第一章 熔化焊

1、第一章第一章 熔化焊熔化焊1.1熔化焊熱源及溫度場1.2焊接熱循環(huán)1.3熔化焊接頭的形成1.4焊接氣氛及其與金屬的互相作用1.5焊接材料與焊接熔渣1.6焊接化學(xué)冶金反應(yīng)1.7熔化焊接頭的組織與性能1.8焊接冶金缺陷1.1熔化焊熱源及溫度場l傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)。傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)。l許多學(xué)科都涉及到傳熱學(xué)的問題！許多學(xué)科都涉及到傳熱學(xué)的問題！p焊接傳熱焊接傳熱對焊接接頭形成過程中冶金過程、固態(tài)相變、組對焊接接頭形成過程中冶金過程、固態(tài)相變、組織性能和應(yīng)力變形等均有重要影響！織性能和應(yīng)力變形等均有重要影響！p焊接傳熱的形式：熱傳導(dǎo)為主，考慮輻射和對流的作用。焊接傳熱

2、的形式：熱傳導(dǎo)為主，考慮輻射和對流的作用。p焊接傳熱過程研究內(nèi)容：主要是焊件上的溫度分布及其隨焊接傳熱過程研究內(nèi)容：主要是焊件上的溫度分布及其隨時間的溫度變化問題。時間的溫度變化問題。 熱源熱源 焊件焊件 輻射和對流為主；輻射和對流為主；母材和焊條母材和焊條其他部分熱傳導(dǎo)為主；其他部分熱傳導(dǎo)為主；1.1熔化焊熱源及溫度場l焊接過程焊接過程l熱源加熱熱源加熱熔化熔化冶金反應(yīng)冶金反應(yīng) 結(jié)晶結(jié)晶固態(tài)相變固態(tài)相變接頭（冷卻而形成）接頭（冷卻而形成）l焊接熱過程的特點(diǎn)焊接熱過程的特點(diǎn)1 1. . 局部性局部性加熱和冷卻過程極不均勻加熱和冷卻過程極不均勻變形不均勻變形不均勻應(yīng)力應(yīng)力開開裂裂 此外還有組織的

3、變化不均勻，熱影響區(qū)。此外還有組織的變化不均勻，熱影響區(qū)。2 2. . 瞬時性瞬時性1800K1800K/s/s，加熱和冷卻都很快，組織變化迅速。，加熱和冷卻都很快，組織變化迅速。3. 3. 熱源是運(yùn)動的，工件受熱區(qū)域不斷變化，傳熱過程不穩(wěn)定。熱源是運(yùn)動的，工件受熱區(qū)域不斷變化，傳熱過程不穩(wěn)定。4. 4. 焊接傳熱過程的復(fù)合性。焊接傳熱過程的復(fù)合性。l焊接過程焊接過程l熱源加熱熱源加熱熔化熔化冶金反應(yīng)冶金反應(yīng) 結(jié)晶結(jié)晶固態(tài)相變固態(tài)相變接頭（冷卻而形成）接頭（冷卻而形成）l焊接熱過程的特點(diǎn)焊接熱過程的特點(diǎn)加熱過程加熱過程冷卻過程冷卻過程1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.1焊接熱源l實(shí)現(xiàn)金屬焊接所

4、需的能量實(shí)現(xiàn)金屬焊接所需的能量l熱能熱能l機(jī)械能機(jī)械能l焊接熱源的要求：焊接熱源的要求：l能量密度高度集中；能量密度高度集中；l快速實(shí)現(xiàn)焊接過程；快速實(shí)現(xiàn)焊接過程；l保證得到高質(zhì)量的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。保證得到高質(zhì)量的焊縫和最小的焊接熱影響區(qū)。l焊接熱源的種類焊接熱源的種類 - -電弧熱電弧熱l氣體介質(zhì)中的電弧放電氣體介質(zhì)中的電弧放電l化學(xué)熱化學(xué)熱l可燃?xì)怏w和鋁、鎂熱劑反應(yīng)熱可燃?xì)怏w和鋁、鎂熱劑反應(yīng)熱l電阻熱電阻熱l電阻焊、電渣焊電阻焊、電渣焊l高頻感應(yīng)熱高頻感應(yīng)熱l磁性的金屬高頻感應(yīng)產(chǎn)生二次磁性的金屬高頻感應(yīng)產(chǎn)生二次電流作為熱源電流作為熱源l摩擦熱摩擦熱l機(jī)械高速摩擦機(jī)械高速摩擦l電子

5、束電子束l高速運(yùn)動的電子轟擊高速運(yùn)動的電子轟擊l等離子焰等離子焰l電弧或高頻放電電弧或高頻放電離子流離子流l激光束激光束l激光聚焦激光聚焦1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.1焊接熱源1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.1焊接熱源l焊接熱效率焊接熱效率l電弧功率電弧功率l電弧有效熱功率電弧有效熱功率l熱效率熱效率UIq 00qqUI0qq焊接方法焊接方法焊條電弧焊焊條電弧焊0.770.770.870.87埋弧焊埋弧焊0.770.770.900.90電渣焊電渣焊0.830.83電子束及激光束電子束及激光束0.90.9TIGTIG焊焊0.680.680.850.85MIGMIG焊焊鋼鋼0.660.66

