新引燃，如此重复这一过程。颗粒状过渡颗粒状过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生大的尺寸在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路，接着进行下一个过渡周期。短路，接着进行下一个过渡周期。附壁过渡附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡的形式熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡的形式碱性焊条主要是短路过渡和大颗粒状过渡。碱性焊条主要是短路

6、过渡和大颗粒状过渡。用酸性焊条焊接时为细颗粒状过渡和附壁过滤。用酸性焊条焊接时为细颗粒状过渡和附壁过滤。第6页/共112页(2)熔滴的比表面积和相互作用时间熔滴的比表面积和相互作用时间熔滴的比表面积熔滴的比表面积:表面积与质量之比：表面积与质量之比：设熔滴是半径为设熔滴是半径为r的球体，比表面积：的球体，比表面积：熔滴越细，比表面积越大。熔滴越细，比表面积越大。第7页/共112页cp，熔滴平均相互作用时间熔滴平均相互作用时间mcp熔熔滴滴平平均均质质量量，mcp=m0+1/2 mtr，m0熔熔滴滴脱脱落落后后在在焊焊条条端端部部剩剩余余液液体体量量；mtr单个熔滴质量；单个熔滴质量；熔滴长大时

7、间；熔滴长大时间；gcp熔熔滴滴过过渡渡一一个个周周期期内内焊焊芯芯的的平平均均熔熔化化速度，速度，gcp=mtr/熔滴平均相互作用时间表示式：熔滴平均相互作用时间表示式：图图1-1 焊条端部熔滴质量随时间的变化焊条端部熔滴质量随时间的变化(低氢碱性焊条，反接低氢碱性焊条，反接)第8页/共112页（3）熔滴温度）熔滴温度：熔滴温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时的重要数据。熔滴温度是研究熔滴阶段各种物理化学反应时的重要数据。目目前前还还不不能能从从理理论论上上精精确确地地计计算算出出熔熔滴滴温温度度，只只能能作作为定性的参考。为定性的参考。随焊丝直径的增大，熔滴的温度降低。随焊丝直径的增大，熔

8、滴的温度降低。低碳钢熔滴的平均温度在低碳钢熔滴的平均温度在21002700 K的范围内。的范围内。第9页/共112页（二）熔池的形成（二）熔池的形成 熔池：熔池：焊接热源作用在焊接热源作用在焊件上焊件上所形成的所形成的具有一定几何形状的液态具有一定几何形状的液态金属部分金属部分就是熔池。就是熔池。熔池是由熔化的焊条金属与局部熔化的母材金属所组成的。熔池是由熔化的焊条金属与局部熔化的母材金属所组成的。若用非熔化极进行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。若用非熔化极进行焊接时，熔池仅由局部熔化的母材所组成。1 熔池形状和尺寸熔池形状和尺寸：宽度、深度和长度：宽度、深度和长度焊接电流的增加，熔池的

9、最大深度焊接电流的增加，熔池的最大深度Hmax 增大；增大；熔池的最大宽度熔池的最大宽度Bmax相对减小；相对减小；随电弧电压升高，随电弧电压升高，Hmax减小，减小，Bmax增加。增加。熔池的长度近似估算：熔池的长度近似估算：L=P2q=P2UI(适用于点状热源)第10页/共112页2 熔池的质量和存在时间熔池的质量和存在时间熔熔池池的的质质量量很很小小：手手工工电电弧弧焊焊时时，0.6-16g，多多数数情情况况下下为为5g以以下下；自动理弧焊时，熔池的质量较大，但通常也小于自动理弧焊时，熔池的质量较大，但通常也小于100g。熔池存在的时间很短熔池存在的时间很短，一般只有几秒至几十秒。，一般

10、只有几秒至几十秒。熔池中冶金反应时间是很短暂的，但比熔滴阶段存在的时间长。熔池中冶金反应时间是很短暂的，但比熔滴阶段存在的时间长。熔池最大存在时间（熔池长度决定）：熔池最大存在时间（熔池长度决定）：由熔池质量确定的时间为：由熔池质量确定的时间为：第11页/共112页3 熔池的温度熔池的温度熔池各处的熔池各处的温度不均匀温度不均匀。熔池前部，母材就不断地熔化熔池前部，母材就不断地熔化熔池中部具有最高的温度。熔池中部具有最高的温度。熔池后部的温度逐渐降低。熔池后部的温度逐渐降低。低低 碳碳 钢钢 熔熔 池池 的的 平平 均均 温温 度度 约约 为为1770100。图图1-4熔池的温度分布熔池的温度

