山大Part II 焊接冶金—3 熔渣与液态金属的相互作用
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。
金属与熔渣的作用
一）、熔渣的作用 二）、焊接熔渣的分类与来源
三）、铸造熔炼过程中的熔渣
一）、熔渣的作用
示例见药皮焊条电弧焊过程图。
1. 机械保护作用 2. 冶金处理作用 3. 改善成形工艺性能作用
药皮焊条电弧焊过程
埋 弧 焊 过 程 示 意 图
1. 机械保护作用
熔渣的比重一般轻于液态金属，高温下浮在液态 金属的表面，使之与空气隔离，可避免液态金属中 合金元素的氧化烧损，防止气相中的氢、氮、氧、 硫等直接溶入，并减少液态金属的热损失。熔渣凝 固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可以继续保护处在 高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。
有合适的凝固温度范围和较低的密度。
表8-5几种常见化合物的熔点和密度
化合物 熔点/℃ 密度 /(×103kg/m3) FeO MnO SiO2 1369 1580 1723 TiO2 Al2O3 (FeO)2SiO2 MnO∙SiO2 (MnO)2SiO2 1825 2050 1205 1270 1326
2. 冶金处理作用
熔渣与液态金属之间能够发生一系列物化反应， 从而对金属与合金成分给予较大影响。适当的熔渣 成分，可以去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、 脱磷和去氢。熔渣还可以起到吸附或溶解液态金属 中非金属夹杂物的作用。焊接过程中，可通过熔渣 向焊缝中过渡合金。
3. 改善成形工艺性能作用
适当的熔渣（或焊条药皮）构成，对于熔焊电弧的引燃、 稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性能及焊缝外观成形等焊
三）、铸造熔炼过程中的熔渣
钢铁熔炼熔渣的主要成分有 SiO2、CaO、 Al2O3 、FeO、MgO、MnO 等氧化物和少量 CaF2 ，其来源为： 生铁或废钢原材料中所含的各种合金元素,熔炼过 加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、铁矾 程中由于氧化而形成的氧化物； 土、粘土砖块等； 作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等； 浸蚀下来的炉衬耐火材料； 原材料带入的泥沙或铁锈； 脱氧、脱硫产物。
材料成型原理第六章 答案
第六章1.焊接和铸造过程中的气体来源于何处？它们是如何产生的？答：焊接区内的气体：焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂，高价氧化物及有机物的分解气体，母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分，空气中的气体、水分，保护气体及其杂质气体铸造过程中的气体：熔炼过程，气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、氢、CO2、CO、SO2和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。
来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。
浇注过程，浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。
2. 气体是如何溶解到金属中的？电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程一样吗？答：气体溶解到金属中分四个阶段：（1）气体分子向金属-气体界面上运动；（2）气体被金属表面吸附；（3）气体分子在金属表面上分解为原子；（4）原子穿过金属表面层向金属内部扩散。
电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程不一样，氢在高温时分解度较大，电弧温度下可完全分解为原子氢，其溶解过程为分解—吸附—溶入。
在电弧气氛中，氮以分子形式存在，其溶解过程为吸附—分解—溶入。
3.哪些因素影响气体在金属中的溶解度，其影响因素如何？答：气体在金属中的溶解度与压力，温度，合金成分等因素有关：（1）当温度一定时，双原子的溶解度与其分压的平方根成正比（2）当压力一定时，溶解度与温度的关系决定于溶解反应类型，气体溶解过程为吸热反应时，△H为正值，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应时，△H为负值，溶解度随温度的上升而降低。
（3）合金成分对溶解度的影响：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），则可降低气体的溶解度。
