焊接化学冶金

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