一、焊接化學(xué)冶金(2013)

1、 研究在各種焊接工藝條件下焊接過(guò)程發(fā)生的冶金反應(yīng)與焊縫金屬成分、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。 與普通冶金相比，焊接冶金的最大特點(diǎn)是冶金過(guò)程是處于非平衡狀態(tài)。第一章第一章 焊接化學(xué)冶金焊接化學(xué)冶金 焊接化學(xué)冶金的研究方法：化學(xué)、熱力學(xué)（物理化學(xué)）、金屬學(xué)等。 焊接化學(xué)冶金的研究目的：找出規(guī)律，以指導(dǎo)人們使冶金反應(yīng)向有利的方向進(jìn)行，最終獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。一、焊條熔化及熔池的形成1 焊條熔化及熔池的形成（1）焊條的加熱熔化 電弧熱是熔化焊條的主要熱源，但僅有部分電功率被用來(lái)加熱熔化焊條 qe=eUI 式中：U電弧電壓；I焊接電流；e焊條加熱有效系數(shù)（ 0.20.3）第一節(jié)第一節(jié) 焊接化學(xué)冶金過(guò)程特點(diǎn)焊接

2、化學(xué)冶金過(guò)程特點(diǎn)（2）焊條平均熔化速度 單位時(shí)間內(nèi)焊芯熔化質(zhì)量數(shù)gM 式中：G熔化的焊芯質(zhì)量；P焊條熔化系數(shù) g/(Ah)ItGgpM焊條熔化及熔池的形成焊條熔化及熔池的形成 平均熔敷速度gD：?jiǎn)挝粏挝粫r(shí)間內(nèi)實(shí)際進(jìn)入焊縫的金屬質(zhì)量 式中：H焊條熔化系數(shù) g/(Ah)ItGgHDDPHMDMDgggGGG1PH)1 ( 焊條平均熔化速度焊條平均熔化速度損失部分與焊芯質(zhì)量之比稱(chēng)損失系數(shù) 熔滴是由內(nèi)部的焊芯金屬和外表面包裹的熔渣組成，并呈周期性地過(guò)渡到熔池。（3）焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性）焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性（1） 熔滴有三種過(guò)渡形式：1）短路過(guò)渡：熔滴長(zhǎng)大到和熔池金屬接觸，形成短路，電弧熄滅，

3、液滴下落后，電弧重新引燃。焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性（2）2）附壁過(guò)渡：熔滴沿藥皮套筒滑向熔池壁。3）顆粒（噴射）過(guò)渡：熔滴還沒(méi)長(zhǎng)大接觸到熔池便下落。 熔滴的過(guò)渡形式與焊接方法、藥皮、焊條直徑、電流、極性、焊工操作水平等有關(guān)。2） 熔滴比表面積S 熔滴的表面積Ag與其質(zhì)量Vg之比 因熔滴近似為球體。則S為ggVASRS3焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性（3） 因此R越小，S越大，熔滴與氣相、熔渣之間的反應(yīng)越激烈。焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性（4）3） 熔滴存在時(shí)間 取決于焊接方法、工藝規(guī)范、電流極性、焊接材料等，一般在0.011秒之間。

4、4）熔滴溫度 熔滴溫度是不均勻的，一般平均溫度為21002700。并隨焊接電流增加而增加，隨焊絲直徑增加而降低。焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性焊條金屬的熔滴及過(guò)渡特性（5） 熔化的金屬（焊芯和母材）和熔化的藥皮（熔渣）構(gòu)成了熔池。2 熔池的形成熔池的形成（1） 熔池的形狀和尺寸熔池的形狀和尺寸 熔池呈半橢球狀，其輪廓為母材熔點(diǎn)的等溫面，并隨焊接熱源同步移動(dòng)。 熔池的長(zhǎng)度和焊接功率成正比 L = P2UI式中：P2比例系數(shù)，和焊接方法、焊接工藝參數(shù)有關(guān)（表12）。表 1-2 P2與焊接方法及電流的關(guān)系 焊接方法 焊接電流(A) P2(/kW) 藥皮焊條 MIG TIG 埋弧焊 埋弧焊 100300 2