6、0.690.69鋁鋁0.700.700.850.851.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.1焊接熱源l焊接熱效率和熱分配區(qū)別l電渣焊的熱效率 其熱效率高主要是由于焊件較厚，冷卻滑塊帶走的熱量較少，大量的熱從焊縫向母材傳導(dǎo)，易使熱影響區(qū)過寬，晶粒粗大，焊接接頭力學(xué)性能低下。l電子束和激光束熱效率 能力極其集中，焊接能量損失小。1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1. 1焊接熱源1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.1焊接熱源焊件加熱區(qū)的分布：活性斑點(diǎn)區(qū)和加熱斑點(diǎn)區(qū)焊件加熱區(qū)的分布：活性斑點(diǎn)區(qū)和加熱斑點(diǎn)區(qū)加熱斑點(diǎn)的比熱流分布加熱斑點(diǎn)的比熱流分布-立體高斯錐體立體高斯錐體220( )( )AKA( )2KrmKr

7、emmmeq rq eq rrqFq r dFq erdrqKKqq是 點(diǎn)的熱流密度是能量集中系數(shù)是 點(diǎn)距加熱斑點(diǎn)中心的距離1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.1焊接熱源l概念：某時刻焊件上各點(diǎn)的溫度分布。l焊接溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)式：焊接溫度場的數(shù)學(xué)表達(dá)式： T = f ( x , y , z , t )l等溫線與等溫面等溫線與等溫面l穩(wěn)定溫度場：穩(wěn)定溫度場：焊件上溫度場各點(diǎn)溫度不隨時間變化。焊件上溫度場各點(diǎn)溫度不隨時間變化。l非穩(wěn)定溫度場：非穩(wěn)定溫度場：焊件上各點(diǎn)溫度隨時間變化。焊件上各點(diǎn)溫度隨時間變化。l準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場下一頁l等溫線等溫線

8、l等溫線不可能相交等溫線不可能相交l等溫線、等溫面之間有溫差等溫線、等溫面之間有溫差l大小：溫度梯度大?。簻囟忍荻萳方向：垂直于等溫面方向：垂直于等溫面焊縫STTT211.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場返回l根據(jù)焊件尺寸和熱源性質(zhì)，焊接溫度場分為：l三維溫度場（空間傳熱，如厚大焊件表面堆焊，半無限大物體，熱源為點(diǎn)熱源） T= f (x,y,z,t)l二維溫度場（平面?zhèn)鳠?，如一次焊透薄板，無限薄物體，熱源為線熱源） T=f(x,y,t)l一維溫度場（線性傳熱，如焊條和焊絲的加熱，細(xì)棒的電阻焊，無限長細(xì)桿，熱源為面熱源。） T=f(x,t)1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場

9、l焊接溫度場數(shù)學(xué)處理方法：精確解法（數(shù)學(xué)解析法）和近似解法（數(shù)值計算法、圖解法和模擬法）l求解過程中物理概念、邏輯推理嚴(yán)格，清晰，解的結(jié)果能清楚表示各因素（物性條件、邊界條件、時間條件等）對T的影響。但只能求解非常簡單的方程，對焊接溫度場，只有在許多假設(shè)均能滿足的情況下，才能得到精確解。l將偏微分方程離散化，得到代數(shù)方程組，該方程組的解即為偏微分方程的近似解，通常離散化程度越高，近似解的精確性越高。當(dāng)然方程組也就越大，計算量亦越大。l隨著計算機(jī)集成度、運(yùn)算速度、可靠性及內(nèi)存量的不斷提高，數(shù)值解法愈來愈受到人們的重視，并被廣泛應(yīng)用于實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中。所采用的離散化方法主要有：有限差分法和有限元素法

10、。1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場l邊界條件：l半無限大物體上表面絕熱，即熱量全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；無限大薄板上下表面及無限長細(xì)桿外表面與介質(zhì)發(fā)生熱交換（表面散熱）l不考慮相變潛熱l熱源放出的能量是穩(wěn)定的，并作直線等速運(yùn)動l物性參數(shù)為常量l運(yùn)動熱源是由無數(shù)集中點(diǎn)熱源連續(xù)作用的總和數(shù)學(xué)解析法 瞬時熱源作用下的溫度場22( , )exp()44nQrT r tatcat為熱傳導(dǎo)偏微分方程的一個特解，其表示了離熱源作用點(diǎn)r上某點(diǎn)的瞬時溫度。式中：Q熱源作用強(qiáng)度 n指數(shù)系數(shù) r到熱源作用點(diǎn)的距離Qnr點(diǎn)熱源qt3線熱源Q/h2面熱源Q/F1x222xyz22xy瞬時熱源作用下的溫度場 根據(jù)

11、上式可求出焊件上任一點(diǎn)的最高溫度Tmax及達(dá)到最高溫度時所需的時間tmax。 這些參數(shù)對研究焊件，特別是HAZ，在焊接過程中的受熱歷程及其相變及晶粒的大小，力學(xué)性能等有直接意義。l影響溫度場的因素：l（1）熱源的性質(zhì)與焊接規(guī)范l（2）被焊金屬的物理性質(zhì)l（3）焊件的形態(tài)l（4）熱源的作用時間和移動速度。l影響溫度場的因素：l（1）熱源的性質(zhì)與焊接規(guī)范l一般熱源的能量越集中，熱強(qiáng)度越高，則溫度場的范圍越小。如電子束焊，熱能很集中，溫度場范圍就很小，而氣焊則相反。1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場熱輸入量熱輸入量q q= =常數(shù)，常數(shù)，熱源移動速度熱源移動速度v v對溫度場的影響對溫度

