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材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 绪绪 论论材料连接材料连接(Joining)的分类：的分类：机械连接：机械连接：用螺钉、螺栓和铆钉等用螺钉、螺栓和铆钉等 可拆或不可拆接头可拆或不可拆接头物理和化学连接：物理和化学连接：胶接、封接（异种材料、非金属间连接）胶接、封接（异种材料、非金属间连接）通过毛细作用、分子间力作用或者相互扩散及化学通过毛细作用、分子间力作用或者相互扩散及化学 反应作用，将两个分离表面连接成不可拆接头的过程。反应作用，将两个分离表面连接成不可拆接头的过程。冶金连接冶金连接(Welding)：焊接（用于金属材料间连接）焊接（用于金属材料间连接）通过加热或加压（或两者并用）使两个分离表面的原通过加热或加压（或两者并用）使两个分离表面的原 子达到晶格距离，并形成金属键而获得不可拆接头的工子达到晶格距离，并形成金属键而获得不可拆接头的工 艺过程。艺过程。第1页/共132页p冶金连接的物理本质：冶金连接的物理本质：宏观上形成永久性接头；微观上形成了金属键。宏观上形成永久性接头；微观上形成了金属键。原子间的结合力：原子间的结合力：如图（见下页）如图（见下页）键结合条件：键结合条件：两分离表面接近到两分离表面接近到 rA 距离。距离。连接工艺措施：连接工艺措施：对被连接的材质施加压力：破坏表面氧化膜对被连接的材质施加压力：破坏表面氧化膜 对被连接的材料加热（局部或整体）：对被连接的材料加热（局部或整体）：焊接时所需的压力与温度之间存在一定关系：焊接时所需的压力与温度之间存在一定关系：纯铁纯铁材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 绪绪 论论第2页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 绪绪 论论第3页/共132页p焊接技术的分类：焊接技术的分类：从冶金角度上，从冶金角度上，液相连接、固相连接、液液相连接、固相连接、液-固相连接固相连接 传统分类，传统分类，熔化焊、压力焊、钎焊熔化焊、压力焊、钎焊 熔焊（熔化焊）：熔焊（熔化焊）：利用局部热源加热被焊金属的连接处及填充金属，使利用局部热源加热被焊金属的连接处及填充金属，使其熔化，互相熔合、冷却凝固形成永久连接。其熔化，互相熔合、冷却凝固形成永久连接。材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ _ 绪绪 论论第4页/共132页 压焊（压力焊）：压焊（压力焊）：在加热或不加热的情况下，对焊接区施加一定压在加热或不加热的情况下，对焊接区施加一定压力，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离，形力，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离，形成金属键，使两金属联为一体。成金属键，使两金属联为一体。钎焊：钎焊：熔化的钎料（熔点低于钎件的熔点）对固态钎件熔化的钎料（熔点低于钎件的熔点）对固态钎件浸润以保证液态钎料填满钎缝，液态钎料与连接件的浸润以保证液态钎料填满钎缝，液态钎料与连接件的表面由分子或原子互相扩散结合冷凝后形成联为一体表面由分子或原子互相扩散结合冷凝后形成联为一体的接头。的接头。材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 绪绪 论论第5页/共132页熔 化 焊第6页/共132页压力焊第7页/共132页钎 焊第8页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成熔化焊过程：熔化焊过程：加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变熔化焊的本质：熔化焊的本质：小熔池熔炼和铸造小熔池熔炼和铸造第9页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成：一、熔化焊热源的种类及特征一、熔化焊热源的种类及特征 二、熔化焊热效率二、熔化焊热效率 三、熔化焊温度场三、熔化焊温度场 四、焊接热循环四、焊接热循环 五、熔化焊接头的形成五、熔化焊接头的形成第10页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成焊接热过程：焊接热过程：与冶金反应、凝固结晶、固态相变、焊接温度场和应与冶金反应、凝固结晶、固态相变、焊接温度场和应力变形等均有关系。力变形等均有关系。