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焊接冶金与金属焊接性焊接冶金与金属焊接性焊接冶金与金属焊接性焊接冶金与金属焊接性 第一章第一章第一章第一章焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 概述概述第一节：焊接化学冶金过程的特点第一节：焊接化学冶金过程的特点第二节：气相对金属的作用第二节：气相对金属的作用第三节：熔渣及其对金属的作用第三节：熔渣及其对金属的作用第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 在焊接过程中，焊接区内各种物质之间在高温下在焊接过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。主要内容：主要内容：在各种焊接工艺条件下，冶金反应与在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。对焊焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。对焊接质量作用重大。接质量作用重大。主要目的：主要目的：运用上述规律合理地选择焊接材料，运用上述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满足使用要求，设计控制焊缝金属的成分和性能使之满足使用要求，设计创新新的焊接材料。创新新的焊接材料。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 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与炼钢过程相比，基本原理相同，只是更复杂与炼钢过程相比，基本原理相同，只是更复杂动态过程。动态过程。一、焊条熔化及熔池形成一、焊条熔化及熔池形成（一）焊条的加热及熔化（一）焊条的加热及熔化1 1、焊条的加热、焊条的加热电源电源电阻电阻加热加热 焊接时，电流通过焊芯时产生电阻热，从而使焊接时，电流通过焊芯时产生电阻热，从而使焊条的温度升高，同时，电弧产生的热量使焊条熔焊条的温度升高，同时，电弧产生的热量使焊条熔化。化。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 2 2、焊接金属熔滴及其过渡特性、焊接金属熔滴及其过渡特性焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴焊条端部熔化形成的滴状液态金属称为熔滴 熔滴特性熔滴特性至关重要至关重要焊接过程焊接过程稳定性稳定性焊接冶金焊接冶金焊缝成形焊缝成形重点研究重点研究熔滴过渡的分类熔滴过渡的分类MAG焊的熔滴过渡形式焊的熔滴过渡形式Rotary arcShort arcPulsed arcSpray arc第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （1 1）熔滴过渡的形式）熔滴过渡的形式自由过渡（自由过渡（Free Flight），），是指熔滴脱离焊丝末端前不与是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，脱离焊丝后经电弧空间自由飞行进入熔池的一熔池接触，脱离焊丝后经电弧空间自由飞行进入熔池的一种过渡形式。包括：颗粒过渡（包括大颗粒过渡、排斥过种过渡形式。包括：颗粒过渡（包括大颗粒过渡、排斥过渡和细滴过渡）、喷射过渡（包括射滴过渡、亚射流过渡、渡和细滴过渡）、喷射过渡（包括射滴过渡、亚射流过渡、射流过渡和旋转射流过渡）和爆炸过渡。射流过渡和旋转射流过渡）和爆炸过渡。Spray ARCSpray ARC接触过渡（接触过渡（Bridging Transfer），），是通过焊丝末端的熔滴与是通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而过渡的。包括：短路过渡和搭桥过渡。熔池表面接触成桥而过渡的。包括：短路过渡和搭桥过渡。渣壁过渡（渣壁过渡（Slag Guiding Transfer），），包括：沿渣壳过渡和包括：沿渣壳过渡和沿药皮筒过渡。沿药皮筒过渡。熔滴的过渡形式、尺寸和过渡频率取决于药皮熔滴的过渡形式、尺寸和过渡频率取决于药皮的成分与厚度、焊芯直径、焊接电流与极性等因素。的成分与厚度、焊芯直径、焊接电流与极性等因素。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （2 2）熔滴的温度）熔滴的温度化学冶金反应化学冶金反应温度函数温度函数 实测手工电弧焊低碳钢时，熔滴温度平均为实测手工电弧焊低碳钢时，熔滴温度平均为2100210027002700o oC C。