11、分布1-中部中部 2-前部前部 3-后部后部第12页/共112页4 熔池中流体的运动状态熔池中流体的运动状态熔熔池池中中液液体体金金属属发发生生强强烈烈运运动动，使使熔熔池池中中热量和质量传输过程得以进行。热量和质量传输过程得以进行。1 运动方向：运动方向：熔熔化化的的母母材材由由熔熔池池前前部部，沿沿结结晶晶前前沿沿的的弯弯曲表面向熔池的后部运动；曲表面向熔池的后部运动；熔熔池池的的表表面面上上，液液态态金金属属由由熔熔池池的的后后部部向向中心运动。中心运动。2 运动作用：运动作用：a)使母材和焊条金属充分混合，形成成分使母材和焊条金属充分混合，形成成分均匀的焊缝金属。均匀的焊缝金属。b)有

12、利于气体和非金属夹杂物外逸，加速有利于气体和非金属夹杂物外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷冶金反应，消除焊接缺陷(如气孔如气孔)，提高，提高焊接质量。焊接质量。图图1-5 TIG焊焊钛合金时熔池钛合金时熔池中金属的流向中金属的流向 第13页/共112页二二 焊接过程中对金属的保护焊接过程中对金属的保护 (一一)保护的必要性保护的必要性（1）防防止止熔熔化化金金属属与与空空气气发发生生激激烈烈的的相相互互作作用用，降降低低焊焊缝缝金金属属中中氧和氮的含量。氧和氮的含量。（2）防防止止有有益益合合金金元元素素的的烧烧损损和和蒸蒸发发而而减减少少，使使焊焊缝缝得得到到合合适适的的化学成分。化学成分。（

13、3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。焊焊接接化化学学冶冶金金的的首首要要任任务务就就是是对对焊焊接接区区内内的的金金属属加加强强保保护护，以以免免受空气的有害作用。受空气的有害作用。第14页/共112页(二二)保护的方式和效果保护的方式和效果1 埋埋弧弧焊焊：是是利利用用焊焊剂剂及及其其熔熔化化以以后后形形成成的的熔熔渣渣隔隔离离空空气气保保护护金金属属的，的，焊剂保护效果取决于焊剂的粒度和结构焊剂保护效果取决于焊剂的粒度和结构。2 气气体体保保护护焊焊：保保护护效效果果取取决决于于保保护护气气的的性性质质与与纯纯度度。惰惰性性气气体体(氩氩、氦等氦等

14、)保护效果好，用于合金钢和化学活性金属及其合金。保护效果好，用于合金钢和化学活性金属及其合金。3 渣渣-气气联联合合保保护护：焊焊条条药药皮皮和和焊焊丝丝药药芯芯一一般般是是由由造造气气剂剂、造造渣渣剂剂和和铁合金等组成，这些物质在焊接过程中形成渣铁合金等组成，这些物质在焊接过程中形成渣-气联合保护。气联合保护。4 真空：真空：真空保护效果是最理想的，如度高于真空保护效果是最理想的，如度高于0.0133Pa的真空室内的真空室内进行电子束焊接，把氧和氮有害作用减至最小。进行电子束焊接，把氧和氮有害作用减至最小。5 自保护焊：自保护焊：在焊丝或药芯中加入脱氧和脱氮剂，使由空气进入熔在焊丝或药芯中加

15、入脱氧和脱氮剂，使由空气进入熔化金属中的氧和氮进入熔渣中，故称自保护。化金属中的氧和氮进入熔渣中，故称自保护。第15页/共112页16气保护气保护 用于保护熔池和溶滴的用于保护熔池和溶滴的气体应是气体应是惰性气体惰性气体，并，并在高温下不分解，或是在高温下不分解，或是活性的不溶于金属液体活性的不溶于金属液体的双原子气体的双原子气体(CO2)。第16页/共112页17CO2气体气体COCO2 2为无色无味气体，密度是空气的为无色无味气体，密度是空气的1.51.5倍，在常温下很稳定，但在高倍，在常温下很稳定，但在高温下易分解。温下易分解。COCO2 2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保

16、护焊接熔池气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面，效果良好。和电弧方面，效果良好。但但COCO2 2气体为氧化性气体，在高温下将分解为气体为氧化性气体，在高温下将分解为COCO和和O O2 2：COCO2 2 CO+OCO+O2 2所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。氩气氩气氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此，氩气是一种理想的保护气体。应，因此，氩气是一种理想的保护气体。由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。由于氩弧温度高，因此一旦引燃

