第四章_金属熔焊原理

形成氮化物，可用N作为保护气体（如铜、镍）。
2、与氮发生作用的金属：即能溶解氮又能形成
氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化（如铁、钛）。
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(一)氮在金属中的溶解
1）原子形式溶于液态金属 2）以NO形式溶入 3）以氮离子形式溶入
（二）氮对焊接质量的影响
在液态铁中的溶解度随 温度增加而增大，但当 温度超过2200℃时， 熔解度急剧下降，金属 凝固时也急剧下降。
第四章 金属熔焊原理
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§4-1 焊接热过程及冶金过程特点 §4-2 气体对焊缝金属的影响 §4-3 熔渣与金属的作用 §4-4 焊缝金属的结晶 §4-5 焊接热影响区的组织与性能 §4-6 焊缝中的气孔
§4-7 焊接裂纹
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本章重点
焊接冶金过程的特点。 焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷及合金化。 焊缝金属的结晶过程及组织。 焊接热影响区的构成、组织与性能。 焊缝中气孔的产生与防止方法。 焊接裂纹的产生、形成及防止措施。
3、熔池温度
熔池中部温度最高， 头部次之，其次是尾部。
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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
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四、焊条冶金过程特点
普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比
普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放在特 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，
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（四）控制氢的措施
1) 限制焊接材料的含氢量，药皮成分
2) 严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分
3) 冶金处理 4) 调整焊接规范 5) 焊后消氢处理
在药皮中加入氟化物 在药皮或焊芯中加入稀土金属 控制焊接材料氧化还原
焊后立即将焊件加热 到300~350℃，保温 2~3个小时的一种工 艺手段。
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（四）氧对焊接质量的影响
1) 机械性能下降：强度、塑性、韧性明显下降，低温韧性急剧下降。 2) 化学性能变差 ：材料的抗腐蚀性下降。 3) 产生气孔、合金元素烧损。 4) 工艺性能变差 ：增加飞溅。
（五）防止措施
1. 严格控制母材及焊材中氧的含量。 2.控制焊接工艺参数。 3.加强脱氧。
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电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。是熔化焊条、焊丝、母材
的主要能量。
化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（只占
1%~3%可忽略不计）。
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（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 。
加热到最高温度的时间 相对于冷却到室温的时 间要短，在相变温度以 上停留时间越长，越有 利于奥氏体均质化。
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三、焊条的加热和焊接熔池
（一）焊条的加热
电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。当电阻热过大时，易
引起焊芯和药皮温度过高，造成飞溅增加，药皮开裂、脱落或失去保护、 冶金作用，在焊条电弧中应尽量少用，但在电渣焊中却是主要能量。
指焊条受热后，直到焊条 药皮熔点前发生的一系列反应。
1) 水分蒸发 2) 某些物质分解 3) 铁合金氧化
1、气渣联合保护 2、渣保护 3、气保护 4、真空保护 5、自保护
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2、熔滴反应区：指熔滴形成、长大、脱离焊条，过渡到熔池中这个过程。
１) 温度高：1800~2400℃ ２) 与气体、熔渣的接触面积大：比表面积达 103~104cm2/kg ３) 时间短速度快：T停=0.01~0.1(s)， V过=7.5~10m/s，
焊接时熔池相当高炉。 1）原材料不同
共 同 金属冶炼加工 点
不 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。 焊冶材料：焊条、焊丝、焊剂等。
同 点 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
