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1、焊接冶金学及金属材料焊接（第二版）课题一课题一 控制焊缝熔合比控制焊缝熔合比课题二课题二 焊接熔渣对焊接冶金的作用焊接熔渣对焊接冶金的作用课题三课题三 控制气相对熔池金属的危害控制气相对熔池金属的危害课题四课题四 焊缝金属的合金化途径焊缝金属的合金化途径课题五课题五 焊缝金属的脱硫、脱磷方法焊缝金属的脱硫、脱磷方法模块一模块一 焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程课题一控制焊缝熔合比一、熔池形成过程定义：熔焊时在焊接热源作用下，焊件上由熔化的填充金属和熔化的母材组成具有一定几何形状的液体金属部分叫做熔池。（一）熔池的形状和尺寸图1-1熔池示意图回目录（二）熔池的质量和存在时间 tmax在几秒与几十
2、秒之间变化。焊缝轴线上各点在液态停留的时间最长，离轴线越远，停留的时间越短。一般情况下，熔池存在的时间与熔池长度成正比，与焊接速度成反比。（三）熔池的温度图1-3熔池的温度分布1-熔池中部、2-熔池头部、3-熔池尾部课题一控制焊缝熔合比（四）熔池中液态金属的流动使熔池中液态金属发生运动的主要原因如下：1、液态金属的密度差所产生的自由对流运动2、表面张力所引起的强迫对流运动3、热源的各种机械力所产生的搅拌运动正是这些运动促使熔池中的冶金反应剧烈发生，对保证焊接质量的稳定性具有重大的意义。课题一控制焊缝熔合比二、对焊接区金属的保护保护提供良好的工艺性能渗合金保证冶金反应过程焊条药皮的作用1.保护的
3、必要性1）提高焊接过程稳定性，减少飞溅2）减少合金烧损3）防止产生焊接缺陷，以保证力学性能课题一控制焊缝熔合比2、保护方式及效果保护方式课题一控制焊缝熔合比1）气保护2）渣保护3）气渣联合保护4）真空保护5）自保护保护效果用焊缝金属中的氮含量来衡量三、焊接化学冶金反应区 特点：分区域连续进行。反应相：熔化金属、熔渣电弧气氛。1.药皮反应区的特点：（100至药皮的熔点约1200）达到100时，水分蒸发；超过200时，有机物分解；超过200时，结晶水蒸发；继续升高温度，碳酸盐开始分解。课题一控制焊缝熔合比2.熔滴反应区的特点（从熔滴形成、长大，到过渡到熔池之前）特点：焊接反应焊接反应最为激烈最为激
4、烈的部位的部位课题一控制焊缝熔合比熔滴比表面积大；液体金属与熔渣发生强烈的混合。熔滴的温度高；作用时间短；3.熔池反应区的特点特点：课题一控制焊缝熔合比1）熔池的平均温度较低；2）比表面积小，反应时间较长；3）熔渣参与反应较多。四、焊接化学冶金反应的条件和特点课题一控制焊缝熔合比（1）温度高（2）比表面积大（3）时间短 （4）处于不停的运动之中（5）反应条件不断变化五、焊接参数与焊接化学冶金的关系1.焊接参数影响冶金反应的条件和作用时间熔滴阶段的反应时间（熔滴存在的时间）随着电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。因此可以断定反应进行的完全程度将随着电流的增加而减少，随着电弧电压的增加而增
5、大。试验表明试验表明课题一控制焊缝熔合比2.焊接参数影响参加冶金反应的熔渣量六、熔合比的控制定义：在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。影响因素：课题一控制焊缝熔合比（1）预热的影响（2）焊接参数的影响（3）焊接方法的影响（4）坡口形式和焊接层数的影响 一、焊接熔渣1.熔渣在焊接过程中的作用回目录课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用（1）机械保护作用（2）改善焊接工艺性能（3）冶金处理作用（4）改善热规范 2.熔渣的成分和分类（1）盐型熔渣 主要有CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AlF6，BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。（2）盐-氧化物型
