焊接物理冶金 第三章+焊缝金属上
第三章焊接过程中的冶金反应原理
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H2O对金属的氧化
H2O 气与 Fe 的反应式为：
H2O气＋[ Fe ] ＝ [ FeO ] ＋ H2 H2O对金属的氧化反应特点：
温度越高，H2O 的氧化性越强。 在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比 CO2 小。 但应注意，H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相 中 H2 的分压，导致金属增氢。
气相中氧的分压 {pO2} /×101.325kPa P’O2 [FeO]max /×101.325kPa
纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压 { Po2 }
随温度升高，气相中氧分压增大，氧化性增加。 温度高于铁的熔点以后， {Po2}远大于P'o2 高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。
（2）氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料 等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或 氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和 材料表面的油污等也是氢的重要来源。 限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质 和油污。
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限制气体的来源
（3） 氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较 高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧 含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体， 采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。
溶 解 度
SO/%
氧在液态铁中的溶解度随 温度升高而增大
温度 T/℃ 铁液中氧的溶解度随温度的变化
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液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的 （3）合金成分对溶解度的影响 溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即 氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。
氢 溶 解 度 SH/ ml. (10 0g)
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焊接冶金学材料焊接性复习资料
第三章合金结构钢的焊接1、分析热轧钢和正火钢的强化方式及主强化元素有什么不同，二者的焊接性有何差别，在选择焊接材料时应注意什么问题？答：热轧钢通过固溶强化，主强化元素有：Mn、Si，而正火钢除了固溶强化之外，还利用合金元素的沉淀强化，主强化元素有：Mn、Mo、Nb、V、Ti等。
热轧钢因其碳含量低，冷裂倾向不大，而正火钢随其强度级别、碳当量及板厚提高，淬硬性及冷裂倾向随之增加，需采取工艺措施，如控制焊接热输入、预热、焊后热处理等措施控制裂纹。
热轧钢和正火钢因其碳含量较低，而锰含量较高，热裂纹倾向不大，但Cr、Mo等沉淀强化的正火钢具有消除应力裂纹倾向，可以采用提高预热温度或者焊后热处理等措施来防止消除应力裂纹的产生。
热轧钢和正火钢均可能产生粗晶脆化或者热应变脆化，正火钢需采用较小焊接热输入量，而热轧钢则需适中。
在选择焊接材料时需注意：（1）选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料；（2）同时考虑熔合比和冷却速度的影响；（3）考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响。
2、分型Q235的焊接性特点，给出相应的焊接材料及焊接工艺要求？答：Q235属于热轧钢，因其碳含量低，冷裂倾向不大；又因其锰含量较高，热裂倾向不大，主要问题是过热区可产生粗晶脆化，需控制焊缝热输入量。
另外，具有一定的热应变脆化倾向，加入一定的氮化物形成元素可有效防止。
Q235可采用焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等方法，选择与母材力学性能匹配焊接材料，主要有：焊条电弧焊E5015/E5016；埋弧焊HJ431、焊丝H08A/H08Mn2；二氧化碳保护焊：H08Mn2SiA6、低碳调质钢和中碳调质钢都属于调质钢，他们的焊接热影响区脆化机制是否相同？为什么低碳调质钢在调质状态下焊接可以保证焊接质量，而中碳调质钢一般要求焊后进行调制处理？答：低碳调质钢热影响区脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化的原因外，更主要的是上贝氏体和M-A组元的形成。