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特点
（一）焊接时熔化金属受到保护
（二）焊接冶金过程分区域进行 （以焊条电弧焊为例）
1、药皮反应区：
? ２.氢在焊缝中分布
（1）氢沿长度方向的分布：基本均匀，但火口处含氢量较高。 （2）氢沿焊接接头横断面的分布：与母材成分、组织、焊缝金属类型、
母材与焊缝组织类型的匹配有关。
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原因是熔解在晶格中的氢在拉伸时集中于位错 空腔中，结合为分子氢，产生很高内压力，导
（三）氢对焊接质量的影响 致金属变脆，可通过去氢处理去除。
增加焊接电流、焊条直 径，降低电弧电压，可 有效减少氮的影响，直 流正接比反接时焊缝中 含氮量高。
2.控制措施
主要加强焊接区的保护
增加焊丝中碳的含量， 可降低焊缝中氮含量， 原因是碳氧化引起的沸 腾有利于氮的逸出，钛、 铝、锆、稀土金属与氮 形成稳定且不溶于液态 钢的化合物，也有一定 作用。
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三、氢对金属的作用 （一）、氢在金属中的溶解
1.氢脆:氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。
2.白点:在其拉伸或弯曲断面上出现的银白色圆形
局部脆断点称为白点。
☻大小：D=0.5~3mm（肉眼可见，其中心常有
小夹杂物或气孔，象鱼眼，所以又叫鱼眼）。
☻对白点的敏感性：氢在铁素体中扩散很快，利
于逸出，在奥氏体中熔解度大扩散很慢，所以都不 敏感。含Cr、Ni、Mo多时对白点很敏感，白点可通 过去氢去除。
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§4-3 熔渣与金属的作用
熔渣：焊条药皮，焊剂溶化后经过一系列
化学变化形成的覆盖于焊缝表面的非金属物 质。
一、焊接熔渣
（一）熔渣的作用
1. 机械保护作用 2. 冶金处理作用 3. 改善工艺性能
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（二）熔渣成分：大体由氧化物、
氯化物、氟化物、硼酸盐类组成是 多种化学组成的复杂体系。
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二、焊接温度场和焊接热循环
（一）焊接温度场
1.定义：焊接过程中，焊件上各点的温度随 时间而改变，我们将某一瞬间焊接 接头上各点温度的分布状态称为焊 接温度场。
2.特点：温度场呈一系列椭圆形的等温线， 离热源越近，等温线越密，远则稀， 焊接速度越快，椭圆长轴越长，短 轴越短。
3.作用：便于分析接头各处温度高低，组织 与性能的变化。
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（二）焊接热循环
1.定义：在焊接热源作用下,焊件上某一点P的温度随时间的变 化过程叫作焊接热循环.
2.基本参数：
加热速度：随着速度增加，相变温度提高，奥氏体均质化和碳 化物溶解也越不充分，影响冷却后组织与性能。
加热的最高温度：各部峰值温度的不同将严重影响其金相组织 与性能的变化以及应力与变形的分布。
（三）熔渣分为三类
第一类 氧化物型
由金属氧化物组成，主要 用于焊接低碳钢及低合金 钢
第二类 盐—氧化物型 第三类 盐型
由氟化物和强金属氧化 物组成，主要用于焊接 高合金钢。
由金属的氟酸盐、氯酸盐和
不含氟的化合物组成，其氧
化性小，用于焊接铝、钛等
活性金属及其合金。
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（四）熔渣酸碱度
这一领域存在分子理论与离子理论两种观 点，分子理论认为熔渣中的氧化物按其性 质可分为三类。
增大焊接电流，氢吸收量增
加
增加电压含氢量稍有减少
采用反极性可减少氢含量
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四、氧对金属的作用
（一）焊接区氧的来源：氧化性气体、药皮中高价氧化物、铁锈、
水分等分解产物。
（二）氧在金属中的溶解
1) 以原子氧形式溶解 2) 以FeO形式溶解
（三）金属被氧化的途径
1) 自由氧对金属的氧化 ：2C+O2=2CO 2) CO2对金属的氧化 ：CO2+Fe=CO+FeO 3) H2O气对金属的氧化 ：H2O+Fe=FeO+H2 4) 混合气体对金属的氧化
T过=0.0001~0.001(s)，T触=0.01~1.0(s)
４) 熔渣、熔滴搅拌混合强烈：增加相的接触面，利于反应物的进
入和退出，加快反应速度。
主要反应有：气体分解和熔解、金属蒸发、 金属及其化合物间的氧化与还原以及焊缝 金属的合金化。
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3、熔池反应区：熔滴和熔渣进入熔池后各相间进行的一系列物化反应
： 1、来源 焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物、焊
件表面杂质（锈、油）及空气中水分。
2、氢的溶解机制
1) 氢以原子形式溶入
2) 以 H 溶入
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（二）、焊缝金属中的氢及其扩散
1.存在形式
①扩散氢：氢以原子或离子形式存在，与金属形成间隙固熔体，并 可在金属晶格中自由扩散。