12、場的影響熱源移動速度熱源移動速度v v增加增加熱源功率熱源功率q q保持為常數(shù)時保持為常數(shù)時隨焊接速度隨焊接速度v v的增加的增加等溫線的范圍變小等溫線的范圍變小溫度場的寬度和長度均變小溫度場的寬度和長度均變小寬度顯著變小寬度顯著變小所以，等溫線的形狀變得細(xì)長所以，等溫線的形狀變得細(xì)長1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場熱源移動速度熱源移動速度v=常數(shù)，常數(shù)，熱輸入量熱輸入量q對溫度場的影響對溫度場的影響熱源功率熱源功率q增加增加熱源移動速度熱源移動速度v保持為常數(shù)時保持為常數(shù)時隨熱源功率隨熱源功率q的增加的增加溫度場分布范圍增大，溫度場分布范圍增大，主要焊件獲得的熱能也會增多。主要

13、焊件獲得的熱能也會增多。1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場熱源移動速度熱源移動速度v熱源功率熱源功率q增加增加q/v=常數(shù)，熱輸入量及熱源移動速度常數(shù)，熱輸入量及熱源移動速度等比例變化時對溫度場的影響等比例變化時對溫度場的影響q/v保持為常數(shù)時保持為常數(shù)時同比例改變同比例改變q和和v等溫線拉長等溫線拉長等溫線寬度稍變窄等溫線寬度稍變窄溫度場范圍擴(kuò)大溫度場范圍擴(kuò)大1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場在相同熱功率、熱源移動速度和相同板厚條件下在相同熱功率、熱源移動速度和相同板厚條件下不同材料板上移動線熱源周圍的溫度場不同材料板上移動線熱源周圍的溫度場導(dǎo)熱性越差，某一溫度的等溫

14、線范圍越大。則易使焊接熔池或熱影響導(dǎo)熱性越差，某一溫度的等溫線范圍越大。則易使焊接熔池或熱影響區(qū)溫度過高。區(qū)溫度過高。1.1熔化焊熱源及溫度場 1.1.2焊接溫度場l概念：焊件上某一點(diǎn)在焊接熱源的作用下所經(jīng)歷的熱過程，即該點(diǎn)的溫度隨時間的變化過程。 1.2焊接熱循環(huán)研究焊接熱循環(huán)的意義：（1）找出最佳的焊接熱循環(huán)（2）用工藝手段改善焊接熱循環(huán)（3）預(yù)測焊接應(yīng)力分布及改善熱影響區(qū)組織焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱速度加熱速度加熱的最高溫度加熱的最高溫度在相變溫度以上的停留時間在相變溫度以上的停留時間冷卻速度或冷卻時間冷卻速度或冷卻時間焊接熱循環(huán)的參數(shù)焊接熱循環(huán)的參數(shù)HMTHtC8/5tMTHtCv 1

15、.2焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱速度加熱速度 熱源集中程度越高，加熱速度增加，但較快的加熱使相變不充分。l加熱速度受許多因素影響：加熱速度受許多因素影響：不同的焊接方法（決定熱源的強(qiáng)度、功率）不同的焊接方法（決定熱源的強(qiáng)度、功率）不同的被焊金屬（導(dǎo)熱性越好，加熱速度越慢）不同的被焊金屬（導(dǎo)熱性越好，加熱速度越慢）不同厚度（厚板三向?qū)?，加熱速度慢）不同厚度（厚板三向?qū)幔訜崴俣嚷┎煌附訜彷斎氲炔煌附訜彷斎氲萳加熱速度方面的研究還不夠充分加熱速度方面的研究還不夠充分l特別是新工藝，如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏特別是新工藝，如真空電子束焊接等數(shù)據(jù)很缺乏 1.2焊接

16、熱循環(huán)H焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)加熱的最高溫度加熱的最高溫度l據(jù)焊縫遠(yuǎn)近不同的各點(diǎn)，加熱的最高溫度不同，對研究熱影響區(qū)有重大意義。據(jù)焊縫遠(yuǎn)近不同的各點(diǎn)，加熱的最高溫度不同，對研究熱影響區(qū)有重大意義。TmTm低低于于500500，不產(chǎn)生熱塑性變形，冷卻后無內(nèi)應(yīng)力。一般低碳鋼和低合金鋼，熔合線，不產(chǎn)生熱塑性變形，冷卻后無內(nèi)應(yīng)力。一般低碳鋼和低合金鋼，熔合線附近附近TmTm可達(dá)可達(dá)13001300，晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大，塑性降低。，晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大，塑性降低。MT 1.2焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)在相變溫度以上的停留時間在相變溫度以上的停留時間Htttt Htt加

17、熱過程的停留時間冷卻過程的停留時間 1.2焊接熱循環(huán)一般測試1100以上的停留時間。停留時間越長，過熱區(qū)越寬，晶粒越粗，塑性和韌性越差。焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻速度或冷卻時間冷卻速度或冷卻時間決定熱影決定熱影響區(qū)組織性能響區(qū)組織性能l指焊件上某點(diǎn)熱循環(huán)的冷卻過程中指焊件上某點(diǎn)熱循環(huán)的冷卻過程中某一瞬時溫度的冷卻速度某一瞬時溫度的冷卻速度l為了便于測量和分析比較，采用為了便于測量和分析比較，采用800800500500o oCC的冷卻時間來代替瞬時的冷卻時間來代替瞬時冷卻速度，因?yàn)檫@一溫度區(qū)間是相冷卻速度，因?yàn)檫@一溫度區(qū)間是相變的主要溫度范圍變的主要溫度范圍Cv8/5t 1.