中碳马氏体脆化的主要原因是产生大量脆硬的高碳、粗大马氏体组织。
焊接冶金学习题答案汇总
焊接冶金学习题答案汇总第一章焊接化学冶金1、什么是焊接化学冶金？它的主要研究内容和学习的目的是什么答：焊接化学冶金指在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下的相互作用反应。
它主要研究各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及变化规律。
研究目的在于运用这些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符合使用要求，设计创造新的焊接材料。
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？答：调控焊缝化学成分的两种手段：1）、对熔化金属进行冶金处理；2）、改变熔合比。
怎样影响焊缝化学成分：1）、对熔化金属进行冶金处理，也就是说，通过调整焊接材料的成分和性能，控制冶金反应的发展，来获得预期要求的焊接成分；2）、在焊缝金属中局部熔化的母材所占比例称为熔合比，改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。
3、焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？答：焊接区内气体的主要来源是焊接材料，同时还有热源周围的空气，焊丝表面上和母材坡口附近的铁皮、铁锈、油污、油漆和吸附水等，在焊接时也会析出气体。
产生：①、直接输送和侵入焊接区内的气体。
②、有机物的分解和燃烧。
③、碳酸盐和高价氧化物的分解。
④、材料的蒸发。
⑤、气体（包括简单气体和复杂气体）的分解。
4、氮对焊缝质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？答：氮对焊接质量的影响：a在碳钢焊缝中氮是有害的杂质，是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。
b氮是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。
c氮是促进焊缝金属时效脆化的元素。
控制焊缝含氮量的主要措施：a、控制氮的主要措施是加强保护，防止空气与金属作用；b、在药皮中加入造气剂（如碳酸盐、有机物等），形成气渣联合保护，可使焊缝含氮量下降到0.02%以下；c、采用短弧焊（即减小电弧电压）、增大焊接电流、采用直流反接均可降低焊缝含氮量；d、增加焊丝或药皮中的含碳量，可降低焊缝中的含氮量。
焊接冶金学
3、多层多道焊 （1）每层焊缝变小而改善了焊缝凝固结晶的条件。 （2）后一层对前一层有附加热处理的作用，从而改善了固态 相变的组织。 4、焊后热处理：回火、正火、调质。 5、跟踪回火：每焊完一道立即用气焊火焰加热焊道表面 T＝900-1000℃。 盖面层：最上层 0-3mm 正火处理 2层： 中层 3-6mm 750℃高温回火 1层： 首层 6-9mm 600℃左右回火 6、锺击焊道表面－－细化晶粒，↓残余应力，↑焊缝金属的韧性。 一般用风铲捶击：锤头圆角R＝1.0～1.5 锤痕深度h＝0.5～1.0mm 捶击方向：先中间后两侧，依次垂直顺时针
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4、焊接条件下的凝固（结晶）形态
实践证明：熔池中成份过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的，因此将出 现不同的结晶形态。 （1）部位不同结晶形态不同 在焊缝的熔化边界：G较大，V结晶又较小，成分过冷接近于零，因 此平面晶得到发展，随着远离熔化边界的向焊缝中心过渡时，G逐渐 变小而V结晶逐渐增大。因此结晶的形态由平面晶→胞状晶→树枝胞 状晶（柱状晶区）→等轴晶 （2）化学成份不同，板厚和接头型式不同（冷速不同）结晶形态不同 99.99%的纯A1焊缝，熔合线附近为平面晶，焊缝中心为胞状晶 99.6%的纯A1焊缝，焊缝就出现胞状树枝晶，焊缝中心可出现等轴 晶 （3）焊接速度不同结晶形态不同 V焊↑—温度梯度下降快，熔池中心的成份过冷↑—焊缝中心出现大 量等轴晶（快速焊时） V焊↓—熔合线附近出现胞状树枝晶，焊缝中心出现较细的胞树枝晶 （4）焊接电流不同，结晶形态不同 电流↑—组织由胞状组织→胞状树枝晶→粗大的胞状树枝晶
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一、熔池凝固的条件和特点(特殊性)
熔池的结晶规律和钢锭一样.都是晶核的生长和晶核的长大.由于其凝固条件不同. 其特殊性如下:
焊接冶金学与焊接性课后习题