此外，合金元素还能改变金属表面膜的性质及金属蒸气压，从而影响气体的溶解度。
（4）电流极性的影响：直流正接时，熔滴处于阴极，阳离子将向熔滴表面运动，由于熔滴温度高，比表面积大，故熔滴中将溶解大量的氢或氮；直流反接时，阳离子仍向阴极运动，但此时阴极已是温度较低的溶池，故氢或氮的溶解量要少。
焊接冶金学(山东联盟)智慧树知到答案章节测试2023年山东建筑大学
绪论单元测试1.扩散焊属于A:压焊B:钎焊C:熔焊答案:A2.高频感应焊属于A:熔焊B:钎焊C:压焊答案:A3.在连接处不能形成共同晶粒的方法是A:熔焊B:钎焊C:压焊答案:B4.熔焊焊接接头包括以下区域A:熔合区B:热影响区C:母材D:焊缝答案:ABD5.真空电子束焊无填充材料焊接过程哪些过程A:凝固结晶和相变过程B:化学冶金过程C:热过程答案:AC6.熔焊焊接过程中可能发生冶金反应的区域包括A:热影响区B:熔合区C:母材D:焊缝答案:BD7.焊接是一种永久性连接方法。
A:对B:错答案:A8.焊接过程中接头处发生熔化的焊接方法都是熔焊。
A:对B:错答案:B9.熔焊方法都要经历加热-熔化-冶金反应-凝固结晶-固态相变过程。
A:对B:错答案:B10.对多数金属来说，只要是使被连接件界面的金属原子接近到0.3-0.5nm，就可以实现焊接。
A:对B:错答案:A第一章测试1.等离子弧本质上是被压缩的电弧。
A:对B:错答案:A2.低碳钢焊接时熔池平均温度约1770±100KA:错B:对答案:A3.电弧焊时对工件的加热区域是指电弧电流流过的区域。
A:错B:对答案:A4.减小熔滴尺寸对于加强冶金反应是有利的A:错B:对答案:B5.焊条电弧焊时的有效热量包括：A:用于熔滴过渡的热量B:周围空气、介质吸收的热量C:母材吸收的热量D:形成飞溅的热量答案:AC6.计算焊条金属的损失系数时，损失部分包括A:氧化损失B:飞溅损失C:蒸发损失D:焊条残余部分答案:ABC7.可以提高焊缝熔深的措施包括A:增大电弧电压B:减小电弧电压C:减小电流D:增大电流答案:BD8.热效率最高的焊接方法是A:焊条电弧焊B:激光焊C:电渣焊D:埋弧焊答案:B9.焊接温度场的研究以哪种传热形式为主A:辐射B:对流C:热传导答案:C10.薄板焊接时热源可看作：A:点热源B:面热源C:线热源答案:C第二章测试1.熔合比是指焊缝中熔化的母材与填充材料之比A:对B:错答案:B2.电弧空间内分子状态的H2、N2、O2的含量很低。
焊接化学冶金详细介绍
焊接化学冶金
焊接化学冶金的特殊性
焊接区金属的保护，焊接化学冶金的反应区，焊接 化学冶金系统的不平衡性。
焊接区内气体与金属的作用
焊接区内的气体，气体与金属的作用。
焊接熔渣对金属的作用
焊接熔渣及其性质，焊接熔渣对金属的氧化，焊缝 金属的脱氧。
焊缝金属的净化与合金化
氮对焊接质量的影响及控制，氢对焊接质量的影响 及控制，氧对焊接质量的影响及控制，硫的危害及 控制，磷的危害及控制，焊缝金属的合金化。
自保护方法无法避免空气的有害影响，保护效果欠 佳，生产上也很少采用，焊缝中氮的质量分数高达 0.12%。
1.1 焊接化学冶金的特殊性
二.焊接化学冶金的反应区
焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连
分区域 续进行的。
连续进行 各区的反应条件也存在差异，从而影响到
各区反应的方向和限度。
不填丝的钨极气体 熔池反应区 保护焊和电子束焊
特点 故冶金反应最激烈，不但反应速度快，而且反应
最完全，对焊缝成分和性能影响最大。
1.1 焊接化学冶金的特殊性
1.1 焊接化学冶金的特殊性
二.焊接化学冶金的反应区
2. 熔滴反应区
概念
是指从焊条端部熔滴形成、长大到过渡至熔池的 整个区域。
反应
气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金 成分的氧化和还原、以及焊缝金属的合金化等。
反应温度高，反应时间短，相的接触面积大，并 有强烈的混合作用，反应物含量偏离平衡甚远。
CaCO3、MgCO3等碳酸盐和 Fe2O3、MnO2等高价 氧化物发生分解，形成CO2和O2等气体。
铁合金 的氧化
水分蒸发和某些物质分解所形成的H2O、CO2和O2 等氧化性气体，对被焊金属和药皮中的铁合金 (如
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。
熔焊原理：焊接化学冶金过程
熔焊原理：焊接化学冶金过程
⊙焊接化学冶金过程的特点 一、焊接时的焊缝金属保护
焊接化学不同保护方式其保护效果是不同的。焊条药皮和药芯焊丝一般由造 气剂、造渣剂、铁合金等组成。这些物质熔化以后形成熔渣覆盖在液体金属表面， 将金属与空气隔离，防止了金属中有益元素的烧损和有害物质的侵入。此隔离作 用通常叫做机械保护作用。同时造气剂(主要是有机物，碳酸盐等)受热分解，析 出大量气体。据计算，熔化l00g焊芯，焊条可析出2500—5080cm3的气体。这些 气体在药皮套筒中被加热膨胀，形成定向气流吹向熔池，也起到机械保护作用。