18、2焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)冷卻時間冷卻時間從從800800o oCC冷卻到冷卻到500500o oCC時所用時間時所用時間l碳鋼、不易淬火的低合金鋼碳鋼、不易淬火的低合金鋼l從從800800o oCC冷卻到冷卻到300300o oCC時所用時間時所用時間l易淬火的低合金鋼易淬火的低合金鋼( (馬氏體相變點(diǎn)馬氏體相變點(diǎn)300300o oCC左右左右) )從從高溫高溫冷卻到冷卻到100100o oCC時所用時間時所用時間l擴(kuò)散氫擴(kuò)散氫58t100t83t 1.2焊接熱循環(huán)長段多層焊接熱循環(huán)焊縫長度在1m以上，焊完第一層再焊第二層時，第一層基本冷至較低的溫度（100200）

19、相鄰層間有熱處理作用。為防止最后一層淬硬，多加一層“退火焊道”。 1.2焊接熱循環(huán) 多層焊接循環(huán)不適合淬硬性大的鋼材。焊完第一道就可能產(chǎn)生裂紋。需焊前預(yù)熱，焊后緩冷。短段多層焊接熱循環(huán)焊道長度約50400mm，未等前層焊道冷卻到較低溫度（Ms）就開始下一道焊接。 1.2焊接熱循環(huán) 多層焊接循環(huán)短道多層焊接熱循環(huán)短道多層焊接熱循環(huán)材質(zhì)的影響（熱物理參數(shù)）接頭形狀的影響焊道長度的影響預(yù)熱溫度的影響線能量的影響 1.2焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)的影響因素1.3熔化焊接頭的形成l1.焊接材料的熔化l焊接材料（焊絲、焊條）在焊接熱（電阻熱、電弧熱、化學(xué)熱）的作用下熔化，在焊條端部形成滴狀液態(tài)金屬稱為熔滴。l熔

20、滴在各種力的作用下脫離焊條，以滴狀的形式過渡到熔池中，周而復(fù)始。過渡形式：短路過渡、顆粒狀過渡、附壁過渡。l1.焊接材料的熔化l（1）焊條金屬平均熔化速度gM：單位時間熔化的焊芯質(zhì)量，與焊接電流成正比。l（2）損失系數(shù)：焊接中由于氧化、飛濺和蒸發(fā)而損失的金屬質(zhì)量與熔化的焊芯質(zhì)量之比。l（3）平均熔敷速度gH：單位時間進(jìn)入熔池的金屬質(zhì)量。l（4）相互關(guān)系：1.3熔化焊接頭的形成1HMggl2.熔池的形成l1）熔池的形狀和尺寸l經(jīng)過過渡期后，熔池進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定時期。熔池形狀、尺寸和質(zhì)量不再發(fā)生變化，即熔化速度等于結(jié)晶速度。l焊接電流增加，熔池最大深度增大，最大寬度相對變小l電弧電壓增加，最大深度變小，

21、最大寬度增加l熔池長度L：l L=P2q=P2UIl熔池的表面積和P2取決于焊接方法和焊接電流。1.3熔化焊接頭的形成l2.熔池的形成l2）熔池的質(zhì)量l手工電弧焊熔池質(zhì)量通常在0.6g16g之間，一般在5g以下。試驗(yàn)表明：手工電弧焊熔池質(zhì)量與q2/v成正比。埋弧自動焊，焊接電流較大，熔池質(zhì)量較大，但一般小于100g。1.3熔化焊接頭的形成l2.熔池的形成l3）熔池存在時間l熔池在液態(tài)的最大時間取決于熔池的長度和焊速。l由熔池質(zhì)量確定熔池的平均存在時間tcp：1.3熔化焊接頭的形成maxLtvpcpwGtvFl隨著熱源的移動，熔池沿焊接隨著熱源的移動，熔池沿焊接方向作同步移動方向作同步移動l熔池

22、前部熔池前部l母材不斷地熔化母材不斷地熔化l熔池尾部熔池尾部l熔池金屬不斷凝固，熔池金屬不斷凝固，溫度逐漸降低溫度逐漸降低熔池溫度分布熔池溫度分布1-1-熔池中部熔池中部 2-2-熔池前部熔池前部 3-3-熔池尾部熔池尾部1.3熔化焊接頭的形成l4）熔池的溫度分布l5）熔池中液相的運(yùn)動l焊接的強(qiáng)烈攪拌作用將使母材和填充金屬充分混合和均勻化。能得到成分均勻的焊縫金屬。其次能有利于氣體和非金屬夾雜物的外逸，消除焊接缺陷。l母材和液態(tài)金屬的交界，運(yùn)動受到限制，化學(xué)成分不均勻。l運(yùn)動原因：溫度差，密度差，表面張力，機(jī)械力、電磁力等。1.3熔化焊接頭的形成l熔化焊焊接接頭一般都要經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)

