焊接冶金学.

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1、Advanced Materials Research Center,焊接化学冶金 (Chemical Metallurgy),Advanced Materials Research Center,重点内容： 1）焊接区保护的必要性及焊接反应区特点； 2）焊接区中N、H、O对焊接 质量的影响及控制措施； 3）熔渣对金属的作用； 4）S、P的危害及控制措施。,本章以低碳钢和低合金钢焊条电弧焊时的冶金问题为重点，从热力学角度阐明焊接化学冶金的一般规律。,Advanced Materials Research Center,焊接化学冶金过程 熔焊时焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。它对焊缝

2、金属的成分、性能，某些焊接缺陷（气孔、结晶裂纹等）以及焊接工艺性能都有很大影响。,焊接化学冶金学焊接理论的重要分支,研究内容：主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成份、性能之间的关系及其变化规律。 研究目的：运用这些规律合理选择焊接材料，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。,4,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，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，焊接时焊缝相当高炉。 二者共同点：金属冶炼加工。,5,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、

3、焊丝、焊剂等。,Advanced Materials Research Center,1-1 焊接化学冶金过程的特点,焊接材料熔化及熔池的形成 焊接材料（焊条）的加热及熔化 1加热熔化 形成熔滴 电阻热 热量 电弧热 化学反应热 电阻热电流通过焊芯时产生，使焊芯和药皮升温 药皮反应（500-600） 如果焊芯的电阻率药皮发红、开裂甚至剥落、飞溅增加、药皮丧失冶金作用焊缝成形差、产生气孔。 电弧热：加热和熔化焊接材料的主要热源，但仅为全部功率的一部分。 化学反应热(一般只占1-3%,可忽略不计),Advanced Materials Research Center,2、焊接材料的平均熔化速度gM

4、、平均熔敷速度gD 平均熔化速度gM 定义：单位时间内熔化的焊芯的质量或长度 。 单位：（g/h） 计算式： G-熔化的焊芯质量（g）; t-电弧燃烧时间（h）； I-焊接电流（A）； -焊条的熔化系数(g/(A.h) 熔化系数的定义：熔化焊时，单位电流、单位时间内熔化的焊芯质量或长度。,Advanced Materials Research Center,平均熔敷速度gD 定义：单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量 。单位：（g/h） 计算式： GD-熔敷到焊缝金属中的金属质量（g）; -焊条的熔敷系数(g/(A.h) 损失系数： 定义：焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分

5、金属质量与熔化的焊芯质量之比。 计算式：,Advanced Materials Research Center,3、焊条金属熔滴及其过渡特性,熔滴：在电弧热作用下，焊接材料端部熔化形成的滴状液态金属。,熔滴过渡特性的作用： 1）影响焊接过程的稳定性； 2）影响焊接冶金； 3）影响焊缝成形。,熔滴过渡形式、尺寸及频率的影响因素 1）药皮的成分与厚度； 2）焊芯直径； 3）焊接电流和极性等。,熔滴颗粒度飞溅、噪音焊缝成形美观,Advanced Materials Research Center,熔滴过渡特性的影响,焊接过程的稳定性 细滴过渡、射流过渡时, 焊接过程稳定 焊接冶金 细滴、高频率，冶金

6、反应充分 焊缝成形 细滴成形美观，飞溅小；粗滴、短路过渡成形差，飞溅大,Advanced Materials Research Center,（1）熔滴过渡的形式,采用药皮焊条焊接时，熔滴过渡形式主要有三种：短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。,短路过渡: 在短弧焊时，焊条端部的熔滴长大到一定尺寸后，便与熔池发生接触，形成短路，电弧熄灭； 同时在各种力（重力、电磁力、表面张力等）的作用下溶滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。,短路过渡,Advanced Materials Research Center,颗粒状过渡: 当电弧足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大尺寸,然后在电弧吹力、重力等各种力的作用下，以

7、颗粒状落入熔池。 颗粒过渡包括粗滴、细滴和射流过渡（气保焊），熔滴随电流密度的增大而变细。,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。,颗粒过渡,附壁过渡,Advanced Materials Research Center,影响熔滴过渡形式、尺寸及频率的因素,药皮类型 碱性焊条主要是短路和大颗粒过渡；酸性焊条主要是细颗粒和附壁过渡。 焊芯直径 直径减小，熔滴变细。 焊接电流 电流增大，熔滴变细，过渡频率,Advanced Materials Research Center,（2）熔滴的比表面积(S),定义:熔滴的表面积Ag与其质量 之比。 表达式： 如果熔滴是半径为R的球体，则

8、其表面积为：,熔滴越细，其比表面积越大。 熔滴变细（如增大焊接电流、药皮中加入表面活性物质等S 有利于加强冶金反应。,Advanced Materials Research Center,熔滴与周围介质的相互作用时间( ),熔滴存在时间 相互作用时间 m0-熔滴脱落后残留在焊条端部的液体金属质 mtr-过渡的熔滴质量 作用：影响熔滴的冶金反应程度 影响因素：熔滴存在时间、 m0/mtr、焊接方法、焊接工艺参数、电流极性和焊接材料等。 平均相互作用时间：0.011.0s。,Advanced Materials Research Center,熔滴温度,研究熔滴阶段各种物理化学反应必不可少的重要参

