3-1焊接冶金过程特点

焊接区气体与金属作用
(3)气体的供给途径 从本质上看，焊接区内的气体一部分是直接输入或侵 入的原始气体，而另一部分是通过物化反应所生成的气 体，具体情况如下。
1)有机物的分解和燃烧。
焊接区气体与金属作用
2)碳酸盐和高价氧化物的分 解 焊接材料中常用CaCO3
、MgCO3和CaMg(CO3)2(白
1.多相的反应系统 2.不平衡的反应系统
焊接区气体与金属作用
焊接区内的气体是与液态金属进行冶金反 应的重要物质，了解焊接区内气体的种类、
来源及气相的组分是研究气相与液态金属相
互作用的前提。
焊接区气体与金属作用
1.气体的种类和来源 (1)气体的种类 总的来看，除了外加的惰性保护气体之外，焊
接区内的气体主要包括N2、H2、O2、H2O、CO2、金属蒸气、熔 渣蒸气以及它们分解和电离的产物。 (2)气体的物质来源 材和环境气氛。 焊接区内的气体主要来源于焊接材料、母
焊接冶金过程特点
1.无保护的危害
(1)焊缝成分显著变化 在采用光焊丝的无保护焊接过程中，由于
熔化的高温金属与周围的空气发生强烈的作用，可使焊缝金属中
氧和氮的质量分数分别达到0.72%和0.22%，即为低碳钢焊丝含氧
量和含氮量的35倍和45倍。
(2)焊缝力学性能降低 正是由于焊缝中氧和氮等有害元素的显著
炼铁的过程实际上是一个将铁还原的过程，还 原剂为焦炭。
焊接冶金过程特点
炼钢
生铁中碳的含量平均达3.5%~4.5%，而钢的含碳
量<2.11%，一般均低于1.3%。炼钢就是以生铁为原料 ，通过一系列的冶金反应将含碳量降低，实际上是一
个碳的氧化过程。
焊接冶金过程特点
一、焊接冶金特点
焊接冶金过程：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。
焊接冶金过程特点
(3)焊接工艺性能差 由于焊接过程中没有任何保护， 电弧空间电离度低，电弧不稳定，焊接飞溅也大，焊 道表面成形差，焊缝中也易产生各种类型的气孔。
焊接冶金过程特点
2.保护的方式和效果
（1）气保护 （2）渣保护 （3）气渣联合保护 （4）真空保护 （5）自保护
焊接冶金过程特点
（1）气保护 用于保护熔池和溶滴 的气体应是惰性气体 ，并在高温下不分解 ，或是活性的不溶于 金属液体的双原子气 体(CO2)。
-
σb MPa
-
δ5 %
-
AKV20
J
-
0.13 0.20 0.03 0.06
0.0005
235 302 321
412 410 460
26
102 12 75
0.0002
7.5
25
酸 性 焊 条
0.0009
碱 性 焊 条
0.07
0.23
0.43
0.026
0.051
0.0005
345
459
29
121
焊接冶金过程特点
形成熔融的液态焊剂薄膜，使熔池与空气隔绝，大大减少焊缝中的
含气量，提高焊缝韧性。
延长熔池存在时间，加强了冶金反应，有利于气孔、夹渣的析出。
焊接冶金过程特点
焊接冶金过程特点 焊缝含氮量与焊剂松装密度的关系
松装密度/(k g/) 透气性 氮的质量分 数(%)
550
800
1000
1200
3800 0．0094
焊接区气体与金属作用
3)物质的蒸发及冶金反应 物质的蒸发主要取决于其本身的沸点或饱合蒸气压。在一定的温度
下，沸点越低或饱合蒸气压越高的物质越容易蒸发。
Zn、Mg 、 Pb 、 Mn
KF 、 LiF 、 NaF
4)直接输入或侵入
N2、O2、H2O
焊接区气体与金属作用
一些常用金属和氟化物的沸点
焊接冶金反应区
2.熔滴反应区
指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个熔池
特点:
(1)反应温度高 在钢材的电弧焊中，熔滴活性斑点处的温度接近焊芯 材料的沸点，高达2800℃左右。
焊接冶金反应区
2.熔滴反应区
(பைடு நூலகம்)相的接触面积大
正常焊接条件下，熔滴比较细小，其比表面积可达1000～
10000cm2/kg，比炼钢时大1000倍左右，故熔滴与气体和熔渣的
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3-1 焊接冶金过程特点
焊接冶金过程特点
钢的生产
钢的生产有两个过程：先将铁矿石原料在高炉中熔炼
成生铁，称为炼铁；再由生铁在炼钢炉中熔炼成钢，称
为炼钢。
焊接冶金过程特点