23、、凝固結(jié)晶、固態(tài)相變，直至形成焊接接頭。l（1）焊接的熱過程l在前兩節(jié)中已經(jīng)詳細(xì)介紹。l（2）焊接化學(xué)冶金過程l通過化學(xué)冶金的方法提高焊縫的強(qiáng)韌性。如添加微量合金元素進(jìn)行變質(zhì)處理；降低焊縫中C含量，最大限度排除S、P、O、N、H等雜質(zhì)，凈化焊縫，提高韌性。l（3）焊接凝固結(jié)晶和相變過程l和鑄造中液體金屬凝固一樣，不同之處是焊接的凝固更快，冷卻之后產(chǎn)生缺陷的可能性更大。l（4）熔化焊接頭形式與熔合比l接頭形式的多樣化。l熔合比：在焊縫金屬中局部熔化的母材所占比例。l通過改變?nèi)酆媳瓤梢愿淖兒缚p金屬的化學(xué)成分。如要保證焊縫成分和性能的溫度，必須嚴(yán)格控制焊接工藝。堆焊時，總是使熔合比盡可能小，以減少母

24、材成分對堆焊層的影響。1.3熔化焊接頭的形成1.3.2焊接接頭的形成1.3熔化焊接頭的形成1.3.3熔化焊接冶金與焊接性問題（1）焊縫中組織和成分與母材的區(qū)別（2）焊接熱或焊接熱循環(huán)對母材的熱影響（3）焊縫熔合區(qū)成分的差異。焊接性：焊接性：指金屬材料（同種或異種）在一定的焊接工藝條件下焊接后，能滿足結(jié)構(gòu)和使用要求的能力，也即金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性、獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。（1）結(jié)合性能，焊接時缺陷的敏感性。（2）使用性能，能否滿足使用性能。注意：焊接性是一個相對概念。1.4焊接氣氛及其與金屬的相互作用l1.4.1焊接區(qū)的氣體l（1）氣體的來源l1）焊接材料l2）熱源周圍的氣體l3）焊絲

25、和母材表面上的雜質(zhì)N2、H2、O2CO2 和和 H2O 焊條藥皮、焊劑、焊芯焊條藥皮、焊劑、焊芯的造氣劑的造氣劑高價氧化物及有機(jī)物的分解氣體高價氧化物及有機(jī)物的分解氣體母材坡口的油污、油漆、鐵銹、水分母材坡口的油污、油漆、鐵銹、水分空氣中的氣體、水分空氣中的氣體、水分保護(hù)氣體及其雜質(zhì)氣體保護(hù)氣體及其雜質(zhì)氣體直接進(jìn)入直接進(jìn)入間接分解間接分解 焊條藥皮中的淀粉、焊條藥皮中的淀粉、 纖維素、糊精等有機(jī)物纖維素、糊精等有機(jī)物（造氣、粘接、增塑劑）（造氣、粘接、增塑劑） 熱氧化分解反應(yīng)熱氧化分解反應(yīng) 220250以上發(fā)生，以上發(fā)生，220320質(zhì)量損失質(zhì)量損失50%， 800左右完全分解左右完全分解 C

26、O2、CO、H2、烴和水氣、烴和水氣 如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)：如纖維素的熱氧化分解反應(yīng)：（C6H10O5）m7/2m O2（氣）（氣）6m CO2（氣）（氣）5m H2（氣）（氣）酸性焊條藥皮中有機(jī)物的含量較高。酸性焊條藥皮中有機(jī)物的含量較高。1.4焊接氣氛及其與金屬的相互作用（2）氣體的產(chǎn)生1）有機(jī)物的分解和燃燒含有機(jī)物的焊條，烘干溫度控制在含有機(jī)物的焊條，烘干溫度控制在150，不應(yīng)超過，不應(yīng)超過200。 碳酸鹽（碳酸鹽（CaCO3、MgCO3 、白云石白云石及及 BaCO3 等）的分解等）的分解 CaCO3 = CaO + CO2 MgCO3 = MgO + CO2（545 910）（3

27、25 650） 堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量較高。堿性焊條藥皮中碳酸鹽的含量較高。1.4焊接氣氛及其與金屬的相互作用（2）氣體的產(chǎn)生2）碳酸鹽和高價氧化物的分解高價氧化物（高價氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的分解）的分解 （在某些酸性焊條藥皮中含量較高）（在某些酸性焊條藥皮中含量較高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2 2Mn3O4=6MnO+O21.4焊接氣氛及其與金屬的相互作用（2）氣體的產(chǎn)生2）碳酸鹽和高價氧化物的分解l在焊接過程中除水分蒸發(fā)

28、外，金屬元素和熔渣中的成分在電弧高溫作用下也發(fā)生蒸發(fā)。l在一定溫度下，物質(zhì)的沸點(diǎn)越低越容易蒸發(fā)。l物質(zhì)處于溶液中，則物質(zhì)濃度越高其飽和蒸汽壓越大，越容易蒸發(fā)。 金屬材料中金屬材料中Zn、Mg、Pb、Mn 氟化物中氟化物中AlF3、KF、LiF、NaFl后果： 合金元素的損失； 產(chǎn)生焊接缺陷； 增加焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工身體健康。1.4焊接氣氛及其與金屬的相互作用（2）氣體的產(chǎn)生3）材料的蒸發(fā)1.4焊接氣氛及其與金屬的相互作用（3）氣體的分解l簡單氣體（指簡單氣體（指N2、H2、O2、F2等雙原子氣體）的分解等雙原子氣體）的分解 ；l復(fù)雜氣體（指復(fù)雜氣體（指CO2和和H2O等）的分解，分解

