第13讲 焊接冶金学6
(2021年整理)焊接冶金学(基本原理)
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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。
《焊接冶金学》每章知识点
绪论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，并且用或不用填充金属，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.焊接热源：电弧热、化学热、电阻热、高频感应热、摩擦热、等离子焰、电子束、激光束。
3.加热区：①活性斑点区：带电质子集中轰击的部位，把电能转为热能。
②加热斑点区：通过电弧的辐射和周围介质的对流进行。
4.比热流：单位时间内通过单位面积传入焊件的热能。
()2Kr m e q r q -=5.焊接线能量：单位时间内，焊接电弧向单位长度焊缝输入的能量。
ννq t IVt E == 6.在熔焊的条件下，由热源传热给焊件的热量，主要以辐射和对流为主，而母材和焊条（焊丝）获得热能之后，热的传播则是以热传导为主。
7.焊接温度场：焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布。
()t z y x f T ,,,=一、焊接化学冶金1.焊接化学冶金：在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。
2.焊条加热的热能有：电阻热、电弧热、化学反应热。
3.焊条金属的平均熔化速度：单位时间内熔化的焊芯质量或长度。
I tG g P M α== 4.焊条金属的平均熔敷速度：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量。
I tG g H D D α==，熔敷系数是真正反映焊接生产率的指标。
5.损失系数：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。
PH M D M D g g g G G G αα-=-=-=ψ1 6.熔滴：1）过渡形式：①短路过渡：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸就与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭。
同时在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。
②颗粒过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，然后在各种力的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路。
③附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡。
焊接冶金学——基本原理
➢ 熔池前部
–母材不断地熔化
➢ 熔池尾部
–熔池金属不断凝固，温 度逐渐降低
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
a. 坐标示意图 b. xoy面上沿x轴的温度分
布 c. xoy面上的等温线 d. yoz面上沿y轴的温度分
•y ’
•y
•vt
•O’
•O
•x
•z ’
•z
➢ 某个热流密度的热源以恒定的速度沿x轴移动，热
源周围的温度分布即“焊接温度场”
1.3 焊接温度场 field of weld temperature
➢ 焊条电弧焊时，焊接 电弧做为热源，对焊 条和母材进行加热
➢ 在焊接热源作用下， 母材上所形成的具有 一定几何形状的液态 金属部分称为熔池
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数 ④ 冷却时间
• 从800oC冷却到500oC时所用时间 – 碳钢、不易淬火的低合金钢
• 从800oC冷却到300oC时所用时间 – 易淬火的低合金钢(马氏体相变点300oC左右)
• 从高温冷却到100oC时所用时间 – 扩散氢
– 加热速度方面的研究还不够充分 – 特别是新工艺、如真空电子束焊接等数据很缺乏
