焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金
一、焊条熔化及熔池的形成
（一）焊条的加热及熔化
1、焊条的加热 电阻热： 1) 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻 热。 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。 2) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。 化学反应热： 3) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应 时产生的热量。 时产生的热量。
第一章 焊接化学冶金
第一章 焊接化学冶金
20
（二）熔滴过渡特性的影响 ①焊接电流I的变化 I ↑ t 滴 ↓ 冶金反应不充分 ②焊接电压V的变化 U ↑ 弧长↑t ↑ 冶金反应 滴 充分
第一章 焊接化学冶金
21
五、焊接化学冶金系统及其不平衡性
• 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统 • 焊接区的不等温条件排除了焊接冶金系统平衡的可 能性 • 焊接化学冶金系统的不平衡性包含：成分不均匀、 焊接化学冶金系统的不平衡性包含：成分不均匀、 温度不相同、反应条件的不相同。 温度不相同、反应条件的不相同。 • 不能直接用热力学平衡的计算方法来定量的分析焊 接化学冶金问题， 接化学冶金问题，但做定性分析是有一定科学依据 的。
第一章 焊接化学冶金
本节结束
22
第二节 气相与金属的作用
一、焊接区内的气体
（一）气体的来源和产生 来源： 来源：1.焊接材料
2.气体介质 3.焊丝和母材表面上的油锈等杂质。 4.金属和熔渣的蒸发产生的气体
CO 成分： 、 CO 2 、 H 成分： 金属及熔渣蒸气
2
、 H 2 O 、 O 2、 N
2
第一章 焊接化学冶金
34
２.氢在焊缝中分布 氢在焊缝中分布
（1）氢沿长度方向的分布基本均匀 但裂口处含氢量较高。 （2）氢沿焊接接头横断面的分布 （3）母材与焊缝的匹配
第一章 焊接化学冶金
●熔池温度分布极不均匀，因此在熔池的前部和后部反应可以同时 向相反的方向进行。
●熔池中的强烈运动，有助于加快反应速度，并为气体和非金属夹 杂物的外逸创造了有利条件。
三 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： ◆手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔
池反应区。 ◆熔化极气体保护焊：只有熔滴和熔池反应区。 ◆不填充金属的气焊、钨极氩弧焊和电子束焊接只有一个熔池
反应区。
图1-8 焊接化学冶金反应区 Ⅰ-药皮反应区 Ⅱ-熔滴反应区 Ⅲ-熔滴反应区，
焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。 热源周围的气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而
焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空 气。 焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、 油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进 入气相中。
(二)气体的产生
6Fe2O3＝4Fe3O4＋O2； 2Fe2O3＝6FeO＋O2 4Mn2O3＝2Mn3O4＋O2；6Mn2O3＝4Mn3O4＋O2
第一章 焊接化学冶金
主要内容
焊接化学冶金过程的特点 气相对金属的作用 熔渣对金属的作用 合金的过渡
第一节 焊接化学冶金过程的特点
焊条熔化→形成熔滴→过渡→形成熔池 焊接保护 化学冶金反应区 熔合比
本节概念性的内容较多，通过对本节的理解， 加以记忆
一 焊条熔化及熔池形成
(一)焊条的加热及熔化 1 焊条的加热 电弧焊时用于加热和熔化焊条(或焊丝)的热能有： 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生电阻热，使其本身和药皮的温