29、產(chǎn)物在高溫等）的分解，分解產(chǎn)物在高溫下還可進(jìn)一步分解和電離。下還可進(jìn)一步分解和電離。 編號編號反反 應(yīng)應(yīng) 式式/kJ.mol編號編號反反 應(yīng)應(yīng) 式式/kJ.mol1F2FF2706CO2CO1/2O2282.82H2HH433.97H2OH21/2O2483.23H2HH+e17458H2OOH1/2H2532.84O2OO489.99H2OH2O977.35N2NN711.410H2O2HO1808.3分分解解度度溫度溫度 T / KCO2分解時氣相的平衡成分分解時氣相的平衡成分與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系氣氣相相體體積積分分?jǐn)?shù)數(shù)/% 溫度溫度 T / K 雙原子氣體分解度雙原子氣體分解度與溫度

30、與溫度的關(guān)系（的關(guān)系（P00.1MPa）圖圖7-3 H2O分解形成的氣相成分與溫度的關(guān)系（分解形成的氣相成分與溫度的關(guān)系（P00.1MPa）溫度溫度 T /103K氣氣相相體體積積分分?jǐn)?shù)數(shù)/%下一頁溶解度溶解度S的的影響因素影響因素 氣體種類氣體種類合金成分合金成分溫度溫度與壓力與壓力xxPkS 氣體溶解度與熱效應(yīng)和溫度的關(guān)系氣體溶解度與熱效應(yīng)和溫度的關(guān)系1吸熱溶解吸熱溶解 2放熱溶解放熱溶解溶溶解解度度溫度溫度12 金屬發(fā)生相變時，金屬發(fā)生相變時，由于金屬組織結(jié)構(gòu)的由于金屬組織結(jié)構(gòu)的變化，氣體的溶解度變化，氣體的溶解度將發(fā)生突變。液相比將發(fā)生突變。液相比固相更有利于氣體的固相更有利于氣體的溶

31、解。溶解。 當(dāng)金屬由液相轉(zhuǎn)變當(dāng)金屬由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r，溶解度的為固相時，溶解度的突然下降將對焊件中突然下降將對焊件中氣孔的形成產(chǎn)生直接氣孔的形成產(chǎn)生直接的影響。的影響。氣體氣體金金 屬屬 與與 合合 金金溶解反應(yīng)類型溶解反應(yīng)類型形成化合物傾向形成化合物傾向氮氮鐵和鐵基合金鐵和鐵基合金吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)能形成穩(wěn)定氮化物能形成穩(wěn)定氮化物Al、Ti、V、Zr等金等金屬及合金屬及合金放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)氫氫Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co等金屬及合金等金屬及合金吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)能形成穩(wěn)定氫化物能形成穩(wěn)定氫化物Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th等金屬及合金等金屬及合金放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)不能形成穩(wěn)定氫化不能

32、形成穩(wěn)定氫化物物（ PN2 PH2 = 0.1MPa ）氮、氫在金屬凝固氮、氫在金屬凝固時溶解度陡降。時溶解度陡降。氮、氫在奧氏體中的氮、氫在奧氏體中的溶解度大于鐵素體。溶解度大于鐵素體。氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解氮、氫在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度升高而增大。度隨溫度升高而增大。在鐵的氣化溫度附近，在鐵的氣化溫度附近，氣體溶解度陡降。氣體溶解度陡降。SH/mL.(100g)-1T/圖圖7-9 氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（氫在不同金屬中的溶解度隨溫度的變化（pH20.1MPa）a）I類金屬類金屬 b）II類金屬類金屬a）SH/mL.(100g)-1T/b）第第II類金屬吸氫過程是放熱反應(yīng)，因此隨

33、類金屬吸氫過程是放熱反應(yīng)，因此隨著溫度的升高，氫的溶解度減小，著溫度的升高，氫的溶解度減小， 溫度溫度 T/溶解度溶解度SO/%與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨氧在液態(tài)鐵中的溶解度隨溫度升高而增大溫度升高而增大 氫在二元系鐵合金中的溶解度（1600）氫溶解度SH/ml.(100g)-1合金元素含量wMe /% 氮在二元系鐵合金中的溶解度（1600）合金元素含量wMe /%氮溶解度SN/液態(tài)金屬中加入能提高氣體含量的合金元素，可提高氣體的液態(tài)金屬中加入能提高氣體含量的合金元素，可提高氣體的溶解度；若加入的合金元素能與氣體形成穩(wěn)定的化合物（即溶解度；若加入的合金元素能與氣體形成穩(wěn)定的