基本原理绪论1.试述焊接、钎焊和粘接在本质上有何区别？2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？3.能实现焊接的能源大致哪几种？它们各自的特点是什么？4.焊接电弧加热区的特点及其热分布？5.焊接接头的形成及其经历的过程，它们对焊接质量有何影响？6.试述提高焊缝金属强韧性的途径？7.什么是焊接，其物理本质是什么？8.焊接冶金研究的内容有哪些？第一章焊接化学冶金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？4.为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它的正常溶解度？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？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（[H]<1cm3/100g）,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物化性质？为什么？14.测得熔渣的化学成分为：CaO41.94%、-28.34%、23.76%、FeO5.78%、7.23%、3.57%、MnO3.74%、4.25%，计算熔渣的碱度和，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？16.既然熔渣的碱度越高，其中的自由氧越多，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，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CaF2在焊接化学冶金过程是所起的作用。
焊接冶金学基本原理要点归纳总计
焊接冶金学基本原理绪论1)焊接：焊接是指被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。
2)焊接、钎焊和粘焊本质上的区别:焊接：母材与焊接材料均熔化，且二者之间形成共同的晶粒；钎焊：只有钎料熔化，而母材不熔化，在连接处一般不易形成共同晶粒，只有在母材和钎料之间形成有相互原子渗透的机械结合；粘焊：既没有原子的相互渗透而形成共同的晶粒也没有原子间的扩散，只是靠粘接剂与母材的粘接作用。
3)熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电子束、激光束、化学热。
压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、高频感应热。
4)焊接加热区：可分为活性斑点区和加热斑点区5)焊接温度场：焊接时焊件上的某瞬时的温度分布称为焊接温度场。
表示方法：等温线或者等温面。
特点：焊接时焊件上各点的温度在每一瞬时都在有规律的变化。
影响因素：（1）热源的性质；（2）焊接线能量；（3）被焊金属的热物理性质；<热导率，比热容容积比热容，热扩散率，热焓，表面散热系数>;（4）焊件的板厚和形状。
6)稳定温度场：当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之7)准稳定温度场：恒定功率的热源作用在焊件上做匀速直线运动时，经过一段时间后，焊。
，件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可随着热源以同样速度移动。
8)焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程。
9）焊接热传递的三种形式：传导、对流和辐射。
由热源传热给焊件的热量以辐射和对流为主，而母材和焊丝获得热能后热的传播以传导为主。
10）焊接线能量：热源功率q与焊接速度v的比值。
热输入：在单位时间内，在单位长度上输入的热能。
第一章焊接化学冶金1）平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。
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敷速度。
(真正反应焊接质量的指标)损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属(或焊丝)质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。
第11讲_焊接冶金学(4)
25
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⑷ 形成白点
碳钢和低合金钢焊缝中，如含氢量高，则常常在其 拉伸或弯曲断口上出现银白色圆形局部脆断点，称 为白点，其直径约0.1~2㎜。 白点中心含有微细气孔或夹杂物。碳钢及用Cr、Ni、 Mo合金化的焊缝，较容易出现白点。
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形成原因 白点产生于金属塑性变形过程，其成因： 是氢的存在及其扩散运动。当外力作用下金 属产生塑性变形时，促使氢扩散并聚集于小气孔 或小夹杂物等缺陷处。
残余氢 （㎝3/100g）
6.3 7.1 6.7 6.5 2.6 1~1.5 1~1.5 1~1.5
总氢量 （㎝3/100g）
42.1 46.2 36.8 38.8 6.8 5.90 1.54 6.50 13
从上表中看出： 所有焊接方法都使熔敷金属增氢。 焊条电弧焊时只有用低氢型焊条的扩散氢含量最少。 埋弧焊和氧乙炔气焊扩散氢含量较低 CO2保护焊的扩散氢含量极少，是一种超低氢的焊接