17、，电弧就很稳定。氩弧焊一般要求氩气纯度达氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度可，我国生产的工业纯氩，其纯度可达达99.9%99.9%，完全合乎氩弧焊的要求。，完全合乎氩弧焊的要求。氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝质量。影响焊缝质量。第17页/共112页18熔渣保护熔渣保护 利用焊剂、药芯或药皮熔化利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的熔渣起到保护作用。形成的熔渣起到保护作用。对于埋弧焊来讲，焊剂及其对于埋弧焊来讲，焊剂及其熔渣的保护效果很好。熔渣的保护效果很好。防止金属氧化和

18、吸气防止金属氧化和吸气另一方面向熔池过渡合金元另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊缝性能素，提高焊缝性能 还可以减少散热，提高生产还可以减少散热，提高生产率，防止强光辐射率，防止强光辐射 第18页/共112页19 焊剂是由焊剂是由SiO2，MnO、MgO及及CaF等组成的硅酸等组成的硅酸盐。盐。焊剂保护的效果焊剂保护的效果形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。大大减少焊缝中的含气量，提高焊缝韧性。延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。孔、夹渣的析出。第

19、19页/共112页20气气-渣联合保护渣联合保护 通过药皮或药芯中的造渣剂通过药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体而共同起到保护熔渣和气体而共同起到保护作用。作用。利用渣的良好的冶金反应和利用渣的良好的冶金反应和焊缝成型特点以及气体的优焊缝成型特点以及气体的优良电弧热效率和稳弧作用，良电弧热效率和稳弧作用，可获得良好的熔池保护效果。可获得良好的熔池保护效果。如焊条的药皮及二氧化碳加如焊条的药皮及二氧化碳加药芯。药芯。第20页/共112页图图1-6 熔敷金属中含氮量与焊熔敷金属中含氮量与焊丝药芯中保护材料含量关系丝药芯中保护材料含量关系 图图1-7 焊条

20、熔化析出气体数量焊条熔化析出气体数量V对熔敷金属含氮量影响对熔敷金属含氮量影响第21页/共112页22真空保护真空保护真空度高于真空度高于0.0133Pa0.0133Pa的真空室内进行电子束焊接，的真空室内进行电子束焊接，保护效果最理想的。保护效果最理想的。第22页/共112页23自保护自保护 通过化学反应防止氧和氮进入焊缝的冶金通过化学反应防止氧和氮进入焊缝的冶金保护办法。具体而言，自保护就是通过在保护办法。具体而言，自保护就是通过在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气进焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和氮入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化物，并使其成渣

21、。化物，并使其成渣。第23页/共112页三三 焊接化学冶金反应区及其反应条件焊接化学冶金反应区及其反应条件 不同焊接方法有不同的反应区：不同焊接方法有不同的反应区：手手工工电电弧弧焊焊时时有有三三个个反反应应区区：药药皮皮反反应应区区、熔熔滴滴反反应应区区和和熔熔池反应区。池反应区。熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊：只有熔滴和熔池反应区。：只有熔滴和熔池反应区。不不填填充充金金属属的的气气焊焊、钨钨极极氩氩弧弧焊焊和和电电子子束束焊焊接接只只有有一一个个熔熔池池反应区。反应区。图图1-8 焊接化学冶金反应区焊接化学冶金反应区-药皮反应区药皮反应区 -熔滴反应区熔滴反应区 -熔滴反应区，熔滴反应

22、区，第24页/共112页(一一)药皮反应区药皮反应区 药皮反应区温度范围从药皮反应区温度范围从l00至药皮熔点至药皮熔点，主要物化反应有：，主要物化反应有：1 水水分分蒸蒸发发：药药皮皮被被加加热热，吸吸附附水水就就开开始始蒸蒸发发，T100，吸吸附附水水全全部部蒸蒸发发，T=200400，药药皮皮组组成成物物结结晶晶水水将将被被排排除除，化合水需更高温度下才能析出。化合水需更高温度下才能析出。2 有机物燃烧和分解：有机物燃烧和分解：有有机机物物，如如木木粉粉、纤纤维维素素和和淀淀粉粉等等则则开开始始分分解解和和燃燃烧烧，形形成成CO、CO2、H2等气体。等气体。焊焊条条中中的的碳碳酸酸盐盐(

23、CaCO3，MgCO3)和和高高价价氧氧化化物物(如如赤赤铁铁矿矿Fe2O3，锰矿，锰矿MnO2等等)也发生分解，形成也发生分解，形成CO2、O2等气体。等气体。3 铁铁合合金金氧氧化化：上上述述物物化化反反应应产产生生的的大大量量气气体体，对对被被焊焊金金属属和和药药皮中的铁合金皮中的铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等如锰铁、硅铁和钛铁等)有很大的氧化作用。有很大的氧化作用。温温度度高高于于600就就会会发发生生铁铁合合金金的的明明显显氧氧化化，结结果果使使气气相相的的氧氧化化性大大下降，即所谓性大大下降，即所谓“先期脱氧先期脱氧”。第25页/共112页(二二)熔滴反应区熔滴反应区 熔滴形成、长大