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数 ② 加热的最高温度
– 据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同
1.4 焊接热循环 weld thermal cycle
➢ 焊接热循环的主要参数 ③ 在相变温度以上的停留时间
焊接冶金学——基本原 理
2024年2月9日星期五
焊接冶金学
第二章1.焊接性是指同质或者异质材料再制造工工艺下，能够完成焊接形成焊接接头并且满足语气的使用性能的能力.2.焊接性包括两个含义，一是结合性能，就是一定的材料再给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性，而是使用性能，只一定的材料的规定的焊接工艺条件下所形成焊接接头适应使用要求使得能力. 就是包括工艺焊接性和使用焊接性.工艺焊接性就是说材料或者金属再一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密，无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力.3.熔焊过程包括冶金构成和热过程，冶金过程影响焊缝金属的性能，热过程影响热影响区的性能.冶金焊接性是再高温的情况下发生反应造成焊接性中的变化，热焊接性是再焊接过程中像接头输入很多的热量造成热影响区的组织性能的变化.4.影响焊接型的因素：材料设计工艺和服役环境.5. 焊接性实验测定内容：抵抗冷热裂纹和脆化断裂能力以及使用性能.6.由于焊接热影响区的淬硬和冷裂纹倾向和跟那个的化学成分又很大的联系，所以可以用化学成分间接的评估刚才冷裂纹的敏感性. 各种元素中，C对于冷裂纹敏感性影响最显著，可以把钢中合金元素当作若干碳的含量这算起来. 除此之外，冷裂纹产生原因和化学成分，扩散氢和拘束度也又关系.7.常见的冷裂纹测定方法是C当量测定和热影响区最高硬度测定方法. 由于冷裂纹最多产生在热影响区，可以用来评定接头的淬硬组织第三章合金结构钢的焊接1.合金结构钢，再碳素钢的基础上加入一定量的合金元素就是合金结构钢，主要特点是强度高，韧性塑性焊接性好.2.C是最能提高钢材强度使得元素，但是C过多会导致淬硬和冷裂纹倾向.合金元素对塑性和韧性的影响和强化作用相反，为了保持良好的综合性能和焊接性，要求钢中的C质量分数不大于0.223.热轧钢固溶强化元素：锰，鋅正火钢加强沉淀强化作用所以会假如一些碳，氮化合物形成元素V,Nb,Ti, Mo4.热轧钢和正火钢的焊接性分析：包括冷热裂纹，热影响区脆化正火钢防止冷裂纹方法：控住焊接热输入，降低扩散氢含量，预热和及时焊后热处理.热影响区脆化：热轧钢- 被加热到1200度以上的热影响区过热去会产生粗晶区脆化这是因为热轧钢焊接的时候采用较大的焊接热输入，粗晶区因此晶粒长大而降低塑性，热输入小的时候，粗晶区的马氏体含量多导致韧性降低，这在含碳量高的热轧钢很明显.正火钢-含有碳氮化合物形成元素的正火钢，采用较大的热输入，粗晶区的C,N析出相基本固溶，这是C,N化合物抑制奥氏体长大和组织细化作用背消弱，容易出现粗大晶粒和上贝氏体，M-A组元，导致韧性下降氮化物形成元素可以抑制热应变倾向5.热轧钢和正火钢电弧焊埋弧焊气保焊（最常使用）电渣焊压焊都可以采用6.低合金钢选择焊接材料：1.不能又焊接缺陷2.满足使用性能7.热轧和正火钢焊接选择材料1.和母材力学性能匹配2.融合比和冷却速度3.焊后热处理对焊缝力学性能的影响.8.焊接参数参数的选择，再碳当量小于0.4的时候热输入可以放宽，提高碳当量的时候，热输入范围变窄9.预热和焊后热处理的主要作用是为了防止裂纹10.低碳调质钢：会发生自回火，所以冷裂倾向比中碳调质钢小，具有良好的焊接性，含有较高的NI和CR，NI可以提高强度塑性和韧性，CR可以提高淬透11.低碳调质钢的焊接性:1.考虑焊缝的强韧性匹配2.低碳钢还有多种提高淬透性的元素所以获得强度高塑性好的低碳自回火低碳马氏体适合和部分下贝氏体，这类刚淬硬性大，再粗晶区又冷裂倾向和塑性下降倾向，3.热裂纹和热轧钢一样热裂倾向小.4.热影响区存在脆化和软化现象，脆化是因为M-A组元和奥氏体晶粒粗大.12.低碳钢焊接：1.马氏体转变时冷却速度不能太快，使马氏体又自回火作用防止冷裂纹2.再500到800度冷却速度大于脆性混合组织产生速度，焊接方法采用电弧焊，气保焊，对于焊接之后热影响区强度和性能下降可以焊后调制处理或者限制焊接过程热量对木材的作用.13.