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5
氢在Fe中的溶解度随温度升高而增大
当温度约2400℃时，溶解度达最大值（43mL／ 100g）。熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多。
继续增加温度，金属的蒸气压急剧增加，使氢溶解 度迅速下降。
在金属沸点温度时，氢的溶解度为零。
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6
从图中注意到，在钢的相变点氢的溶解度发生突变， 因为氢在固态钢中的溶解度和组织结构有关。氢在 面心立方晶格（fcc）的奥氏体中溶解度大，而在体 心立方晶格（bcc）的珠光体中溶解度小。发生相变 时，出现溶解度的突变，这是引起气孔、裂纹等焊 接缺陷的重要原因。
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7
氢可通过气相和熔渣向金属中溶解
当氢通过气相向金属中溶解时，分子状态的氢必 须分解为原子或离子状态（主要是H+）才能向金 属中溶解；
第12讲_焊接冶金学(5)
在液态铁中，随着合金元素
量增加，氧的溶解度下降，
如图。元素与氧的亲和力愈
强，氧的溶解度愈小。 氧在焊缝金属中，无论是单 独存在还是以氧化物存在都
是有害的，使焊缝金属强度、图
塑性和韧性明显下降。
24
Me含量对液态铁中氧的溶解 度的影响
15
3.4.1 氧化还原方向判据
由物理化学可知，假设在金属-氧-金属氧 化物系统中，金属氧化物的分解压为Po2， 氧的实际分压为{Po2}，则 {Po2} ＞Po2 {Po2}＝ Po2 {Po2}＜ Po2 金 属被氧化 处于平衡状态 金属被还原
24
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
16
3.4.2 焊接时金属的氧化
焊接时对金属的氧化除自由氧直接与金属发生作
用外，其余都是在各个反应区内通过氧化性气体 （如CO2、H2O等），或活性熔渣与金属相互作用 实现的。
24
17
⑴ 自由氧对金属的氧化
电弧焊时，空气中的氧总是或多或少地侵入电弧内，焊接 材料中的高阶氧化物等物质也因受热而分解产生氧气。这 样使气相中自由氧的分压大于氧化物的分解压，金属就被
掌握焊接时金属氧化还原的规律，对改善焊缝金属
的成分及提高焊接质量有重要的意义。
24
10
氧的来源
焊接区的氧来自周围空气以及焊接材料或焊件中
的高价氧化物、水分、铁锈等的分解物。
氧的危害 氧的化学性质很活泼，在焊接高温下可与许多金 属元素作用，不仅使焊缝金属中有益合金元素被烧 损，而且所形成的氧化物又夹杂在焊缝中，使焊缝 金属的力学性能严重下降。
6
② 电源性质和极性
用交流电焊接时，因弧柱温度周期性变化，引起周
围气氛的体积也相应发生周期性胀与缩的变化，增 加了熔滴与气氛接触机会，故焊缝含氢量比直流焊 接时多。 采用直流正接时，因H＋向阴极运动，有利于向高 温熔滴溶解，故氢在焊缝中含量比直流反接时高。
第09讲 焊接冶金学(2)
0 .005 (Al 2 O 3 TiO
ZrO 2 )
式中各成分均以质量分数计，则
B1＞l
B1＝1
碱性渣
中性渣
B1＜1
酸性渣
用修正后的计算公式计算低氢型焊条和HJ251焊剂的
熔渣是碱性的，符合实际情况。
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② 离子理论的表达式
的含量（或氧离子的活度）定义为碱度，用B2表示。
渣中自由氧离子的含量越大，其碱度越大。最常用的
离子理论把熔渣中自由氧离子（即游离状态的氧离子）
碱度表达式：
B2
n
aiM
式中 Mi —— 渣中第i种氧化物的摩尔分数；
i
i 1
ai —— 渣中第i种氧化物的碱度系数。
一般 B2＞0 B2＝0 B2＜0
碱性渣 中性渣
30 酸性渣 11
熔渣的碱度因焊条药皮或焊剂类型不同而异： 一般实际焊接时只有低氢型焊条和焊剂HJ251的熔 渣是碱性，其他熔渣均为酸性，故可把熔渣归纳为两 大类，即酸性渣和碱性渣，与之相应的焊条和焊剂也 分为酸性和碱性两大类，由于熔渣的酸、碱性不同，
其冶金性能，工艺性能和焊缝金属的化学成分与性能
也有显著差别。
30 12
3.2.2 熔渣的物理性能 一、熔渣的粘度
粘度是液体内部发生相对运动时所产上的摩擦力，
反映了质点在液体内部移动的难易程度。
熔渣的粘度对焊接工艺性能、化学冶金反应有很大
影响。
熔渣的粘度取决于熔渣的结构，结构越复杂，离子
尺寸越大，熔渣质点移动越困难，其粘度就越大。 影响熔渣结构的因素是熔渣的成分和温度。
以获得合适的熔渣粘度和脱渣性，使焊接操作更方 便，改善焊缝成形等。 ⑶ 冶金处理作用 在高温下熔渣与液态金属接触便产生一系列冶
焊接冶金学(基本原理)
绪论一、焊接过程的物理本质1.焊接：被焊工件的材质(同种或异种)，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。
物理本质：1）宏观：焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不可拆卸性（永久性）2）微观：焊接是在焊件之间实现原子间结合。