24、、过渡至熔池都属熔滴反应区。熔滴形成、长大、过渡至熔池都属熔滴反应区。特点：特点：1 熔熔滴滴温温度度高高，熔熔滴滴金金属属过过热热度度大大：熔熔滴滴活活性性斑斑点点处处温温度度接接近近焊焊芯芯沸沸点点，约约2800；熔熔滴滴平平均均温温度度在在18002400范范围围。熔熔滴滴金金属属过热度很大，达过热度很大，达300900。2 熔滴与气体和熔渣的接触面积大：熔滴与气体和熔渣的接触面积大：熔滴的比表面积大熔滴的比表面积大3 各各相相之之间间的的反反应应时时间间短短：熔熔滴滴在在焊焊条条末末端端停停留留时时间间为为0.010.1s。熔熔滴滴向向熔熔池池过过渡渡速速度度高高达达2.510 m/s

25、，经经过过弧弧柱柱区区时时间间很很短短。在在这这个个区区备备相相接接触触的的平平均均时时间间约约为为0.011.0 s。熔熔滴滴阶阶段段的的反反应应主主要要是在焊条末端进行。是在焊条末端进行。4 熔熔滴滴与与熔熔渣渣发发生生强强烈烈的的混混合合：混混合合作作用用不不仅仅增增加加了了相相接接触触面面积积，而且有利于反应物和产物进入和退出反应表面，而且有利于反应物和产物进入和退出反应表面，加快反应速度加快反应速度。第26页/共112页(三三)熔池反应区熔池反应区1 熔池反应区的物理条件熔池反应区的物理条件 与与熔熔滴滴相相比比，熔熔池池的的平平均均温温度度较较低低，约约为为16001900；比比表

26、表面面积积较较小小，约约为为3130cm2/kg；反反应应时时间间稍稍长长些些，如如手手工工电电弧弧焊焊时时通通常为常为38s，埋弧焊时为，埋弧焊时为625s。熔熔池池温温度度分分布布极极不不均均匀匀，因因此此在在熔熔池池的的前前部部和和后后部部反反应应可可以以同同时时向相反的方向进行。向相反的方向进行。熔熔池池中中的的强强烈烈运运动动，有有助助于于加加快快反反应应速速度度，并并为为气气体体和和非非金金属属夹夹杂物的外逸创造了有利条件。杂物的外逸创造了有利条件。第27页/共112页2 熔池反应区的化学条件熔池反应区的化学条件 熔熔池池阶阶段段系系统统中中反反应应物物的的浓浓度度与与平平衡衡浓浓

27、度度之之差差比比熔熔滴滴阶阶段段小小，熔熔池池中中的的反反应应速速度度比比熔熔滴滴中中要要小小。新新熔熔化化的的母母材材、焊焊芯芯和和药药皮皮不不断断进进入入熔熔池池前前部部，凝凝固固的的金金属属和和熔熔渣渣不不断断从从熔熔池池后后部部退退出出反反应应区区。熔池反应区的反应物质是不断更新的。熔池反应区的反应物质是不断更新的。药药皮皮重重量量系系数数Kb（单单位位长长度度上上药药皮皮与与焊焊芯芯的的质质量量比比)较较大大时时，参参与与和和熔熔池池金金属属作作用用的的熔熔渣渣数数量量比比参参与与和和熔熔滴滴金金属属作作用用的的数数量量多多。因为因为Kb大时有一部分熔渣直接流入熔池，而不与熔滴发生作

28、用。大时有一部分熔渣直接流入熔池，而不与熔滴发生作用。临临界界药药皮皮厚厚度度h0，在在h0以以外外的的药药皮皮所所形形成成的的熔熔渣渣不不与与熔熔滴滴接接触触，只与熔池发生作用。只与熔池发生作用。增增加加药药皮皮厚厚度度能能够够加加强强熔熔池池阶阶段段的的反反应应。h0取取决决于于药药皮皮的的成成分分和和焊接工艺参数。焊接工艺参数。第28页/共112页 随着随着Kb的增加，硅在熔滴和熔敷金属中的含量开始时都迅速的增加，硅在熔滴和熔敷金属中的含量开始时都迅速减少减少(即即硅的氧化损失增加硅的氧化损失增加)。当当Kb0.18(相当药皮厚度为相当药皮厚度为1mm)时，熔滴中硅的氧化损失趋时，熔滴中

