第五章金属熔化过程

河北省技工学校表5—1教师课时授课计划学校：唐山劳动技师学院授课序号第五章金属熔化焊过程焊接冶金过程：加热--------熔化--------冶金反应--------结晶--------固态相变---------形成接头三阶段：1）焊条或焊丝及母材的熔化2）化学冶金反应3）焊缝金属的结晶和相变§5—1 焊条、焊丝及母材的熔化一. 焊接热源：能量集中，温度足够高的的局部加热热源热源产热一部分用来加热和熔化焊条，焊丝及母材，另一部分热量损失于周围介质和飞溅等。

二焊条，焊丝的加热及熔化主要热量：电弧热和电阻热1.电阻加热1）公式Q=I2RT 电阻热的大小取决于焊条或焊丝伸出长度、电流强度、焊条或焊丝金属的电阻率和直径。

2）电阻热过大的影响：焊条在熔化前发红，失去冶金和保护作用。

3）采取措施：①限制焊条或焊丝伸出长度②限制焊接电流：不锈钢焊条比同直径碳钢焊条电流小20%2.电弧加热：熔化焊条和焊丝的主要热量。

三、焊条，焊丝金属向母材的过渡1．熔滴过渡：电弧焊时，焊条或焊丝端部在电弧高温作用下熔化成液态金属滴，通过电弧空间不断向熔池中过渡的过程2．熔滴过渡的影响：焊接过程的稳定、焊缝的成形、飞溅及焊接接头的质量3．熔滴过渡形式：滴状过渡、短路过渡、喷射过渡1）滴状过渡：粗滴过渡：大颗粒自由过渡飞溅大不稳定例如：碱性焊条细滴过渡：小颗粒飞溅较小较稳定例如：酸性焊条2）短路过渡：熔滴与熔池接触过程稳定飞溅较小成型较好大电流的碱性焊条例如：细丝CO23）喷射过渡：小颗粒喷射状态，飞溅小过程稳定成型美观例如：熔化极氩弧焊4．影响熔滴过渡的力：重力、表面张力、电磁力、极点压力、气体吹力1）重力：方向：竖直向下作用：平焊-------促进力立横仰----阻碍力2）表面张力：表面积收缩到最小的趋势作用：平焊--------阻碍力立横仰-----促进力3）电磁压缩力：作用：促进力4）斑点压力：电子和正离子在电场作用下向量极定向运动，撞击两极而产生的机械压力作用：阻碍力大小：正接---大，反接---小正接：焊件与电源的正极相接阻碍力反接：焊件与电源的负极相接阻碍力5）气体吹力：作用：促进力四．母材的熔化1．熔池：母材上有熔化的焊条、焊丝金属与母材金属所组成的具有一定几何形状的液体金属2．熔池形状：不标准的半椭圆形球3．影响因素：焊接电流、电弧电压河北省技工学校表5—1教师课时授课计划学校：唐山劳动技师学院授课序号§5—2 焊接化学冶金过程（1）焊接化学冶金：指在焊接过程中，通过冶金处理的方法，消除焊缝金属中的有害杂质，以增加焊缝金属中某些有益的合金元素，从而保证焊缝金属的各种性能。

一.对焊接区的保护目的：防止空气的有害作用。

保护方式：熔渣保护，气保护，气—渣联合保护，真空保护，自保护二.焊接化学冶金过程的特点1. 温度高温度梯度大：电弧T 6000-8000℃高温下金属蒸发、气体分解O2→2O-Q熔池T2000℃左右热影响区T1000℃以下（温差大）2. 熔池体积小，存在时间短：手工电弧焊0.6～16g，加热冷却速度快，易产生偏析3. 熔池金属不断更新4. 反应接触面积大，搅拌激烈熔滴从焊条端部到熔池三.有害元素对焊缝金属的作用气体对金属的作用：熔池周围大量气体，主要成分CO、CO2、H2、O2、N2、H2O及少量的金属和熔渣的蒸汽，其中影响最大的是H2、O2、N2与其发生反应1.氧对焊缝金属的作用1）来源：主要来自电弧中氧化性气体、药皮中的高价氧化物和焊件表面铁锈水分等的分解2）存在形式：氧原子和FeO3）影响：①元素氧化，降低力学性能：Fe+O→FeO Mn+O→MnOFeO+Mn→MnO+ Fe 使金属的强度、塑性和冲击韧性降低，同时还会增加焊缝金属的热脆和冷脆、降低抗腐蚀性能，时效硬化。