6、熔渣 主要有CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al203-SiO2、CaF2-CaO-SiO2-MgO等。（3）氧化物型熔渣 主要有FeOMnO-SiO2、CaOTiO2-SiO2、MnO-SiO2等。课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用二、熔渣的冶金作用（一）熔渣的性质1.熔渣的碱度分子理论：从理论上讲，B11时，熔渣为碱性熔渣；B10时，则熔渣为碱性熔渣；当B2ZrTiSiVMnCrMoWFeCoNiCu课题四焊缝金属的合金化途径2.合金元素的物理性质的影响合金元素的沸点越低，饱和蒸气压越大，焊接时的蒸发损失越大，其过渡系数越小。如锰很容易蒸发，故在其他条件相同的情况下，其过渡系
7、数较小。3.焊接区介质的氧化性的影响焊接区介质的氧化性的强弱是影响过渡系数的重要因素。在焊接高合金钢或某些合金时，在弱氧化性介质或惰性气体中进行焊接时，其合金元素的过渡系数大，将有利于合金元素的过渡。课题四焊缝金属的合金化途径4.合金元素浓度的影响随着药皮（或焊剂）中合金元素浓度的增加，其过渡系数在开始时相应地增大，当它的含量超过某一数值时，其过渡系数将趋于一个定值5.合金元素的粒度加大合金元素的粒度，其表面积减小，氧化损失减小，而残留在渣中的损失不变，所以过渡系救提高。但粒度过大不易熔化，使渣中的残留损失增加，过渡系数将下降。实验表明实验表明课题四焊缝金属的合金化途径6.药皮(焊剂)的成分药
8、皮或焊剂的成分决定了气相和熔渣的氧化性、熔渣的碱度和粘度等性能，因而对合金过渡系数影响很大。7.药皮的重量系数和焊接参数当药皮成分一定时，药皮重量系数增加，合金元素的过渡系数减小。课题四焊缝金属的合金化途径一、焊缝金属的脱硫1.硫的危害以低熔点共晶(Fe+FeS，熔点为985)的形式呈分布于晶界，增加了焊缝金属结晶裂纹的倾向；与Ni形成熔点更低的共晶(NiS+Ni，熔点664)，产生结晶裂纹的倾向更大。回目录课题五焊缝金属的脱硫、脱磷方法2.脱硫的方法（1）选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫FeS+Mn=（MnS）+Fe（2）熔渣脱硫利用熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO等进行脱硫的方式。其
9、反应如下：FeS+（MnO）=（MnS）+（FeO）FeS+（CaO）=（CaS）+（FeO）增加熔渣增加熔渣的碱度可的碱度可以脱硫以脱硫课题五焊缝金属的脱硫、脱磷方法二、焊缝金属的的脱磷1.磷的危害磷与铁和镍形成低熔点共晶，如Fe3P+Fe（熔点1050）、Ni3P+Fe(熔点880),增加了焊缝金属的冷脆性。2.脱磷的方法脱磷反应可分为两步进行：第一步是将磷氧化成P2O5，其反应式为：2Fe2P5（FeO）P2O59Fe2Fe3P5（FeO）P2O511Fe课题五焊缝金属的脱硫、脱磷方法第二步使之与渣中的碱性氧化物CaO生成稳定的复合化合物进入熔渣，其反应式为：P2O53（CaO）（CaO
10、）3P2O5P2O54（CaO）（CaO）4P2O5由于碱性熔渣中含有较多的CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣好。课题五焊缝金属的脱硫、脱磷方法（第二版）焊接冶金学及金属材料焊接课题一课题一 熔池的凝固熔池的凝固课题二课题二 焊缝组织与性能控制焊缝组织与性能控制模块二焊缝组织与性能的控制课题一熔池的凝固定义：熔焊时母材上所形成的具有一定几何形状的液体金属部分叫熔池。一、熔池凝固的特点和规律（一）熔池结晶的特点 回目录熔池的体积小，冷却速度大。（1）熔池中的液态金属处于过热状态（2）（二）熔池结晶的一般规律1.熔池中晶核的形成非自发晶核依附在熔合区附近半熔化状态基本金属表面上，并以柱状晶的形态向焊缝
11、中心成长，形成所谓的交互结晶（或称联生结晶），如图所示。熔合区母材晶粒表面上生长的柱状晶熔合区母材晶粒表面上生长的柱状晶型奥氏体不锈钢焊缝联生结晶型奥氏体不锈钢焊缝联生结晶课题一熔池的凝固2.熔池中的晶核长大熔池金属开始结晶时，总是从靠近熔合线处的母材上联生地长大起来。当晶体最易长大方向与散热最快方向（或最大温度梯度方向）相一致时，则最有利于晶粒长大，便优先得到生长，可以一直长至熔池的中心，形成粗大的柱状晶体。焊缝中柱状晶优先生长方向焊缝中柱状晶优先生长方向 课题一熔池的凝固二、熔池结晶的形态焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。每个柱状晶内还有不同的结晶形态（如平面晶、胞晶和树枝状晶等）