9、数； 理论上精确计算困难； 对于低碳钢焊条电弧焊，熔滴的平均温度为18002400 (实测值) ； 焊接电流熔滴平均温度； 焊丝直径熔滴平均温度。,小结：熔滴更多的以细滴过渡，熔滴与周围介质作用时间很短(0.11.0s)，但熔滴比表面积大，温度高，冶金反应激烈充分。,Advanced Materials Research Center,熔渣过渡的形式和熔渣的温度,以薄膜形式包在熔滴外面或夹在熔滴内，同熔滴一起落入熔池； 直接从焊条端部流入熔池，或以滴状落入熔池。药皮厚度大时才会出现这种过渡形式。,熔渣的平均温度：不超过1600。,焊条药皮熔化后形成的熔渣，向熔池过渡的形式有两种:,Advanc

10、ed Materials Research Center,熔池的形成,定义：熔焊时，在热源作用母材上由熔化的焊接材料和局部熔化的母材组成的具有一定几何形状的液体金属。 焊接时如果没有填充金属，那么熔池由局部熔化的母材组成。,熔池的形状、尺寸、温度、存在时间和其中液体金属的流动状态，对熔池的冶金反应、结晶方向、晶体结构、夹杂物的数量和分布，以至焊接缺陷的产生等，均有重要影响。,Advanced Materials Research Center,熔池的形状及影响因素,熔池的形状和尺寸 类似于不标准的半椭球 半椭球形：长（L）：1-3mm 宽（Bmax）L 焊缝横截面Aw:0.1-1cm2 熔深H

11、maxL 轮廓为温度等于母材熔点的等温面 影响因素： IBmax，Hmax UBmax，Hmax,Advanced Materials Research Center,熔池的质量与存在时间,熔池质量： 手弧焊熔池质量0.6-16g，多数5g 埋弧焊100g 存在时间: 几秒几十秒,取决于熔池长度L和焊速 tmax有利于物质的反应, 气孔的形成和缺陷的产生。,Advanced Materials Research Center,熔池温度,熔池温度分布不均匀,熔池前部比后部高约150-200 前部:加热熔化温度约1800-1900 后部:冷却结晶温度约为1600 熔池的平均温度主要取决于母材的性质

12、和散热条件。 对于低碳钢而言熔池的平均温度为1770,熔池的温度分布 1-熔池中部；2-前部；3-后部,Advanced Materials Research Center,4. 熔池中流体的运动状态,熔池中的液体金属在各种力的作用下，将发生强烈的运动。正是这种运动使得熔池中热量和质量的传输过程得以进行。,TIG焊钛合金时熔池中金属的流向,流动状态如图所示： 熔化的母材由熔池前部沿结晶前沿的弯曲表面向熔池后部运动； 而在熔池表面上，液态金属由熔池后部向中心运动。,Advanced Materials Research Center,熔池内流体的运动对焊接质量影响,可使熔化的母材和焊条金属很好地

13、混合，形成成分均匀的焊缝金属。 有利于气体和非金属夹杂物外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷（如气孔），提高焊接质量。,在液态金属与母材交界处，液态金属的运动受到限制，故该处常出现化学成分不均匀性.,当存在表面活性剂时，熔池表面边缘的液体金属将向表面中心流动，有利于将热源的热传递到熔池底部，从而使焊缝熔深增加。,表面张力,（熔池中心表面张力大于熔池边缘）,Advanced Materials Research Center,采用活性焊剂TIG焊（A-TIG），可显著增加钢和不锈钢焊缝的熔深。,厚6mm的316L不锈钢TIG焊缝: (a) 无活性剂; (b) 有活性剂,Advanced Materi

14、als Research Center,活性焊剂使熔池表面张力梯度改变，导致熔池表面液态金属由边缘向中心运动，有利于把热量充分传递到熔池的最深部分。 活性焊剂使电弧收缩，熔池表面电流密度增大，随之增大的电磁力促使液态金属从外围向中心流动。,A-TIG焊熔深增加的原因,Advanced Materials Research Center,二、焊接过程对金属的保护,保护的必要性 与钢铁冶金过程相比 一般焊接过程的保护不如钢铁冶金过程，必然会有较多空气中的氧、氮侵入焊接区，使焊缝金属中w(O)、w(N)增加，有益合金元素被烧损，并严重影响其力学性能，特别是使其塑性和韧性急剧下降。 用光焊丝在空气中进

15、行无保护焊接 无保护熔池金属与周围的空气发生激烈的相互作用，焊缝金属N化、氧化焊缝中N、O化合物、杂质有益合金元素烧损焊缝金属的塑性、韧性力学性能、电弧不稳定，焊缝中产生气孔。 焊缝中w(O)：0.14%-0.72%、w(N):0.105%-0.218%,分别是焊丝中的20-45倍和7-35倍。,Advanced Materials Research Center,二、焊接过程对金属的保护,因此， 有必要加强对焊接区金属的保护，防止空气的有害作用。 为了提高焊缝金属的质量，有必要加强保护，如通过焊条药皮、焊剂、气体保护焊等措施。eg.药皮焊条中利用Ti、Si、Mn先期脱氧、熔池中Si、Mn的联

16、合脱氧，增加焊缝的有益合金元素，提高焊缝的力学性能。,Advanced Materials Research Center,二、焊接过程对金属的保护,保护方式和效果 1气体保护 用对焊接质量无害的气体隔离空气。如：气焊、惰性气体保护焊、CO2气保焊 2渣保护 用具有一定物理化学性能的渣隔绝空气。如：埋弧焊、电渣焊 3气-渣联合保护 如：焊条、药芯焊丝、造气剂和造渣剂 4真空保护 5自保护 属化学保护，含脱氧、氮剂，如实芯或药芯焊丝 其中：1，2，3，4属于机械保护，5是化学保护 保护的主要目的是防止N化,Advanced Materials Research Center,不同的保护方式，其保护效果不同： 对于焊剂的保护效果主要取决于焊剂的粒度和结构，多孔性浮石状的焊剂保护效果比