一、熔化焊热源的种类及特征一、熔化焊热源的种类及特征 种类：种类：电弧热电弧热 等离子弧等离子弧 电阻热电阻热 电子束电子束 高频热源高频热源 激光束激光束 摩擦热摩擦热 化学热化学热 特征：特征：见下表见下表 第11页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成第12页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成二、熔化焊热效率二、熔化焊热效率 以电弧焊为例：以电弧焊为例：电弧的热功率：电弧的热功率：q qo o=0.24 U=0.24 Uh h I Ih h (cal/s)(cal/s)有效功率：有效功率：q=qq=qo o p p 热效率：热效率：p p第13页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接) 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成三、熔化焊温度场三、熔化焊温度场 热传递：热传递：传导、传导、对流、辐射对流、辐射 温度场：温度场：某瞬时焊件上各点某瞬时焊件上各点 温度的分布。温度的分布。温度场描述：温度场描述：等温线等温线 等温面等温面 温度梯度：温度梯度：稳态温度场稳态温度场 非稳态温度场非稳态温度场 准稳态温度场准稳态温度场 三维、二维、一维三维、二维、一维第14页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成四、焊接热循环四、焊接热循环 焊接热循环：焊接热循环：焊件上某点的温度随时间的变化过程。焊件上某点的温度随时间的变化过程。不均匀的热过程引起接头组织和性能的不均匀及复杂的应力状态。不均匀的热过程引起接头组织和性能的不均匀及复杂的应力状态。第15页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成1.焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数 加热速度加热速度 H H：最高加热温度最高加热温度 T Tmm：在相变温度以上在相变温度以上 的停留时间的停留时间 t t H H：冷却速度冷却速度 C C：（冷却时间（冷却时间t8/5、t8/3、t100）冷却速度是决定热影响区冷却速度是决定热影响区 组织和性能的主要参数。组织和性能的主要参数。第16页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成2.焊接热循环的影响因素焊接热循环的影响因素 被焊材料的材质：热物理性能被焊材料的材质：热物理性能 接头形状尺寸：板厚相同时，接头形状尺寸：板厚相同时，T型接头比对接接头冷速大型接头比对接接头冷速大 坡口形式相同，厚板比薄板冷速大坡口形式相同，厚板比薄板冷速大 焊道长度：焊道短，冷速大焊道长度：焊道短，冷速大 预热温度：增加预热温度：增加t tH H 和和 t8/5；对；对T Tmm附近的停留时间影响不附近的停留时间影响不 明显明显 焊接线能量：使焊接线能量：使T Tmm、t t H H和和t8/5 增大；而增大；而C C随之降低。随之降低。第17页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成五、熔化焊接头的形成五、熔化焊接头的形成 1.焊接材料熔化与熔池形成焊接材料熔化与熔池形成 （1）焊接材料熔化）焊接材料熔化 熔化焊接材料的热能：电弧热、电阻热熔化焊接材料的热能：电弧热、电阻热 关于焊条熔化的关于焊条熔化的基本参数基本参数：熔化系数熔化系数g M：单位时间内熔化的焊芯质量或长度。：单位时间内熔化的焊芯质量或长度。与焊接电流成正比。与焊接电流成正比。熔敷系数熔敷系数g H：损失系数损失系数：飞溅、氧化、蒸发：飞溅、氧化、蒸发 g H=(1-）g M熔化速度反映着焊接生产率熔化速度反映着焊接生产率第18页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成（2）熔滴过渡）熔滴过渡 熔滴熔滴过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅大小、焊缝成形好过渡直接影响焊接过程的稳定性、飞溅大小、焊缝成形好坏和产生焊接缺陷的可能性坏和产生焊接缺陷的可能性。金属熔滴上的作用力金属熔滴上的作用力 作用：作用：促进、阻碍促进、阻碍熔滴过渡熔滴过渡 1.熔滴重力熔滴重力 平焊时是熔滴过渡的动力，仰焊时是阻力，横焊时是平焊时是熔滴过渡的动力，仰焊时是阻力，横焊时是侧向力。侧向力。2.