中碳调质钢: 强度和硬度很大，淬硬性比低碳调质钢大，焊接性不好.焊接性包括1.合金元素含量多，容产生热裂纹，可以尽力采用低碳焊丝和低S.P焊丝.2.容易产生冷裂纹，采取降低接头含氢量，预热和憨厚热处理等方法3.热影响区存在脆化和软化：含C量高马氏体转变温度低，无自回火现象，焊接之后容易产生大量高C马氏体，脆化严重.14. 退火状态下进行焊接：焊后调制处理（preferred）焊缝性能由焊后调制处理解决，主要问题是裂纹问题.选择材料：不产生冷热裂纹，焊缝金属调制处理规范和母材相同对促进脆化的元素也要控住焊接参数：接头性能可以由焊后调制解决，主要问题是调制前不出现裂纹，所以可以采取很高的预热温度和层间温度调制状态下焊接，焊后不进行调制处理由于焊后不进行调制处理，所以焊缝金属可以和木材又差别，为了防止冷裂纹，要选择塑性韧性好的奥氏体焊条，采用预热，焊后回火处理. 由于焊后不能调制，所以热影响区的性能变差无可避免，因此最好采用晓得焊接热输入.第四章1.不锈钢的主要成分是铬和镍，为了防止晶间腐蚀，不锈钢也是C含量越低越好，不锈钢可以分为奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢，马氏体不锈钢，铁素体-奥氏体不锈钢和沉淀硬化钢2.合金元素含量越多，线膨胀系数越大，因此奥氏体不锈钢容易产生较大的焊接变形成为裂纹的主要原因.3.不锈钢的腐蚀分为：均匀，应力，点，缝隙，晶间腐蚀.均匀腐蚀：接触腐蚀界面的金属全部发生腐蚀应力：不锈钢再特定的腐蚀介质和应力状态下发生的低于强度极限的脆性开裂.点：大部分不腐蚀，分散的局部腐蚀. 缝隙腐蚀：缝隙：再电解液中，不锈钢和异物接触的表面存在间隙的时候，缝隙的溶液流动发生迟滞现象，导致局部浓化，导致不锈钢钝化膜背局部破坏.晶间：再晶粒边界附近发生的腐蚀.4.奥氏体不锈钢焊接性：1.接头晶间腐蚀2.热裂纹3.析出现象4.低温脆化1.晶间腐蚀包括：焊缝区.1.通过焊接材料是焊缝金属成为超低碳2.调整焊缝成分获得铁素体相（铁素体相的作用：1.打乱单一的奥氏体方向，不形成连续的贫CR层2.富含CR）铬当量是铁素体话元素镍当量是奥氏体元素.热影响区敏化区热影响区峰值温度处于敏华加热区温度.采取小热输入快速焊接减少存在时间熔合区2.热裂纹倾向：1.线膨胀系数大，产生较大的应力2.奥氏体钢易于联生结晶形成方向性强的组织，导致有害物质偏析，促进形成晶间液膜3.合金组成复杂，一些合金也容易形成易溶共晶. 为了防止热裂纹，采用小焊接热输入快速焊，不预热，降低层间温度，降低焊接电流5.铁素体不锈钢线膨胀系数小，所以热裂纹冷裂纹不严重，但是焊接接头容易塑性强度低和脆化，所以焊接性不如奥氏体不锈钢，普通铁素体不如高纯铁素体焊接性1.晶间腐蚀，2.接头脆化包括1.高温脆化加热到950到1000，再极速冷却到室温，可以减少C.N含量或者缓冷或者重新加热到750到850度防止性能变差.2. 再520到820度长时间加热析出铁素体3.475脆化再400到500度加热出现的脆性随着铬的含量增加脆化增加。
(最新整理)焊接冶金学基础知识
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2）焊缝成形系数φ
焊缝余高(a)
焊缝宽度(B)
焊缝熔深（H)
热影响区（HAZ) 焊缝成形系数—— 焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值
公式： φ = B/H (一般大于1.0—1.3，对防止裂纹有利）
综合机械性能：多层多道焊优于单层焊，因为前道焊缝对后道焊缝是预 热，后道焊缝对前道焊缝有退火作用，防止产生淬硬组织。
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3）焊缝余高系数
余高系数——焊缝有效宽度B与余高a的比值。 公式： Ψ = B/a（%）
4）焊缝成形过程
在热作用下，焊丝与母材被熔化，焊件上形成一个具 有一定形状和尺寸的液态熔池，熔池随着热源的移动向前 运动，在电弧后形成凝固的焊缝。
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5、焊接化学冶金过程（手工电弧焊）：
②熔滴反应区
使气相的氧化性下降，通常 把这个过程称为“先期脱氧”
从熔滴形成、长大到过渡到熔池中，属于熔滴反应区。