理论计算困难理论计算困难 试验与数值模拟试验与数值模拟 熔滴温度随电流增加而升高，随焊条直径增加而降低熔滴温度随电流增加而升高，随焊条直径增加而降低 重要 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）熔池的形成（二）熔池的形成熔化的焊条和母材组成的有一定几何形状的液体金属熔化的焊条和母材组成的有一定几何形状的液体金属200m第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 1 1、熔池的形状、质量和尺寸、熔池的形状、质量和尺寸熔池的深度和宽度是沿熔池的深度和宽度是沿X X轴连续变化的。椭球轴连续变化的。椭球手弧焊时熔池的质量通常在手弧焊时熔池的质量通常在0.60.616g16g范围之内，范围之内，多数情况下小于多数情况下小于5g5g。2 2、熔池的存在时间、熔池的存在时间 熔池存在时间很短熔池存在时间很短 化学冶金反应很不充分化学冶金反应很不充分 成分不均匀，偏析，气孔成分不均匀，偏析，气孔 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 3 3、熔池的温度、熔池的温度 熔池的温度不均匀。前端底部最高，后端低。熔池的温度不均匀。前端底部最高，后端低。熔化熔化凝固凝固 低碳钢，熔池的平均温度取决于母材的性质和散热条低碳钢，熔池的平均温度取决于母材的性质和散热条件。一般平均件。一般平均17701770 100100o oC C 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 3 3、熔池的温度、熔池的温度 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 4 4、熔池中流体的运动状态、熔池中流体的运动状态 熔池内金属的剧烈运动，熔池内金属的剧烈运动，是焊缝形成的重要条件是焊缝形成的重要条件 极短的时间内，如果没有这样的剧烈运动，要极短的时间内，如果没有这样的剧烈运动，要实现反应是不可能的。在熔合区，由于受到母材未实现反应是不可能的。在熔合区，由于受到母材未熔化金属的作用，金属的运动受阻，这一部分的反熔化金属的作用，金属的运动受阻，这一部分的反应是不均匀的。应是不均匀的。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 二、焊接过程中对金属的保护二、焊接过程中对金属的保护（一）保护的必要性（一）保护的必要性 保证得到与母材性能基本一致的保证得到与母材性能基本一致的焊缝金属质量，必须进行保护。焊缝金属质量，必须进行保护。冶金反应能够进行冶金反应能够进行减少气体的溶入减少气体的溶入防止氧化防止氧化第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）保护的方式和效果（二）保护的方式和效果保护保护方式方式 熔渣熔渣气体气体熔渣和气体熔渣和气体真空真空自保护自保护 注意：注意：单纯依靠保护并不能得到很好的焊缝金属成分，单纯依靠保护并不能得到很好的焊缝金属成分，要研究化学冶金过程，通过调整焊条成分，改善焊缝要研究化学冶金过程，通过调整焊条成分，改善焊缝成分和性能。成分和性能。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）保护的方式和效果（二）保护的方式和效果表表1-6 1-6 熔焊方法的保护方式熔焊方法的保护方式保护方式保护方式熔焊方法熔焊方法熔渣熔渣 气体气体熔渣和气体熔渣和气体真空真空自保护自保护埋弧焊、电渣焊、不含造气成分的焊条和药芯焊埋弧焊、电渣焊、不含造气成分的焊条和药芯焊丝焊接丝焊接气焊、在惰性气体和其他保护气体气焊、在惰性气体和其他保护气体(如如CO2CO2、混合、混合气体气体)中焊接中焊接具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接真空电子束焊接真空电子束焊接用含有脱氧、脱氧剂的所谓自保护焊丝焊接用含有脱氧、脱氧剂的所谓自保护焊丝焊接第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 三、焊接化学冶金反应区及其反应条件三、焊接化学冶金反应区及其反应条件 分区域（阶段）连续进行：分区域（阶段）连续进行：焊条焊条熔滴熔滴熔池熔池 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （一）药皮反应区（一）药皮反应区温度温度100100o oC C 焊条熔化温度（钢焊条焊条熔化温度（钢焊条15001500o oC C）准备阶段。