②降低物理化学性能③形成气孔④产生飞溅4）控制氧的措施：①加强保护②清理焊丝，焊件③对焊缝脱氧2.焊缝金属的脱氧1）．目的：尽量减少熔池金属的含氧量（低碳和低合金钢来说，危害性最大是FeO）使焊缝金属中的氧化物夹杂减少到最低限度2）．脱氧剂的选择原则：①脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大（由大到小的顺序是Al Ti C Si Mn Fe）②脱氧后的产物应不溶于金属且容易被排除成渣③脱氧后的产物熔点低，比重小，容易从熔池中上浮成渣3）．脱氧途径：脱氧剂脱氧（先期脱氧、沉淀脱氧）、扩散脱氧①先期脱氧：（在焊条端部的焊条药皮中）不完全②沉淀脱氧：（在熔池中脱氧）利用熔池中的合金元素脱氧，并将脱氧后的产物变成熔渣。

脱氧的对象是FeO ，酸性焊条，脱氧剂选择锰；碱性焊条，脱氧剂选择硅铁和钛铁③扩散脱氧：FeO即可溶解于铁中也可以从熔池扩散到熔渣中，当熔池中FeO不断扩散到熔渣中，使熔池中含氧量降低，此法称为扩散脱氧酸性焊条多采用，碱性焊条很少用3.氢气（H2）：1）来源：来自受潮的药皮或焊剂中的水分，焊条药皮中的有机物分解，焊件表面的铁锈、油脂及油漆等的分解2）影响：①冷裂纹氢的溶解度变化使氢变成氢分子，产生很大的应力；同时氢易产生硬脆组织②气孔③白点碳钢或低合金钢焊缝若H2%较大，常常在其中拉伸试件的端面出现鱼目状的白色圆形斑点（￠0.5-3mm）其中间有杂质（作用使金属的塑性大大降低）3）解决措施：严格限制氢的来源；后热处理（消氢处理）4.氮气（N2）：1）来源：来自空气中2）作用：降低焊缝金属的塑性和韧性、气孔4）解决措施：加强焊缝金属的保护，采取正确的工艺措施河北省技工学校表5—1教师课时授课计划学校：唐山劳动技师学院授课序号§5-2 焊接化学冶金过程（2）三．焊缝金属的脱硫、磷1．脱硫1）硫的存在形式：是以化合物的形式存在FeS 、MnS2）硫的危害：产生热裂纹原因：FeS 液态铁无限溶解固态铁中溶解极少0.15%--0.20%所以凝固时要析出，并与铁素体、氧化亚铁形成低熔点共晶体，聚于晶界在应力作用下开裂MnS 在液态铁中溶解度小，易成渣，熔点高，呈球状，不易开裂3）脱硫方法①元素脱硫（单质）用脱硫剂（选择时同脱氧剂选择相似）选择对硫的亲和力比铁对硫亲和力大的物质作脱硫剂Al＞Ca＞Mg＞Mn ＞Fe选择锰而其它的元素太活泼Mn+ FeS→MnS+ Fe②熔渣脱硫（化合物）氧化锰MnO+ FeS→MnS+ FeO脱硫的同时还必须脱氧，脱硫不充分氧化钙CaO+ FeS→CaS+ FeO钙对硫的亲和力比锰强，所以脱硫效果比锰强2．焊缝金属的脱磷1）存在形式：Fe2P、Fe3P2）危害：冷裂低熔点共晶体削弱了晶间的结合力，使钢在常温或低温时脆变热裂纹磷的化合物与铁形成低熔点共晶体，聚于晶界3）脱磷：过程包括两步①第一步将磷氧化成五氧化二磷②第二步利用碱性氧化物与五氧化二磷复合成稳定的磷酸盐由第一，二步反应来看，若脱磷必须有足够的FeO、CaO3.酸碱性焊条的脱硫，脱磷①酸性焊条：药皮中有大量的SiO2、TiO2氧化钙作用很小，焊条中脱硫只能靠锰，而锰还有脱氧作用，所以脱硫效果不好即酸性焊条抗裂性能差；有大量的CaO但FeO不多（碱性焊条脱氧能力强）脱磷效果差②碱性焊条：药皮中有大量的大理石，（大理石能分解出大量的氧化钙）萤石脱硫的效果好，所以碱性焊条脱硫效果好，抗裂性能好有大量的SiO2、TiO2；CaO不会存在很多，脱磷效果差注：减少焊缝金属中硫，磷的方法，只能是严格限制原材料的硫，磷的含量四.焊缝金属的渗合金1.定义：合金化就是把所需要的合金元素，通过焊接材料过渡到焊缝金属(或堆焊金属)中去。