该区反应时间虽短(0.01-1S)，但温度很高(1800-2400℃)， 相(气相、液相、熔渣)接触面积大，并伴随着强烈混合作用 ，冶金反应激烈，反应进行相对完全，对焊缝影响极大。
主要的物理化学反应：金属的蒸发，气体的分解和溶解，金 属的氧化还原以及合金化等。
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(一)短路过渡 (二)滴状过渡 (三)渣壁过渡 (四)喷射过渡
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熔滴过渡的形式
小电流、低电压。熔滴长大 受到空间限制而与母材短路， 在表面张力及小桥爆破力作 用下脱离焊丝。
电弧长度较长，熔滴可自由 长大，直至下落力大于表面 张力时，脱离焊丝落入熔池， 属自由过渡。
焊接冶金学习题(附答案)
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。
5、综合分析各种因素对手工电弧焊时焊缝含氢量的影响？答：（1）焊接工艺参数对焊缝含氢量有一定的影响：手工电弧焊时，增大焊接电流使熔滴吸收的氢量增加；增大电弧电压使焊缝含氢量有某些减少。
焊接冶金学-焊接化学冶金
§ 2-2 焊接区内气体与金属的作用
一、焊接区内的气体 （一）气体的种类、来源及供给途径 1.种类： CO、CO2、H 2、H 2 O、O2、N 2 金属及熔渣蒸气
2.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
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3.供给途径： 一部分是直接输入或侵入的原始气体； 另一部分是通过物化反应所生成的气体。
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（3）氢在金属中的溶解
1)、氢在金属中的溶解及其影响因素 来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分 ，药皮中有机物为、焊件表面杂质（锈 、油）空气中水分 第一类能形成稳定氢化物金属 第二类不形成稳定氢化物的金属
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氢的溶解机制
焊接区为氢可以处于分子、原子和离子状态
① 氢以原子或质子形式溶入（气保焊）
４).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合.
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3熔池反应区
1）反应速度低 熔池T 1600～1900℃低于熔滴T ；比表面积，接 触面积小300～1300cm2/kg；时间长，手工焊3～8 秒埋弧焊6 ～ 25s 2）熔池温度不均匀的突出特点 熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收 ,利于吸 热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体的析出, 利于放热反应 3）具有一定的搅拌作用 促进焊缝成分的均匀化，有助于加快反应速度， 有益于气体和夹渣物的排除。然而，没有熔滴阶 段激烈。
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2).自由氧对金属的氧化
[Fe] O (FeO)
1 Fe O FeO 2
3).CO2对金属的氧化
[Fe] CO2 [ FeO]
4).H2O气对金属的氧化
[Fe] H2O气 [FeO] H2
5).混合气体对金属的氧化
(完整版)焊接冶金学(基本原理)习题总结
焊接冶金学（基本原理）部分习题及答案绪论一、什么是焊接，其物理本质是什么?1、定义：焊接通过加热或加压；或两者并用,使焊件达到原子结合，从而形成永久性连接工艺.2、物理本质：焊接的物理本质是使两个独立的工件实现了原子间结合，对于金属而言，既实现了金属键结合。
二、怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？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。