对熔滴和熔池反应有一定的作用。准备阶段。对熔滴和熔池反应有一定的作用。不是主要反应区不是主要反应区 主要反应：脱水、造气主要反应：脱水、造气 吸附水蒸发，结晶水排除，白泥、白云母中的结晶水，吸附水蒸发，结晶水排除，白泥、白云母中的结晶水，温度与成分有关。温度与成分有关。有机物，木粉、纤维素、淀粉分解和燃烧，形成有机物，木粉、纤维素、淀粉分解和燃烧，形成COCO、COCO2 2、H H2 2等等 碳酸盐分解：大理石碳酸盐分解：大理石CaCOCaCO3 3，菱苦土，菱苦土MgCOMgCO3 3和高价氧化和高价氧化物物FeFe2 2O O3 3、MnOMnO2 2分解，形成分解，形成COCO2 2、O O2 2等等第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）熔滴反应区（二）熔滴反应区 熔滴形成、长大熔滴形成、长大过渡到熔池，整个过程过渡到熔池，整个过程 特点：特点：1 1、温度高、温度高 电弧焊，钢，活性斑点处温度接近焊芯的沸电弧焊，钢，活性斑点处温度接近焊芯的沸点，约点，约28002800o oC C。根据焊接工艺参数，平均温度在根据焊接工艺参数，平均温度在210021002700 2700 o oC C 之间变化。之间变化。过热度很大，过热度很大，300 300 900 900 o oC C。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 2 2、与气体和熔渣的接触面积大、与气体和熔渣的接触面积大 正常情况下，熔滴的比表面积可达正常情况下，熔滴的比表面积可达10103 310104 4cmcm2 2/kg/kg，约比炼钢时大，约比炼钢时大10001000倍。倍。3 3、各相之间的反应时间（接触时间）短、各相之间的反应时间（接触时间）短 熔滴在焊条末端停留时间仅仅熔滴在焊条末端停留时间仅仅0.010.010.1s0.1s。向熔池。向熔池过渡速度高达过渡速度高达2.52.510m/s10m/s。经过弧柱区的时间极短，只有经过弧柱区的时间极短，只有0.00010.00010.001s0.001s。各相接触时间平均为各相接触时间平均为0.010.010.1s0.1s。反应主要在焊条末端进行。反应进行很剧烈。反应主要在焊条末端进行。反应进行很剧烈。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 4 4、与熔渣发生强烈混合、与熔渣发生强烈混合 熔滴的形成、长大过程中，表面形状不断变化，熔滴的形成、长大过程中，表面形状不断变化，表面不断破坏，表面渣层破坏，渣与熔滴交流。熔表面不断破坏，表面渣层破坏，渣与熔滴交流。熔滴中有渣，渣被熔滴金属包围。滴中有渣，渣被熔滴金属包围。（1 1）增加了熔滴相的接触面积）增加了熔滴相的接触面积（2 2）有利于反应物和产物进入和退出反应表面）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。熔渣参与熔滴的反应熔渣参与熔滴的反应第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 总之：总之：熔滴反应时间短，温度高，相接触面积大，熔滴反应时间短，温度高，相接触面积大，有强烈的混合作用有强烈的混合作用反应最激烈，许多冶金反反应最激烈，许多冶金反应可以达到接近终了的程度应可以达到接近终了的程度对焊缝成分影响对焊缝成分影响最大。最大。熔滴主要反应：熔滴主要反应：气体的溶解和分解，金属的蒸气体的溶解和分解，金属的蒸发，金属及其合金成分的氧化和还原，焊缝金属发，金属及其合金成分的氧化和还原，焊缝金属的合金化等。的合金化等。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （三）熔池反应区（三）熔池反应区 熔滴和熔渣落入熔池后，各相之间进一步发生熔滴和熔渣落入熔池后，各相之间进一步发生物化反应，直至金属凝固，形成焊缝金属。物化反应，直至金属凝固，形成焊缝金属。1 1、熔池反应区的物理条件、熔池反应区的物理条件 与熔滴相比，熔池的平均温度较低，约为与熔滴相比，熔池的平均温度较低，约为160016001900 1900 o oC C。（熔滴平均温度是。（熔滴平均温度是210021002700 2700 o oC C）比表面积较小，约为比表面积较小，约为3-130cm3-130cm2 2/kg/kg，（熔滴的，（熔滴的比表面积可达比表面积可达10103 3-10-104 4cmcm2 2/kg/kg）。）。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 反应时间略长，但也不过几十秒，手工电弧焊反应时间略长，但也不过几十秒，手工电弧焊3 38s8s，埋弧焊，埋弧焊6 625s25s。