第二章 焊接化学冶金反应1
（Zn=907℃）
（ CO2 在 熔 滴 反 应阶段的氧化程 度大于熔池）
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
素在焊缝金属中的原始浓度（Co）与熔合化（θ） 间的关系。 Co =θCb+(1-θ)Ce Cb—该元素在母材中的浓度 Ce—该元素在焊条中的浓度 实际上，焊条中 Me 在焊接过程中是有损失的（飞溅） ，而母 材中的 Me 几乎全部过渡到焊缝中，因此焊缝金属中 Me 的实际浓 度 Cw =θCb+(1-θ)Cd Cd-熔敷金属中元素的实际浓度 多层焊时：Cn=θCb+(Cd-Cb)θn Cn—第几层堆焊中 Me 的浓度 （2）熔合比的取决因素： 焊接方法、规范、接头形式及尺寸、坡口的型式、角度， 母材的性质，焊村的种类，焊丝（条）的倾角。 2、熔滴过渡特性的影响（熔滴反应区） 熔滴过渡特性主要取决于焊接规范。 （1）Ih↑—熔滴过渡频率↑—反应时间↓—反应程度↓ （2）U 弧↑—熔滴的反应阶段时间↑—反应程度↑ 以上讨论可以看出，母材一定的条件，影响焊缝成份的因 素：一是焊接材料，二是焊接工艺规程。 四、焊接化学冶金系统的不平衡性 焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统 1、焊接方法不同，组成系统的相不同 SAW、SMAW：三相：液态金属，熔渣、气相 气体保护焊：二相：气相、液态金属 电渣焊：二相：渣相、液态金属 2、焊接区的不等温条件导致化学冶金的不平衡
2
徐 州 工 程 学 院 教 案 纸
过渡速度 v=2.5～10m/s （4）熔滴和熔渣发生强烈的混合 d=2-3mm 2、物化反应： （1）金属的蒸发，黄铜 cu-Zn 防止 Zn 蒸发和 Zn 中毒 （2）气体的分解和溶解 (H2O)气、CO、CO2、H2、N2 （3）金属及其合金的氧化和还原 [Fe]+CO2→FeO+CO 气体对金属的氧化 (SiO2)+Fe→FeO+Si 液态熔滴对金属的氧化的氧化 MnO+Fe→FeO+Mn （4）焊缝金属的合金化 （三）熔池反应区： 1、熔池反应区的物理条件 （1）熔池的平均温度低 1600-1900℃ （2）比表面积小 3-130cm2/kg （3）熔池的持续时间长（反应时间长）SMAW:3-8S SAW:6-25S （4）温度分布不均匀 熔池的头部：金属的熔化，气体的吸收-有利于吸热反应 熔池的尾部：金属的凝固，气体的逸出-有利于放热反应 2、熔池反应区的化学条件 （1）熔池中反应物的浓度与平衡浓度之比比熔滴区小-----反 应速度慢。 （2）药皮重要系数 kb 大时，与熔池作用的熔渣比熔滴多--反应充分。 （3）熔池反应区的物质是不断更新的---更新可达到稳定，从 而得到均匀的焊缝成份。 总之，焊接化学冶金反应过程是分区进行的（连续进行的） 。 在熔滴阶段进行的反应多数在熔池反应阶段将继续进行，但也有 停止甚至于改变方向的，其综合结果决定了焊缝的最终成份。 ※在焊材、母材一定的条件下，要得到高质量的焊缝，就必 须从焊接工艺控制焊接化冶金反应。 三、焊接工艺与化学冶金反应的关系 改变焊接工艺条件（方法、规范）必然引起冶金条件的变化 （反应物的数量、种类、温度、反应时间等） ，也就影响到冶金 反应的过程。 1、熔合比的影响：对焊缝金属的成份有很大的影响 （1）熔合比：在焊缝金属中局部熔化母材所占的比例 假设合金元素 Me 在焊接过程中无损失时，某元
焊接(第2章)
真空
真空电子束焊接
自保护
用含有脱氧、脱氧剂的“自保护 ‘焊丝进行焊接
注意：要获得与母材性能相同的焊缝金属，不要求二者的化学成分完全一样。
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第2章 焊接化学冶金过程
3）机械保护作用
•焊条药皮、药芯焊丝一般由造气剂、造渣剂、铁合 金等组成。这些物质熔化后形成熔渣覆盖在液体金属 表面，将金属与空气隔离，防止金属中有益元素的烧 损和有害元素的侵入。
4）飞溅率Ψ
aH = mH /It
Ψ = (m- mH )/m = 1- aH /ap