三、试述熔焊、钎焊在本质上有何区别？钎焊母材不溶化,熔焊母材溶化.1. 温度场定义,分类及其影响因素。
1、定义：焊接接头上某一瞬间各点的温度分布状态.2、分类：1) 稳定温度场—-温度场各点温度不随时间而变动;2) 非稳定温度场——温度场各点随时间而变动;3) 准稳定温度场——温度随时间暂时不变动,热饱和状态；或随热源一起移动。
3、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a. 热导率b. 比热容c. 容积比热容d. 热扩散率e. 热焓f. 表面散热系数4) 焊件厚板及形状第一章二、焊接化学冶金分为哪几个反应区，各区有何特点?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。
(100-1200℃) 1) 水分蒸发:100 ℃吸附水的蒸发，200－400 ℃结晶水的去除，化合水在更高温度下析出 2) 某些物质分解：形成Co,CO2，H2O ，O2等气体 3) 铁合金氧化 ：先期氧化,降低气相的氧化性2、熔滴反应区：指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个熔池 1) 温度高：1800－2400℃ 2) 与气体、熔渣的接触面积大 ：1000－10000 cm2/kg 3) 时间短速度快:0.01-0.1s ；0。
《焊接冶金学》知识点总结
《焊接冶金学》知识点总结第一篇：《焊接冶金学》知识点总结焊接冶金学，焊接科学中的战斗机，O Ye！1.对被焊材质经过加热加压或者二者并用的方法，并且用或者不用填充材料，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叫焊接。
2.当被焊接的固体金属表面接近相距ra时，就可以在接触面上进行扩散，再结晶等物理化学过程，从而形成金属健，达到焊接的目的。
（原子间的作用力随距离变化的图中，在ra的距离时，吸引力最大。
）3.焊接过程中加压，目的是为了破坏工件表面的氧化物，使结合处增大有效接触的面积，从而达到紧密接触，行成化学键。
4.对被焊工价加热，是为了使金属结合处达到塑性或熔化状态，破坏氧化膜，降低金属的变形阻力，同时增加原子的振动能，促进扩散，再结晶，化学反应和结晶过程的进行。
5.金属成功焊接所需的压力和温度是有关系的，压力大，则温度低，反之亦然。
6.一般焊接和钎焊的区别是：钎焊母材没有熔化，所以只有钎料和母材间原子相互渗透的机械组合，而没有形成共同晶粒，但是一般熔化焊接是通过原子的扩散形成共同晶粒的。
7.粘贴是靠粘贴剂与母材之间的粘合作用，一般讲没有原子的相互渗透和扩散。
8.高频感应热是利用高频感应所产生的二次电流作为热源，实质上也是电阻热的另一种形式。
这种方法热量高度集中，所以可以实现很高的焊接速度，如高频焊管等，但对于不锈钢和铝等不易导磁的金属难以实现高频焊接。
9.电子束焊接，在真空中利用高速运动的电子撞击金属表面，使之加热熔化，达到焊接的目的。
由于在真空中所以焊接质量比较好而且可焊接得较深的焊缝。
10.等离子焊接，就是利用等离子电弧，是将普通电弧压缩形成的高能量密度的电弧经行焊接。
11.热焊接性，冶金焊接性，工艺焊接性：分别指在不同的热循环，不同冶金过程，和不同的焊接工艺，所能得到优质焊缝的能力。
12.使用焊接性：整个焊接接头能满足技术规范和使用性能的程度。
13.焊接接头形成过程，一般包括：加热，熔化，液晶反应，凝固和固态相变。
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。
焊接冶金学--材料焊接性 教学课件 ppt 作者 李亚江 第6章
第6章铸铁焊接铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。
工业常用的铸铁为铁碳硅合金，其碳的质量分数为3.0%～4.5%、含硅量为1.0%～3.0%，同时含有一定量的锰及杂质元素磷、硫等。
为了提高铸铁的性能，还可以加入合金元素获得合金铸铁。
铸铁熔点低，液态下流动性好，结晶收缩率小，便于铸造生产形状复杂的机械零部件。
还具有成本低，耐磨性、减振性和切削加工性能好等优点，在机械制造业中获得了广泛应用。
按质量统计，在汽车、农机和机床中铸铁用量约占50%~80%。