（熔滴是。（熔滴是0.010.010.1s0.1s）。）。突出特点：突出特点：温度分布极不均匀，在熔池的前部温度分布极不均匀，在熔池的前部和后部反应可以朝两个不同的方向进行。和后部反应可以朝两个不同的方向进行。前部：金属熔化，气体吸收，利于吸热反应的进行；前部：金属熔化，气体吸收，利于吸热反应的进行；后部：金属凝固，气体逸出，利于放热反应的进行。后部：金属凝固，气体逸出，利于放热反应的进行。截然相反。截然相反。熔池剧烈运动，有利于反应进行（提高反应速熔池剧烈运动，有利于反应进行（提高反应速度）和气体的逸出。度）和气体的逸出。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 焊接化学冶金过程是分区域连续进行的。分区焊接化学冶金过程是分区域连续进行的。分区域域 熔滴、熔池，但是连续。熔滴过程没有进行熔滴、熔池，但是连续。熔滴过程没有进行完的反应继续在熔池阶段进行。所以要连续的、整体完的反应继续在熔池阶段进行。所以要连续的、整体的考虑问题。的考虑问题。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系 密切相关密切相关改变焊接工艺条件改变焊接工艺条件焊接冶金反应条件变化焊接冶金反应条件变化影响焊接冶金反应的过程影响焊接冶金反应的过程两个方面两个方面（一）熔合比的影响（一）熔合比的影响（二）熔滴过度特性的影响（二）熔滴过度特性的影响第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （一）熔合比的影响（一）熔合比的影响焊缝金属焊缝金属 =填充金属填充金属 +局部熔化的母材金属局部熔化的母材金属 焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例熔合比熔合比 熔合比取决于：焊接方法、焊接规范、接头形式熔合比取决于：焊接方法、焊接规范、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条（焊丝）的倾角等因素。以及焊条（焊丝）的倾角等因素。*当母材与填充金属的成分不同时，熔合比对焊缝金当母材与填充金属的成分不同时，熔合比对焊缝金属的成分的影响尤其显著。如属的成分的影响尤其显著。如 不锈钢的焊接不锈钢的焊接 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 假设焊接时没有合金元素损失，则焊缝中的合金假设焊接时没有合金元素损失，则焊缝中的合金元素浓度称为原始浓度，与熔合比的关系为：元素浓度称为原始浓度，与熔合比的关系为：C0=Cb+（1-）Ce 实际中的合金元素是有损失的，则焊缝中合金实际中的合金元素是有损失的，则焊缝中合金元素的实际浓度为元素的实际浓度为 CW=Cb+（1-）Cd 熔合比影响焊缝中合金元素成分熔合比影响焊缝中合金元素成分 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）熔滴过渡特性的影响（二）熔滴过渡特性的影响 焊接工艺参数焊接工艺参数熔滴过渡特性熔滴过渡特性冶金化学反应冶金化学反应 焊接电流增加焊接电流增加 电压减小电压减小熔滴反应时间缩短熔滴反应时间缩短反应进行程度变小反应进行程度变小 焊接电流减小焊接电流减小 电压增大电压增大熔滴反应时间延长熔滴反应时间延长反应进行程度变大反应进行程度变大 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 第二节第二节 气相对金属的作用气相对金属的作用 一、焊接区内的气体一、焊接区内的气体来源来源产生产生成分成分分布分布（一）气体的来源和产生（一）气体的来源和产生 主要来源于焊接材料主要来源于焊接材料 焊接药皮、焊剂和药芯中的造气剂焊接药皮、焊剂和药芯中的造气剂;高价氧化物和水分高价氧化物和水分焊丝表面和坡口附近的铁皮、铁锈、油污、油漆和吸附水焊丝表面和坡口附近的铁皮、铁锈、油污、油漆和吸附水 物化反应产生气体物化反应产生气体 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 物化反应产生气体：物化反应产生气体：1 1、有机物的分解和燃烧、有机物的分解和燃烧 制造焊条时用的淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等制造焊条时用的淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等有机物作为造气剂和涂料增塑剂有机物作为造气剂和涂料增塑剂 