29、硅的氧化损失趋于稳定，而熔池中依靠没有与熔滴接触的那一部分熔渣使硅于稳定，而熔池中依靠没有与熔滴接触的那一部分熔渣使硅继续氧化。继续氧化。图图l-9 硅在熔滴和熔敷金属中的含量与硅在熔滴和熔敷金属中的含量与Kb的关系的关系熔滴熔滴熔覆金属熔覆金属第29页/共112页四四 焊接工艺条件与化学冶金反应关系焊接工艺条件与化学冶金反应关系(一一)熔合比熔合比焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。熔熔合合比比取取决决于于焊焊接接方方法法、规规范范、接接头头形形式式和和板板厚厚、坡坡口口角角度度和和形形式式、母材性质、焊接材料种类以及焊条母材性质、焊接

30、材料种类以及焊条(焊丝焊丝)倾角等因素。倾角等因素。焊条中的合金元素实际上是有损失的，母材中的合金元素几乎可以焊条中的合金元素实际上是有损失的，母材中的合金元素几乎可以全部过渡到焊缝金属中。焊缝中某元素的实际浓度为：全部过渡到焊缝金属中。焊缝中某元素的实际浓度为：Cd熔敷金属中某元素实际浓度，即焊接时，没有母材金属熔入时熔敷金属中某元素实际浓度，即焊接时，没有母材金属熔入时的浓度的浓度第30页/共112页堆焊而言：第31页/共112页（二）熔滴过渡特性的影响（二）熔滴过渡特性的影响图图1-10：熔敷金属中含硅量随电压增大和焊接电流减小而增大。熔敷金属中含硅量随电压增大和焊接电流减小而增大。图图

31、1-111-11中：中：fIfI反应时间反应时间SiSi损失率损失率 fUfU 相相反反图图1-10熔敷金属中含硅量与熔敷金属中含硅量与电弧电压和焊接电流的关系电弧电压和焊接电流的关系 图图1-11 CO2堆焊时过渡频率堆焊时过渡频率f和过和过渡时间渡时间与硅的损失率与硅的损失率的关系的关系 第32页/共112页五五 焊接化学冶金系统的不平衡性焊接化学冶金系统的不平衡性焊焊接接化化学学冶冶金金系系统统是是复复杂杂的的高高温温多多相相反反应应系系统统。由由物物理理化化学学可可知知，多多相相反反应应是是在在相相界界面面上上进进行行的的，并并伴伴随随着着物物质质的的迁迁移移过过程。程。焊焊接接区区不

32、不等等温温条条件件排排除除了了整整个个系系统统平平衡衡的的可可能能性性，在在系系统统中中的的局部可能出现某个反应的短暂平衡状态。局部可能出现某个反应的短暂平衡状态。焊焊缝缝金金属属的的最最终终成成分分与与熔熔池池凝凝固固温温度度下下的的平平衡衡成成分分相相差差较较远远，各种反应距离平衡的远近程度不同。各种反应距离平衡的远近程度不同。系系统统的的不不平平衡衡性性是是焊焊接接化化学学冶冶金金过过程程的的特特点点，因因此此不不能能直直接接应应用用热热力力学学平平衡衡的的计计算算公公式式定定量量地地分分析析焊焊接接化化学学冶冶金金问问题题，但但是可作定性分析。是可作定性分析。第33页/共112页第二节

33、第二节 焊接区内的气体焊接区内的气体 一、焊接区气体一、焊接区气体种类种类：金属及熔渣蒸气。（一）气体来源（一）气体来源焊接材料：焊接材料：焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。热热源源周周围围的的气气体体介介质质：热热源源周周围围的的空空气气是是难难以以避避免免的的气气体体来来源源，而而焊焊接接材材料料中中的的造造气气剂剂所所产产生生的的气气体体，不不能能完完全全排排除除焊焊接接区区内内的的空空气。气。焊焊丝丝和和母母材材表表面面上上的的杂杂质质：焊焊丝丝表表面面和和母母材材表表面面

34、的的杂杂质质，如如铁铁锈锈、油油污污、氧氧化化铁铁皮皮以以及及吸吸附附水水等等，在在焊焊接接过过程程中中受受热热而而析析出出气气体体进进入气相中。入气相中。第34页/共112页(二二)气体的产生气体的产生 除除直直接接输输送送和和侵侵入入焊焊接接区区内内的的气气体体外外，焊焊接接过过程程中中所所进进行行物物化化反反应应也产生气体。也产生气体。1 有机物的分解和燃烧有机物的分解和燃烧2 碳酸盐和高价氧化物的分解：碳酸盐和高价氧化物的分解：碳酸盐的分解碳酸盐的分解 CaCO3CaOCO2 MgCO3MgOCO2 高价氧化物的分解高价氧化物的分解：6Fe2O34Fe3O4O2；2Fe2O36FeOO