铸铁焊接主要应用于以下三方面：①铸造缺陷的焊补; ②已损坏的铸铁成品件的焊补; ③零部件的生产。
6.1 铸铁的种类及其焊接方法6.1.1 铸铁的种类按照碳元素在铸铁中存在的形式和石墨形态，可将铸铁分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁等五大类。
白口铸铁中的碳绝大部分以渗碳体（Fe3C）的形式存在，断口呈白亮色，性质脆硬，极少单独使用。
白口铸铁是制造可锻铸铁的中间品，表层为白口铸铁的冷硬铸铁常用作轧辊。
灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中的碳基本以石墨形式存在，部分存在于珠光体中。
这四种铸铁由于石墨形态不同，使得性能有较大差别。
最早出现的灰铸铁，石墨呈片状，其成本低廉，铸造性、加工性、减振性及金属间摩擦性均优良，至今仍然是工业中应用最广泛的铸铁类型。
但是，由于片状石墨对基体的严重割裂作用，灰铸铁强度低、塑性差。
可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火获得的，石墨呈团絮状，塑性比灰铸铁高。
1947年，发明了以球化剂处理高温铁液使石墨球化的方法，得到了球墨铸铁。
由于石墨呈球状，对基体的割裂作用小，使铸铁的力学性能大幅度提高。
而后出现的蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状，头部较圆，具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好的优点，在工业中得到了一定的应用。
1．灰铸铁灰铸铁是因断面呈灰色而得名。
灰铸铁中的碳以片状石墨的形式存在于珠光体或铁素体或二者混合的基体中。
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（FeO） ↑ （MnO)＋[Fe ] ＜===＞ [Mn]＋FeO ↓ [FeO] 反应结果焊缝增加硅和锰，同时铁被氧化，生成的FeO 大部分进入熔渣，小部分溶于液态钢中，使焊缝增氧。
上述反应的方向和程度取决于温度及反应物的活度和
含量，以及焊接工艺参数等。通常升高温度，反应向右
进行，说明置换氧化主要发生在熔滴阶段和熔池前部高
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1.先期脱氧 ⑴ 概念
焊条电弧焊时，在焊条药皮加热阶段，固体药皮中 进行的脱氧反应叫先期脱氧。 其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关 系，脱氧主要发生在焊条端部反应区。
⑵ 脱氧过程 含有脱氧剂的药皮被加热时，药皮中的高价氧化物 或碳酸盐分解出氧和二氧化碳，便和脱氧剂发生反 应。 26 18
二、活性熔渣对金属的氧化
活性熔渣对焊缝金属发生氧化有两种基本形式，即
扩散氧化和置换氧化。
1. 扩散氧化
焊接期时，FeO既溶于渣中，又溶于钢中，在一定
温度下达到平衡时FeO在两相中的含量符合分配定
律：
（FeO） L [ FeO]
式中 L—分配常数； (FeO)—FeO在熔渣中的含量； 26 [FeO]—FeO在液态钢中的含量。
26 [Mn]＋[FeO] ＝[Fe]＋(MnO) 20
沉淀脱氧的效果与Mn在金属中的含量有关，而且与脱氧产物
MnO在渣中的活性有关，而渣中MnO的活性与熔渣的性质有
关。
增加Mn在金属中的含量可提高脱氧效果。 在含有SiO2和TiO2较多的酸性渣中因脱氧产物可转变成 MnO· SiO2和MnO· TiO2复合物，减小了MnO活度，所以脱氧 效果较好。而碱性渣中SiO2和TiO2含量少，因而MnO的活度 大。不利于Mn的脱氧。故酸性焊条多用Mn脱氧。
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图 手工焊时电弧电压对焊缝[O] 和[N]的影响
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3.4.4 焊缝金属的脱氧
氧无论以何种形式存在于焊缝金属内都是有害的。
因此，在焊接时如何防止金属的氧化，以及如何去
除或减少焊缝金属中的含氧量，是保证焊接质量的
重要问题。
防止金属氧化的有效措施是减少氧的来源，而对
己进入焊缝金属的氧，则必须通过脱氧来去除。所