纤维素的热分解反应：纤维素的热分解反应：(C6H10O5)m+（7/2）mO2=6mCO2+5mH2 热氧化分解反应热氧化分解反应 220220250250o oC C开始分解开始分解 焊条烘干应控制在焊条烘干应控制在150150o oC C，不要超过不要超过200200o oC C 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 2 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 常用碳酸盐有常用碳酸盐有CaCOCaCO3 3、MgCOMgCO3 3、BaCOBaCO3 3、白云石、白云石CaMg(COCaMg(CO2 2)2 2。在一定温度下发生分解反应。在一定温度下发生分解反应。*焊条烘干时注意：焊条烘干时注意：含含CaCOCaCO3 3焊条焊条450450o oC C，含，含MgCOMgCO3 3焊条焊条300300o oC C。焊接材料中的高价氧化物主要是焊接材料中的高价氧化物主要是FeFe2 2O O3 3和和MnOMnO2 2。主要反应生成氧气。主要反应生成氧气。3 3、材料的蒸发、材料的蒸发第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）气体分解（二）气体分解1 1、简单气体的分解、简单气体的分解 N N2 2、H H2 2、O O2 2等受热分解为单原子或离子或电子等受热分解为单原子或离子或电子 2 2、复杂气体的分解、复杂气体的分解 COCO2 2、H H2 2O O常见的复杂气体，高温下分解常见的复杂气体，高温下分解 （三）气相的成分及其分布（三）气相的成分及其分布对焊接质量影响极大对焊接质量影响极大 进一步讨论各类气体的作用进一步讨论各类气体的作用 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 二、氮的作用二、氮的作用 两种情况，即两类金属两种情况，即两类金属 一类是不与氮发生反应也不溶解氮的金属，一类是不与氮发生反应也不溶解氮的金属，如如CuCu、NiNi等，可以用氮气作为焊接时的保护气氛等，可以用氮气作为焊接时的保护气氛 一类是溶解氮或形成氮化物的金属，如一类是溶解氮或形成氮化物的金属，如FeFe、TiTi等，焊接时要注意防止焊缝氮化等，焊接时要注意防止焊缝氮化 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （一）氮对焊接质量的影响（一）氮对焊接质量的影响氮在碳钢焊缝中是有害杂质氮在碳钢焊缝中是有害杂质 1 1、形成气孔的主要原因之一、形成气孔的主要原因之一 2 2、提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性降低塑性和韧性 3 3、促进焊缝金属时效脆化、促进焊缝金属时效脆化 加入氮化物形成元素，如加入氮化物形成元素，如TiTi、AlAl、ZrZr等，等，可抑制或消除时效现象。可抑制或消除时效现象。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （一）氮对焊接质量的影响（一）氮对焊接质量的影响图图1-18 1-18 氮对焊缝金属常温力学氮对焊缝金属常温力学性能的影响性能的影响第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）控制措施（二）控制措施1 1、焊接区保护、焊接区保护一旦溶解，难以脱出。重点是保护！一旦溶解，难以脱出。重点是保护！表表1-13 1-13 用不同方法焊接低碳钢时焊缝的含氮量用不同方法焊接低碳钢时焊缝的含氮量焊接方法焊接方法NN（%）焊接方法焊接方法NN（%）手手工工电电弧弧焊焊光焊丝电弧焊光焊丝电弧焊纤维素焊条纤维素焊条钛型焊条钛型焊条钛铁矿型焊条钛铁矿型焊条低氢型焊条低氢型焊条0.080.080.2280.2280.0130.0130.0150.0150.0140.0140.0100.010埋弧焊埋弧焊COCO2 2气体保护焊气体保护焊气焊气焊熔化极氢弧焊熔化极氢弧焊药芯焊丝明弧焊药芯焊丝明弧焊实心合金焊丝自保护焊实心合金焊丝自保护焊0.0020.0020.0070.0070.0080.0080.0150.0150.0150.0150.0200.0200.00680.00680.0150.0150.0400.0400.120.12第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 焊条药皮、药芯焊丝的保护效果与成分有关焊条药皮、药芯焊丝的保护效果与成分有关 图图1-20 1-20 造渣型焊条药皮重造渣型焊条药皮重量系数与焊缝含氮量的关系量系数与焊缝含氮量的关系图图1-21 1-21 气渣联合保护型焊条药气渣联合保护型焊条药皮中造气剂数量与焊缝含氮量皮中造气剂数量与焊缝含氮量的关系的关系-碱性焊条；碱性焊条；-氧化铁型焊条氧化铁型焊条第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 2 2、焊接工艺参数的影响、焊接工艺参数的影响 工艺参数有明显的影工艺参数有明显的影响。