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第2章 焊接化学冶金过程
3 焊条金属的过渡特性
1）熔滴过渡参数
•焊条金属熔化后，只有一小部分（<10％）的蒸发损失， 而90％的是以滴状过渡到熔池中。
• 熔滴过渡的速度和熔滴的尺寸影响焊接过程的稳定性、 飞溅程度、焊缝的成形好坏。
因此，焊接的金属与气体的作用可归结为 氢、氮、氧的作用。
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第2章 焊接化学冶金过程
二 氢对熔池金属的作用 1.氢在金属中的熔解
2.氢的扩散 3.氢对焊接质量的影 ( 1）氢脆性：
（2）白点：
（3）气孔： （4）冷裂纹：
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第2章 焊接化学冶金过程
4 控制氢的措施 （1）限制焊接材料中氢的来源：焊接材料中 的有机物和各形式的水分是焊缝中氢的主要来 源。 （2）清除焊件和焊丝表面的杂质： （3）冶金处理： （4）控制焊接参数： （5）焊后脱氢处理：
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第2章 焊接化学冶金过程
三 熔渣的碱度 1 定义
碱度是表征熔渣碱性强弱的一个量。 2 氧化物分类
•酸性氧化物：
SiO2，TiO2，P2O5，V2O5(由强至弱)
焊接化学冶金知识概述
焊接化学冶金知识概述1. 焊接的定义焊接是一种通过加热和熔化填充材料来连接金属或非金属的工艺。
焊接常用于工业制造、建筑结构、航空航天和汽车等领域。
2. 焊接的基本原理焊接的基本原理是利用热能将工件加热到熔点或熔化状态，然后通过填充材料或者使工件之间发生扩散、合金化等方式实现连接。
3. 焊接的分类3.1 按焊接方式分类•熔化焊：包括气体焊、电弧焊、激光焊等。
•压力焊：如冷压焊和高频电磁铁焊等。
•固态焊接：如超声波焊接、摩擦焊接等。
3.2 按焊接材料分类•金属焊接：主要包括钢铁焊接、铝及其合金焊接等。
•非金属焊接：如塑料焊接、陶瓷焊接等。
4. 焊接过程中的化学反应焊接过程中常涉及几种重要的化学反应，包括氧化反应、还原反应和合金化反应。
4.1 氧化反应在焊接过程中，工件与氧气接触会导致氧化反应的发生。
氧化反应会产生氧化物，降低焊接接头的质量和强度。
因此，焊接过程中需要采取控制氧气的措施，如铜嘴焊接时采用保护气体。
4.2 还原反应焊接过程中，一些还原剂可以用来减少氧化反应，并将金属离子还原为金属形态。
常用的还原剂包括草酸、亚硫酸盐等。
这些还原剂可以在焊接过程中加入填充材料或采用保护气体形式。
4.3 合金化反应合金化反应是指在焊接过程中，工件之间发生化学反应，形成新的金属合金。
这种合金化反应可以增强焊接接头的强度和耐腐蚀性能。
5. 焊接中的冶金知识焊接冶金是焊接中重要的一部分，它涉及到金属的物理性质、热力学和组织变化等方面。
5.1 金属物理性质焊接过程中，金属的物理性质如导热性、熔点、膨胀系数等都会对焊接产生影响。
了解金属的物理性质有助于选择适合的焊接方法和工艺参数。
5.2 金属热力学热力学是研究能量转化和系统平衡的科学。
在焊接过程中，热力学的知识可以用来预测金属的相变行为、溶解度等。
这对于选择合适的焊接材料和研究焊接接头的稳定性非常重要。
5.3 组织变化焊接过程中，金属的组织会发生变化，这对焊接接头的性能有巨大影响。
3焊接化学冶金及焊缝金属的合金化
三、焊接化学冶金反应区
焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的，以手工电弧焊为例， 有三个反应区:药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。
（一）药皮反应区（100℃至药皮的熔点1200℃） 1) 水分的蒸发
>100℃，吸附水全部蒸发； >200~400℃，结晶水被排除； 更高的温度，化合水。
2) 某些物质的分解
(二) 焊缝金属中的氢及其扩散
在钢焊缝中，氢大部分是以H、H+或H-形式存在的，它们与焊缝金属形成 间隙固溶体。由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢可以在焊缝金 属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢。