表面张力表面张力 熔滴在焊条端时是阻力，熔池端时是动力熔滴在焊条端时是阻力，熔池端时是动力 （尤其仰焊时作用更明显）。（尤其仰焊时作用更明显）。第19页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成3.气体的压力气体的压力 促进促进 焊条金属中溶解的气体，由于温度升高，产生爆破，焊条金属中溶解的气体，由于温度升高，产生爆破，从而使熔滴碎裂促进熔滴过渡，但也易产生飞溅。从而使熔滴碎裂促进熔滴过渡，但也易产生飞溅。4.带电质点的撞击力（极点压力）带电质点的撞击力（极点压力）阻碍阻碍 极点压力是由于带电质点对电极表面的撞击而形成的，主极点压力是由于带电质点对电极表面的撞击而形成的，主要作用在斑点上。要作用在斑点上。直流正接时，阳离子撞击焊条表面，阳离子质量较大，故直流正接时，阳离子撞击焊条表面，阳离子质量较大，故对电极撞击力较大，对熔滴过渡阻力较大。对电极撞击力较大，对熔滴过渡阻力较大。直流反接时，主要是电子撞击焊条端部斑点处，因电子质直流反接时，主要是电子撞击焊条端部斑点处，因电子质量较小，撞击力较小因此对熔滴过渡的阻力较小。量较小，撞击力较小因此对熔滴过渡的阻力较小。第20页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成5.气体吹力气体吹力 促进促进6.电磁力电磁力 促进促进 电磁力始终指向电弧中心使其电磁力始终指向电弧中心使其 收缩，且电磁力的大小和电流的平收缩，且电磁力的大小和电流的平 方成正比，电流越大则电磁力越大，方成正比，电流越大则电磁力越大，熔滴尺寸越细小，越有利于熔滴过渡。熔滴尺寸越细小，越有利于熔滴过渡。第21页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成 熔滴的过渡形式熔滴的过渡形式 1.1.短路过渡短路过渡 短弧焊时，短弧焊时，2.2.颗粒状过渡颗粒状过渡 长弧焊时，长弧焊时，细丝、大电流可使细丝、大电流可使 熔滴变细。熔滴变细。3.3.射流过渡射流过渡 大电流焊时，大电流焊时，熔滴细、过渡频率高、熔滴细、过渡频率高、飞溅小、过程稳定、飞溅小、过程稳定、熔深大、焊缝成形美观熔深大、焊缝成形美观 第22页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成（3）熔池的形成）熔池的形成熔池熔池:母材上，母材上，母材（填充金属）熔化母材（填充金属）熔化 熔池的形成实际上是一个动态熔池的形成实际上是一个动态平衡过程。当焊接稳定一定时间后，平衡过程。当焊接稳定一定时间后，熔池状态基本恒定，这时熔池的形熔池状态基本恒定，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化。只取决状、尺寸和质量不再变化。只取决于被焊材质与焊接规范，并随热源于被焊材质与焊接规范，并随热源移动作同步运动。移动作同步运动。电弧焊熔池形状如图：电弧焊熔池形状如图：第23页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成熔池尺寸熔池尺寸 随焊接电流增大，熔池的最大深度度增大，随焊接电流增大，熔池的最大深度度增大，熔池的宽度相对减小；熔池的宽度相对减小；随焊接电压的升高，最大熔深减小，随焊接电压的升高，最大熔深减小，最大熔宽增大最大熔宽增大。熔池的质量与存在时间熔池的质量与存在时间 熔池的质量：熔池的质量：实际证明，与实际证明，与q2/v成正比成正比 手工电弧焊熔池质量为手工电弧焊熔池质量为0.616g，多数为，多数为5g以下；以下；埋弧自动焊焊接低碳钢时，熔池质量小于埋弧自动焊焊接低碳钢时熔池质量小于100g。第24页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成 存在时间：存在时间：几秒几秒 几十秒。几十秒。熔池存在的最长时间（熔池存在的最长时间（tmax）：）：tmax熔池最长存在时间；L熔池长度；与电弧功率有关V焊接速度熔池的温度熔池的温度 熔池各点的温度是不均匀的；熔池各点的温度是不均匀的；取决于母材的性质及散热条件；取决于母材的性质及散热条件；低碳钢熔池的平均温度：低碳钢熔池的平均温度：2050 100K2050 100K第25页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成（4）熔池中液相的运动状态）熔池中液相的运动状态熔池中的液相发生强烈的熔池中的液相发生强烈的搅拌作用搅拌作用。熔池中液相运动的原因：熔池中液相运动的原因：a.熔池中温度分布不均匀引起液态金属密度差，使液相从低熔池中温度分布不均匀引起液态金属密度差，使液相从低温区向高温区流动，产生后对流运动。温区向高温区流动，产生后对流运动。b.