2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？从理论来讲，就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。
然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。
这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。
为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：1)对被焊接的材质施加压力目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。
2)对被焊材料加热(局部或整体) 对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。
二、焊接热源的种类及其特征1）电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。
2）化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源。
3）电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。
4）高频感应热：对于有磁性的金属材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。
如高频焊管等。
5）摩擦热：由机械摩擦而产生的热能作为热源。
6）等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和动能，利用这种能量进行焊接。
7）电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为热源。
8）激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。
第08讲_焊接冶金学(1)
质量有着重要的影响。
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2. 熔滴反应区
指从熔滴形成、长大至脱离焊条过渡到熔池之前。
该区具有以下特点：
⑴ 熔滴的温度高
熔滴平均温度：1800~2400℃
熔滴活性斑点温度：2800℃
熔滴金属过热度大：300~900℃
⑵ 熔滴与气体、熔渣的接触面积大
炼的过程。
焊接化学冶金过程与炼钢过程相比，无论是原材料
还是冶炼条件都有很大的不同。
因此，必须研究焊接化学冶金的特点，总结出其规
律性，才能指导焊接实践，使冶金反应向有利的方 向发展，从而获得优质的焊缝金属。
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3.1.1 焊接过程中对金属的保护 1. 保护的必要性
低碳钢光焊丝在空气中无保护下焊接时：
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3.1.3 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系
焊接化学冶金过程与焊接工艺条件有密切的联系。 改变焊接工艺条件(如焊接方法、焊接工艺参数等) 必然引起冶金反应条件(反应物的种类、数量、浓 度、温度、反应时间等)的变化，因而也就影响到 冶金反应的过程。 这种影响可归结为以下两个方面。
26
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各种保护方式的保护效果虽然不同，但均已基本解 决隔离空气的问题。 仅仅机械地保护熔化金属，在有些情况下仍然不能 得到合格的焊缝成分。例如，在多数情况下药皮、 焊剂对金属具有程度不同的氧化性，从而使焊缝金 属增氧。 因此焊接冶金的另一个任务就是对熔化金属进行冶 金处理，也就是说，通过调整焊接材料的成分和性 能，控制冶金反应的发展，从而获得预期要求的焊 缝成分。
电弧不稳；
飞溅严重；
焊接冶金学 各章重点、难点及作业
0 绪论思考题1.了解焊接温度场。
焊接温度场－焊接时焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布称为“温度场”。
等温线及等温面。
从各种焊接方法的能量集中程度可以了解不同方法的温度场差异，从而知道采用不同方法的温度场分布情况和最高峰值温度，从而知道方法由于这个不同造成组织和性能也不同。
2. 影响温度场的主要物理因素。
主要是热导率、表面散热系数（比热容及体积比热容）热导率大，金属通过传导传热的能力强，那热量会更快地传导给熔池附近金属，因此温度场范围更大、但峰值温度更低。
对薄板而言，由于传导传热散失的热量少、且由于熔池附近金属的质量小而包容的热量也小，因此薄板散热不如厚板，此时通过金属表面与介质热交换的作用就更明显或起主要作用。
因此对于薄板，表面散热系数大，散热快，温度场范围小且峰值温度也小。
影响温度场除这几个物理参数外，还有焊件结构（坡口焊还是表面堆焊、对接还是角接）、母材壁厚等有较大影响3.为什么实际焊接中多采用多层多道焊？在多层多道焊时，可能保证第一道的冷却速度一开始就不降至马氏体生成温度以下（一般均是在第一道焊缝前采用预热手段保证冷却速度不至于太大造成生成马氏体等淬硬组织），再随多道焊接的完成相对缓慢下降，这有利于产生贝氏体组织代替马氏体。