（3）氢对金属的作用
主要来源：焊接材料中的水分、含氢物质及电弧周围空气中的水蒸气等。 (一) 氢在金属中的溶解 根据氢与金属作用的特点可把金属分为两类： 第一类是能形成稳定氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。这类金属吸
收氢的反应是放热反应，因此在较低温度下吸氢量大，在高温时吸氢量 少。焊接这类金属及合金时，必须防止在固态下吸收大量的氢，否则将 严重影响接头质量。 第二类是不形成稳定氢化物的金属，如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。但氢 能够溶于这类金属及其合金中，溶解反应是吸热反应。
1）与熔滴相比，熔池的平均温度较低,1600~1900℃; 2）比表面积较小，约为3~130cm2/kg; 3）反应时间稍长些，但也不超过几十秒; 4）温度分布极不均匀，熔池中有一定的强烈运动。
熔池前部发生金属熔化和气体吸收，并有利于发展吸热反应； 熔池后部发生金属凝固和气体逸出，并有利于发展放热反应。
熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小，并且在整个反应过程中的贡献也 较小。合金元素在熔池阶段被氧化的程度比熔滴阶段小就证明了这一 点。但是在某些情况下，熔池中的反应也有相当大的贡献。
焊接
第一章焊接化学冶金名词解释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间的结合而形成永久性连接工艺过程(p1)2.扩散氢：由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称之为扩散氢（p40)3.残余氢：还有一部分氢聚集到陷阱（金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙）中，结合为氢分子，因其半径大，不能自由扩散，故称之为残余氢4.合金过渡：就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程（p68）5.合金过渡系数：合金元素的过渡系数等于它在熔敷金属中的试剂含量与它的原始之比填空1熔滴过度的形式：短路过渡，颗粒状过渡和附壁过渡(p17)2手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区，熔滴反应区和熔池反应区(p24)3氢分为2种：扩散氢，残余氢（p40)4氧对金属的作用？（p46-50)5焊渣的分类：a盐型熔渣；b盐—氧化物型熔渣；c氧化物型熔渣；6活性熔渣对焊缝金属的氧化可分为两种基本形式：扩散氧化和置换氧化看图：1-8熔合比：在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例(p27)焊接区内的气体：H2 O2 N2 H2 （氧，氮，水气)简答：1.（课后）氢对焊接质量的影响及控制措施？影响：1.氢脆，2.白点3.形成气孔4.产生冷裂纹(p41)控制措施：a 限制焊接材料中的含氢量；b 清除焊丝和焊件表面上的杂质；c 冶金处理；d 控制焊接工艺参数；e 焊后脱氢处理；2熔渣的作用？A 机械保护作用：焊接时形成的熔渣覆盖在熔滴和熔池的表面上，把液态金属与空气隔开，防止液态金属的氧化和氮化。
熔渣凝固后形成的渣壳覆盖在焊缝上，可防治处于高温的焊缝金属受空气的有害作用。
B改善焊接工艺性能的作用：良好的焊接工艺性能是保证焊接化学冶金过程顺利进行的前提。
在熔渣中加入适当的物质可使电弧容易引燃，稳定燃烧，减少飞溅，保证具体良好的操作性，脱渣性和焊缝成形等。
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
焊接化学冶金过程
焊接化学冶金过程焊接是一种非常重要的化学冶金过程，它通过热加工将两个或多个同种或不同种材料连接在一起。
焊接的化学冶金过程涉及到材料的物理和化学性质的改变，以及高温下材料的相互作用。
以下是焊接化学冶金过程的详细介绍。
首先，焊接的化学冶金过程涉及到焊接材料的选择。