5、00300 600 150370 5503000 3.25.5 3.84.8 2.85 3.54.8 2.43.2 熔池液態(tài)存在的時(shí)間取決于熔池的長(zhǎng)度L和焊速vUIPvLt2max（2） 熔池質(zhì)量和存在時(shí)間熔池質(zhì)量和存在時(shí)間（1）熔池質(zhì)量在幾克到幾十克之間，取決于焊接方法和焊接工藝 。WpcpvAmt熔池存在的時(shí)間tcp也取決于熔池質(zhì)量mp 式中：液態(tài)金屬密度；Aw焊縫的橫截面積（cm2） 熔池的停留時(shí)間還和母材的板厚、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容等影響熔池冷卻速度的因素有關(guān)。表 1-4 碳鋼電弧焊時(shí)熔池最大存在時(shí)間 焊 接 規(guī) 范 （） 焊接方法 I (A) U (V) (mh) 熔池最大存在時(shí)間 (s)

6、 5 575 36 50 4.43 11 41 8.20 16 840 37 20 16.50 23 1100 38 18 25.10 30 埋 弧 焊 1560 40 16 41.80 3 24.0 7 10.0 手 弧 焊 150200 11 6.5 熔池質(zhì)量和存在時(shí)間熔池質(zhì)量和存在時(shí)間（2） 熔池內(nèi)的溫度是不均勻的（圖14），平均溫度約1770（2000K，焊接化學(xué)冶金的計(jì)算溫度）。（3） 熔池的溫度熔池的溫度 在各種力的作用下（熱對(duì)流、電弧吹力、電磁力等），熔池內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌作用。（4） 熔池中流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)熔池中流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 熔池流體的攪拌有利于加速焊接化學(xué)冶金反應(yīng)、均勻焊縫金屬成分

7、、氣體和非金屬夾雜外逸。1 焊接保護(hù)的必要性 焊接化學(xué)冶金必須要在保護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行，以隔絕空氣，光焊絲的焊接無(wú)實(shí)用價(jià)值。二、二、 焊接過(guò)程對(duì)焊接金屬的保護(hù)焊接過(guò)程對(duì)焊接金屬的保護(hù) 焊接區(qū)域的保護(hù)主要是隔離空氣中的氮和外來(lái)的H2O，不同的焊接方法采用不同的保護(hù)措施（表16）。2 保護(hù)方式和效果保護(hù)方式和效果 在保護(hù)過(guò)程中，焊縫中可能要增氧，并損失焊縫中一些有益元素。因此還要對(duì)熔池中的熔化金屬進(jìn)行一系列的冶金處理。 焊接化學(xué)冶金反應(yīng)特點(diǎn)： （1）分區(qū)域或分階段連續(xù)進(jìn)行（如熔滴、熔池.）；（2）各區(qū)域反應(yīng)條件相差很大（反應(yīng)物濃度、溫度、時(shí)間.）；（3）和焊接方法有關(guān)（渣、氣或氣-渣.）。三、三、 焊接

8、化學(xué)冶金反應(yīng)焊接化學(xué)冶金反應(yīng) 手工電弧焊有三個(gè)反應(yīng)區(qū)：藥皮反應(yīng)區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池反應(yīng)區(qū)。（1） 100400，吸附水、結(jié)晶水蒸發(fā)。（2） 400以上，有機(jī)物、碳酸鹽（CaCO3、MgCO3）和高價(jià)氧化物（Fe2O3、MnO2）分解，產(chǎn)生CO2、CO等氣體（焊接保護(hù)氣）。（3） 600以上，鐵合金被氧化，降低了氣相的氧化性（先期脫氧）。1 藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)（1001200）2 熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)（1） 熔滴形成至熔滴進(jìn)入熔池前。特點(diǎn)是：（1）溫度高：平均溫度18002400，最高可達(dá)2800，接近金屬的沸點(diǎn)。（2）比表面積大：高達(dá)103104 cm2/kg。（3）反應(yīng)時(shí)間短： pO2 金