且后层（道）焊缝对前层（道）焊缝具有热处理的作用，相当于对前层（道）焊缝进行了一次正火处理，因而改善了二次组织。
而在焊接最后一道焊缝时，由于预热的结果，有利于其冷却速率的降低。
对第一道及最后一道焊缝（同样也适用于中间各焊道），其奥氏体化时间相对均很小，避免了不良的晶粒粗化。
所焊后焊缝塑性高、且不易产生裂纹等缺陷。
但这时需控制层间温度，层间温度过高，冷却速度太小而造成晶粒处于高温的时间太长而晶粒长大明显，相反冲击韧性下降。
4.工艺焊道及工艺焊道的作用。
工艺焊道是指在完成最后的焊接后在最后焊道上再加焊一道焊缝，起到对焊缝的最后一道焊缝退火的作用。
工艺焊道一般在焊接接头不进行热处理的情况下、而为避免在焊后出现裂纹而采用的一种工艺措施。
第09讲_焊接冶金学(2)
熔渣与液体金属接触发生的一系列物理
化学反应，决定着焊缝金属的成分和性能。
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焊接熔渣的作用： ⑴ 机械保护作用
焊接时液态熔渣覆盖在熔滴和熔池
表面，把液态金属与空气隔开，保护液态
金属不被氧化和氮化。熔渣凝固后形成渣
壳覆盖在焊缝金属上也使高温焊缝金属不 受空气侵害氧化。
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⑵ 改善焊接工艺性能作用 在熔渣中加入低电离电位物质，可使电弧容易 引燃、稳定燃烧，减少飞溅；适当调整熔渣成分， 以获得合适的熔渣粘度和脱渣性，使焊接操作更方
便，改善焊缝成形等。
⑶ 冶金处理作用
在高温下熔渣与液态金属接触便产生一系列冶
金反应，从而影响焊缝金属的成分，改善焊缝的性 能。通过熔渣可以去除焊缝中的有害杂质，如脱氧、 脱氢、去硫、去磷等，还可通过熔渣向焊缝金属过 渡有益的合金元素。
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焊接熔渣按其成分及性质可分成三大类，见下表：
实际的熔渣是多种化合物组成的复杂系统，为了研 究方便，往往把复杂系统中含量少，影响小的次要成分 30 6 舍去，简化成由含量多、影响大的成分组成的渣系。
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二、熔渣的表面张力 焊接熔渣的表面张力指的是气相与熔渣之间的界面 张力，对熔滴过渡、焊缝成形、脱渣性以及冶金反
粘度。
30 14
在碱性渣中若加入高熔点的碱性氧化物，如CaO， 则可能出现未熔化的固体质点而使渣的流动阻力增 大。使熔渣粘度升高。这时若加入SiO2，它与CaO 形成低熔点的硅酸盐，又可使渣的粘度下降。 CaF2能促进CaO的熔化，所产生的F－又能起到O2－ 的作用，使阴离子尺寸变小，所以把它加到酸性渣 或碱性渣中都可降低粘度。
中性氧化物 主要有：Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等，这些
第14讲_焊接冶金学(7)
第14讲
1
上讲回顾
活性熔渣对金属的氧化
焊件表面氧化物对金属的氧化
氧对焊接质量的影响
焊缝金属的脱氧
2
3.5 焊缝金属的合金化
3.5.1 合金化的目的及方式 合金过渡是把所需的合金元素通过焊接材料过渡 到焊缝金属(或堆焊金属)中去的过程，又称焊缝金 属合金化。
3
1. 过渡目的 ⑴ 补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成焊 缝中合金元素的损失；
过渡系数就越小。在1600℃时，各种合金元素对氧
亲和力由小到大排顺序如下：
Cu Ni Co Fe W Mo Cr Mn V Si Ti Zr Al
17
当用几个合金元素同时过渡时，其中对氧亲和力 大的元素被氧化，就能减少其他合金元素的氧化， 从而提高了它们的过渡系数。 例如：在碱性药皮中加入Al和Ti，可提高Si和 Mn的过渡系数。
26
熔池凝固时S容易偏析，以
低熔点共晶Fe＋FeS(熔点约
985℃)或FeS＋FeO (熔点约
940℃)的形式呈片状或链状
分布于晶界，增加焊缝金 属结晶裂纹的倾向，降低 冲击韧度和抗腐蚀性。
图 Fe＋FeS相图
27
钢中含Ni时，S的有害作用更大，因S与Ni形 成NiS，NiS又与Ni形成熔点更低(664℃)的共 晶NiS＋Ni，产生结晶裂纹的倾向更大。
20
⑷ 药皮或焊剂的成分
如果在药皮或焊剂中增加高价氧化物和碳酸盐等， 不仅使气相的氧化性增大，而且也使熔渣的氧化性 增大，结果导致过渡系数减小。
当合金元素及其氧化物在药皮或焊剂中共存时，由 质量作用定律可知，能够提高该元素的过渡系数。 若其他条件相同，合金元素的氧化物与熔渣的酸碱 性相同时，则有利于提高过渡系数。若性质相反， 则降低其过渡系数。例如SiO2是酸性的，会随着熔 渣碱度的增加，Si的过渡系数减小；MnO是碱性的， 会随着熔渣碱度的增加，Mn的过渡系数增大。 21
第10讲焊接冶金学(3)
30
22
⑶ 氮的控制 ① 加强焊接区的保护 氮来自空气，故控制氮的主要措施是加强对焊接 区的保护，防止空气与液态金属发生接触。目前生 产上对焊接区的保护措施主要有：气体保护、熔渣 保护、气渣联合保护和抽真空等。
30
23
下表为用不同焊接方范焊接低碳钢时焊缝的含 氮量，说明了各自氮的保护效果。
焊条药皮的保护作用，在很大程度上取决于药 皮的成分和数量。