焊接材料通常包括焊丝、焊条和填充金属。
这些材料需要具备与被焊接材料相似的化学成分和物理性质，以确保焊接接头的质量和性能。
此外，焊接材料还要具备适当的熔点和流动性，以便在焊接过程中形成完整的焊缝。
其次，焊接过程中发生的化学变化是焊接化学冶金过程的关键。
当焊接材料受到热源的加热时，它会达到熔化温度并迅速融化。
同时，被焊接材料也会被加热到高温，使其表面的氧化物和其他杂质被除去。
当焊接材料与被焊接材料相遇时，它们会迅速混合并形成液态熔池。
在液态熔池中，焊接材料会与被焊接材料发生扩散反应，使它们互相溶解和合金化。
这种扩散反应导致焊缝中形成固溶体和共晶物质，从而使焊接接头在化学组成上均匀一致。
此外，焊接过程中还可能发生气体反应和氧化反应。
在焊接过程中，电弧和熔化金属会产生大量的热量和高温。
这些高温条件下，焊接接头中可能存在的氧和其他气体会被还原为金属氧化物和气体，从而形成氧化渣和气孔。
为了防止这些不良反应的发生，焊接过程中通常会通过气体保护和熔化金属的熔滴覆盖来控制气体的进入，以及通过使用氩气等惰性气体来保护焊接接头的氧化。
最后，焊接过程中的冷却过程也是焊接化学冶金过程的一部分。
当焊接完成后，焊缝会迅速冷却并固化，形成坚固的连接。
在冷却过程中，焊接接头中的金属会经历固相变化，从液态逐渐转变为固态。
这种相变过程会导致晶粒的生长和定向排列，从而影响焊接接头的机械性能。
因此，在焊接冷却过程中需要进行正确的冷却控制，以确保焊接接头具备良好的力学性能和组织结构。
总之，焊接是一种重要的化学冶金过程，它通过热加工将两个或多个材料连接在一起。
焊接过程涉及到焊接材料的选择、熔化和混合、气体和氧化反应的控制，以及焊接接头的冷却和固化过程。
焊接化学冶金过程
焊接化学冶金过程嘿，咱今儿就来唠唠焊接化学冶金过程。
你说这焊接，就好像是一场奇妙的化学反应大冒险！想象一下，那焊接的地方就像是一个小小的舞台，各种元素和物质在这儿粉墨登场，开始它们的表演。
金属材料就像是主角，而其他的比如焊条、焊丝啥的，那就是配角啦。
当焊接开始，就像是一场热闹的派对开场。
热量来了，温度升高，一切都变得活跃起来。
金属开始熔化，就像冰淇淋在太阳下慢慢变软、流淌。
这时候，那些配角们也开始发挥作用啦，它们带来了各种不同的化学成分，和熔化的金属一起，开始了奇妙的融合。
这不就跟咱做饭似的嘛，各种食材放在一起，经过烹饪，就变成了美味的菜肴。
焊接化学冶金过程也是这样，不同的成分相互作用，产生出全新的物质和性能。
比如说，焊接过程中会发生一系列的化学反应，就像变魔术一样，产生出一些新的化合物。
这些化合物有的能让焊接部位更坚固，有的能提高它的耐腐蚀性。
而且啊，这焊接化学冶金过程还得注意火候呢！火候不够，那可不行，焊接不牢固；火候太过，又可能会破坏材料的性能。
这就跟咱炒菜一样，火大了菜就糊了，火小了又炒不熟。
还有啊，不同的焊接方法，就像是不同的烹饪方式，会带来不同的效果。
气焊就像是小火慢炖，慢悠悠的但很精细；电焊呢，就像是大火爆炒，速度快但也得掌握好力度。
在这个过程中，我们可得像个细心的大厨一样，时刻关注着每一个细节。
温度啦、化学成分啦、焊接速度啦，都得把握得恰到好处。
不然，这焊接出来的东西可就不达标啦。
总之呢，焊接化学冶金过程那可真是充满了神奇和奥秘。
它让金属材料变得更强大，让我们的生活变得更美好。
下次你再看到那些焊接的地方，可别小瞧了它们，那里面可是有着一场精彩的化学大戏在不断上演呢！这焊接化学冶金过程，不就是科技和工艺的完美结合吗？它让不可能变成可能，让普通变得非凡，难道不是很了不起吗？。
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。
焊接冶金基础
氢在焊接冶金中的行为及其控制
氢对金属的影响
氢脆 气孔 裂纹
控制氢的措施
限制焊接材料及母材中的含氢量 冶金处理：通过调整焊接材料的成分，使氢在焊接过 程中，生成比较稳定的、不溶于液态金属的氢化物， 如HF。 焊后脱氢处理：消氢处理。
（焊缝中氮、硫及磷同样需要控制）
2.1.4焊缝金属的合金化
一、合金化方式
141 136 131 135
139 3 28,5 0,107 0,16 1,29 0,015 0,006 155 157 150
140 140 159 147
2.1.4焊缝金属的合金化
二、合金元素的过渡系数