2．来自于热源周围空气 3．来自于焊丝和母材表面的杂质 4．来自于高温蒸发产生的气体 焊接时，因为焊接区的温度往往超过金属的沸点，致使在焊接区出现金属和熔 渣的蒸发，形成的蒸气而进入气相。 CO2、H2O、CO可归结为与氢、氮、氧的作用。 二、氢对熔池金属的作用 1．氢在金属中的溶解
熔焊原理：焊接化学冶金过程
焊接电流增加，熔深加大，电弧伸入熔池内部，焊剂熔化量减少；电弧电压 增加，焊剂熔化量增加。焊剂熔化量的改变，意味着与液态金属作用的熔渣数量 的变化，反应物的含量必然影响产物的含量，最终影响焊缝的化学成分。 四、焊接化学冶金系统及其不平衡性
直接应用化学平衡的有关公式对焊接化学冶金问题进行定量分析是办不到的。 但是，可以利用化学知识对冶金反应的方向与趋势作定性的分析。
三、熔渣的碱度 1．氧化物的分类
焊接熔渣中的氧化物按其性质可以分为如下三类： 第一类是酸性氧化物，按照它们的酸性由强至弱的顺序有SiO 2、TiO 2、P2O5 V 2O5等。 第二类是碱性氧化物，按照碱性强弱的顺序有K2O、NaO、CaO、MnO、FeO 等。 第三类是两性氧化物
熔焊原理：焊接化学冶金过程
熔渣的作用与分类
5
2. 冶金处理作用
可以去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷 和去氢。 熔渣还可以吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物。 焊接过程中，可通过熔渣向焊缝中过渡合金。
6
3. 改善成形工艺性能作用
适当的熔渣（或焊条药皮）构成，对于熔焊电弧
的引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性能及焊
缝外观成形等焊接工艺性能的影响至关重要；电弧
前诊
1
一、熔渣的作用
二、焊接熔渣的分类与来源
2
一、熔渣的作用
1. 机械保护作用
2. 冶金处理作用 3. 改善成形工艺性能作用
焊条电弧焊 3
焊条电弧焊过程
4
1. 机械保护作用
比重轻于液态金属，浮在液态金属的表面，使之与 空气隔离，避免合金元素的氧化烧损，防止气相直 接溶入，减少液态金属的热损失。 熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，继续保护处 在高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。
CaF2 – CaO – SiO2
CaF2 – MgO – Al2O3 – SiO2
这类熔渣的氧化性较小，主要用于重要的低合金 高强钢、合金钢及合金的焊接。
12
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。如： CaF2 – NaF 、 CaF2 – BaCl2 – NaF 、 KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2- MgF2- CaF2-LiF 盐型熔渣的氧化性很小，主要用于铝、钛等活 性金属的焊接。
18
总结与练习
1、总结：本节主要知识点。
（1）：熔渣的作用。 （ 2）：焊接熔渣的分类与来源。 2、练习： （1）：熔渣的作用主要有 ,
再见
20
低氢型焊条又称碱性焊条，主要特点是不含具有造气功能的有机物而含大量碳 除低氢型焊条外的为酸性焊条，这类焊条药皮不论是以硅酸盐为主还是以钛酸 酸盐和一定数量的 CaF2 。碳酸盐在加热分解过程中形成熔渣（CaO或MgO） 并放出 CO2 气体。CaF CaF2 除了造渣作用之外，还能减少液态金属中的氢含量。 盐为主，一般不含 ，含少量碳酸盐和有机物。 ２ 17
金属与熔渣的作用
埋 弧 焊 过 程 示 意 图
第八章 液态金属与熔渣的相互作用 6
1. 机械保护作用
熔渣的比重一般轻于液态金属， 熔渣的比重一般轻于液态金属，高温下浮在液态 金属的表面，使之与空气隔离， 金属的表面，使之与空气隔离，可避免液态金属中 与空气隔离 合金元素的氧化烧损，防止气相中的氢、 合金元素的氧化烧损，防止气相中的氢、氮、氧、 硫等直接溶入，并减少液态金属的热损失。 硫等直接溶入，并减少液态金属的热损失。熔渣凝 固后形成的渣壳覆盖在焊缝上， 固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可以继续保护处在 高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。 高温下的焊缝金属免受空气的有害作用。
＋ ＋ Si4＋ + 2 [ Fe ] = 2 Fe2＋ + [ Si ]
盐型熔渣