有利于氮的逸出。
30
图 合金元素1600℃下对氮在 铁中的溶解度的 影响
29
本讲小结
气体的来源与产生 气体分解 氮在金属中的溶解 氮对焊接质量的影响 氮的控制
30
30
30
4
⑵ 气体的产生
焊接区内的气体除了外界侵入或人为直接输入 气体外，一般都是通过如下物化反应产生：
① 有机物的分解和燃烧 如焊条药皮中常用的淀粉、纤维素、糊精等有 机物作通气剂和增塑剂，受热后将发生热氧化分解 反应，产生CO、CO2、 H2和水气等气体。
30
5
② 碳酸盐和高阶氧化物的分解
在焊接冶金中常使用碳酸盐，如CaCO3、 MgCO3等，用来造气和造渣，也有利于稳定电弧。 当加热超过一定温度时，就开始发生分解，产上 CO2气体。
第三章 焊接冶金学
第10讲
30
1
上讲回顾
焊接熔渣的作用 熔渣的结构 熔渣的碱度 熔渣的物理性能：粘度、表面张力、
熔点、导电性
30
2
3.3 氮、氢对金属的作用
焊接时，焊接区内气相成分重要有CO、 CO2 、 H2O、N2、H2、O2 、金属和熔渣的蒸气以及 它们的分解物和电离物等。
30
9
2. 气体分解 焊接区内的气体是以分子、原子及离子等状
焊接冶金学第三章课后答案
焊接冶金学-金属焊接性课后习题答案（1）第三章：合金结构钢1．分析热轧钢和正火钢的强化方式和主强化元素又什么不同，二者的焊接性有何差别？在制定焊接工艺时要注意什么问题？答：热轧钢的强化方式有：（1）固溶强化，主要强化元素：Mn，Si。
（2）细晶强化，主要强化元素：Nb,V。
（3）沉淀强化，主要强化元素：Nb,V.；正火钢的强化方式：（1）固溶强化，主要强化元素：强的合金元素（2）细晶强化，主要强化元素：V,Nb,Ti,Mo（3）沉淀强化，主要强化元素：Nb,V,Ti,Mo.；焊接性：热轧钢含有少量的合金元素，碳当量较低冷裂纹倾向不大，正火钢含有合金元素较多，淬硬性有所增加，碳当量低冷裂纹倾向不大。
热轧钢被加热到1200℃以上的热影响区可能产生粗晶脆化，韧性明显降低，而是、正火钢在该条件下粗晶区的V析出相基本固溶，抑制A长大及组织细化作用被削弱，粗晶区易出现粗大晶粒及上贝、M-A等导致韧性下降和时效敏感性增大。
制定焊接工艺时根据材料的结构、板厚、使用性能要求及生产条件选择焊接。
2．分析Q345的焊接性特点，给出相应的焊接材料及焊接工艺要求。
答:Q345钢属于热轧钢，其碳当量小于0.4％，焊接性良好，一般不需要预热和严格控制焊接热输入，从脆硬倾向上，Q345钢连续冷却时，珠光体转变右移，使快冷下的铁素体析出，剩下富碳奥氏体来不及转变为珠光体，而转变为含碳量高的贝氏体与马氏体具有淬硬倾向，Q345刚含碳量低含锰高，具有良好的抗热裂性能，在Q345刚中加入V、Nb达到沉淀强化作用可以消除焊接接头中的应力裂纹。
被加热到1200℃以上的热影响区过热区可能产生粗晶脆化，韧性明显降低，Q345钢经过600℃×1h退火处理，韧性大幅提高，热应变脆化倾向明显减小。
；焊接材料：对焊条电弧焊焊条的选择：E5系列。
埋弧焊：焊剂SJ501，焊丝H08A/H08MnA.电渣焊：焊剂HJ431、HJ360焊丝H08MnMoA。
第三节 焊接冶金过程
第三节焊接冶金过程焊接电弧产生后，焊接区的物质在高温作用下，会发生激烈的物理化学反应，反应的过程称为焊接冶金过程。
一、焊接冶金过程的特点焊接热过程的特性确定了焊接冶金过程有以下几个主要特点：1)电弧的温度高。
在该区域范围内药皮中的物质分解产出大量气体，在熔池周围形成一个“保护层”。
同时C02、H2等大量分解，分解出来的气体原子或离子很容易溶人到熔池金属中，由于冷却速度快，温度不断下降，其溶解度也随之降低，结果来不及析出而残留在焊缝中。
此外，在电弧的高温作用下，还会产生金属蒸气，一些合金元素易被氧化，即所谓的“烧损”，使焊缝金属合金元素的含量下降，分布不均。
2)反应时间短即熔池存在的时间短。
焊缝金属的冶金反应不充分，组织成分差异较大。
3)熔池体积小，而反应接触面积大。
前面已述，以焊条电弧焊为例，其熔池质量仅为3～5g，而向熔池过渡的熔滴的表面积可达1000～10000cm2/kg，比炼钢时大1000倍，这使冶金反应激烈，并有强烈的混合作用。
4)熔池反应是运动着的。
焊接时熔池不断地移动，参加反应的物质不断改变，使得焊接冶金反应更为复杂。
此外，根据焊接方法的不同，组成冶金系统的相——液态金属、熔渣、电弧气氛也不同，各相相互作用有其各自的特点。
二、气体对焊缝金属的影响焊接区域里气体来源于焊接材料、焊件坡口上的铁锈、油污和吸附的水分等。
另外亦有可能来自于大气。
焊接区的气体随焊接方法、焊接电流、药皮和焊剂成分等因素不同而变化，主要气体成分为CO、飓和水蒸气等。
另外因熔池保护不当，还有来自于空气中的N2等。
这些气体，一旦侵入焊缝金属中，将对焊缝的性能产生极为不利的影响。
1．氮与金属的作用焊接区内的氮气主要来自于周围空气，根据近似计算在电弧区气体中空气的体积分数约占3%。
氮与金属的作用分两种情况：一种是氮与金属不发生反应，也不溶解，如与Cu和Ni 等；另一种是既与金属反应，又溶解于金属中，如与Fe、Mn、Cr、Ti等，焊接这类金属必须防止氮气的侵入。
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第三章
焊缝金属
图3.1 对熔焊焊缝成分有作用的各种影响途径示意图
焊接热过程特点