熔池中温度分布不均匀引起表面张力分布不均匀，产生的熔池中温度分布不均匀引起表面张力分布不均匀，产生的表面张力差将使液相发生对流运动。表面张力差将使液相发生对流运动。c.焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生焊接热源作用在熔池上的各种机械力使熔池中的液相产生搅拌作用。搅拌作用。熔池中液相运动的原因：熔池中液相运动的原因：工艺参数、电极直径、焊炬倾角等。工艺参数、电极直径、焊炬倾角等。第26页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成（5）熔池的保护）熔池的保护 目的：目的：免受空气的有害作用免受空气的有害作用 作用：作用：减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损 失，使焊缝金属得到合适的化学成分。失，使焊缝金属得到合适的化学成分。方式：方式：如表。（机械保护）如表。（机械保护）第27页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成2.焊接接头的形成焊接接头的形成（1）焊缝的形成）焊缝的形成 形成：形成：焊缝金属组成：焊缝金属组成：熔滴熔化母材熔滴熔化母材 结晶特点：结晶特点：结晶中心：熔池壁结晶中心：熔池壁 长大方向：垂直熔池壁长大方向：垂直熔池壁 焊缝组织：焊缝组织：束状晶体束状晶体第28页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成（2）焊缝的形状）焊缝的形状 几何参数：几何参数：熔深：熔深：H H 熔宽：熔宽：B B 余高：余高：e e 成形系数：成形系数：熔合比：熔合比：熔合比不同，焊缝成分不同，性能不同。熔合比不同焊缝成分不同，性能不同。熔合比与焊法、工艺参数、接头和坡口形状、母材热物理性能有关熔合比与焊法、工艺参数、接头和坡口形状、母材热物理性能有关第29页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊热过程及接头形成熔化焊热过程及接头形成（3）焊接接头的组成焊接接头的组成 组成：组成：焊缝焊缝 +热影响区热影响区 接头形式：接头形式：对接接头、角接头、丁字接头、搭接接头对接接头、角接头、丁字接头、搭接接头 坡口：坡口：第30页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金p化学冶金：化学冶金：金属（固态、液态）、熔渣和气体三者之间相金属（固态、液态熔渣和气体三者之间相 互作用的过程。互作用的过程。如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、渗合金如金属氧化、还原、脱硫、脱磷、渗合金p冶金的目的：冶金的目的：去除杂质，调整成分，以获得所需成分和性去除杂质，调整成分，以获得所需成分和性 能的材料。能的材料。p焊接冶金：焊接冶金：影响焊缝的成分、组织、性能及焊接工艺性能。影响焊缝的成分、组织、性能及焊接工艺性能。最终决定焊缝质量。最终决定焊缝质量。p普通冶金是一个人为过程，而焊接冶金是客观存在。普通冶金是一个人为过程，而焊接冶金是客观存在。第31页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金：熔化焊接化学冶金：一、焊接材料一、焊接材料 二、焊接熔渣二、焊接熔渣 三、焊接化学冶金反应区三、焊接化学冶金反应区 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 五、硫、磷的作用五、硫、磷的作用 六、焊缝金属的合金化六、焊缝金属的合金化第32页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金一、焊接材料一、焊接材料 1.焊接材料类型焊接材料类型 焊接材料：焊接材料：焊接时所消耗的材料。焊接时所消耗的材料。常用焊接材料：常用焊接材料：焊条焊条焊剂焊剂焊丝焊丝保护气保护气通用焊条通用焊条专用焊条专用焊条熔炼焊剂熔炼焊剂非熔炼焊剂非熔炼焊剂实芯焊丝实芯焊丝药芯焊丝药芯焊丝惰性气体惰性气体活性气体活性气体焊接材料焊接材料焊接方法不同，采用的焊接材料不同焊接方法不同，采用的焊接材料不同第33页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 2.焊条焊条 （1）焊条的组成）焊条的组成 组成：组成：焊芯焊芯+药皮药皮(涂料涂料)焊芯的作用：焊芯的作用：导电和填充金属导电和填充金属 药皮的作用：药皮的作用：保证焊接顺利进行（电弧稳定燃烧）；保证焊接顺利进行（电弧稳定燃烧）；防止空气对熔化金属的有害作用；防止空气对熔化金属的有害作用；保证焊缝的化学成分和力学性能。