主要由金属氟酸盐、氯酸盐和 主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物 氟酸盐 组成。 组成。如： CaF2 – NaF 、 CaF2 – BaCl2 – NaF 、 KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2- MgF2- CaF2-LiF 盐型熔渣的氧化性很小，主要用于铝 盐型熔渣的氧化性很小，主要用于铝、钛等活 性金属的焊接 的焊接。 性金属的焊接。
18
第八章 液态金属与熔渣的相互作用
三、铸造熔炼过程中的熔渣
钢铁熔炼熔渣的主要成分有 SiO2、CaO、 、 Al2O3 、FeO、MgO、MnO 等氧化物和少量 、 、 CaF2 ，其来源为： 其来源为： 生铁或废钢原材料中所含的各种合金元素,熔炼过 生铁或废钢原材料中所含的各种合金元素 熔炼过 加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、铁矾 加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、 程中由于氧化而形成的氧化物； 程中由于氧化而形成的氧化物； 粘土砖块等； 土、粘土砖块等； 作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等； 作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等； 浸蚀下来的炉衬耐火材料； 浸蚀下来的炉衬耐火材料； 原材料带入的泥沙或铁锈； 原材料带入的泥沙或铁锈； 脱氧、脱硫产物。 脱氧、脱硫产物。
焊接冶金与金属焊接性
（1）增加了熔滴相的接触面积 （2）有利于反应物和产物进入和退出反应表面
——加快反应速度。
第一章 焊接化学冶金
总之：
熔滴反应时间短，温度高，相接触面积大， 有强烈的混合作用——反应最激烈，许多冶金反 应可以达到接近终了的程度——对焊缝成分影响 最大。
熔滴主要反应：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 的合金化等。
第一章 焊接化学冶金
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： 焊条——熔滴——熔池
第一章 焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金
（一）药皮反应区
温度100oC → 焊条熔化温度（钢焊条1500oC
） 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 ，温度与成分有关。
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化。
第一章 焊接化学冶金
2、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
焊接过程 稳定性
重点研究
熔滴特性 至关重要
焊接冶金
焊缝成形
熔滴过渡的分类
MAG焊的熔滴过渡形式
Rotary arc
Pulsed arc Short arc
过渡速度高达2.5～10m/s。 经过弧柱区的时间极短，只有0.0001～0.001s。 各相接触时间平均为0.01～0.1s。
反应主要在焊条末端进行。反应进行很剧烈。
第一章 焊接化学冶金
4、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，
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。
焊接课后习题
焊接工艺及设备课后习题绪论1.与铆接相比，焊接可以节省金属材料，与粘结相比，焊接具有较高的强度。
2.根据焊接方法的焊接过程特点，可将其分为熔焊、压焊和钎焊三大类。
第一单元电弧焊基础知识综合知识模块一1.复合：电弧空间的正负带点粒子（正离子、负离子、电子）在一定条件下相遇而结合成中性粒子的过程。
2.电磁收缩力：当电流流过液体或气态导体时，电流可看成是由许多相距很近的平行同向电流线组成的，这些电流线之间将产生的相互吸引力。
3.最小电压原理：当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即固定弧长上的电压降最小。
4.电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。
5.要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件是：1. 两电极之间有带电粒子；2. 两电极之间有电场。
6.斑点力的方向与熔滴过渡方向相反，因而斑点力总是阻碍熔滴过渡的作用力。
7.电弧不稳定的原因除操作人员技术熟练程度不足外，还与焊接电源、焊条药皮或焊剂、焊接电流、磁偏吹等因素有关。
综合知识模块二1.熔滴过渡过程十分复杂，主要过渡形式有自由过渡、接触过渡和渣壁过渡三种。
2.立焊和仰焊时，促使熔滴过渡的力有表面张力、气体吹力和熔滴爆破力。
综合知识模块三1.焊缝成形缺陷包括焊缝外形尺寸不符合要求、咬边、未焊透和未熔合、焊瘤和焊穿及塌陷。