炼铁 铁在自然界中以赤铁矿 (Fe2O3) 、磁铁矿 (Fe3O4)
、褐铁矿(2Fe2O3· 3H2O)等形式存在。
焊接冶金反应区
熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。
焊接冶金反应区
4.熔池运动状态
1）液态金属密度差引起自由 对流运动 2）表面张力差强迫对流运动 3） 熔池中各种机械力搅拌
焊接冶金反应区
三、焊接化学冶金系统的不平衡
焊接化学冶金过程是分区域进行的，而 且在同一区域的不同部位的反应方向和速 度也是不同的。
焊接冶金反应区
二、焊接化学冶金的反应区
1.药皮反应区： (2)某些物质的分解 当药皮受热达到一定温度时，其中的纤维素 、木粉和淀粉等有机物开始分解和燃烧，形成CO2、CO及H2等气 体。 (3)铁合金的氧化 以上所述的因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，会对被焊金属和药皮中的铁合金( 如锰铁、硅铁和钛铁等)造成很强的氧化作用，从而使气相的氧化 性大大降低，即实现了所谓的先期脱氧。
CO2气体
CO2为无色无味气体，密度是空气的1.5倍，在常温下很稳定，但在高温下易分 解。 CO2气体密度大，受热后体积膨胀大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方 面，效果良好。 但CO2气体为氧化性气体，在高温下将分解为CO和O2： CO2 ＝ CO + O2 所以二氧化碳在高温时有强烈的氧化性。
接触面积很大。
(3)反应时间短
熔滴在焊条末端的停留时间仅为0.01～0.1s，熔滴以高达
2.5～10m/s的速度穿过弧柱区的时间更短，只有0.0001～0.001s。
焊接冶金反应区
2.熔滴反应区
（ 4 ）相的混合强烈 在熔滴形成、长大及过渡过程中，
由于受到多种力的作用，其形状不断变化，导致局部表
面发生收缩或扩张，使熔滴表面上的渣层发生破坏而相
焊接冶金过程特点
氩气
氩气为惰性气体，高温下不溶入液态金属，也不与金属发生化学反应，因此， 氩气是一种理想的保护气体。 由于氩弧温度高，因此一旦引燃，电弧就很稳定。 氩弧焊一般要求氩气纯度达99.9%，我国生产的工业纯氩，其纯度可达99.9%， 完全合乎氩弧焊的要求。 氩弧焊对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求严格，否则就会影响焊缝 质量。
光焊丝
直接用光焊丝在空气中进行无保护焊接时，熔
敷金属中的C、Si 、Mn都有减少，而气体杂质均增
多。其中N几乎增加27倍，氧增加9倍，氢增加1倍
。这时熔敷金属的强度虽无问题，而塑性和韧性 却都不合格。
焊接冶金过程特点
正常药皮焊条
当采用正常药皮焊条时，C、Si 、Mn的成分 得以保证，气体杂质数量有所减少，但仍比焊丝 中的含量高得多，氢的含量与钢板相近。熔敷金 属的性能与母材相当。
要点：各种物质包括气体、液态金属、 熔渣。
焊接冶金过程特点
普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过 程，放在特定的炉中进行。
焊接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。
焊接冶金过程特点
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。
低碳钢母材熔敷金属的成分及性能 化学成分wt %
常温力学性能
C
焊丝 钢板
熔 敷 金 属
无保护光 焊丝
Si
0.07 0.18 0.02 0.07
Mn
0.66 0.44 0.02 0.36
N
0.005 0.004 0.140 0.013
O
0.021 0.003 0.210 0.099
H
0.0001
σs MPa
焊接冶金反应区
二、焊接化学冶金的反应区
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。(1001200℃) (1)水分的蒸发 当药皮被加热时，其吸附水开始蒸发，直到温度
超过100℃时，吸附水全部蒸发；当温度超过200～400℃时，药皮 中的白泥、云母等组成物中的结晶水将被去除，而化合水则需在更 高的温度下才能析出。
增加以及锰和碳等有益合金元素的减少，焊缝金属的塑性和韧性