9、屬被氧化； pO2 = pO2 處于平衡狀態(tài)； pO2 1堿性渣；B 1.3渣才呈堿性。22)(ROROORB（1） 熔渣的堿度熔渣的堿度（1） 由于各種氧化物酸堿性的強(qiáng)弱程度不同，所以各氧化物需要乘系數(shù)進(jìn)行修正（式136）。式中：ai渣中第i種氧化物堿度系數(shù)（表121）；Mi渣中第i種氧化物摩爾分?jǐn)?shù)。 B2 0為堿性渣；B2 1，所以渣中的FeO要比焊縫金屬中的FeO量多。3）因?yàn)镕eO屬于堿性氧化物，所以在同樣的溫度下，堿性渣中的FeO更易向金屬中擴(kuò)散（圖1-54）。 對(duì)于一些易分解的氧化物，如SiO2、MnO等，如果數(shù)量較大，則有可能與液態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化，而該氧化物被還原。如用

10、高硅高錳焊劑焊接時(shí)，發(fā)生反應(yīng) （FeO） (SiO2)+ Fe Si +FeO FeO （FeO） (MnO)+ Fe Mn +FeO FeO（2）置換氧化）置換氧化（1） 反應(yīng)結(jié)果使焊縫中的硅、錳含量增加，鐵被氧化。生成的FeO大部分進(jìn)入熔渣，小部分溶入液態(tài)金屬，使焊縫增氧，比例符合分配定律。同時(shí)，焊縫中的硅、錳含量增加（表1 23）。置換氧化置換氧化（2） 焊劑431 (高錳高硅）MnO 3438%, SiO2 4044% 高溫階段反應(yīng)向右進(jìn)行，Si、Mn還原，F(xiàn)e被氧化；低溫區(qū)域，Si、Mn起脫氧作用。所以置換氧化反應(yīng)主要發(fā)生在溶滴和熔池前半部的高溫反應(yīng)區(qū)。置換氧化置換氧化（3） 置換反

11、應(yīng)的方向和限度取決于溫度、渣中的MnO、SiO2、FeO的活度、金屬中硅、錳的濃度，以及焊接工藝參數(shù)等，如增加藥皮中的FeO含量可以抑制硅的還原（圖157）。 如果焊絲或藥皮中含有對(duì)氧親和力比鐵更大的元素，如Al、Ti等，則它們將與SiO2、MnO發(fā)生更激烈的置換反應(yīng)（圖156） Al + (SiO2) (Al2O3) + Si 由于生成的Al2O3熔點(diǎn)高，容易形成夾雜，所以很少用Al做脫氧劑。置換氧化置換氧化（4）1 脫氧的目的和選擇脫氧劑的原則 脫氧目的：盡量減少焊縫的含氧量，提高焊縫的機(jī)械性能。三、三、 焊縫金屬的脫氧焊縫金屬的脫氧 脫氧方法：（1）減少氣相氧化性和減少熔渣氧化性；（2）

12、在焊絲、焊劑或焊條藥皮中加入合適的合金元素（脫氧劑）。（1） 在焊接溫度下，脫氧劑對(duì)氧的親和力應(yīng)當(dāng)比被焊金屬對(duì)氧的親和力大，如Al、Ti、Si、Mn等的鐵合金。與氧的親和力越大，脫氧能力越強(qiáng)。（2） 脫氧的產(chǎn)物應(yīng)不溶于液態(tài)金屬，其密度也應(yīng)小于液態(tài)金屬的密度，以有利于脫氧產(chǎn)物上浮進(jìn)入渣中。（3） 要考慮剩余脫氧劑對(duì)焊縫成分、性能以及焊接工藝性能的影響。選擇脫氧劑的原則選擇脫氧劑的原則 在焊接過(guò)程中，脫氧可以分階段進(jìn)行：2 先期脫氧 發(fā)生在藥皮反應(yīng)區(qū)的脫氧反應(yīng)叫先期脫氧。此時(shí)藥皮中高價(jià)氧化物或碳酸鹽分解出的氧和CO2和脫氧劑反應(yīng) Fe2O3 + Mn MnO + FeO FeO + Mn MnO