34、化合物（即氮、氫、氧化合物），則降低氣體的溶解度。氮、氫、氧化合物），則降低氣體的溶解度。 下一頁2O26730lg6.43pT 圖圖7-14 自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系自由氧化物分解壓與溫度的關(guān)系T/Lg pO2/101.3kPaMoOp 計算得知，在高于鐵熔點(diǎn)的溫度下計算得知，在高于鐵熔點(diǎn)的溫度下 Po2 很小，例很小，例如溫度為如溫度為1800，液態(tài)鐵中，液態(tài)鐵中 FeO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1時，時， Po2 =1.510-8 MPa，說明氣相中只要存在微，說明氣相中只要存在微量的氧，即可使鐵氧化。量的氧，即可使鐵氧化。p 通常情況下通常情況下FeO溶于液態(tài)溶于液態(tài) 鐵中，這時其

35、分解壓為：鐵中，這時其分解壓為： 2max2OOFeOFeO22pp溫度溫度/K1800200022002500300035004000氣相成氣相成分分( 體積分體積分?jǐn)?shù)數(shù) )/CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72O20.220.762.026.3018.5827.7731.36氣相中氧的分氣相中氧的分壓壓pO2/101.325kPa2.210-37.610-32.0210-26.310-218.5810-227.7710-231.3610-2PO2 FeOmax/101.325kPa3.

36、8110-91.0810-71.3510-65.310-5高溫下高溫下CO2對液態(tài)鐵和其他許多金屬來說均為活潑的氧化劑。對液態(tài)鐵和其他許多金屬來說均為活潑的氧化劑。855.611576lgTK5.510200lgTKO/g.(100g)-1，wO/%ArCO2CO2，O2/%O2/%不同氣體保護(hù)焊對于熔敷金屬中含氧量的影響見下圖。不同氣體保護(hù)焊對于熔敷金屬中含氧量的影響見下圖。 熔敷金屬中熔敷金屬中O與保護(hù)氣體成分的關(guān)系與保護(hù)氣體成分的關(guān)系 實(shí)線實(shí)線O 虛線虛線wO(焊絲焊絲H08Mn2Si 1.6mm 母材低碳鋼母材低碳鋼)藥藥 皮皮 類類 型型氣相成分（體積分?jǐn)?shù)）氣相成分（體積分?jǐn)?shù)） /%

37、備備 注注COCO2H2H2O高鈦型（高鈦型（J421）46.75.334.513.5焊條在焊條在110烘干烘干2h鈦鈣型（鈦鈣型（J422）50.75.937.55.7鈦鐵礦型（鈦鐵礦型（J423）48.14.836.610.5氧化鐵型（氧化鐵型（J424）55.67.324.013.1纖維素型（纖維素型（J425）42.32.941.212.6低氫型（低氫型（J427）79.816.91.81.5酸性焊條電弧焊電弧空間的氧化性遠(yuǎn)大于堿性。酸性焊條電弧焊電弧空間的氧化性遠(yuǎn)大于堿性。室溫下室溫下 N、H、O 在金屬中的溶解度極低，在金屬中的溶解度極低， 殘留在接頭中的殘留在接頭中的 HR易導(dǎo)致

38、延遲裂紋和氫脆。易導(dǎo)致延遲裂紋和氫脆。固溶態(tài)固溶態(tài)化合物化合物獨(dú)立氣相獨(dú)立氣相彌散狀（氮化物）彌散狀（氮化物）塊狀（氧化物、氮化物）塊狀（氧化物、氮化物）強(qiáng)化、脆化強(qiáng)化、脆化 夾雜夾雜氣孔（氫氣孔，氮?dú)饪?，氣孔（氫氣孔，氮?dú)饪?，CO氣孔）氣孔）熔煉時造渣覆蓋（真空、惰性氣體）保護(hù)；熔煉時造渣覆蓋（真空、惰性氣體）保護(hù)；焊接時，惰性氣體或氣渣聯(lián)合保護(hù)。焊接時，惰性氣體或氣渣聯(lián)合保護(hù)。p 氫主要來源于水分氫主要來源于水分，包括原材料（爐料、造渣材料、母材、焊接材料等），包括原材料（爐料、造渣材料、母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及鐵銹或氧化膜中的結(jié)晶水、化合本身含有的水分、材

39、料表面吸附的水分以及鐵銹或氧化膜中的結(jié)晶水、化合水等。材料內(nèi)的水等。材料內(nèi)的碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔锖筒牧媳砻娴暮筒牧媳砻娴挠臀塾臀鄣纫彩菤涞闹匾獊碓?。等也是氫的重要來源?p 氧主要來源于焊材或礦石，氧主要來源于焊材或礦石，在焊接要求比較高的合金鋼和活潑金屬時，在焊接要求比較高的合金鋼和活潑金屬時，應(yīng)應(yīng)盡量選用不含氧或氧含量少的焊接材料盡量選用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高純度的惰性保護(hù)氣體，如采用高純度的惰性保護(hù)氣體，采用低氧或無氧的焊條、焊劑等。采用低氧或無氧的焊條、焊劑等。 限制措施為焊材存放中防吸潮、焊前烘干、除銹和去油污。限制措施為焊材存放中防吸潮、焊前烘干、除銹和去油污。p 焊