显著降低，而因氮的部分强化作用使得焊缝金属的强度变化不大 。
焊接冶金过程特点
低碳钢无保护焊接时的焊缝力学性能
力学性能 抗拉强度 /MPa 母材 焊缝 390～440 334～390 伸长率δ (%) 25～30 5～10 冲击韧度 /(J/c) ＞147 5～25 弯曲角α /(°) 180 20～40
互混合，甚至被熔滴金属所包围，故熔滴与熔渣发生了
强烈的混合作用。
焊接冶金反应区
3.熔池反应区
(1)反应速度低 与熔滴相比，熔池平均温度较低，约为1600～1900℃；熔池比表 面积较小，约为300～1300cm2/kg；熔池存在时间稍长，但也不超
过几十秒，如焊条电弧焊时为3～8s，埋弧焊时为6～25s。
焊接冶金过程特点
（2）熔渣保护
利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的
熔渣起到保护作用。对于埋弧焊来讲，
焊剂及其熔渣的保护效果很好。 • 防止金属氧化和吸气 • 另一方面向熔池过渡合金元素，提高焊 缝性能
• 还可以减少散热，提高生产率，防止强
光辐射
焊接冶金过程特点
焊剂是由SiO2，MnO、MgO及CaF等组成的硅酸盐。 焊剂保护的效果
（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。
焊接冶金反应区
3.熔池反应区
(3)反应不同步 熔池的温度分布极不均匀，其前部温度比后部高。 (4)具有一定的搅动作用 在气流、等离子流以及由于熔池温度分布不匀造成的液态金属 密度差异和表面张力差异等因素的综合作用下，熔池中的液态金 属会发生有规律的对流和搅动，有助于加快反应速度，也为气体 和非金属夹杂物的外逸创造了条件。
焊接冶金过程特点
焊缝成分特点
焊接时，焊缝金属的成分是会发生变化的， 有益合金元素会被烧损，有害元素则可能增多，
焊缝金属成分一般难以同填充金属或母材完全相
同。
焊接冶金过程特点
在焊接过程中对焊接区内的金属进行保护是焊接
化学冶金的首要任务。为防止空气的有害作用，焊 接过程中必须对焊接区金属采取保护措施。不同的 保护方式，所取得的效果也不同。
3000 0．0043
2500 0．0022
2000 0．0022
焊接冶金过程特点
(3)渣-气联合保护
渣-气联合保护是通过
药皮或药芯中的造渣剂和 造气剂在焊接过程中形成 熔渣和气体而共同起到保
护作用的。
熔敷金属含氮量与焊条
焊接冶金过程特点
熔敷金属含氮量与药芯
焊接冶金过程特点
(4)真空保护 真空保护是指利用真空环境使焊 接区的空气含量显著降低的保护 方法。 真空度高于0.0133Pa的真空室内 进行电子束焊接，保护效果最理 想的。
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
7
焊接冶金过程特点
熔池的形成
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 。
焊接冶金过程特点
9
焊接冶金过程特点
焊接冶金过程特点
焊缝的化学成分
由于焊接的高温及焊接区内的各种焊接冶金反应，焊缝的化学成分、组 织及性能同母材有相当大的差别。
焊接冶金过程特点
(5)自保护
从本质上讲，以上提到的四种保护均属将空气排除焊
接区的机械保护方法。
通过化学反应防止氧和氮进入焊缝的冶金保护办法。
具体而言，自保护就是通过在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂
，使由空气进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化
物，并使其成渣。
焊接冶金反应区
图2-3 焊接化学冶金的反应区 Ⅰ—药皮反应区 Ⅱ—熔滴反应区 Ⅲ—熔池反应区 —药皮开始反应温度 —焊条端部熔滴温度 —弧柱中部熔熵温度 —熔池最高温度 —熔池最低温度
云石)等碳酸盐，它们受热 超过一定温度时会发生分 解反应，生成CO2气体，起 到气体保护作用。
不同物质对碳酸钙分解度的影响(加热速度为30℃/s) 1—CaC 2—CaC +Ca 3—CaC +Ti 4—CaC +Si 5—CaC +N C (比例1∶1) 6—CaC +Ca +Ti +N C (比例1∶2∶2∶1) 7—CaC +Ca +Ti (比例1∶2∶2)