焊接化学冶金及焊缝金属的合金化
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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 a)电阻热:焊接电流通过焊芯时将产生电阻热,使焊芯和药皮温度升高。 正常焊接规范手弧焊,电阻热对焊芯预热作用不大; 大电流密度焊接,电阻热过大,焊芯和药皮的温升过高,不良后果,如 药皮开裂或脱落,丧失冶金作用、飞溅增加、焊缝成形变坏,甚至产生 气孔等缺陷。不锈钢(尤其是奥氏体钢热导率约为低碳钢的1/3,马氏体 和铁素体钢热导率约为低碳钢的1/2 )焊条焊接时,更为严重。 焊接终了时,焊芯温度不应超过600~650℃。 b)电弧热:焊条端部得到的电弧热是熔化焊条并使液体金属过热和蒸发 的主要能源。其中只有一小部分传导到焊芯深处加热焊芯和药皮。焊条 端部药皮表面温度可达600℃左右,因此,在该处开始发生冶金反应。 c)化学反应热:仅占1%~3%,忽略不计。
研究内容:在各种焊接工艺条件下,冶金反应与焊缝金属成分、性能之间 的关系及其变化规律。
研究目的:运用上述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,设计新的焊接材料。
研究对象:手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢时的焊接化学冶金一般规律。 研究手段:热力学(焊接化学冶金动力学还很不成熟)
(二)熔池的形成
1、熔池的形状和尺寸:不标准的半椭球,其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。
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。
2、熔池的质量和存在时间:手弧焊0.6~16g,多数情况下小于5g;埋弧 焊低碳钢,即使焊接电流很大,熔池的质量也不过100g
存在时间:几秒到几十秒,熔池中各种物化反应短暂,但比熔滴阶段长。 3、熔池的温度:电弧下的熔池表面(熔池中部)温度最高, 低碳钢:平均温度1600~1900 ℃ 。
2、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,
与焊接电流成正比。
平均熔敷速度:在焊接过程中并非所有熔化的焊条金属都 进入了熔池形成焊缝,而是有一部分损失(飞溅、氧化和蒸发损 失) 。单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量。
3、焊条金属熔滴及其过渡特性
熔滴:在电弧热的作用下,焊条端部熔化形成的滴状液态金属。
S 3
R
熔滴与周围介质的平均相互作用时间:一般情况下可用熔滴的存在时间近似地 表示。根据焊接方法、工艺规范、电流极性和焊接材料的不同,平均相互作用 时间在0.01~1.0秒内变化,是很短暂的。
(4)熔滴的温度
手弧焊接低碳钢,熔滴的平均温度为1800~2400 ℃。熔滴的平均温度随焊接电 流的增加而升高,随焊丝直径的增加而降低。
其松装密度(单位体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮 量越多,说明保护效果越差。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。
第二章 焊接冶金学基本原理
焊接化学冶金
焊接化学冶金
1. 焊接化学冶金过程的特点 2. 焊接区内气体与金属的作用 3. 焊接熔渣对金属的作用 4. 焊缝金属的净化与合金化
第一节 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,焊接区内各种物质之间在高温下相互 作用的过程。复杂的物理化学变化过程。
气体
气焊、 CO2、TIG、MIG、MAG焊 …
熔渣
埋弧焊、电渣焊
气-渣联合
焊条和药芯焊丝(熔化100g焊芯,焊条析出2500~5080cm3的气 体,药皮套筒内形成定向气流吹向熔池,将焊接区与空气隔开)
真空
真空电子束焊接
自保护
ห้องสมุดไป่ตู้
用含有脱氧、脱氮剂的所谓自保护焊丝焊接
(3)保护效果 各种保护方式的保护效果是不同的。试验表明,焊剂的粒度越大,
TIG焊钛合金时熔池中金属的流动
熔滴 熔池
熔滴与熔池比较 温度(℃) 比表面积 相互作用时
(cm2/kg) 间(s)
1800~2400 103~104 0.01~1.0
1600~1900 3~130
手弧焊3~8 埋弧焊6~25