过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含 量与它在焊接材料中的原始含量之比。 影响因素
合金元素的物理化学性质 合金元素的含量 合金剂的粒度 药皮、药芯或焊剂的氧化势（放氧量）
– 减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免 合金元素烧损，降低焊缝的性能。
保护方法
–真空：电子束焊 –气体：TIG焊, CO2, MIG –熔渣：埋弧焊 –气-渣：手工焊、自保护药芯焊
焊接材料熔敷金属成分性能变化
低碳钢焊材熔敷金属成分及性能变化
2.1.1焊接化学冶金的特殊性 2、焊接冶金反应区及其反应条件 （1）药皮反应区
2.1.4焊缝金属的合金化
四、焊缝金属化学成分的控制
焊缝金属化学成分的控制
改变熔合比 熔渣有效作用系数
焊缝金属成分的预测
数学模型 计算机
2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织 2.2.1焊接熔池凝固过程的特点
焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别
焊接熔池体积小，冷却速度高；
平均100 ℃ /s，约为铸造的104。
熔焊原理-焊接化学冶金过程的特点
1.1 焊接化学冶金过程的特点
影响熔滴过渡形式、尺寸及频率的因素
• 药皮类型
• 焊芯直径 • 焊接电流
碱性焊条主要是短路过渡和大颗粒状过渡； 酸性焊条主要是细颗粒状过渡和附壁过渡。 直径减小，熔滴变细 电流增大，熔滴变细，过渡频率↑
1.1 焊接化学冶金过程的特点
熔滴的比表面积和相互作用时间：
熔滴的比表面积S：熔滴的表面积与其质量之比。
熔L焊O原G理O
1.1 焊接化学冶金过程的特点
1.1 焊接化学冶金过程的特点
焊接化学冶金过程
在熔焊过程中，焊接区内各种物质（包括气体、 液态金属、熔渣）之间在高温下相互作用的过程。
普通化学冶金过程
焊接化学冶金过程
对金属熔炼加工过程，在放入特 金属在焊接条件下，再熔炼的
定的炉中进行。
过程，焊接时焊缝相当高炉。
可知，R↓,S↑，有利于冶金反应进行。 如增大焊接电流↑I，在药皮中加入表面活性物质等。
熔滴的平均作用时间：与熔滴存在的时间τ和比值mo/mtr有关，一般近似表示，0.01~1s。
熔滴的温度：手工电弧焊焊接低碳钢焊条：2100~2700K，熔渣平均温度：1600ºC
1.1 焊接化学冶金过程的特点
熔池的形成
熔池的形状和尺寸
熔池
焊条
母材
焊缝
熔池:母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一 定几何形状的液体金属。
形状:为半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。熔池的宽度和深度沿X
轴连续变化，一般地，I↑，Bmax↓，Hmax ↑；U ↑，Bmax ↑，Hmax ↓
尺寸：L=P2IU 其中，P2为比例系数，取决于焊接点：
原材料：矿石、焦炭、废钢铁等。原材料：焊条、焊丝、焊剂等。
焊接冶金与焊接性
一、焊接化学冶金A绪论1、焊接化学冶金：即液态金属、熔渣和气相之间在高温下发生的复杂冶金反应。
2、焊接化学冶金直接影响焊缝的成分、组织和性能。
3、热力学角度阐明：主要涉及气相的溶解、金属的氧化和焊缝的脱氧、脱硫、脱磷、除氢以及焊缝金属的合金化4、焊缝区金属保护：气体保护、熔渣保护、渣-气联合保护、真空保护以及自保护。
5、焊接化学冶金反应区：药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区5.1药皮反应区：水分的蒸发、某些物质的分解（纤维素、木粉、淀粉、CaCO3、MgCO3、Fe2O3、MnO2）、铁合金的氧化（降低气相的氧化性，实现先期脱氧）5.2熔滴反应区：反应温度高（平均达1800℃~2400℃）、相的接触面积大、反应时间短、相的混合强烈（熔滴形成长大及过渡收到多种力）。
5.3熔池反应区：反应速度低（温度1600℃~1900℃、比表面积小、熔池存在时间长）、反应不同步（熔池前部金属熔化、气体的吸收和氧化反应，熔池后部金属凝固、气体逸出和脱氧反应）、具有一定的搅动作用。