②残余氢（剩余氢）：氢原子扩散聚集到金属的晶格缺陷，显微裂 纹和非金属夹杂物的边缘空隙中，结合成分子，不能自由扩散。 总含氢量=扩散氢＋剩余氢
1)提高焊缝金属的强度、硬度，降低塑性、韧性（低温下降更明显）。 2)导致氮气孔产生。 3)造成时效脆化 ：由于过饱和的氮处于不稳定状态，随着时间的延长，
其逐渐析出，形成稳定针状氮化物使焊缝塑性、韧性明显下降的现象。
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（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施
1.影响因素
☻焊接区的保护 ☻焊接工艺规范影响 ☻焊丝成分的影响
为热源。 4) 其它热：如摩擦能量、轰击能量等。
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2、热源特点
局部加热。 能量高度集中。 热源温度远高于被焊金属熔点。
（二）焊接传热
导热：直接接触的物体间或物体内部的一种传导方式。 热对流：液体内部各部分发生相对位移而引起的热量转移方式。 热辐射：物体表面向外发射可见或不可见射线、不需要接触而进
行பைடு நூலகம் 量传递的方式。
在相变温度以上的停留时间：相变以温度停留时间将影响奥氏 体的均质化，但如果在高温停留 时间长则会使晶粒严重粗大。
冷却速度或冷却时间：将影响到固态相变组织及晶粒粗细。
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离焊缝中心远近不一的各点其热 循环各不相同，离焊缝越近的点， 其加热速度越快，峰值温度越高， 冷却也越快，加热到最高点所用 时间也最短。
I增加，最大熔宽微 有减小，最大深度明 显增加；U增加，最 大熔宽明显增加，最 大深度明显减小。
P2（mm/kw）的 大小取决于焊接方 法与焊接电流，
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2、熔池质量和存在时间
tmax=L/v tcp=mp/ρvAw AW焊缝的横截面积
tmax—最大停留时间（s） L—熔池长度（cm） V —焊接速度（cm/s） mp —熔池的质量（g） ρ—熔池液态金属密度（g/cm3） AW—焊缝的横截面积（cm2）
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§4-1 焊接热过程及冶金过程特 点
焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内 各种物质（气相、液态金属、熔渣）之间在高温 下相互作用的过程。包括加热、熔化、冶 金反应、结晶、固态相变、形成接头几个 部分。
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一、焊接热过程和传热
（一）焊接热源
1、种类： 1) 电阻热：焊接电流的热效应产生的热量作
为焊接热源。 2) 电弧热：利用焊接电弧的能量作为热源。 3) 化学反应热：利用化学反应产生的能量作
1)酸性氧化物 SiO2 TiO2 P2O5
2)碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO
3)中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3
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根据分子理论碱度的定义为：
1）熔池相对要低：T =1600～1900℃。 2) 比表面积小：3～130 cm2/kg 3）时间长： 手工焊3～8s，埋弧焊6—25s 4）反应速度没有熔滴反应区强：反应时间长。 5）熔池温度不均匀：其前部与尾部反应相反。
熔池前半部分发生金属熔化和气体的吸收,利 于吸热反应，熔池后半部分发生金属凝固和气 体的析出,利于放热反应。
2（C6H10O5）m+7mO2=12mCO2+10mH2 2.碳酸盐和高价氧化物的分解：
CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 6Fe2O3=4Fe3O4+O2 3.材料的蒸发
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二、氮与金属作用
来源：主要是焊接区周围的空气。 氮与金属作用有两种情况。
1、不与氮发生作用的金属：即不能熔解氮又不
3.气孔：由于温度下降，熔解于金属内的氢来不
及逸出而在焊缝中形成的空穴。 4.产生冷裂纹
产生原因：白点
是在塑性变形阶段产 生的。
“诱捕理论”解
释：焊缝中的气孔及 非金属夹杂物边缘的 空隙,好象“陷阱” 一样.捕捉氢原子， 并在其中结合成氢分 子,在拉伸试验中 “陷阱”中的氢分子 被吸附.由于塑性变 形新产生的微裂纹表 面上,分解成原子氢, 原子氢扩散到微裂纹 金属晶格内,引起金 属脆化。
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§4-2 气相对焊缝金属的影响
一、焊接区内的气体
（一）气体的来源
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
成分：C 、 C O 2 、 O H 2 、 H 2 O 、 O 2 、 N 2 金属及熔渣蒸气
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（二）气体的产生
1.有机物的分解和燃烧：如淀粉、纤维素等有机化合物热氧化分 解反应。