以脱氧的目的就是要减少焊缝中的含氧量。
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脱氧是通过在焊丝、焊剂或焊条药皮中加入某些对
氧亲和力较大的元素，使其在焊接过程中夺取气相
或氧化物中的氧，从而减少焊缝金属的氧化及焊缝
含氧量。
用于脱氧的元素或合金叫脱氧剂。
焊接化学冶金反应是分阶段或区域进行的，脱氧反
应也是分阶段和区域连续地进行，其方法有先期脱
用SiO2和MnO含量高的焊接材料焊接时，置换氧化会
使焊缝的[O]增加。
在焊接低碳钢或低合金钢时，因焊缝中[Si]和[Mn]也同
时增加，对接头性能不仅不受影响，反而得到局部改
善，所以高硅高锰焊剂配合低碳钢焊丝焊接低碳钢及
低合金钢得到了广泛应用。
这种配合关系不能用于中、高合金钢和合金的焊接， 因为氧和硅会显著降低焊缝金属抗裂性能和力学性能， 尤其是低温冲击韧度。因此，在研制焊接高合金钢和 合金焊条或焊剂时必须注意要去除药皮或焊剂中的
SiO2，并使用不含硅酸盐的粘结剂（如铝酸钠）。
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三、 焊件表面氧化物对金属的氧化 焊件表面的氧化皮和铁锈在焊接中对金属也有氧化 作用。这是因为，铁锈在高温下要发生分解： 2Fe(OH)3 Fe2O3+3H2O 分解出来的H2O进入气相，增加了气相的氧化性。 而Fe2O3又可使铁氧化： Fe2O3+[Fe] 3FeO 氧化铁皮的主要成分是Fe3O4，在焊接高温下它可使 铁发生氧化： Fe3O4+[Fe] 4FeO 反应生成的FeO虽然大部分进入熔渣，但还有一部 分也进入了焊缝，使之增氧。因此，焊前清理焊接 边缘是必不可少的措施。 26 9
条药皮中加入锰铁和硅铁进行联合脱氧，效果较好。
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4. 扩散脱氧
扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的。利
用氧化物能溶解于熔渣的特性，通过扩散使它从液
态金属中进入熔渣，从而降低焊缝含氧量。 扩散脱氧是以分配定律为基础：
（FeO） L [ FeO]
当温度下降时，FeO在渣中的分配常数 L 增大，液态钢 中的FeO向熔渣扩散。从而使熔池中的FeO含量减小。 说明扩散脱氧是在熔池的后部低温区进行的，即处在熔
需进一步脱氧。
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3. 沉淀脱氧
⑴ 概念
沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的。是利用溶解在 熔滴和熔池中的脱氧剂与[FeO]直接反应，把铁还原， 使脱氧产物转入溶渣而被清除出去。 最常用的是Mn、Si或Si-Mn联合进行沉淀脱氧。
⑵ 脱氧过程
① 锰的脱氧反应
在药皮中加入适当锰铁或在焊丝中含有较多的锰作为 脱氧剂，其反应如下：
温区。在熔池后部，因温度下降，上述反应向左进行， 已还原的硅和锰有一部分又被氧化，生成的SiO2和MnO
往往在焊缝金属中形成非金属夹杂物。
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在焊丝或药皮中对O亲和力比Fe大的元素，如Al、Ti、
Cr等时，将与SiO2、MnO发生更为激烈的置换反应。
以Al的置换反应为例：
4[Al] ＋3(SiO2) ＜===＞ 2(Al2O3) ＋ 3[Si]
用不含氧或少含氧的焊接材料。例如：
用高纯度的惰性气体作保护气体； 在真空中焊接； 采用低氧或无氧的焊条、焊剂； 消除焊件和焊丝表面上的铁锈、氧化皮； 烘干焊接材料等。
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⑵ 控制焊接工艺参数 增加电弧电压，使空气易于 入侵且与熔滴接触时间变长， 致使焊缝含氧量增大，故宜采 用短弧焊接。 此外，焊接方法、电流种类 和极性以及熔滴过渡形式等都 有一定影响。
皮敏感性大的原因。
酸性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物较多，与FeO形成复
合物，使FeO的活度减小，所以渣中FeO含量相同时，
焊缝含氧量减少。