2.正确选择焊接参数和熟练掌握焊接操作技术是防止咬边的有效措施。
第二单元焊条电弧焊综合知识模块一1.焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。
2.焊条药皮不断地分解、熔化而生成气体及熔渣，保护焊条端部，电弧、熔池及附近区域，防止大气对熔化金属的有害污染。
3.焊条电弧焊可以适时调整电弧位置和运条姿势，修正焊接参数。
因此，对焊接接头的装配精度要求相对降低。
综合知识模块二1.焊接极性：用直流电弧焊电源焊接时，工件和焊条与电源输出端正、负极的接法2.额定焊接电流：在额定负载持续率条件下允许使用的最大焊接电流。
金属成型2.液态金属与熔渣的相互作用
二、熔渣的黏度
熔渣的黏度
熔渣的黏度——是指熔渣内部相对运动时内摩擦力的大 小。 黏度对保护效果、工艺性能、化学冶金有显著影响。 影响黏度的因素 ： ①温度 温度↑→黏度η↓ 。 焊条电弧焊时，按熔渣黏度随温度变化的情况分： 短渣——黏度随温度下降增加迅速，凝固温度区间较窄。 ΔT/Δη 较小，凝固时间短，适用于全位置焊 长渣——黏度随温度下降增加缓慢，凝固温度区间较宽。 ΔT/Δη 较大，凝固时间长，不适应于仰焊。 ② 熔渣的成分 一般酸性渣的黏度比碱性渣大
熔炼焊剂 —— 由一些氧化物和氟化 物组成； 非熔炼焊剂（烧结焊剂、粘结焊剂） —— 易于实现焊缝金属的合金化。
7
三、熔渣的成分和分类
熔渣的成分和分类
第一类 ： 盐型熔渣 主要有金属氟化物、氯酸盐和不含氧的化合物组成。 渣系： CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF等。 氧化性很小，用于焊接铝、钛和活性金属及合金及其高合金钢。
正、负离子的综合矩
离子 K＋ Na＋ 离子半径/nm 0.133 0.095
综合矩×102 （静库/cm）
3.61 5.05
离子 Ti4＋ Al3＋
离子半径/nm 0.068 0.050
综合矩×102 （静库/cm）
28.2 28.8
Ca2＋
Mn2＋ Fe2＋ Mg2＋
0.106
0.091 0.083 0.078
材料成形原理（焊接部分）
2 液态金属与熔渣的相互作用
1
2.1 熔渣的作用与形成
2
药皮焊条电弧焊过程
3
埋 弧 焊 过 程 示 意 图
4
一、熔渣的作用
1、机械保护作用
液态覆盖在熔滴和熔池表面，把液态金属与空气隔开，防止氧化 和氮化； 凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，防止高温的焊缝受空气的有害 作用 2、冶金处理作用 去除焊缝中的有害物质，如脱氧、脱硫、脱磷、去氢； 吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物； 添加合金元素，使焊缝金属合金化 3、 改善焊接工艺性能 加入适当的物质，使电弧易引燃，稳定燃烧，减少飞溅，使脱渣 性和焊缝成形良好
焊接原理与工艺练习题
重点复习范围焊接冶金基础和接头性能知识习题1.电弧区内对焊缝性能影响最大的气体是（）。
A.CO、CO2B.N2、O2、H2C.Ar 答：B2.焊接时不与氮发生作用－即不溶解氮形成稳定氮化物的金属是（）。
A.Cu、NiB.Fe、Mn、TiC.Si、Cr 答：A3.焊接时可与氮发生作用，既能溶解氮又可与氮形成稳定氮化物的金属是（）。
A.Fe、Mn、TiB.Cu、NiC. .Cu、Si、Cr 答：A4.氮对焊缝质量的影响主要是（）。
A.形成气孔B.促使焊缝金属时效硬化C.进步焊缝金属塑性、韧性答：A;B5.在300～700℃固态下能够吸收大量的氢并形成稳定的氢化物的金属是（）。
A.Fe、Ti、CuB.Zr、Ti、VC.Cr、Mo 答：B6.能够溶解氢，但不与氢形成稳定氢化物的金属是（）A.Fe、Ti、Cu、Cr、MoB.Zr、Ti、VC.Ta、Nb 答：A7.焊接时氢向金属中溶解的形式是通过（）和（）实现的。
A.以原子或质子形式直接从金属表面溶解；B.以OH-离子形式经熔渣层过渡；C.以分子形式溶进液态金属答：A;B8.氢脆性、白点、显微斑点及延迟裂纹等都是由于焊缝中（）的作用引起的。
A.氢B.氮C.氧答：A9.焊接时氧与金属的相互作用，主要是使金属（）。
A.氧化B.还原C.电离答：A10.某些金属（如Al、Mg等）氧化天生的氧化物，不溶于金属而以薄膜或颗粒状浮在熔池表面，因此轻易造成（）。
A.气孔B.成形不良C.夹渣答：C11.钢焊接时，氧化物夹杂的成分主要是（），其次是（）。
这些夹杂物对焊缝有很大的危害性。
A.CO2B.SiO2C.MnO 答：B;C12.焊接熔渣所含有的氧化物可与液态金属发生作用使之氧化，这种氧化的方式称为（）。
A.自由氧化B.扩散氧化C.置换氧化答：C13.通过焊接材料加进某种元素或合金，使其本身在焊接过程中被氧化，从而保护被焊金属不被氧化，或从金属氧化物中将金属还原，这一治金反映过程称为（）。
焊接熔渣及其对金属的作用
焊接熔渣
熔渣的作用、成分及分类
- 焊接熔渣在焊接过程中的作用