二、焊接过程中对金属的保护
(一)保护的必要性 焊缝成分和性能显著变化
熔化金属与其周围空气激烈作用焊缝金属中氧和氮的含量 显著增加;
锰、碳等有益合金元素因烧损和蒸发而减少,这样焊缝 金属的塑性和韧性急剧下降,但氮的固溶强化作用,强度变 化较小;
焊接工艺性能差
光焊丝焊接,电弧不稳定,焊缝中产生气孔。
光焊丝焊接无实用价值。
焊接化学冶金的首要任务:就是对焊接区内的金属加强保护,以免受空气的 有害作用。
(二)保护的方式和效果
保护方式
熔焊方法
(1)熔滴过渡的形式:药皮焊条焊接时,熔滴主要有三种过渡形式: a) 短路过渡:短弧焊时,焊条端部的熔滴长大到一定尺寸与熔池接触,
形成短路,电弧熄灭。在各种力(电磁收缩力、等离子流力、斑点力、 爆破力、细熔滴的冲击力)的作用下熔滴过渡到熔池中,电弧重新引 燃。如此重复这一过程,形成稳定的短路过渡过程。
b) 颗粒状过渡(大颗粒、细颗粒):电弧足够长时,焊条端部的熔滴长 大到较大的尺寸,在各种力的作用下,以颗粒状落入熔池,不发生短 路,接着进行下一个过渡周期。
c) 附壁过渡:熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡的形式。 碱性焊条:在较大的焊接电流范围内,主要是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) 熔渣过渡形式: 熔渣:药皮熔化后形成熔渣。 a) 以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池; b) 直接从(厚药皮)焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。 熔渣的平均温度不超过1600 ℃(钢焊条药皮熔点1200 ℃ )。 (3)熔滴的比表面积和相互作用时间 熔滴的比表面积:熔滴的表面积与其质量之比,103~104cm2/kg。
4、熔池中流体的运动状态: 方向:底部(熔化的母材由熔池前部沿结晶前沿的弯曲表面向熔池的后部运动)、熔池 表面(液态金属由熔池的后部向中心运动) 流速:30~80m/h,底部液态金属的流速是焊速的10~20倍(I:300~500A, U:10V), 熔池中的运动是很激烈的。 注意:小体积熔池中,液态金属产生涡流。 运动的作用: (1)成分均匀(焊条熔敷金属与局部熔化的母材金属能够很好的混合); (2)气体和非金属夹杂的外逸,消除焊接缺陷; (3)加速冶金反应,提高焊接质量。
(一)焊条的加热及熔化
1、焊条的加热 a)电阻热:焊接电流通过焊芯时将产生电阻热,使焊芯和药皮温度升高。 正常焊接规范手弧焊,电阻热对焊芯预热作用不大; 大电流密度焊接,电阻热过大,焊芯和药皮的温升过高,不良后果,如 药皮开裂或脱落,丧失冶金作用、飞溅增加、焊缝成形变坏,甚至产生 气孔等缺陷。不锈钢(尤其是奥氏体钢热导率约为低碳钢的1/3,马氏体 和铁素体钢热导率约为低碳钢的1/2 )焊条焊接时,更为严重。 焊接终了时,焊芯温度不应超过600~650℃。 b)电弧热:焊条端部得到的电弧热是熔化焊条并使液体金属过热和蒸发 的主要能源。其中只有一小部分传导到焊芯深处加热焊芯和药皮。焊条 端部药皮表面温度可达600℃左右,因此,在该处开始发生冶金反应。 c)化学反应热:仅占1%~3%,忽略不计。
研究内容:在各种焊接工艺条件下,冶金反应与焊缝金属成分、性能之间 的关系及其变化规律。
研究目的:运用上述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,设计新的焊接材料。
研究对象:手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢时的焊接化学冶金一般规律。 研究手段:热力学(焊接化学冶金动力学还很不成熟)
(二)熔池的形成
1、熔池的形状和尺寸:不标准的半椭球,其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。
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。
2、熔池的质量和存在时间:手弧焊0.6~16g,多数情况下小于5g;埋弧 焊低碳钢,即使焊接电流很大,熔池的质量也不过100g
存在时间:几秒到几十秒,熔池中各种物化反应短暂,但比熔滴阶段长。 3、熔池的温度:电弧下的熔池表面(熔池中部)温度最高, 低碳钢:平均温度1600~1900 ℃ 。
2、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,