保证焊缝的化学成分和力学性能。第34页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 （2）焊芯）焊芯 成分成分：符合国标（如表）符合国标（如表）第35页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 焊芯牌号：焊芯牌号：首位字母首位字母“H”代表代表“焊焊”，后面数字代表含碳，后面数字代表含碳 量，其它合金元素含量表示方法与钢材表示法相同，量，其它合金元素含量表示方法与钢材表示法相同，尾部尾部“A”表示优质钢，表示优质钢，“E”表示特优质钢。表示特优质钢。要求要求 具有较低的具有较低的含碳量含碳量和一定的和一定的含锰量含锰量,含硅含硅 控制较严控制较严,硫、磷含量则应低。硫、磷含量则应低。第36页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 （3）药皮）药皮 成分与作用：成分与作用：如表如表第37页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 （4）焊条的分类与性能）焊条的分类与性能 分类：分类：按用途分：七大类。按用途分：七大类。碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、铜及铜合金焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条铝及铝合金焊条 按按熔渣熔渣性质分：性质分：酸性焊条、碱性焊条酸性焊条、碱性焊条 性能：性能：工艺性能：工艺性能：电弧稳定性、焊缝成形、飞溅、脱渣等电弧稳定性、焊缝成形、飞溅、脱渣等 冶金性能：冶金性能：焊缝成分、性能、抗裂等焊缝成分、性能、抗裂等 酸性焊条和碱性焊条的性能有很大差别。酸性焊条和碱性焊条的性能有很大差别。第38页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 （4）焊条的选用）焊条的选用 按化学成分选：七大类按化学成分选：七大类 按力学性能选：按力学性能选：牌号，牌号，等强匹配等强匹配 母材按屈服强度分类，母材按屈服强度分类，焊条按抗拉强度编号。焊条按抗拉强度编号。异种材料焊接按强度较低的材料选择。异种材料焊接按强度较低的材料选择。按受力情况选：酸、碱焊条按受力情况选：酸、碱焊条第39页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 3.焊剂焊剂 埋弧焊、电渣焊用。埋弧焊、电渣焊用。作用：作用：相当于焊条药皮相当于焊条药皮 种类：种类：按制造方法分按制造方法分:熔炼熔炼焊剂和焊剂和陶质陶质焊剂两大类。焊剂两大类。按化学成分分按化学成分分:Mn、Si、F 选用：选用：应合理选用焊丝和焊剂应合理选用焊丝和焊剂 第40页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 4.焊丝焊丝 埋弧焊、气体保护焊、电渣焊用埋弧焊、气体保护焊、电渣焊用 作用：导电、填充金属作用：导电、填充金属 种类：种类：实芯焊丝：实芯焊丝：药芯焊丝：类似药皮焊条药芯焊丝：类似药皮焊条 5.保护气体保护气体 CO2、Ar、He第41页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 二、焊接熔渣二、焊接熔渣 熔渣：熔渣：焊接时熔化了的药皮和焊剂形成一种浮在液体焊接时熔化了的药皮和焊剂形成一种浮在液体 金属表面上的金属和非金属氧化物。（液体熔渣）金属表面上的金属和非金属氧化物。（液体熔渣）1.1.熔渣的作用熔渣的作用 机械保护机械保护 稳定电弧稳定电弧 改变焊缝成分（冶金处理）改变焊缝成分（冶金处理）第42页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金2.2.熔渣的成分和分类熔渣的成分和分类 盐型熔渣盐型熔渣 由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。用于焊接铝、钛等活性金属及合金。用于焊接铝、钛等活性金属及合金。盐氧化物型熔渣盐氧化物型熔渣 由氟化物和强金属氧化物组成。由氟化物和强金属氧化物组成。用于焊接高合金钢及合金。用于焊接高合金钢及合金。氧化物型熔渣氧化物型熔渣 酸性氧化物：酸性氧化物：SiOSiO2 2、TiOTiO2 2、V V2 2O O2 2等等 碱性氧化物：碱性氧化物：NaNa2 2O O、K K2 2O O、CaOCaO、FeOFeO、MnOMnO等。等。用于焊接低碳钢和低合金钢。