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注意：不要由此认为碱性焊条的焊缝比酸性 焊条的焊缝含氧量高，恰恰相反，碱性焊条 的焊缝含氧量比酸性焊条低，这是因为碱性 焊条药皮的氧化势小的缘故。
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③ Si-Mn联合脱氧
Si和Mn脱氧产物能结合成熔点较低，密度不大的
复合物进入熔渣。因此，把Si和Mn按适当比例加
入金属中进行联合脱氧，可以得到较好的脱氧效果。
在CO2气保护焊时，就是根据Si-Mn联合脱氧原理， 在焊丝中加入适当比例的Mn和Si。 其他焊接材料也可利用Si-Mn联合脱氧，如碱性焊
为了减少焊缝含氢量，改进电流的特性，获得 必要的熔渣物理化学性能，有时在焊接材料中 故意加入一定量的氧化剂；
铸铁冷焊时，为了烧去多余的碳，常在焊条药 皮中加入氧化剂。
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4.氧的控制
⑴ 控制焊接材料的含氧量
在焊接活泼金属及其合金时，或焊接某些含有
对氧亲和力较大合金元素的金属材料时，应尽量采
应该注意：加入过多的Mn会形成固态产物，易造成焊缝夹杂。
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② 硅的脱氧反应 Si对O的亲和力比Mn大，其脱氧反应为： [Si]＋2FeO=2[Fe]＋(SiO2) 提高金属的含Si量和熔渣的碱度，可提高渣的脱 氧效果。但生成的SiO2熔点高、粘度大，不易从 液态钢中分离，易造成夹杂，故一般不单独用硅 脱氧。
熔池凝固时，CO气泡来不及逸出就会引起气孔。 ⑶ 对焊接过程的影响 熔滴中含氧和碳多时相互作用生成的CO受热膨胀，使熔滴 爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性。 ⑷ 合金元素烧损 在焊接过程中氧能烧损钢中的有益合金元素，从而使焊缝金
属性能变坏。
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在某些情况下使焊接材料具有氧化性是有利的。
例如：
以Mn为例，其先期脱氧反应如下：
Fe2O3＋Mn＝MnO＋2FeO
FeO ＋Mn＝MnO＋Fe
CaCO3＋Mn＝CaO＋CO＋MnO
反应的结果使气相的氧化性减弱。Al和Ti对氧的
亲和力很大，它们在先期脱氧过程中绝大部分被烧
损，故它们在随后的沉淀脱氧作用不大。
由于药皮加热阶段温度低，先期脱氧并不完全，
26 阶段和熔池的头部（高温区）进行。 2
在同样温度下，FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向
焊缝金属中分配，也即在熔渣中含FeO量相同时，用碱
性渣的焊缝金属含氧量比用酸性渣时多。因此，在碱性 焊条药皮中一般不加入含FeO的物质，并要求焊前消除 焊件表面上的氧化皮和铁锈，否则会使焊缝金属增氧， 并且可能产生气孔等缺陷，这是碱性焊条对铁锈和氧化
3.4.3氧对焊接质量的影响 ⑴ 对力学性能的影响 随着焊缝含氧量的增加， 其强度、塑性和韧性显著下降，
如图。特别是焊缝金属的低温
冲击韧性急剧下降，此外，还 引起热脆、冷脆和时效硬化。
图 氧（以Fe O形式存在） 对 低碳钢常温力学性能的影响
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⑵ 形成气孔
溶解在熔池中的氧和碳发生反应，生成不溶于金属的CO，
2[Al] ＋3(MnO) ＜===＞ (Al2O3) ＋ 3[Mn]
反应生成的Al2O3使焊缝中非金属夹杂物增多，含氧量
升高，同时Si、Mn含量也显著增加。
某些强氧化物，如B2O3、Al2O3、TiO2也会在一定
条件下发生置换氧化，使焊缝增B、Al、Ti和O，而同
时其他元素，如Si等被烧损。
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池凝固阶段。
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2. 置换氧化
当熔渣中含有较多的易分解的氧化物时，可能与液
态钢发生置换反应，使铁氧化，而该氧化物中的元
素被还原。例如，用低碳钢焊丝配用高硅高锰焊剂