（1）焊接热过程的局部集中性（加热、冷却速 度极不均匀） （2）焊接热过程的瞬时性（加热、冷却速度极 快）； （3）焊接热源的运动性（特殊的热循环）； （4）焊接传热过程的复杂性（液体对流、固体 导热、辐射）。
第一节 焊接熔池结晶特点
2 3cos cos3 E Ek 4 : 浸湿角
' k
图3.6 熔合线处半球状固相晶核的不均匀成核
图3.7 焊缝金属的柱状晶由熔合线处母材晶粒外延凝固而成
图3-8 熔合线
二、焊接熔池中晶核长大（结晶方向和速度）
1、结晶方向 假设晶粒生长具有各向同性，晶粒沿垂直于等温面方向生长。 2、结晶速度
dS AC dS dx cos
____
(3—4)
（3—5）
dS dx cos （3—6） dt dt R v cos （3—7）
图3-9 晶粒成长速度的示意
图3.10 钢焊缝中晶体生长方向的改变（如箭头所示）
图3-11 熔池形状
qv cos 1 0.043217 aTm
1、 熔池体积小、冷却速度快 电弧焊条件下，熔池体积约30cm3，重量约100g，冷却速度4 100 2、 熔池中的液态金属处于过热状态 低合金钢熔池温度
1770 100 C
2
C
，熔滴温度2300
C
3、 熔池在运动状态下结晶 结晶行为与焊接速度有关，熔池均匀化过程通过搅拌、对流、扩散完成。
C0、R、G对结晶形态的影响
图3.20 熔融金属中温度梯度的变化和成分过冷引 起的平面状——胞状晶的转变
（箭头指示晶体生长方向）
图3.21 a）平面状界面破裂成晶胞 b）胞状结晶的温度及溶质分布
图3.24 蒙乃尔TIG焊缝中树枝状晶的生长情况
图3.23 充分发育的树枝状晶，在立方晶格的金属中， 一次、二次及三次晶轴都与<100>生长方向相对应
第二节 焊接熔池的形状
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图3.6 晶体生长速度与焊接速度间的关系
图3.2 合金种类及热扩散率对等温线形状影响
图3.3 低碳钢中焊接速度对等温线形状的影响
图3.4 板厚对等温线形状的影响
图3.5 铝平板堆焊时的温度分布
图3-11 熔池形状
第三节 焊接熔池结晶过程
焊接熔池结晶包括两个过程：晶核形成和晶核长 大 一、焊接熔池中晶核的形成 晶核形成有两种途径：自发形核和非自发形核。
图3.25 C0、R和G对结晶形态的影响
图3.13 铸造及焊接凝固的不同自由能驱动力，两者 都是不均匀过程，但焊接时的外延向凝固， 使成核势垒实际上降为0
2、焊接熔池的结晶形态
图3.26 焊缝金属凝固时，合金成分晶体生长率和熔融金属中 的温度梯度对生长产物类型的影响
图3.25 T.Senda的测定说明在最后凝固阶段，晶体生长速度快， 温度梯度低，焊缝中心处会形成树枝状晶
图3.19 向平面界面前方生长的固态球节，当它进入 较热的液体时，一般会被重新熔化。但若界面前 方的液体是成分过冷的话，这个球节是稳定的
图3.20 焊缝中平面状结晶向胞状结晶的转变
图2 平面晶形态 a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）纯铌板氩弧焊时的平面晶
图3 胞状晶形态 a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状晶
q—热源有效功率 v—焊接速度 a—导温系数 λ—导热系数 Tm—被焊金属熔点
2 2 Ky Kz 1 K 2 K 2 y z
1 2
K
y
Kz
Y OB Z OH
OB：平面椭圆短半轴 OH：熔池椭圆熔深半轴
图3.12 焊接速度对熔化形状及晶体生长模式的影
图3.15 简单二元系统中合金X0的不平衡凝固
图3.16 液相中完全混合、固相中无扩散时，凝固柱体
a) 的成分曲线由b)向c)过渡
图3.17 液相中扩散混合时， 柱体的浓度分布由a)向c)演变。 若结晶速度均匀不变，在凝固 的最后阶段，液相中合金浓度 富集时，柱体中的成分达到稳 定前状态
图3.18 生长中晶体前缘的前方，溶质在液相中浓度富集， 引起液相凝固温度降低时发生成分过冷，成分过冷与熔 融金属中的温度梯度TL有关
形成自发临界晶核所需能量
3 16 SL Ek 3GV
（3—1）
γSL：新相与液相间的表面能 ΔGV=单位体积内液、固两相自由能差 形成非自发临界晶核所需能量 3 2 3cos cos3 16 SL ' Ek 3GV 4
（3—2）
（3—3）
图1 焊缝柱状晶成长与焊接速度的关系（示意） a）偏向晶 b）定向晶
图3.13 晶体沿最大温度梯度方向生长速度(R)与沿<100> 方向生长速度(R’)间的关系
图3.14 晶体在最接近熔池最大温度梯度方向上的<100>方向上生长
三、焊接熔池的成分过冷与结晶形态
1、成分过冷 结晶条件： （1）平衡结晶 （2）固相无扩散，液相混合均匀（搅拌、对流、扩散） （3）固相无扩散，液相混合不均匀（扩散） 由于结晶界面成分分布变化引起的过冷度称之为“成分过冷”（“浓度过冷”）
图2 胞状树枝晶形态
a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状树枝晶
图3 胞状树枝晶形态 a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）Cr25Ni35AlTi合金TIG焊时胞状树枝晶
图4 胞状树枝晶形态
a）成分过冷条件 b）结晶形态 c）铝板TIG焊时胞状树枝晶
图5