响。增加电压，熔滴反应增加电压，熔滴反应时间延长，电弧长度增加时间延长，电弧长度增加含氮量增加。含氮量增加。电弧长度影响很大，电弧长度影响很大，要格外注意。在其他保护要格外注意。在其他保护不是很好的情况下，尽量不是很好的情况下，尽量采用采用短弧焊短弧焊。图图1-22 1-22 手弧焊时电弧电压手弧焊时电弧电压对焊缝含氧和氮量的影响对焊缝含氧和氮量的影响第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 3 3、合金元素的影响、合金元素的影响 碳可抑制氮的溶解；形成稳定氮化物的元素碳可抑制氮的溶解；形成稳定氮化物的元素TiTi、AlAl、ZrZr和和RERE，都可以减少气相中，都可以减少气相中NONO的含量。的含量。焊条成分设计的依据。焊条成分设计的依据。图图1-23 1-23 焊丝中合金元素浓焊丝中合金元素浓度度C CMeMe对焊缝含氮量的影响对焊缝含氮量的影响在在101kPa101kPa空气中焊接，空气中焊接，25V25V，250A250A焊速焊速10cm/min10cm/min，直流反极性，直流反极性*要充分注意：重点是保护，其他作用是有限的。要充分注意：重点是保护，其他作用是有限的。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 三、氢对金属的作用三、氢对金属的作用 非常有害的。研究重点之一非常有害的。研究重点之一。两类金属两类金属 另一类是不形成稳定氢化物的金属，主要有另一类是不形成稳定氢化物的金属，主要有AlAl、FeFe、NiNi、CuCu、CrCr、MoMo等，同时氢可以溶入这类金属及等，同时氢可以溶入这类金属及合金，溶解反应是吸热反应，高温下吸氢量大。合金，溶解反应是吸热反应，高温下吸氢量大。重点重点 一类是形成稳定氢化物的金属，主要有一类是形成稳定氢化物的金属，主要有ZrZr、TiTi、V V、TaTa、NbNb等，与氢反应为放热反应，故在较低温度下吸等，与氢反应为放热反应，故在较低温度下吸氢量大，高温时吸氢量小。焊接时要注意在固态吸收氢量大，高温时吸氢量小。焊接时要注意在固态吸收大量的氢；大量的氢；第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （一）氢对焊接质量的影响（一）氢对焊接质量的影响1 1、氢脆、氢脆在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。溶解在金属晶格中的氢引起。溶解在金属晶格中的氢引起。对强度影响不大。脱氢后塑性可恢复。对强度影响不大。脱氢后塑性可恢复。铁素体钢氢脆断口形貌铁素体钢氢脆断口形貌 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （一）氢对焊接质量的影响（一）氢对焊接质量的影响2 2、白点、白点 在断口上有在断口上有0.50.53mm3mm的白点（脆性断裂点），塑的白点（脆性断裂点），塑性大大下降。塑性材料的脆性断裂。性大大下降。塑性材料的脆性断裂。钢对白点的敏感性不同，与合金成分有关，如碳钢对白点的敏感性不同，与合金成分有关，如碳钢、钢、CrCr、NiNi、MoMo合金化的钢，很敏感。合金化的钢，很敏感。3 3、形成气孔、形成气孔4 4、产生冷裂纹、产生冷裂纹 延迟裂纹，主要危害，危害极大。延迟裂纹，主要危害，危害极大。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）抑制氢的措施（二）抑制氢的措施 1 1、限制焊接材料中的含氢量、限制焊接材料中的含氢量 尽量采用低含氢、结晶水材料，防止吸潮。尽量采用低含氢、结晶水材料，防止吸潮。使用再烘干，实际上的最主要措施。使用再烘干，实际上的最主要措施。2 2、清除焊丝和焊件表面的杂质、清除焊丝和焊件表面的杂质 铁锈、油污、吸附水等铁锈、油污、吸附水等*焊接铝、铝镁合金、钛及其合金时，必须用焊接铝、铝镁合金、钛及其合金时，必须用机械方法或化学方法清除含水的氧化膜。机械方法或化学方法清除含水的氧化膜。