用于焊接低碳钢和低合金钢。第43页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 3.3.熔渣的结构熔渣的结构 液态熔渣的结构：液态熔渣的结构：组成：组成：分子氧化物（自由态、复合态）分子氧化物（自由态、复合态）（SiOSiO2 2、FeOFeO、FeO*SiOFeO*SiO2 2 等）等）造渣：造渣：酸、碱性氧化物中和生盐的过程。酸、碱性氧化物中和生盐的过程。2CaO+SiO2CaO+SiO2 2=（CaOCaO）2 2*SiO*SiO2 2 2CaO+TiO 2CaO+TiO2 2=（CaOCaO）2 2*TiO*TiO2 2 与熔融金属的反应：只有自由氧化物能反应。与熔融金属的反应：只有自由氧化物能反应。(SiO(SiO2 2)+Fe=Si+(FeO)+Fe=Si+(FeO)()表示熔渣的成分；表示熔渣的成分；表示焊缝金属的成分。表示焊缝金属的成分。第44页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 熔渣的碱度：熔渣的碱度：B 1.0 B 1.0 碱性渣；碱性渣；B 1.0 B 1.0 酸性渣。酸性渣。酸性焊条：酸性焊条：B 1.0B 1.0B 1.0 第45页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 4.4.对熔渣的要求对熔渣的要求 不溶于金属不溶于金属 比重小于液态金属比重小于液态金属 合适的流动性和透气性合适的流动性和透气性 固态熔渣应具有良好的脱渣性固态熔渣应具有良好的脱渣性 合适的熔点：通常低于焊缝金属熔点合适的熔点：通常低于焊缝金属熔点200-450第46页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 三、焊接化学冶金反应区三、焊接化学冶金反应区 手工焊冶金反应区：手工焊冶金反应区：1.药皮反应区：药皮反应区：生成气体和熔渣生成气体和熔渣 脱水：脱水：100100水蒸气、水蒸气、400结晶水结晶水 有机物和碳酸盐分解：有机物和碳酸盐分解：2.熔滴反应区熔滴反应区 3.熔池反应区熔池反应区 特点：特点：反应温度高反应温度高 反应时间短反应时间短 与气相、熔渣接触反应与气相、熔渣接触反应第47页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 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.焊接区的气体焊接区的气体 （1）气体的来源）气体的来源 焊接材料：焊接材料：造气剂、气保焊中的保护气体造气剂、气保焊中的保护气体 热源周围气体介质：热源周围气体介质：空气空气 焊丝和母材表面上的杂质：焊丝和母材表面上的杂质：铁锈、油污、吸附水铁锈、油污、吸附水第48页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 （2）气体的产生）气体的产生 有机物的分解与燃烧：有机物的分解与燃烧：淀粉、纤维素、糊精、油污等。淀粉、纤维素、糊精、油污等。200以上分解：以上分解：CO2、CO、H2等等 焊条烘干不宜超过焊条烘干不宜超过200 碳酸盐和高价氧化物的分解：碳酸盐和高价氧化物的分解：如：如：CaCO3=CaO+CO2 6Fe2O3=4Fe3O4+O2 2Fe3O4=6FeO+O2 材料的蒸发：材料的蒸发：沸点低的物质沸点低的物质蒸汽蒸汽第49页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 （3气体的分解）气体的分解 氢、氧大部分以原子状态存在；氢、氧大部分以原子状态存在；氮以分子状态存在；氮以分子状态存在；CO2分解成分解成CO和和O H2O-H、O、OH等等 （4）气相的成分）气相的成分 电弧区的气体是由电弧区的气体是由CO、CO2、H2O、N2、H2、金属和熔渣的蒸汽等金属和熔渣的蒸汽等 使用碱性焊条焊接时，气相中含使用碱性焊条焊接时，气相中含H2和和H2O很少，故很少，故称称“低氢型低氢型”焊条。焊条。第50页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 2.氢与金属的作用氢与金属的作用 (1)氢在金属中的溶解氢在金属中的溶解 渣保护条件下，渣保护条件下，氢首先溶入熔渣，以氢首先溶入熔渣，以OH-形式存在，然后在渣形式存在，然后在渣 与金与金属的相界面上通过交换电子生成氢原子，以原子氢的形式属的相界面上通过交换电子生成氢原子，以原子氢的形式溶入金属中。溶入金属中。