12、，而等轴晶内一般都呈现树枝晶。（一）纯金属的结晶形态冷却速度越大，过冷度（T）越大，过冷度的大小只决定于温度的梯度。1.正温度梯度（G0）纯金属焊缝凝固时，一般均属于这种情况，如下图b所示。课题一熔池的凝固纯金属的结晶形态纯金属的结晶形态a)G0时的温度分布 b)G0时的界面结晶形态c)G0是的温度分布 d)G0时的界面结晶形态TM纯金属的凝固点 T过冷度 课题一熔池的凝固2.负温度梯度（G0）由于液体内部的温度比界面低，过冷度大，伸入液体金属内部的晶体成长速度很快，除了主干之外，还有分支，形成所谓树枝状晶，如图2-4d所示。树枝状晶体的立体模型如图所示。树枝状晶体模型树枝状晶体模型课题一熔池
13、的凝固 （二）固溶体合金的结晶形态（二）固溶体合金的结晶形态合金的结晶温度与成分有关，合金凝固时，除了由于实际温度造成的过冷之外（温度过冷），还存在由于固-液界面处成分起伏而造成的过冷，称为成分过冷。所以合金结晶时不必很大的过冷就可以出现树枝结晶。由于过冷程度的不同，就会使焊缝组织出现不同的形态。经分析、归纳，大致可分为以下五种结晶形态。课题一熔池的凝固纯铌板焊缝平面晶纯铌板焊缝平面晶（三）成分过冷对结晶形态的影响1.平面结晶多发生在高纯度的焊缝金属，如纯铌板氩弧焊时，就是以平面结晶的形态进行长大，如图所示。课题一熔池的凝固2.胞状结晶因平面结晶界面处于不稳定的状态，凝固界面长出许多平行束状的
14、芽胞伸入过冷的金属内，断面是六角形的胞状结晶形态，如同细胞或蜂窝状。金相照片如图所示。胞状晶组织胞状晶组织课题一熔池的凝固3.胞状树枝结晶焊缝中出现的胞状树枝结晶如图所示。焊缝中的胞状树枝晶焊缝中的胞状树枝晶a)含Ti的HY80钢的TIG焊焊缝中的胞状树枝晶 b)316L不锈钢焊缝中的胞状树枝晶课题一熔池的凝固4.树枝状结晶304不锈钢不锈钢TIG焊缝中心部位的树枝状晶焊缝中心部位的树枝状晶课题一熔池的凝固5.等轴结晶晶粒的四周不受阻碍，可以自由生长，形成等轴晶，如图所示。铝板铝板TIG焊时焊缝等轴晶焊时焊缝等轴晶课题一熔池的凝固总括以上，五种不同的结晶形态都是具有内在的因素。大量的实验证明，
15、结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度、结晶速度（或晶粒长大速度）和液相中温度梯度的综合作用。它们对结晶形态的影响关系如图所示。C0、R、G对结晶形态的影响对结晶形态的影响 课题一熔池的凝固（四）焊接条件下的熔池结晶形态如图示意地表示了结晶形态的变化过程。焊缝结晶形态变化示意图焊缝结晶形态变化示意图课题一熔池的凝固除了焊缝金属成分对结晶形态有影响之外，焊接工艺参数也有很大的影响。1)焊接速度的影响2)焊接电流的影响三、焊缝金属的化学成分不均匀性（一）焊缝中的化学不均匀性（一）焊缝中的化学不均匀性定义：焊缝金属在结晶过程中，由于合金元素来不及扩散而存在化学成分的不均匀性。1.显微偏析由于焊接过程中冷
16、却较快，固相的成分来不及扩散，而在相当大的程度上保持着由于结晶有先后所产生的化学成分不均匀性。课题一熔池的凝固2.区域偏析当焊接速度较大时，成长的柱状晶最后都会在焊缝中心附近相遇。使溶质和杂质都聚集在那里，凝固后在焊缝中心附近出现区域偏析。3.层状偏析焊缝断面经浸蚀之后，可以明显的看出层状分布。实验证明，这些分层是由于结晶过程周期性变化而化学成分分布不均匀造成的，因此成为层状偏析，如后图所示。层状偏析常集中一些有害的元素（碳、硫、磷等），因而缺陷也往往出现在偏析层中。课题一熔池的凝固焊缝的层状偏析焊缝的层状偏析 层状偏析与气孔层状偏析与气孔 a)手弧焊 b)电子束焊课题一熔池的凝固（二）熔合区的化学成分不均匀性1.熔合区的形成对于不同的晶粒，熔化程度可能有很大的不同。如图所示，有阴影的地方是熔化了的晶粒，其中有些晶粒有利于导热而熔化的较多（1、3、5），而有些晶粒熔化较少（2、4）。所以母材与焊缝交界的地方并不是一条线，而是一个区，即所谓熔合区。课题一熔池的凝固熔合区晶粒熔化情况熔合区晶粒熔化情况2.熔合区宽度熔合区的大小决定于材料的液-固温度范围、被焊材料本身的热物理性质和组织状态，