2.合金化的目的：1)补偿焊接过程中由于氧化、蒸发等原因造成的合金元素的损失；2)改善焊缝金属的组织和性能；3)获得具有特殊性能的堆焊金属。

3.方式：焊芯过渡、药皮过渡（应用较广）河北省技工学校表5—1教师课时授课计划学校：唐山劳动技师学院授课序号§5—3 焊缝结晶过程一．焊缝金属的一次结晶1.概念：指焊缝金属由液态转变成固态的过程2.结晶过程：①生核随温度的降低原子活动能力降低，逐渐变得有规律，形成一定的排布→微小晶核②长大已形成的晶核，吸附周围液体中原子的过程长大方向与散热方向相反，散热最快的方向，长大最快二.焊缝金属过程中的偏析1.概念：指合金中化学成分不均匀现象2.偏析的分类：显微偏析、区域偏析、层状偏析1）显微偏析在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均匀现象影响因素：金属的化学成分→成分多，结晶区间大，偏析严重例如：低碳钢区间不大偏析不严重合金钢区间大偏析严重2）区域偏析熔池中心的杂质含量比其它部分高的现象影响因素：焊缝的形状系数焊缝窄而深偏析在焊缝中心易产生热裂焊缝宽而浅偏析在焊缝顶部易清除3）层状偏析焊缝层间的化学成分不均匀（脉动结晶造成的）影响：导致气孔三．焊缝金属的二次结晶1.概念：焊缝金属由高温固态冷却到室温时发生的一系列相变2分析：以低碳钢为例一次结晶的组织是奥氏体，当冷却到A C3时，奥氏体析出铁素体当冷却到A C1时，余下的奥氏体变成珠光体所以低碳钢常温下的组织是：铁素体、珠光体四.焊缝中的夹杂物1.定义：焊后残留在焊缝金属中的微观非金属杂质。

1）氧化物：二氧化硅、氧化锰、二氧化钛2）硫化物：硫化亚铁、硫化锰河北省技工学校表5—1教师课时授课计划学校：唐山劳动技师学院授课序号§5—4 焊缝热影响区的组织和性能一.熔合区的组织和性能1.定义：焊接接头中焊缝金属向热影响区过渡的区域。

2.特点：很窄，两侧分别为经过完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区。

熔合区的加热温度在合金的固，液相线之间。

3.性能：熔合区具有明显的化学不均匀性，其组织特征为少量铸态组织和粗大的过热组织，因而塑性差，强度低，脆性大，易产生焊接裂纹和脆性断裂，是焊接接头最薄弱的环节之一。

二.焊接热循环1.概念：焊接过程中，热源沿焊件移动，在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程。

如右图2.热循环的参数：加热速度、冷却速度、加热的最高温度Tm、相变温度以上停留的时间t A三.焊接热影响区的组织和性能1.定义：焊缝两侧因焊接热作用没有熔化但发生金相组织变化和力学性能变化的区域。

2．热影响区的组成：过热区、正火区、不完全重结晶区、再结晶区l一熔合区2一过热区3一正火区4一不完全重结晶区5一母材1）过热区①温度区间：固相线以下～1100℃②特点：温度高，晶粒粗大→塑性低，尤其是冲击韧性降低20%～30%刚性大时常出裂纹③影响过热区宽窄的因素焊接方法：气焊电渣焊大手工电弧焊埋弧焊小2）正火区①温度区间：1100℃～A C3，又称相变重结晶区或细晶区②特点：性能高于母材（性能最好）3）不完全重结晶区①温度区间：A C3～A C1②特点：组织粗细不均，性能也不均匀4）再结晶区①温度区间：A C1～450℃②形成条件：焊前经过冷塑性变形③特点：塑性韧性提高，强度降低。