13、+ Fe CaCO3 + Si CaO + SiO2 + CO CaCO3 + Mn CaO + MnO + CO 反應(yīng)結(jié)果是減弱氣相的氧化性，同時(shí)脫氧劑被燒損。但由于藥皮反應(yīng)區(qū)溫度低，又是固態(tài)，所以先期脫氧是不完全的。焊縫金屬的脫氧焊縫金屬的脫氧（1） 在熔滴反應(yīng)區(qū)和熔池內(nèi)的脫氧反應(yīng)叫沉淀脫氧。此時(shí)溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應(yīng)，把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出，進(jìn)入渣中。在焊接冶金中的幾個(gè)重要沉淀脫氧反應(yīng)有：3 沉淀脫氧沉淀脫氧（1） 母材、焊絲或藥皮中的錳與金屬中的FeO反應(yīng) Mn + FeO = Fe +（MnO） （1） 錳的脫氧反應(yīng)錳的脫氧反應(yīng)（1） 式中：MnO渣中的活度系數(shù)；并

14、且由于金屬中Mn、FeO量少，所以aMn=Mn%、aFeO= FeO% 。 因此%)()()(FeOMnMnOaaMnOaaaKMnOFeOMnMnOFeOMnMnO%)(%MnKMnOFeOMnO 因此，提高M(jìn)n%或減少(MnO)可提高脫氧效果。 另外，熔渣的性質(zhì)對(duì)錳的脫氧效果也有很大的影響，如渣中有較多的酸性氧化物SiO2和TiO2 ，它們與堿性氧化物MnO生成復(fù)合物MnOSiO2、MnOTiO2，降低了MnO，可以提高錳的脫氧效果（圖158）。錳的脫氧反應(yīng)錳的脫氧反應(yīng)（2） 硅的脫氧能力比錳大，但因SiO2熔點(diǎn)高（表124），并與液態(tài)鐵潤(rùn)濕性好，容易在金屬中造成夾雜。所以一般不單獨(dú)用硅脫

15、氧，而是和錳一起聯(lián)合脫氧。%)(%22SiKSiOFeOSiO（2）硅的脫氧反應(yīng)）硅的脫氧反應(yīng) 硅的脫氧反應(yīng) Si + 2FeO = 2Fe +（SiO2） 提高熔渣的堿度和金屬中的含硅量可以提高硅的脫氧效果。 將硅錳按適當(dāng)比例（一般Mn/Si = 37）作為脫氧劑時(shí)可以得到較好的脫氧效果（圖160）。這是因?yàn)樯傻拿撗醍a(chǎn)物可以形成低熔點(diǎn)、低密度的硅酸鹽（表124），在焊縫金屬中處于液態(tài)，容易聚合長(zhǎng)大上浮到渣中。CO2焊 絲 就 是 將 焊 絲 中 的 M n / S i = 3（H08Mn2Si），所以焊縫夾雜比較少。（3）硅錳聯(lián)合脫氧）硅錳聯(lián)合脫氧 擴(kuò)散脫氧是在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的，

16、是以分配定律為理論基礎(chǔ)的 降低溫度可以提高L，F(xiàn)eO (FeO)，因此擴(kuò)散脫氧是發(fā)生在熔池的低溫區(qū)域。)(FeOFeOL BTALlg4 擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧（1） 擴(kuò)散脫氧的關(guān)鍵是降低渣中的FeO活度。 在酸性渣中，SiO2和TiO2與FeO生成復(fù)合物FeOSiO2和FeOTiO2，使FeO的活度減小，有利于擴(kuò)散脫氧，所以降低渣中FeO活度的措施都有利于擴(kuò)散脫氧。 在堿性渣中FeO的活度大，其擴(kuò)散脫氧的能力就比酸性渣差。擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧（2） 因?yàn)閿U(kuò)散脫氧僅發(fā)生在界面，所以在渣中加脫氧劑不會(huì)因脫氧造成夾雜。 由于在焊接條件下，擴(kuò)散脫氧時(shí)間短、冷速大、擴(kuò)散速度慢，所以擴(kuò)散脫氧不象煉鋼那樣充分。1