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 3 3、冶金处理、冶金处理 调整焊接材料的成分，使之形成比较稳定的不溶于调整焊接材料的成分，使之形成比较稳定的不溶于液态金属的氢化物，如液态金属的氢化物，如HFHF、OHOH及其他稳定氢化物及其他稳定氢化物 具体措施具体措施 （1 1）在药皮和焊剂中加入氟化物）在药皮和焊剂中加入氟化物 CaFCaF2 2、MgFMgF2 2、BFBF2 2、NaNa3 3AlFAlF6 6等等（2 2）控制焊接材料的氧化还原势）控制焊接材料的氧化还原势 （3 3）在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀有元素）在药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀有元素 脱氢效果好，但对焊接性和材料成形性影响较大，研究的问题脱氢效果好，但对焊接性和材料成形性影响较大，研究的问题 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 4 4、控制焊接工艺参数、控制焊接工艺参数有一定的作用，但效果不大，严格按工艺规程操作即可有一定的作用，但效果不大，严格按工艺规程操作即可 5 5、焊后脱氢处理、焊后脱氢处理焊后加热进行扩散退火焊后加热进行扩散退火 有淬火倾向的钢，要求焊后退火处理有淬火倾向的钢，要求焊后退火处理 对奥氏体钢意义不大，不必要对奥氏体钢意义不大，不必要 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 四、氧的作用四、氧的作用 两类金属，一类是不溶解氧，但焊接时发生激两类金属，一类是不溶解氧，但焊接时发生激烈氧化，如烈氧化，如MgMg、AlAl等；另一类是有限溶解氧，焊接等；另一类是有限溶解氧，焊接过程中也发生氧化，如过程中也发生氧化，如FeFe、NiNi、CuCu、TiTi等。等。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （一）氧对焊接质量的影响（一）氧对焊接质量的影响焊缝含氧量与焊接方法、焊接材料、工艺参数有关焊缝含氧量与焊接方法、焊接材料、工艺参数有关 材料及焊接方法材料及焊接方法平均含氧量平均含氧量(%)材料及焊接方法材料及焊接方法平均含氧量平均含氧量(%)低碳镇静钢低碳镇静钢低碳沸腾钢低碳沸腾钢 H08H08焊丝焊丝 H08H08光焊丝光焊丝焊接焊接低氢型焊条低氢型焊条钛铁矿型焊条钛铁矿型焊条钛钙型焊条钛钙型焊条钛型焊条钛型焊条0.0030.0080.0100.0200.010.020.150.300.020.030.1010.050.070.065纤维素型焊条纤维素型焊条氧化铁性焊条氧化铁性焊条铁粉型焊条铁粉型焊条埋弧自动焊埋弧自动焊电渣焊电渣焊气焊气焊COCO2 2保护焊保护焊氩弧焊氩弧焊0.0900.1220.0930.030.050.010.020.0450.0500.020.070.0017表表1-17 1-17 用各种方法焊接时焊缝的含氧量用各种方法焊接时焊缝的含氧量第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 *氧对焊缝性能影响很大。氧对焊缝性能影响很大。*强度、塑性、韧性明显下降，尤其是低温冲击韧强度、塑性、韧性明显下降，尤其是低温冲击韧 性急剧下降。性急剧下降。*热脆、冷脆和时效硬化。热脆、冷脆和时效硬化。*生成生成COCO气孔。气孔。*烧损合金中的有益元素，使焊缝性能下降。烧损合金中的有益元素，使焊缝性能下降。*相对来说，作用小于氢。有时候为了减少氢，相对来说，作用小于氢。有时候为了减少氢，有意加入一定量的氧化剂有意加入一定量的氧化剂。（一）氧对焊接质量的影响（一）氧对焊接质量的影响第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）控制氧的措施（二）控制氧的措施1 1、纯化焊接材料、纯化焊接材料2 2、控制焊接工艺参数、控制焊接工艺参数3 3、脱氧、脱氧 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 第三节第三节 熔渣及其对金属的作用熔渣及其对金属的作用 一、焊接熔渣一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分类（一）熔渣的作用、成分及分类1 1、熔渣在焊接过程中的作用、熔渣在焊接过程中的作用（1 1）机械保护作用）机械保护作用（2 2）改善焊接工艺性能）改善焊接工艺性能（3 3）冶金处理作用）冶金处理作用第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （1 1）机械保护作用）机械保护作用 覆盖在熔滴和熔池表面，隔绝空气，减少和覆盖在熔滴和熔池表面，隔绝空气，减少和避免金属与空气发生反应，减少有害作用。