① 机械保护作用 保护熔滴和熔池。 ② 改善工艺性能 引弧、稳弧；减少飞溅；保证操 作性能、脱渣性和焊缝成形。 ③ 冶金处理 脱氧、脱硫、脱磷和去氢；合金化。
- 熔渣的成分和分类
① 盐型熔渣 金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。渣系： CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na2AlF6、 BaF2-MgF2-CaF2-LiF。氧化性很小，用于焊接铝、钛和其 它化学活性金属及其合金。
② 盐-氧化物型 氟化物和强金属氧化物组成。 渣系：CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2CaO-Al2O3-SiO2。氧化性较小，用于焊接合金钢。
③ 氧化物型 金属氧化物组成。渣系：MnO-SiO2、FeO-MnOSiO2、CaO-TiO2-SiO2。氧化性较弱，主要用于焊接低碳 钢和低合金钢。
活性熔渣对金属的氧化可分为两种基本形式：扩 散氧化和置换氧化 扩散氧化 FeO既溶于熔渣也溶于液态钢，在一定温度下平衡， 在两相中的浓度符合分配定律。
( FeO ) [ FeO ]
( FeO ) L [ FeO ]
温度不变，渣中FeO增加，将向焊缝中扩散。
SiO2饱和的酸性渣中： 4906 lg L 1.877 T CaO饱和的碱性渣中：
为评价盐—氧化物型和氧 化物型焊剂中硅、锰还原对金 属的氧化能力，定义焊剂的活 度： 2 ( SiO2) 0.42B1 ( MnO ) AF 100B1 试验表明，熔敷金属含氧量 随焊剂活度AF增加成直线增加。 AF>0.6 高活性焊剂 AF=0.6～0.3 活性焊剂 AF=0.3～0.1低活性焊剂
液态金属与熔渣的相互作用
液态金属与熔渣的相互作用§3.1 焊接熔渣1、焊接熔渣焊接过程中，焊(或钎)剂、药皮熔化后，经过一系列化学变化而形成的覆盖于焊(或钎)缝表面的非金属物质。
2、熔渣的作用(1) 机械保护作用焊中：防止合金元素烧损，防H、N、O、S的侵入，减少液态金属的热损失。
焊后：防高温焊缝金属氧化。
(2) 冶金处理作用a.去除金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和去氢;b. 吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物;c. 向焊缝中过渡合金。
(3) 改善成形工艺性能a.使电弧易于引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善脱渣性及焊缝成形好；b.电弧熔炼: 稳定电弧燃烧，电阻发热体，重熔并精炼金属。
(4) 不利作用a. 强氧化性熔渣使焊缝增氧b. 易残留在金属中形成夹渣。
3、熔渣的成分与分类熔渣由多种化合物构成，其性能主要取决于熔渣的成分与结构：(1) 盐型熔渣(2) 盐-氧化物型熔渣(3) 氧化物型熔渣渣系：焊接熔渣是一个多成分的复杂体系，通常将含量少，影响小的次要成分略去，简化为含量多、影响大的成分组成的渣系。
4、熔渣的来源与构成(1) SMAW的熔渣与药皮SMAW熔渣来源于焊条药皮中的造渣剂。
造渣剂是药皮中最基本的组成物，通常包括钛铁矿(TiO2·FeO)、金红石(TiO2)、大理石(CaCO3)、硅砂(SiO2)、长石、白泥和云母(SiO2·A12O3)等。
焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相，覆盖在熔滴与熔池表面。
(2) SAW、ESW熔渣与焊剂5、熔渣结构理论熔渣的物化性质及其与金属的相互作用与熔渣的内部结构有密切关系。
(1) 分子理论主要依据室温下对凝固熔渣的相分析和成分分析的结果1) 液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化合物的分子所组成。
自由化合物: 氧化物、氟化物、硫化物复合化合物: 酸性和碱性氧化物生成的盐2) 氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态CaO+SiO2 àCaO·SiO2升温: 反应向左; 降温: 反应向右3) 只有渣中自由氧化物才能与液态金属及其中的元素发生作用(FeO)+[C]=[Fe]+CO硅酸铁(FeO)2·SiO2中的FeO不能反应分子理论建立早、应用广，可简明地定性分析熔渣和金属之间的一些冶金反应。
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(2) 离子理论
基于对熔渣电化学性能的研究
Part II 焊接化学冶金
§3.1 焊接熔渣
(1) 分子理论 (1) 液态熔渣是由自由状态化合物和复合状态化 合物的分子所组成。