B焊接区内气体与金属作用6、气体的种类：N2、H2、O2、H2O、CO2金属蒸气、熔渣蒸气以及他们分解和电离的产物。
对焊接质量有重要影响的是N2、H2、O2、H2O和CO2。
7、气体的物质来源：焊接材料（焊条药皮、焊剂、药芯中的造气剂、高价氧化物和水分）、母材（油污、铁锈、氧化皮及吸附水）、环境气氛(周围空气及所含水蒸气、被焊金属及其合金的蒸发产物)。
8、气体的供给途径：有机物的分解和燃烧、碳酸盐和高价氧化物的分解、物质的蒸发及冶金反应、直接输入或侵入。
9、气相的组分:与焊接方法、焊接材料和焊接规范有关。
低氢型：气相中含H2和H20很少，焊缝含氢量低。
埋弧焊：气相中含CO2和H2O很少，气相氧化性很小。
焊条电弧焊：含CO2和H2O总量较多，使气相氧化性相对增大。
10、气体与金属的作用表现两种类型：气体在金属中的溶解和气体与金属的化学反应。
10.1气体在金属中的溶解：10.11溶解反应热力学：双原子气体在金属中的溶解机理可分为两步：首先是气体分子被金属表面所吸附并分解为原子，然后是原子穿过金属表面层向金属深处溶解10.12氮在金属中的溶解:氮的主要来源是焊接区周围的空气。
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焊接化学冶金
第一节焊接化学冶金过程特点
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。
普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放牧特定的炉中进行。
焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。
二者共同点：金属冶炼加工。
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。
一、焊条熔化及熔池的形成
（一）焊条的加热及熔化
1、焊条的加热
所用热能有电阻热、电弧热、化学反应热。
电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。
电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。
化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。
1）电阻加热
手工电弧焊，小电流时电阻热不是主要的；大电流时电阻热是主要的，过大，造成危害。
一是焊条药皮脱落、开裂；二是化学元素损失，冶金性能变化；三是熔化过分激烈，飞溅严重；四是焊缝成型来好，易产生缺陷。
自动焊、半自动焊时，适当增加电流密度和焊丝伸出长度，提高熔化速度。
2）电弧热
真正用于使焊条加热和熔化的热能。
焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率为
qe=ηe UI
ηe—焊条加热有效系数，取决于焊接规范，电流极性、焊条药皮成分、金属过渡形式。
手工电弧焊时ηe为0.2—0.27
2、焊条金属的熔化速度
焊条金属的平均熔化速度
g M=G/t =αp I
αp为焊条熔化系数
焊条金属的平均熔敷速度
g D=G D/t=αH I
αH为焊条的平均熔敷速度，体现了生产率的大小。
损失系数
Ψ=(G-G D)/G=(g M-g D)/g D=1-αH/αP
αH=(1-Ψ) αP
3、焊条金属熔滴及过渡特性
1）熔熵过渡形式
短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡、射流过渡、旋转射流过渡。
碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。
2）熔滴的比表面积和作用时间
熔滴的比表面积S：熔熵的表面积与其质量之比。
S=Ag/ρVg=4ДR2/(4/3ДR3ρ)=3/Rρ
熔滴的比表面积是相当大的，S=1000—10000Cm3/kg
I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。
熔滴的平均作用时间是指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯的平均熔化速度之比。