17、焊縫中硫的危害及控制（1）硫的危害 硫在固態(tài)鐵中的溶解度極?。▓D162），當(dāng)硫以低熔點(diǎn)共晶Fe+FeS（熔點(diǎn)985），或FeS+FeO（熔點(diǎn)940），形狀呈片狀或鏈狀分布與晶界，增加了焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向（熱裂紋）。在焊接高鎳鋼時(shí)，由于NiS+Ni共晶熔點(diǎn)更低（644），硫的危害更大。四、焊縫中硫和磷的控制四、焊縫中硫和磷的控制1） 限制焊接材料中的含硫量 焊縫中的硫主要來(lái)自焊條藥皮（表127），控制焊接材料中的含硫量可有效降低焊縫中的硫。（2）焊縫中硫的控制措施）焊縫中硫的控制措施（1） 用對(duì)硫親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫，如RE，Ca，Mg，Mn等。在焊接化學(xué)冶金中，常用錳做為脫硫劑 F

18、eS + Mn (MnS) + Fe lgK = A/T B 反應(yīng)產(chǎn)物MnS不溶入鋼液，大部分進(jìn)入熔渣。因MnS熔點(diǎn)較高（1610），即使留在鋼中也是以球狀彌散分布，故危害較小。FeSMnMnSaaaK2）冶金措施）冶金措施（1） 因?yàn)榱蚧锍仕嵝裕栽械膲A性氧化物也有脫硫作用，如 FeS + (MnO) = (MnS) + (FeO) FeS + (CaO) = (CaS) + (FeO) FeS + (MgO) = (MgS) + (FeO)冶金措施冶金措施（2） CaS和MgS不溶入鋼液而進(jìn)入熔渣。增加渣中MnO（圖163）和CaO含量，減少FeO含量都有利于脫硫。（1）磷的危害 在

19、液態(tài)鐵中磷是以Fe2P和Fe3P存在，并形成Fe3P+Fe共晶（熔點(diǎn)1050）（圖165）。2 焊縫中的磷焊縫中的磷 快速凝固時(shí)磷易發(fā)生偏析，磷化鐵硬而脆，增加了焊縫金屬的冷脆性（圖166）。1）焊縫中的磷主要來(lái)自焊接材料，所以應(yīng)選用高質(zhì)量焊接材料。（2）控制磷的措施）控制磷的措施2）先將磷氧化，然后再和渣中堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷酸鹽 Fe3P + (FeO) + (CaO) (CaO)3P2O5) + Fe 所以，增加熔渣的堿度可以減少焊縫的含磷量（圖168）。 焊接中脫磷比脫硫更困難，主要靠限制焊接材料的含磷量控制焊縫中的含磷量。一、合金過(guò)渡的目的及方式 合金過(guò)渡是通過(guò)焊接材料向焊縫金屬中

20、添加所需要的合金元素。第四節(jié)第四節(jié) 合金過(guò)渡合金過(guò)渡 1 合金過(guò)渡的目的：1）補(bǔ)償在焊接過(guò)程中合金元素的損失；2）添加合金元素，保證焊縫的組織和機(jī)械性能，如加入Ti，B可以細(xì)化組織；3）添加合金元素，消除焊接缺陷，如除硫；4）添加合金元素，使焊縫（堆焊）金屬具有某種特殊性能，如耐蝕性、耐磨性、紅硬性等。（2）合金藥皮或粘結(jié)焊劑：把合金元素加入到藥皮中或焊劑中，配合普通焊絲使用。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是合金損失大（ 20%），合金成分不均勻。2 合金過(guò)渡方式合金過(guò)渡方式（1）（3）藥芯焊絲：焊絲外皮是低碳鋼卷制，里面填充鐵合金。優(yōu)點(diǎn)是合金成分可任意調(diào)整，合金損失小，缺點(diǎn)是制造成本高。（1）通過(guò)