35、24Mn2O32Mn3O4O2；6Mn2O34Mn3O4O23 材料的蒸发：材料的蒸发：电弧的高温作用下电弧的高温作用下,焊接材料中水分、金属元素和焊接材料中水分、金属元素和熔渣的各种成分发生蒸发，形成的蒸气。熔渣的各种成分发生蒸发，形成的蒸气。纤维素热分解反应为：纤维素热分解反应为：第35页/共112页(三三)气体的分解气体的分解1 简单气体的分解简单气体的分解 双原子气体双原子气体G2分解反应的通式：分解反应的通式：G G2 22G2G 设气体设气体G2的原始分子数为的原始分子数为n0，已分解的分子数为，已分解的分子数为n，则平衡气体的，则平衡气体的分解度为分解度为=n/n0，若气体若气体

36、G2分解后混合气体的总压力为分解后混合气体的总压力为p0，则分解度，则分解度可表示为可表示为平衡常数可表示为：平衡常数可表示为：G2 2Gno 0no n 2n第36页/共112页2 CO2和和H2O等等复杂气体的分解复杂气体的分解升高温度升高温度CO2可分解生成可分解生成CO和和O2，使气相氧化性增加。使气相氧化性增加。水蒸气分解比较复杂，水蒸气分解比较复杂，分解的产物有分解的产物有H2、O2、H、O不仅增加了不仅增加了气相的氧化性，而且增加了气相中氢的分压，气相的氧化性，而且增加了气相中氢的分压，使焊缝金属增氧和使焊缝金属增氧和增氢增氢。第37页/共112页(三三)气相的成分和分布气相的成

37、分和分布3 3 焊接方法对气相的成分和数量影响焊接方法对气相的成分和数量影响低氢型焊条手工电弧焊接时，气相含低氢型焊条手工电弧焊接时，气相含H2和和H2O少，称少，称“低氢型低氢型”；埋弧焊时，气相中含埋弧焊时，气相中含CO2和和H2O很少，氧化性较小；很少，氧化性较小；手工电弧焊时气相的氧化性相对较大。手工电弧焊时气相的氧化性相对较大。对焊接质量影响较大的气体为：对焊接质量影响较大的气体为：N2、H2、O2、CO2、H2O焊接碳钢时冷至室温时气相成分焊接碳钢时冷至室温时气相成分第38页/共112页二、氮对金属的作用二、氮对金属的作用焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。焊接时电弧气氛中氮

38、的主要来源是周围的空气。焊焊接接时时空空气气中中的的氮氮总总是是或或多多或或少少地地会会侵侵入入焊焊接接区区，与与熔熔化化金金属属发发生作用生作用。按照氮与金属作用的特点，可将金属分为两类：按照氮与金属作用的特点，可将金属分为两类：不不与与氮氮发发生生作作用用的的金金属属，如如Cu、Ni、Ag等等，它它们们既既不不溶溶解解氮氮，又不形成氮化物。焊接此类金属时，又不形成氮化物。焊接此类金属时，可以使用氮作为保护气体可以使用氮作为保护气体；与氮发生作用的金属与氮发生作用的金属，如，如Fe、Ti、Cr等。它们既能溶解氮，又能等。它们既能溶解氮，又能与氮形成稳定的氮化物。因此焊接这类金属时，防止焊缝金

39、属的与氮形成稳定的氮化物。因此焊接这类金属时，防止焊缝金属的氮化非常重要。氮化非常重要。第39页/共112页（一）氮在金属中的溶解（一）氮在金属中的溶解1.溶解过程：气体的溶解反应分为以下四个阶段：溶解过程：气体的溶解反应分为以下四个阶段：（1）气体分子向气体与金属两相界面处运动；）气体分子向气体与金属两相界面处运动；（2）气体分子被金属表面吸附；）气体分子被金属表面吸附；（3）在金属表面上，气体分子分解为原子；）在金属表面上，气体分子分解为原子；（4）气体原子穿过金属表面层，并向金属内部扩散。）气体原子穿过金属表面层，并向金属内部扩散。氮在金属中的溶解反应为氮在金属中的溶解反应为：N22N2