自由化合物: 氧化物、氟化物、硫化物 (2) 氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态 复合化合物: 酸性和碱性氧化物生成的盐 CaO+SiO2≒CaO· 2 SiO (3) 只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其 升温: 反应向左; 降温: 反应向右 中的元素发生作用 分子理论建立早、应用广，可简明地定性分 （FeO）+[C]=[Fe]+CO 析熔渣和金属之间的一些冶金反应。但无法解释 熔渣导电性等。 硅酸铁(FeO)2· 2中的FeO不能反应 SiO
式中: 各化合物的浓度以质量百分数计。 碱性渣: B>1, 酸性渣: B<1, 中性渣: B=1
Part II 焊接化学冶金
§3.2 焊接熔渣的理化性质
(2) 离子理论下的熔渣碱度
熔渣碱度: 液态熔渣中自由氧离子(或氧离子的活 度 )的浓度, 渣中自由氧离子浓度越大, 其碱度越
大。(自由氧离子——游离态的氧离子)
§3.1 焊接熔渣
4、熔渣的来源与构成
(1) SMAW的熔渣与药皮 SMAW熔渣来源于焊条药皮中的造渣剂。
造渣剂是药皮中最基本的组成物，通常包括
钛铁矿(TiO2· FeO)、金红石(TiO2)、大理石
(CaCO3)、硅砂(SiO2)、长石、白泥和云母
(SiO2· 2O3)等。 A1 焊接过程中造渣剂熔化，形成独立熔渣相， 覆盖在熔滴与熔池表面。
温度区间进行的，熔点高低取决于熔渣的组分。 (2) 熔渣的各组元独立相熔点较高，而以一定比
例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。 (3) 熔渣的熔点(或焊条熔点)与焊丝和母材的熔 点相匹配: 若熔渣的熔点过高熔渣过早凝固, 其 (4) SMAW: 一般药皮熔点要略低于焊芯金属熔 与液态金属反应不充分影响焊缝外观成形、甚 点(约低100～200℃), 适于焊接钢的熔渣熔点一 至产生气孔和夹杂;℃。由于药皮是机械混合物， 般在1150~1350 凝固温度过低焊缝开始凝 固时, 熔渣仍处于稀流状态, 使其覆盖性变差影 熔化后才能形成熔渣，所以熔渣的凝固温度必然 响对焊缝保护及外观成形(焊缝表面粗糙不平)。 要比药皮的熔点更低一些。
(3) 两种理论的熔渣碱度比较
焊接熔渣的化学成分举例
熔渣化学成分（质量分数）（%） 焊条或焊 剂类型 SiO TiO Al O FeO MnO CaO MgO Na2O K2O 2 3 2 2 钛型 23.4 37.7 10.0 6.9 11.7 3.7 0.5 2.2 2.9 碱度 CaF2 — B1 0.43 B2 -2.0 类型 氧化物型 氧化物型 酸碱性 酸性 酸性
0.76
0.88 0.60 0.60 1.86
-0.9
-0.1 -0.7 -1.3 0.9
氧化物型
氧化物型 氧化物型 氧化物型
酸性
酸性 酸性 酸性
钛铁矿型 29.2 14.0 氧化铁型 40.4 1.3
纤维素型 34.7 17.5 低氢型 24.1 7.0
盐-氧化物型 碱性
HJ430
HJ251
38.5
氧化物响大的成分组成的渣系。 弱碱金属氧化物,如MnO-SiO2、 低碳钢、低合 较强 型熔渣 FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2 金高强钢
Part II 焊接化学冶金
金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化 盐型熔 合物, 如CaF2-NaF、CaF2-RaCl2铝、钛等化学 很小 渣 渣系：焊接熔渣是一个多成分的复 NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6、BaF2活性金属 MgF2-CaF2-LiF
a i值
9.0
8.5
6.05
-6.31 -4.97 -0.2
碱性氧化物: ai>0 原因: 碱性氧化物在液态渣中产生O2-等, 如： CaO=Ca2++O2酸性氧化物: ai<0 原因:酸性氧化物消耗渣中的O2-, 如： SiO2 +2O2-=SiO44Part II 焊接化学冶金
§3.2 焊接熔渣的理化性质
Part II 焊接化学冶金
§3.1 焊接熔渣
3、熔渣的成分与分类
熔渣由多种化合物构成，其性能主要取决于 熔渣的成分与结构：
(1) 盐型熔渣
(2) 盐-氧化物型熔渣 (3) 氧化物型熔渣
Part II 焊接化学冶金
§3.1 焊接熔渣
熔渣的成分及分类，通常将含量少，影响小的 盐-氧化 氟化物和金属氧化物, 如CaF2-CaO 重要的低合金 物型熔 -Al2O3、CaF2-CaO-SiO2、CaF2 – 较小 高强钢、合金 渣 次要成分略去，简化为含量多、影 MgO-Al2O3-SiO2 钢及合金
Part II 焊接化学冶金
§3.2 焊接熔渣的理化性质
2、密度
(1) 影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运 动速度。