τcp=m cp/g cp=(m0+0.5m tr)/m tr/τ=(m0/m tr+0.5) τ
τcp=0.01—1.0s
3）熔滴的温度
实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度：1600C0
（二）熔池的形成
1、熔池的形状和尺寸
熔池为半椭球，几何尺寸为
L=P2IU 其中，P2是比例系数，取决于焊接方法和规范。
I是焊接电流，U是焊接电压，上式适用于点状热源。
B，H分别是熔池宽度和熔池深度。
I↑，H↑，B↓；U↑，H↓，B↑。
熔池平均表面积Fg,一般为1—4Cm2,
熔池的比表面积S= Fg/ρG p
2、熔池质量和存在时间
t max=L/v
t cp=G p/ρvA w A W焊缝的横截面积。
3、熔池温度
熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。
4、熔池运动状态
运动原因：
1）液态金属密度差引起自由对流运动
ρ=f（T），T高，ρ小，T低，ρ大，促使金属由低温
区向高温区运动。
2）表面张力差强迫对流运动
F,
,
f
,
(F,表面张力差将强迫液态金属发
),
T
F
↓
↑
↓
↑
T
=F
T
生对流。
2）熔池中各种机械力搅拌
如电弧吹力、电磁力、重力等。
5、对焊接质量的影响
熔池运动使母材与焊缝成分加以混合，成分均匀化；利于气体、夹杂外逸，加速冶金反应，提高焊接质量。
二、焊接过程中对熔融金属的保护
以低碳钢为例光焊丝在空气中无保护下焊接，其结果是：电弧不稳，飞溅严重，气孔多，工艺性能不好；
（1）焊缝含[0]、[N]量过高；
（2）[Mn]、[C]量下降，焊接时合金元素烧损严重；（3）机械性能下降。
保护方式：
1、气渣联合保护
2、渣保护
3、气保护
4、真空保护
5、自保护
三、焊接化学冶金反应区及反应条件
焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。
以手工电弧焊为例，加以讨论。
1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。
1）水分蒸发
T 100C0，吸附水蒸发。
2）某些物质分解
T在200--250℃时，有机物分解；
300--400℃时，结晶水及化合水分解。
结晶水：有金属键的联系。
化合水指不是以单一水分子形式存在。
白泥：
Al2Si2O5(OH)4
2MnO2=MnO+O2
2Fe2O3=4FeO+O2 (赤铁矿)
2、熔滴反应区
指熔滴形成、长大脱离焊条过渡到熔池之前。
特点：
1）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℃
2）与气体、熔渣的接触面积大
比表面积大F比=1000—10000cm2/Kg
比炼钢时大1000倍，弧柱空间的熔滴尺寸最小直径0.01- 3)时间短、速度快
在焊条端停留时间：0.001-0.1S
穿过弧柱时间：10-4—10-3S
４）熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌混合。
主要冶金反应：金属蒸发；气体的分解和溶解；氧化－还原；掺合金。
３熔池反应区
1）熔池温度度1600～1900℃
2) 接触面积小F比=3—130Cm2/Kg
3) 时间长手工焊时为3-8S 埋弧焊6-25S
4)搅拌没有熔滴阶段激烈
5)熔池温度不均匀
(SiO2)+2[Fe]=[Si]+2FeO
lgK Si=(FeO)2[Si]/(SiO2) =-13460/T+6.04
(MnO)+[Fe]=[Mn]+ FeO
lgK Mn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.16
A F=[SiO2]+042B12(MnO)]/100B1
Fe2O3+Mn=MnO+2FeO
CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO
[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)
K=a MnO/a Mn.a FeO=γMnO.(MnO)/a MnO.a FeO。