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1、焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 焊接冶金学-基本原理 主讲: 张文兴 西安工业大学材化学院 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 第2章 焊接化学冶金 含义：在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高 温下相互作用。 作用：对焊缝金属的成分、性能、缺陷和焊接工艺 都有很大影响。 内容：研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应与
2、焊 缝金属成分、性能之间的关系及变化规律。 目的：合理选择焊接材料，控制焊缝金属成分和性 能，设计创造新的焊接材料。 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 本章内容： 2.1焊接化学冶金过程特点 2.2气相对金属的作用 2.3熔渣及其对金属的作用 2.4焊缝金属的合金过渡 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 2.1焊接化
3、学冶金过程特点 2.1.1焊条熔化及熔池形成 2.1.2焊接过程中对熔融金属的保护 2.1.3 焊接化学冶金反应区及其反应条件 2.1.4 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 普通化学冶金和焊接化学冶金过程对比： 普通化学冶金过程 对金属熔炼加工过程，在特定的熔炉中进行。 焊接化学冶金过程 金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当于熔炉。 二者共同点：金属冶炼加工。 不同点： 1）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废
4、钢铁 焊接材料：焊条、焊丝、焊剂 2）目的不同 普冶：提炼金属；调整状态 焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能 焊接原理就是用基本理论 分析在焊接条件下的特点 ，重点是不同之处。 含义或形式不同 在熔炉中进行，量大 焊缝相当于熔炉，量小 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 焊接冶金学焊
5、接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 2.1.1焊条熔化及熔池形成 1、焊条的加热及熔化 （1）焊条的加热 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。（600650) 电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。（主要） 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（极少 ） 2.1焊接化学冶金过程的特点 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶
6、金 （2） 焊条金属的熔化速度 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称为,与焊接电流成正比 gM焊条金属平均熔化速度（g/h) G 熔化的焊芯质量（g） t 电弧燃烧的时间（h） I 焊接电流（A) P焊条的熔化系数g/(Ah) 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 焊条金属平均熔敷速度： 单位时间内真正进入焊缝金属的那一部分金属的质量称 gD焊条金属的平均熔敷速度（g/h) GD熔敷到焊缝金属中的金属质量（g） H焊条的平均熔敷系数（g
7、/(Ah)） 损失系数： 损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为 = (G-GD)/G = (gM-gD)/gM = 1-H/P H = (1-) P 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 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。 （3） 焊条金属熔滴及过渡特性 a）熔滴的过渡形式 短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡。 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical
8、 Engineering 第2章 焊接化学冶金 短路过渡示意图 碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡 ；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过 渡。 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 图焊条端部熔滴质量随时间的变化 (低氢碱性焊条，反接) 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 b) 熔滴的比表面积和 与周围介质相互作用时间 熔滴的比表
9、面积S： 熔滴的表面积与其质量之比，称为。 熔滴越细，比表面积越大 I,R,S，利于冶金反应进行 。 大小 103104cm2/kg 熔滴与周围介质的平均相互作用时间 ： 很短, 0.011.0s内。 比表面积小 存在时间短 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 c）熔滴温度 实测手工电弧焊碳钢焊条: 熔滴平均温度： 1800-2400 熔渣平均温度： 1600 熔池平均温度： 1770100 电流越大温度越高，焊丝直径越细温度越高。 注：药皮熔化后（熔渣）
10、的向熔池过渡： 以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起过渡。 直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。 温度高 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 2 熔池的形成 熔池：熔焊时，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。 就像钢锭冶炼一样，不过体积小。 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊
11、接化学冶金 （1）熔池的形状和尺寸 熔池为半椭球，几何尺寸：Hmax(深度）, Bmax（宽度）, L（长度） I，Bmax (主要受I控制) Hmax (不确定，TIG略有增大) ； U，Hmax (主要受U控制) Bmax (不确定) ； P2比例系数，取决于焊接 方法和电流 2.4-5.5 I焊接电流 U焊接电压 该式适用于点状热源 。 比表面积： 熔池 (0.313)10cm2/kg 熔滴 103104cm2/kg 实验结论实验结论 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering
12、第2章 焊接化学冶金 （2）熔池的质量和存在时间 质量：手弧焊：0.616g，一般小于5g 埋弧焊：最大100g。 最大存在时间：几秒-几十秒 比熔滴长。 tmax=L/v v：焊速 平均存在时间： mp：熔池的质量 ：熔池液态金属的密度 Aw：焊缝的横截面积 平均长度 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 （3）熔池温度 熔池中部温度最高，前部/尾部低。 熔滴平均温度： 1800-2400 熔池平均温度： 1770100 熔渣平均温度： 1600 焊接冶金
13、学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 （4）熔池运动状态 a）液态金属密度差引起自由对流运动 b）表面张力差引起强迫对流运动 c）熔池中各种机械力搅拌 对焊接质量的影响 元素扩散成分均匀化 熔渣运动反应彻底 上浮夹杂（熔渣密度小） 气泡上浮气孔 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 2.1.2焊接过程中对熔融金属的保护 1、保护的
14、必要性及目的 现象：氧氮显著提高 合金元素烧损 电弧不稳 目的：减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免合金元 素烧损，降低焊缝的性能；促进电弧稳定燃烧，改善工艺性能 。 光焊丝焊接 塑韧性下降 焊接化学冶金 首要任务 工艺性下降 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 2、保护方式和效果 真空：电子束焊(小于0.0133Pa） 气体：TIG焊, CO2, MIG 熔渣：埋弧焊，渣保护的焊条 气-渣：焊条电弧焊、药芯焊 自保护：焊丝含脱氧剂，脱氮剂（非机械隔离
15、空气） 效果 效果差无实用价值 但可作为补充 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 3、焊条的组成（补充内容） （1）焊芯-焊丝 作用：导电、填充金属。 （2）药皮 作用：机械保护作用 冶金处理作用 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院 School of Material and Chemical Engineering 第2章 焊接化学冶金 药皮组成 稳弧剂: 改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性（原材料为易 电离或电离势低的物质）。 如：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃等。 造渣剂: 造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护 作用和改善焊缝成型。 如：钛铁矿、金红石、萤石(CaF2 )、长石（硅酸盐）等。 造气剂: 造气保护。有机物、碳酸盐。有机物如：木粉、淀粉 、析出气体CO2、H2。碳酸盐析出气体CO2，高温时产生CO。 脱氧剂: 降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。 如：铁合金，锰铁、钛铁、硅铁等。 合金剂: 使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。 如：Fe合金、纯金属。 焊接冶金学焊接冶金学- -基本原理基本原理 西安工业大学材化学院