21、焊絲過(guò)渡：特點(diǎn)是可靠、均勻、穩(wěn)定、合金燒損少。缺點(diǎn)是成本高、不易調(diào)整。（5）通過(guò)氧化物還原： 在焊接過(guò)程中，一些合金元素可通過(guò)金屬氧化物的還原（置換氧化）的方式來(lái)合金化，但還原的同時(shí)造成焊縫增氧。 (SiO2) Si + O (MnO) Mn +O合金過(guò)渡方式合金過(guò)渡方式（2）（4）合金粉末：將合金粉末直接輸入到焊接區(qū)。優(yōu)點(diǎn)是合金比例可調(diào)，合金損失小。但均勻性差。 主要研究通過(guò)藥皮、焊劑和藥芯焊絲過(guò)渡的過(guò)程（1）合金劑過(guò)渡方式 合金過(guò)渡主要是在液態(tài)金屬與熔渣的界面上進(jìn)行的。當(dāng)合金顆粒和液態(tài)金屬接觸時(shí)便會(huì)溶解到液態(tài)金屬中。（2）在焊接過(guò)程中的合金過(guò)渡 在熔滴階段和熔池階段都可以發(fā)生藥皮（熔渣）中

22、的合金元素向金屬中過(guò)渡。由于熔池金屬與熔渣接觸面積大、停留時(shí)間長(zhǎng)，所以熔池階段合金過(guò)渡系數(shù)要比熔滴大。2 合金的過(guò)渡過(guò)程合金的過(guò)渡過(guò)程（1）合金過(guò)渡系數(shù) 某種合金元素的過(guò)渡系數(shù)等于它在熔敷金屬中實(shí)際含量Cd與它的原始含量Ce之比 式中： CCW合金元素在焊芯中的含量；CCO合金元素在藥皮中的含量；Kb藥皮重量系數(shù)。cobcwdedCkCCCCcwcobWWK 3 合金過(guò)渡系數(shù)及影響因素合金過(guò)渡系數(shù)及影響因素（1） 合金過(guò)渡系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)和選擇焊接材料有實(shí)用價(jià)值。一般焊絲過(guò)渡系數(shù) 40%，藥皮過(guò)渡系數(shù) 10%，總的過(guò)渡系數(shù) 15%（表129）。合金過(guò)渡系數(shù)合金過(guò)渡系數(shù)（2）1） 合金元素的物化性質(zhì)：

23、合金元素的沸點(diǎn)越低，蒸發(fā)損失越大，過(guò)渡系數(shù)越小。合金元素對(duì)氧的親和力越大，氧化損失越大，過(guò)渡系數(shù)越小。1600時(shí)，金屬與氧的親和力由小到大的排列順序是：Cu、 Ni、 Co （無(wú)氧化損失，只有殘留損失）、 Fe、 W、 Mo、 Cr、 Mn、 V、 Si （氧化損失小，過(guò)渡系數(shù)大）、 Ti、 Zr、 Al （氧化損失大，很難過(guò)渡）（2）影響過(guò)渡系數(shù)的因素）影響過(guò)渡系數(shù)的因素（1） 若過(guò)渡對(duì)氧親和力大的元素，必須用無(wú)氧焊劑或用惰性氣體保護(hù);1)用加入對(duì)氧親和力高的元素來(lái)提高對(duì)氧親和力低的元素的過(guò)渡系數(shù)。如用Ti、Al提高M(jìn)n、Si的過(guò)渡系數(shù)。影響過(guò)渡系數(shù)的因素影響過(guò)渡系數(shù)的因素（2）2） 合金元素的含量：增加藥皮或焊劑中合金元素的含量可以提高其過(guò)渡系數(shù)（圖170，71）。影響過(guò)渡系數(shù)的因素影響過(guò)渡系數(shù)的因素（3）3） 合金劑的粒度：增加合金劑的粒度可以減小其