若渣中含有氟化物，则若渣中含有氟化物，则OH-与与F-反应生成反应生成HF，因此，此时氢在金属中的溶解度取决于气相中氢和水因此，此时氢在金属中的溶解度取决于气相中氢和水蒸汽的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧蒸汽的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量和金属中的含氧量。量。第51页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 氢通过气相与液态金属界面向金属中溶解时，氢通过气相与液态金属界面向金属中溶解时，此时氢在金属中的溶解度符合平方根规律：此时氢在金属中的溶解度符合平方根规律：sH2氢在金属中的溶解度；氢在金属中的溶解度；KH2氢溶解的平衡常数；氢溶解的平衡常数；pH2气相中氢的分压。气相中氢的分压。氢在铁水中溶解度与温度有关。氢在铁水中溶解度与温度有关。氢在面心立方晶格中的溶解度大于在体心立方晶格中。氢在面心立方晶格中的溶解度大于在体心立方晶格中。第52页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 (2)焊缝中的氢焊缝中的氢 扩散氢：扩散氢：H H、H H+、H H残余氢：残余氢：H H2 2 熔敷金属扩散氢的测定：熔敷金属扩散氢的测定：水银法、甘油法。水银法、甘油法。焊后焊缝金属中的含氢量焊后焊缝金属中的含氢量：如图。如图。第53页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 (3)氢对焊接质量的影响氢对焊接质量的影响 氢脆氢脆 白点白点 气孔气孔 熔池凝固时，氢大量析出并以气泡的形式向外逸熔池凝固时，氢大量析出并以气泡的形式向外逸 出，若逸出速度小于熔池的结晶速度便形成气孔。出，若逸出速度小于熔池的结晶速度便形成气孔。冷裂纹冷裂纹 在焊接接头的含氢量、淬硬组织及拘束应力共同作在焊接接头的含氢量、淬硬组织及拘束应力共同作 用而产生的。用而产生的。氢原子扩散聚集在微缺陷中，结合成氢分子，使氢原子扩散聚集在微缺陷中，结合成氢分子，使 缺陷内产生很高的压力，阻碍金属塑变的发展。缺陷内产生很高的压力，阻碍金属塑变的发展。时效、热处理可消除时效、热处理可消除第54页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 (4)控制含氢量的措施控制含氢量的措施 限制氢的来源：限制氢的来源：限制材料中的含氢量限制材料中的含氢量 清除焊丝和焊件表面上的杂质清除焊丝和焊件表面上的杂质 冶金反应冶金反应 在高温下形成稳定且不溶于金属的氢化物（在高温下形成稳定且不溶于金属的氢化物（OH、HF降低气相中的氢分压，从而降低氢在液态金属中的溶解度。降低气相中的氢分压，从而降低氢在液态金属中的溶解度。控制焊接规范控制焊接规范 有很大局限性。有很大局限性。焊后脱氢处理焊后脱氢处理 350350、保温、保温1 1小时小时 第55页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 冶金反应：冶金反应：通过氟化物反应和增加熔池中的含氧量或气相的氧化性来减少通过氟化物反应和增加熔池中的含氧量或气相的氧化性来减少熔池中的含氢量。熔池中的含氢量。2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4 SiF4+3H=SiF气+3HF SiF4+2H2O气=SiO2气+4HF CO2+H=CO+OH O+H=OH O2+H2=2OH 第56页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 3.氮与金属的作用氮与金属的作用 气相氮的主要来源是焊接区周围的空气。气相氮的主要来源是焊接区周围的空气。（1 1）氮对焊接质量的影响）氮对焊接质量的影响 气孔气孔 对焊缝金属性能的影响：对焊缝金属性能的影响：过饱和形式存在于固溶体中过饱和形式存在于固溶体中 以针状氮化物（以针状氮化物（FeFe4 4N N）形式析出，分布于晶界或晶内）形式析出，分布于晶界或晶内 Cu,Ni不与氮反应不与氮反应保护气体保护气体第57页/共132页氮对焊缝金属性能的影响氮对焊缝金属性能的影响材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金第58页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金（2 2）控制氮的措施）控制氮的措施 气渣联合保护：最有效措施气渣联合保护：最有效措施 控制焊接规范：控制焊接规范：电弧电压电弧电压 氮氮（弧长增加，保护效果下降）（弧长增加，保护效果下降）焊接电流焊接电流 氮氮（熔滴过渡频率增加，氮与熔滴作用（熔滴过渡频率增加，氮与熔滴作用 时间缩短，含氮量降低）时间缩短，含氮量降低）直流反接直流反接 氮氮（可能与氮离子的溶解有关）（可能与氮离子的溶解有关）焊丝直径焊丝直径 氮氮（直径增加，熔滴增大，比表面积减（直径增加，熔滴增大，比表面积减 少，含氮量降低）少，含氮量降低）利用合金元素：利用合金元素：C:co,co2,熔池沸腾，保护加强，氮分压熔池沸腾，保护加强，氮分压 Ti,Zr,Al,Re:与氮生成稳定氮化物，熔渣排出与氮生成稳定氮化物，熔渣排出第59页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 4.