40、.溶解度溶解度SN（溶解平方根定律）：（溶解平方根定律）：降低气相中氮的分压就可以减少金属中的含氮量降低气相中氮的分压就可以减少金属中的含氮量 第40页/共112页图图1-16 氮和氢在铁中的溶解度与氮和氢在铁中的溶解度与温度关系温度关系(PN2+P金金=10l kPa(1atm)3.氮在铁中的溶解度与温度的关系：氮在铁中的溶解度与温度的关系：溶解度随温度的升高而增大。溶解度随温度的升高而增大。T=2200时，氮的溶解发达到最大值。时，氮的溶解发达到最大值。继续升高温度，氮的溶解度急剧下降继续升高温度，氮的溶解度急剧下降T=2750时，氮的溶解度为零。时，氮的溶解度为零。加入加入C、Si、Ni

41、会减少氮的溶解度；会减少氮的溶解度；加入加入V、Nb、Cr会增加氮的溶解度会增加氮的溶解度。4.电弧焊时的气体溶解过程复杂电弧焊时的气体溶解过程复杂,含含N量高的原因（量高的原因（与与纯化学溶解相比纯化学溶解相比）：电弧中受激的电弧中受激的N2，特别是氮原子比没有受激的，特别是氮原子比没有受激的N2的溶解速度高；的溶解速度高；电弧中的氮离子可在阴极溶解；电弧中的氮离子可在阴极溶解；氧化性电弧气氛中形成的氧化性电弧气氛中形成的NO，遇到温度较低的液态金属时又分解，遇到温度较低的液态金属时又分解为为N和和O，N会迅速溶于金属中。会迅速溶于金属中。第41页/共112页42氮在金属中的溶解机制 1 1

42、）双原子形式溶于液态金属）双原子形式溶于液态金属 2 2）单原子原子形式溶于液态金属）单原子原子形式溶于液态金属 3 3）以）以NONO形式溶入形式溶入 4 4）以氮离子形式溶入）以氮离子形式溶入第42页/共112页（二）氮对焊接质量的影响（二）氮对焊接质量的影响1 促促使使焊焊缝缝产产生生气气孔孔：液液态态金金属属在在高高温温时时可可以以溶溶解解大大量量的的氮氮，凝凝固固结结晶晶时时氮氮的的溶溶解解度度突突然然下下降降，过过饱饱和和氮氮以以气气泡泡形形式式从从熔熔池池中中逸逸出出，若焊缝金属的若焊缝金属的结晶速度大于氮的逸出速度结晶速度大于氮的逸出速度时，就形成气孔。时，就形成气孔。2 氮氮

43、是是提提高高低低碳碳、低低合合金金钢钢焊焊缝缝强强度度，降降低低塑塑性性和和韧韧性性的的元元素素。如如果果熔熔池池中中含含有有比比较较多多的的氮氮，一一部部分分氮氮将将以以过过饱饱和和的的形形式式存存在在于于固固溶溶体体中中；另另一一部部分分氮氮则则以以针针状状氮氮化化物物Fe4N的的形形式式析析出出，分分布布于于晶晶界界或或晶晶内内，因因而而使使焊焊缝缝金金属属的的强强度度、硬硬度度升升高高，而而塑塑性性、韧韧性性，特别是低温韧度急剧下降。特别是低温韧度急剧下降。3 氮氮是是促促使使焊焊缝缝金金属属时时效效脆脆化化的的元元素素：焊焊缝缝金金属属中中过过饱饱和和的的氮氮处处于于不不稳稳定定状状

44、态态，随随着着时时间间的的延延长长，过过饱饱和和的的氮氮逐逐渐渐析析出出，形形成成稳稳定定的碳氮化物的碳氮化物Fe4N，因而使焊缝金属的强度增加、塑性、韧性降低。，因而使焊缝金属的强度增加、塑性、韧性降低。4 氮氮可可以以作作为为合合金金元元素素加加入入钢钢中中。在在焊焊缝缝金金属属中中加加入入能能形形成成稳稳定定氮氮化物元素，如化物元素，如RE、A1、Ti、Zr等，可以抑制或消除时效现象。等，可以抑制或消除时效现象。第43页/共112页44第44页/共112页（三）控制焊缝合氮量的措施（三）控制焊缝合氮量的措施1 加强焊接区的保护加强焊接区的保护 （1）焊条药皮的保护作用，取决于药皮的成分和