(2) 密度与金属接近的熔渣易滞留于金属内部形 成夹杂。 (3) 选用焊材时，首先要保证所形成的熔渣具有 合适的凝固温度范围和较低的密度。
Part II 焊接化学冶金
§3.2 焊接熔渣的理化性质
钛钙型
25.1 30.2
3.5
1.1 4.5 5.5 1.5
9.5
15.6 22.7 11.9 4.0
13.7
26.5 19.3 14.4 3.5
8.8
8.7 1.3 2.1 35.8
5.2
1.3 4.6 5.8 —
1.7
1.4 1.8 3.8 0.8
2.3
1.1 1.5 4.3 0.8
—
— — — 20.3
Part II 焊接化学冶金
§3.2 焊接熔渣的理化性质
作业练习:
测得熔渣的化学成分为：
CaO: 41.94%, CaF2:28.34%, SiO2: 23.76%, FeO: 5.78%, TiO2: 7.23%, Al2O3: 3.57%, MnO: 3.74%, (Na2O+K2O): 4.25%， 计算熔渣的碱度B1，并判断该渣的酸碱性。
材料成型基础
Part II
焊接化学冶金
Part II 焊接化学冶金
液态金属与熔渣的相互作用
1、焊接熔渣 2、熔渣的物理性质 3、活性熔渣对金属的氧化
Part II 焊接化学冶金
§3.1 焊接熔渣
1、焊接熔渣
焊接过程中，焊(或钎)剂、药皮熔化后，经 过一系列化学变化而形成的覆盖于焊(或钎)缝表 面的非金属物质。
熔渣碱度: 熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓 度的比值。 碱性氧化物的摩尔分数 计算公式: B 酸性氧化物的摩尔分数 碱度计算:
碱性渣: B>1 酸性渣: B<1 中性渣: B=1
计算结果不准确: 既没有考虑到 各氧化物酸、碱性强弱程度的
差别, 也没有考虑酸性和碱性氧 化物形成中性复合物的情况。
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§3.2 焊接熔渣的理化性质
(1) 分子理论下的熔渣碱度
氧化物的酸性(或碱性)由强至弱: 酸性氧化物: SiO2、TiO2、P2O5等 碱性氧化物: K2O、Na2O、CaO、MgO、
BaO、MnO、FeO等 修正的碱度计算公式:
B1 0.018 CaO 0.015 MgO 0.006 CaF2 0.014 (K 2 O Na 2 O) 0.007 (MnO FeO) 0.017 SiO 2 0.005 (Al2 O3 TiO 2 ZrO2 )
Part II 焊接化学冶金
§3.1 焊接熔渣
(2) 离子理论
(1) 液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性 溶液 (2) 离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决
包括简单正离子、简单负离子以及复杂负离子 于其综合矩: 离子电荷/离子半径 (3) 液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原 1) 离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与 子与离子交换电荷的过程 异号离子的引力越大。 熔渣的离子理论对许多现象的解释比分子理 如硅还原和铁氧化的过程是金属中铁原子和 2) 离子间的作用力还影响离子在熔渣中的分布 论更合理, 但由于目前它还没有一个完整的模型, 渣中硅离子在两相界面上交换电荷的过程: 熔渣不是完全均匀的离子溶液，而是微观不均匀 又缺乏系统的热力学资料, 故在化学冶金中还广泛 离子理论: Si4++2[Fe]=2Fe2++[Si] 的溶液。 (SiO )+2[Fe]=2(FeO)+[Si] 应用分子理论。 分子理论:
2、熔渣的作用
(1) 机械保护作用 (2) 冶金处理作用 (3) 改善成形工艺性能作用 (4) 不利作用
Part II 焊接化学冶金
§3.1 焊接熔渣
(1) 机械保护作用
焊中：防合金元素烧损，防H、N、O、S的侵 (2) 冶金处理作用 入，减少液态金属的热损失。
a.金属中的有害杂质，如脱氧、脱硫、脱磷和 焊后：防高温焊缝金属氧化。 (3) 改善成形工艺性能 去氢; a.电弧易于引燃、稳定燃烧、减少飞溅，改善 b. 吸附或溶解液态金属中非金属夹杂物; (4) 不利作用 脱渣性及焊缝成形好； c. 向焊缝中过渡合金。 a. 强氧化性熔渣使焊缝增氧 b.电弧熔炼: 稳定电弧燃烧，电阻发热体，重熔 b. 易残留在金属中形成夹渣。 并精炼金属。
焊 剂
粘结焊剂 非熔炼焊剂
烧结焊剂
易于实 现焊缝 金属的 合金化
用于堆焊 和焊接高 强钢、不 锈钢。
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§3.1 焊接熔渣
5、熔渣结构理论
熔渣的物化性质及其与金属的相互作用与 熔渣的内部结构有密切关系。 液态熔渣的结构理论: (1) 分子理论 主要依据室温下对凝固熔渣的相分析和成 分分析的结果