氧与金属的作用氧与金属的作用 氧主要以氧主要以氧化物夹杂氧化物夹杂存在于焊缝中。存在于焊缝中。（1 1）氧对焊接质量的影响）氧对焊接质量的影响 氧氧 焊缝性能焊缝性能 气孔、飞溅气孔、飞溅（CO）（2 2）控制氧的措施）控制氧的措施 纯化焊接材料纯化焊接材料 控制焊接规范：短弧焊接控制焊接规范：短弧焊接 脱氧脱氧 （重要措施）（重要措施）药皮加热阶段药皮加热阶段(先期脱氧先期脱氧)沉淀脱氧沉淀脱氧 扩散脱氧扩散脱氧 第60页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 脱氧：脱氧：药皮加热阶段药皮加热阶段:Fe2O3+Mn=MnO+2FeO FeO+Mn=MnO+Fe 2CaCO3+Si=2CaO+SiO2+2CO沉淀脱氧沉淀脱氧:Mn+FeO=Fe+(MnO)Si+2FeO=2Fe+(SiO2)扩散脱氧扩散脱氧:(FeO)+(SiO2)=FeO*SiO2 (FeO)+(TiO2)=FeO*TiO2 FeO=(FeO)MnO SiO2,MnO*TiO2复合盐进入熔渣复合盐进入熔渣第61页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金五、硫、磷的作用五、硫、磷的作用 1、硫的危害及控制、硫的危害及控制 (1)(1)硫的危害硫的危害 热脆热脆 结晶裂纹结晶裂纹 形成低熔点共晶体：形成低熔点共晶体：FeFeFeS(985FeS(985)FeS FeSFeO(940FeO(940)(2)(2)控制硫的措施控制硫的措施 限制材料中的含硫量限制材料中的含硫量 冶金方法脱硫冶金方法脱硫 锰作脱硫剂：锰作脱硫剂：FeSMn=(MnS)+FeFeS+Mn=(MnS)+Fe 熔渣碱性氧化物脱硫：熔渣碱性氧化物脱硫：FeS+(MnO)=(MnS)+(FeO)FeS+(MnO)=(MnS)+(FeO)FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)FeS+(MgO)=(MgS)+(FeO)FeS+(MgO)=(MgS)+(FeO)第62页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 熔化焊接化学冶金熔化焊接化学冶金 2、磷的危害及控制、磷的危害及控制 (1)(1)磷的危害磷的危害 冷脆冷脆 冲击韧性降低、脆性转变温度升高冲击韧性降低、脆性转变温度升高 形成低熔点共晶体：形成低熔点共晶体：Fe+FeFe+Fe3 3P (1050 P (1050)Ni+Ni Ni+Ni3 3P (880 P (880)脆硬的磷化铁分布于晶界脆硬的磷化铁分布于晶界 (2)(2)控制磷的措施控制磷的措施 限制材料中的含磷量限制材料中的含磷量 冶金方法脱磷冶金方法脱磷 分分两步两步进行：将磷氧化、与碱性氧化物生成磷酸盐进行：将磷氧化、与碱性氧化物生成磷酸盐 2Fe2Fe3 3P+5(FeO)=(PP+5(FeO)=(P2 2O O5 5)+Fe)+Fe (P (P2 2O O5 5)+3(CaO)=(CaO)+3(CaO)=(CaO)3 3(P(P2 2O O5 5)(P (P2 2O O5 5)+4(CaO)=(CaO)+4(CaO)=(CaO)4 4(P(P2 2O O5 5)第63页/共132页材料加工原理材料加工原理(焊接焊接)_ 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化合金化：把重要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属或堆焊金属中。把重要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属或堆焊金属中。目的目的：补偿焊接过程中蒸发和氧化造成的合金元素损失补偿焊接过程中蒸发和氧化造成的合金元素损失 消除焊接缺陷，改善焊缝性能。如过渡消除焊接缺陷，改善焊缝性能。如过渡TiTi、V,V,细化晶粒。细化晶粒。获得特殊性能的堆焊金属。如过渡获得特殊性