40、接電流增加時，焊接電流增加時，熔滴過渡頻率增加熔滴過渡頻率增加，氣體與熔滴作用時間縮短，氣體與熔滴作用時間縮短，焊縫中氮、氧含量減少。此外，焊接方法、熔滴過渡特性、電流種類焊縫中氮、氧含量減少。此外，焊接方法、熔滴過渡特性、電流種類等也有一定的影響。等也有一定的影響。1.5焊接材料和焊接熔渣焊條、焊絲、焊劑、保護(hù)氣體統(tǒng)稱焊接材料。焊接材料對接頭性能的影響：組成焊縫影響組織及缺陷影響熱影響區(qū) 熔化熱（電弧過程） 熔合區(qū)性能焊接材料焊條一、焊條分類一、焊條分類 1.根據(jù)用途分 結(jié)構(gòu)鋼焊條、耐熱鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、低溫鋼焊條、鑄鐵焊條、Ni及Ni合金焊條 國標(biāo)中又將結(jié)構(gòu)鋼分為碳鋼及低合金鋼

41、焊條 2.按焊接熔渣的堿度分 分為酸性焊條、堿性焊條 3.按焊條藥皮的類型分 氧化鈦型焊條、鈦鈣型焊條、鈦鐵礦型焊條、氧化鐵型焊條、纖維素型焊條和低氫焊條等 4.厚皮焊條和薄皮焊條。1）焊芯 按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB130077、GB342982 、 GB424184等選擇相應(yīng)牌號的焊絲作為焊芯 ，一般 碳鋼及低合金鋼焊絲用H08、H08A 焊芯中的組成元素 C:等強(qiáng)條件下越低越好，C含量高易引起氣孔、飛濺、裂紋等 Mn:用來脫O、S，合金化，含量在0.3-0.55% Si:生成SiO2，易形成夾雜，產(chǎn)生熱裂，應(yīng)加以限制，越少越好 Ni、Cr：對冶金過程不會有太大的影響 S、P：有害，應(yīng)加以限制焊接材

42、料焊條1.5.2焊接熔渣l1.按焊接熔渣的組成物分類：按焊接熔渣的組成物分類：l鹽型熔渣鹽型熔渣l鹽鹽氧化物型熔渣氧化物型熔渣 l氧化物型熔渣氧化物型熔渣 下一頁2、渣體結(jié)構(gòu)及堿度 （一）熔渣結(jié)構(gòu)的分子理論（二）熔渣的離子理論（三）熔渣的堿度下一頁（一）熔渣結(jié)構(gòu)的分子理論（1）液態(tài)熔渣是由）液態(tài)熔渣是由自由狀態(tài)化合物自由狀態(tài)化合物（包括氧化物、（包括氧化物、氟化物、硫化物的分子等）和氟化物、硫化物的分子等）和復(fù)合狀態(tài)化合物復(fù)合狀態(tài)化合物（酸性氧化物和堿性氧化物生成的鹽）的分子所（酸性氧化物和堿性氧化物生成的鹽）的分子所組成；組成； （2）氧化物與復(fù)合物在一定溫度下處于平衡狀態(tài)；）氧化物與復(fù)合物

43、在一定溫度下處于平衡狀態(tài)； （3）只有渣中的）只有渣中的自由氧化物才能與液體金屬和其中自由氧化物才能與液體金屬和其中的元素發(fā)生作用的元素發(fā)生作用。如：。如： （FeO）+ C = Fe + CO 而硅酸鐵而硅酸鐵 (FeO)2SiO2 中的中的 FeO 不能參與上面的不能參與上面的反應(yīng)。反應(yīng)。（二）熔渣的離子理論（1）認(rèn)為液態(tài)熔渣是由）認(rèn)為液態(tài)熔渣是由正離子正離子和和負(fù)離子負(fù)離子組成的電中組成的電中性溶液。性溶液。（2）離子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取決于）離子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取決于它的它的綜合矩（離子電荷綜合矩（離子電荷/離子半徑）離子半徑）。離子的綜合。離子的綜合矩越大，

44、說明它的靜電場越強(qiáng)，與異號離子的引力矩越大，說明它的靜電場越強(qiáng)，與異號離子的引力越大。越大。（3）液體熔渣與金屬之間相互作用的過程，是）液體熔渣與金屬之間相互作用的過程，是原子原子與離子交換電荷的過程與離子交換電荷的過程。如：。如： Si4 + 2 Fe = 2 Fe2 + Si （三）熔渣的堿度 熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的堿度密切相關(guān)，堿度對液態(tài)金屬的脫硫、堿度密切相關(guān)，堿度對液態(tài)金屬的脫硫、脫磷效果也有重要影響。脫磷效果也有重要影響。 1、熔渣堿度的分子理論、熔渣堿度的分子理論 2、熔渣堿度的離子理論、熔渣堿度的離子理論 1、熔渣堿度的分子理論 按照分

45、子理論，按照分子理論，熔渣的堿度就是熔渣中的堿性氧化物與酸熔渣的堿度就是熔渣中的堿性氧化物與酸性氧化物濃度的比值性氧化物濃度的比值。表示為：。表示為： 堿性氧化物：堿性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等等 ， 酸性氧化物：酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。等。 考慮到氧化性強(qiáng)、弱差別，堿度表達(dá)式修正為：考慮到氧化性強(qiáng)、弱差別，堿度表達(dá)式修正為： 當(dāng)當(dāng)B11為堿性渣，為堿性渣，B11為酸性渣，為酸性渣，B1=1為中性渣為中性渣。 酸性氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)堿性氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)B221223220.018CaO+0.015MgO+0.006CaF +0.014(K O+Na2O)+0.007