与焊接电流成正比。
平均熔敷速度:在焊接过程中并非所有熔化的焊条金属都 进入了熔池形成焊缝,而是有一部分损失(飞溅、氧化和蒸发损 失) 。单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量。
3、焊条金属熔滴及其过渡特性
熔滴:在电弧热的作用下,焊条端部熔化形成的滴状液态金属。
S 3
R
熔滴与周围介质的平均相互作用时间:一般情况下可用熔滴的存在时间近似地 表示。根据焊接方法、工艺规范、电流极性和焊接材料的不同,平均相互作用 时间在0.01~1.0秒内变化,是很短暂的。
(4)熔滴的温度
手弧焊接低碳钢,熔滴的平均温度为1800~2400 ℃。熔滴的平均温度随焊接电 流的增加而升高,随焊丝直径的增加而降低。
其松装密度(单位体积内焊剂的质量)越小,透气性越大,焊缝金属中含氮 量越多,说明保护效果越差。但是不应当认为焊剂的松装密度越大越好。
第二章 焊接冶金学基本原理
焊接化学冶金
焊接化学冶金
1. 焊接化学冶金过程的特点 2. 焊接区内气体与金属的作用 3. 焊接熔渣对金属的作用 4. 焊缝金属的净化与合金化
第一节 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,焊接区内各种物质之间在高温下相互 作用的过程。复杂的物理化学变化过程。
气体
气焊、 CO2、TIG、MIG、MAG焊 …
熔渣
埋弧焊、电渣焊
气-渣联合
焊条和药芯焊丝(熔化100g焊芯,焊条析出2500~5080cm3的气 体,药皮套筒内形成定向气流吹向熔池,将焊接区与空气隔开)
真空
真空电子束焊接
自保护
ห้องสมุดไป่ตู้
用含有脱氧、脱氮剂的所谓自保护焊丝焊接
(3)保护效果 各种保护方式的保护效果是不同的。试验表明,焊剂的粒度越大,
TIG焊钛合金时熔池中金属的流动
熔滴 熔池
熔滴与熔池比较 温度(℃) 比表面积 相互作用时
(cm2/kg) 间(s)
1800~2400 103~104 0.01~1.0
1600~1900 3~130
手弧焊3~8 埋弧焊6~25
二、焊接过程中对金属的保护
(一)保护的必要性 焊缝成分和性能显著变化
熔化金属与其周围空气激烈作用焊缝金属中氧和氮的含量 显著增加;
锰、碳等有益合金元素因烧损和蒸发而减少,这样焊缝 金属的塑性和韧性急剧下降,但氮的固溶强化作用,强度变 化较小;
焊接工艺性能差
光焊丝焊接,电弧不稳定,焊缝中产生气孔。
光焊丝焊接无实用价值。
焊接化学冶金的首要任务:就是对焊接区内的金属加强保护,以免受空气的 有害作用。
(二)保护的方式和效果
保护方式
熔焊方法
(1)熔滴过渡的形式:药皮焊条焊接时,熔滴主要有三种过渡形式: a) 短路过渡:短弧焊时,焊条端部的熔滴长大到一定尺寸与熔池接触,
形成短路,电弧熄灭。在各种力(电磁收缩力、等离子流力、斑点力、 爆破力、细熔滴的冲击力)的作用下熔滴过渡到熔池中,电弧重新引 燃。如此重复这一过程,形成稳定的短路过渡过程。
b) 颗粒状过渡(大颗粒、细颗粒):电弧足够长时,焊条端部的熔滴长 大到较大的尺寸,在各种力的作用下,以颗粒状落入熔池,不发生短 路,接着进行下一个过渡周期。
c) 附壁过渡:熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡的形式。 碱性焊条:在较大的焊接电流范围内,主要是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) 熔渣过渡形式: 熔渣:药皮熔化后形成熔渣。 a) 以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起落入熔池; b) 直接从(厚药皮)焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。 熔渣的平均温度不超过1600 ℃(钢焊条药皮熔点1200 ℃ )。 (3)熔滴的比表面积和相互作用时间 熔滴的比表面积:熔滴的表面积与其质量之比,103~104cm2/kg。
4、熔池中流体的运动状态: 方向:底部(熔化的母材由熔池前部沿结晶前沿的弯曲表面向熔池的后部运动)、熔池 表面(液态金属由熔池的后部向中心运动) 流速:30~80m/h,底部液态金属的流速是焊速的10~20倍(I:300~500A, U:10V), 熔池中的运动是很激烈的。 注意:小体积熔池中,液态金属产生涡流。 运动的作用: (1)成分均匀(焊条熔敷金属与局部熔化的母材金属能够很好的混合); (2)气体和非金属夹杂的外逸,消除焊接缺陷; (3)加速冶金反应,提高焊接质量。