45、数量。）焊条药皮的保护作用，取决于药皮的成分和数量。Kb增大，增大，SN下降，当下降，当Kb40，SN0.040.05%，下降不明显。，下降不明显。当药皮中加入造气剂，形成气渣联合保护，使当药皮中加入造气剂，形成气渣联合保护，使SN降到降到0.02。（2）药药芯芯焊焊丝丝的的保保护护效效果果，取取决决于于保保护护成成分分含含量量和和形形状状系系数数。形形状系数增大，保护效果好。状系数增大，保护效果好。形状系数：形状系数：单位长度药芯焊丝腔体内金属带的重量与外壳金属带重单位长度药芯焊丝腔体内金属带的重量与外壳金属带重量的比值。量的比值。第45页/共112页2 焊接工艺参数的影响焊接工艺参数的影响

46、（1）U（电电弧弧长长度度），氮氮可可以以与与熔熔滴滴作作用用时时间间，SN ，应应尽尽量量采用短弧焊。采用短弧焊。（2）I，熔滴过渡频率熔滴过渡频率f,熔滴阶段作用时间熔滴阶段作用时间,SN 。直直流流正正极极性性焊焊接接时时焊焊缝缝含含氮氮量量比比反反极极性性(焊焊条条接接正正极极，工工件件接接负负极极)时高。时高。（3）焊接速度）焊接速度对对焊缝的含氮量影响不大焊缝的含氮量影响不大。（4）增加）增加焊丝直径焊丝直径，熔滴变粗，焊缝含氮量下降。，熔滴变粗，焊缝含氮量下降。（5）多层焊多层焊时焊缝含氮量比单层焊时高，这与氮的逐层积累有关。时焊缝含氮量比单层焊时高，这与氮的逐层积累有关。第46

47、页/共112页3 利用合金元素控制焊缝合氮量：利用合金元素控制焊缝合氮量：(1)增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量，增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量，其原因是：其原因是：a)碳能够降低氮在铁中的溶解度。碳能够降低氮在铁中的溶解度。b)碳氧化生成碳氧化生成CO、CO2加强保护作用，降低了氮分压。加强保护作用，降低了氮分压。c)碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出。碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出。(2)Ti、A1、Zr和和稀稀土土元元素素对对氮氮有有较较大大的的亲亲合合力力，能能形形成成稳稳定定的的氮氮化化物物。并并且且这这些些氮氮化化物物不不溶溶于于铁铁水水，而而进进入入

48、熔熔渣渣中中。这这些些元元素素对对氧氧的的亲亲力力也也很很大大，因因此此，可可减减少少气气相相中中NO的的含含量量，这这在在一一定定程程度上减少了焊缝的含氮量。度上减少了焊缝的含氮量。第47页/共112页三、氢对金属的作用三、氢对金属的作用（一）氢在金属中的溶解（一）氢在金属中的溶解1 按照氢与金属作用的特点，将金属划分为两类：按照氢与金属作用的特点，将金属划分为两类：1)能形成稳定氢化物的金属能形成稳定氢化物的金属 如如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。等。特特点点是是：金金属属吸吸收收氢氢的的反反应应是是放放热热反反应应，温温度度较较低低时时吸吸氢氢量量多多；温度较高时吸氢量少。温度较高时吸氢

49、量少。当当吸吸氢氢量量较较多多时时，可可形形成成氢氢化化物物（ZrH、TiH、VH、TaH、NbH）；当当温温度度超超过过氢氢化化物物保保持持稳稳定定的的临临界界温温度度时时，氢氢化化物物发发生生分解、氢则扩散逸出；分解、氢则扩散逸出；当当吸氢量较少时，这类金属与氢可形成固溶体吸氢量较少时，这类金属与氢可形成固溶体。2)不不能能形形成成稳稳定定氢氢化化物物的的金金属属 如如A1、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等等。氢能够溶解于这类金属及其合金中，溶解反应为氢能够溶解于这类金属及其合金中，溶解反应为吸热反应吸热反应。第48页/共112页2 氢溶解的途径与焊接方法有关：氢溶解的途径与焊接方法有关：（

50、1）气气体体保保护护焊焊时时，氢氢是是通通过过气气相相与与液液态态金金属属的的界界面面，以以原原子子或或质子的形式溶入金属的；质子的形式溶入金属的；（2）电渣焊时，氢是通过）电渣焊时，氢是通过熔渣层熔渣层溶入金属的；溶入金属的；（3）手工电弧焊和埋弧焊时，氢的溶入是上述）手工电弧焊和埋弧焊时，氢的溶入是上述两种途径两种途径综合结果。综合结果。含自由氧离子酸碱性渣：含自由氧离子酸碱性渣：对于不含自由氧离子：对于不含自由氧离子：若渣中含有氟化物若渣中含有氟化物，3 溶解于渣中的溶解于渣中的H以以OH离子形式存在离子形式存在第49页/共112页4 H从熔渣中向金属中过渡发生的化学反应从熔渣中向金属中