避免金属与空气发生反应，减少有害作用。（2 2）改善焊接工艺性能）改善焊接工艺性能 在熔渣中加入一定的物质在熔渣中加入一定的物质电弧引燃容易、燃电弧引燃容易、燃烧稳定、飞溅减少烧稳定、飞溅减少保证良好的操作性、脱渣性和保证良好的操作性、脱渣性和焊缝成形等。焊缝成形等。（3 3）冶金处理作用）冶金处理作用 熔渣和液体金属能够发生一系列反应熔渣和液体金属能够发生一系列反应影响焊影响焊缝成分缝成分去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢等，合金化脱磷、去氢等，合金化控制焊缝成分和性能。控制焊缝成分和性能。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 2 2、熔渣的成分和分类、熔渣的成分和分类 第一类：盐型熔渣第一类：盐型熔渣 *主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成 *渣系有：渣系有：CaFCaF2 2-NaF-NaF、CaFCaF2 2-BaCl-BaCl2 2-NaF-NaF、KCl-NaCl-KCl-NaCl-Na Na3 3AlFAlF6 6、BaFBaF2 2-MgF-MgF2 2-CaF-CaF2 2-LiF-LiF等等*氧化性很小，主要用于焊接铝、钛和其他化学活氧化性很小，主要用于焊接铝、钛和其他化学活性金属及其合金。某些含活性元素的高合金钢性金属及其合金。某些含活性元素的高合金钢 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 第二类：盐第二类：盐-氧化物型熔渣氧化物型熔渣 主要由氟化物和强金属氧化物组成。主要由氟化物和强金属氧化物组成。渣系有：渣系有：CaFCaF2 2-CaO-Al-CaO-Al2 2O O3 3、CaFCaF2 2-CaO-SiO-CaO-SiO2 2、CaFCaF2 2-CaO-Al-CaO-Al2 2O O3 3-SiO-SiO2 2等等 氧化性较小，适宜于焊接合金钢及合金。氧化性较小，适宜于焊接合金钢及合金。第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 第三类：氧化物型熔渣第三类：氧化物型熔渣 主要是由金属氧化物组成。主要是由金属氧化物组成。渣系有：渣系有：MnO-SiOMnO-SiO2 2、FeO-MnO-SiOFeO-MnO-SiO2 2、CaO-TiO-SiOCaO-TiO-SiO2 2等等 MnO MnO、SiOSiO2 2具有一定的氧化性，因此渣系氧化性具有一定的氧化性，因此渣系氧化性较强，用于焊接低碳钢和低合金。应用广泛。较强，用于焊接低碳钢和低合金。应用广泛。*实际渣系多是几种简易渣系构成的复杂渣系，成分实际渣系多是几种简易渣系构成的复杂渣系，成分多的为主，成分少的可以不计。但这些次要成分对焊多的为主，成分少的可以不计。但这些次要成分对焊缝的性能有较大影响，要在使用时注意缝的性能有较大影响，要在使用时注意 第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 表表1-19 1-19 焊接熔渣化学成分举例焊接熔渣化学成分举例焊条和焊条和焊剂类型焊剂类型熔渣化学成分（熔渣化学成分（%）熔渣碱度熔渣碱度SiO2TiO2Al2O3FeO MnO CaO MgO Na2O K2OCaF2B1B2钛铁矿型钛铁矿型钛型钛型钛钙型钛钙型纤维素型纤维素型氧化铁型氧化铁型低氢型低氢型HJ430HJ25129.223.425.134.740.424.138.518.214.037.730.217.51.37.01.110.03.55.54.51.51.318.015.66.99.511.922.74.04.71.026.511.713.714.419.33.543.07.08.73.78.82.11.335.81.73.01.30.55.25.84.60.4514.01.42.21.73.81.80.81.12.92.34.31.50.820.36.023.00.880.430.760.600.601.860.621.15-0.1-2.0-0.9-1.3-0.7+0.9-0.33+0.05第一章第一章第一章第一章 焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金焊接化学冶金 （二）熔渣的结构理论（二）熔渣的结构理论对掌握熔渣对焊接质量的作用有很大帮助对掌握熔渣对焊接质量的作用有很大帮助 1 1、分子理论、分子理论 以对凝固熔渣的相分析和化学成分分析结果为依据以对凝固熔渣的相分析和化学成分分析结果为依据 要点