焊接冶金學(xué)課件

焊接冶金學(xué)

（基本原理）

李慕勤

佳木斯大學(xué)材料工程學(xué)院

二000年3月15日

結(jié)論

一、焊接過程的物理本質(zhì)

1、焊接定義

被焊工件的材質(zhì)通過加熱或加壓或二者并用，用或不用添充材料，使工件的材質(zhì)達

到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程稱為焊接。

定義掌握三個要點：一是材料，可以是金屬、非金屬；可以是同種材料、異種材料。

二是達到原子間的結(jié)合。三是永久性。

2、金屬連接的障礙

1）金屬表面只有個別微觀點接觸；

2）材料表面存在著氧化膜、油、雜質(zhì)、污物、銹等。

3、解決的方法

1）加熱

加熱到熔化狀態(tài)一熔化焊

2）加壓（加熱或不加熱）——壓力焊

4、分類

1）冶金角度分：

液相焊接：指熔化焊，利用熱源加熱侍焊部位，使之發(fā)生熔化，利用液相的相溶，

達到原子間的結(jié)合。它包括電弧焊、電渣焊、氣焊、電子束焊、激光焊等。

固相焊接：指壓力焊，是焊接時必須使用壓力，使待焊部位的表面在固態(tài)下達到緊

密接觸，并使待焊表面的溫度升高（一般低于材料的熔點），通過調(diào)解溫度、壓力和時

間，造成接頭處材料進行擴散，實現(xiàn)原子間的結(jié)合。它包括電阻焊、磨擦焊、超聲波焊

等。

固-液相焊接：待焊表面并不直接接觸，通過兩者毛細間隙中的中間液相聯(lián)系。在

待焊的同質(zhì)或異質(zhì)材質(zhì)固態(tài)母材與中間液相之間存在兩個固-液界面，由于固液相間能

充分進行擴散，可實現(xiàn)原子間的結(jié)合。

2）從焊接方法上分：

一是熔化焊：

a、電弧焊：手工電弧焊、埋弧焊、氣電焊。

b、氣焊

c、電渣焊

d、等離子焊

e、真空電子束焊

f、激光焊

二是壓力焊：

a、磨擦焊、

b、接觸焊：點焊、對焊、閃光焊、縫焊等。

C、超聲波焊

d、擴散焊

三是釬焊：真空釬焊、火焰釬焊、感應(yīng)釬焊等。

二、焊接熱源種類及其特性

1、熱源的發(fā)展

上個世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)碳弧焊；

1891年金屬極電弧焊；

本世紀(jì)初薄皮焊條電弧焊和氧乙快氣焊；

30年代，厚皮焊條電弧焊、氫原子焊、氮氣保護焊；

40年代，埋弧焊和電阻焊；

50年代，CO2氣體保護焊和電渣焊；

60年代，電子束焊和等離子弧焊與切割；

70年代，激光焊焊接與切割；

80年代，逐步完善電子束焊接和激光焊接工程；

90年代，尋找新能源，如太陽能、微波等。

從發(fā)展的趨勢來看，焊接技術(shù)逐步向高效率、高質(zhì)量、低成本、自動化、低

消耗方向發(fā)展。焊接熱源要能量高度集中，快速實現(xiàn)焊接過程，并保證得到致密而

強韌的焊縫和熱影響區(qū)。

2、熱源種類

1）電弧熱：利用氣體介質(zhì)放電過程所產(chǎn)生的熱能作為焊接熱源。

2）化學(xué)熱：利用可燃和助燃氣體或鋁、鎂熱劑進行化學(xué)反應(yīng)時所產(chǎn)生的熱能作為熱源。

3）電阻熱：利用電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的電阻熱作為熱源。

4）高頻感應(yīng)熱：對于有磁性的金屬材料可利用高頻感應(yīng)所產(chǎn)生的二次電流作為熱源,

在局部集中加熱，實現(xiàn)高速焊接。如高頻焊管等。

5）摩擦熱：由機械摩擦而產(chǎn)生的熱能作為熱源。

6）等離子焰：電弧放電或高頻放電產(chǎn)生高度電離的離子流，它本身攜帶大量的熱能和

動能，利用這種能量進行焊接。

7）電子束：利用高壓高速運動的電子在真空中猛烈轟擊金屬局部表面，使這種動能轉(zhuǎn)

化為熱能作為熱源。

8）激光束：通過受激輻射而使放射增強的光即激光，經(jīng)過聚焦產(chǎn)生能量高度集中的激

光束作為熱源。

三、焊接冶金及金屬焊接性的特點

以熔化焊為例，焊接過程經(jīng)過了加熱一熔化一冶金反應(yīng)一結(jié)晶一固態(tài)相變一接頭。

1、焊接熱過程

貫穿整個焊接過程，決定焊接應(yīng)力、應(yīng)變、冶金反應(yīng)、結(jié)晶、相變。

2、焊接化學(xué)冶金過程

熔化金屬、熔渣、氣相進行系列的化學(xué)冶金反應(yīng)。

3、焊接時金屬結(jié)晶和相變過程

4、焊接接頭的特征

焊接接頭是指整個焊接區(qū)，不僅包括結(jié)合區(qū)，也包括其周圍區(qū)域。結(jié)合區(qū)既是焊縫

(WM),結(jié)合區(qū)鄰近區(qū)既是母材中組織或性能發(fā)生變化的區(qū)，稱為熱影響區(qū)

(HAZ)o

過渡區(qū)是指母材與焊縫交界處，也稱為熔合區(qū)。接頭的質(zhì)量包括焊縫與熱影響區(qū)與

熔合區(qū)。

第一章焊接化學(xué)冶金

第一節(jié)焊接化學(xué)冶金過程特點

焊接化學(xué)冶金過程：熔化焊時，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程。

要點：各種物質(zhì)包括氣體、液態(tài)金屬、熔渣。

普通化學(xué)冶金過程是對金屬熔煉加工過程，在放牧特定的爐中進行。

焊接化學(xué)冶金過程是金屬在焊接條件下，再熔煉的過程，焊接時焊縫相當(dāng)高爐。

二者共同點：金屬冶煉加工。

不同點：

1)原材料不同。

普冶材料：礦石、焦炭、廢鋼鐵等。

焊金材料：焊條、焊絲、焊劑等。

2)目的不同

普冶：提煉金屬；焊冶：對金屬再熔煉，以滿足構(gòu)件性能。

一、焊條熔化及熔池的形成

(-)焊條的加熱及熔化

1、焊條的加熱

所用熱能有電阻熱、電弧熱、化學(xué)反應(yīng)熱。

電阻熱：焊接電流通過焊芯時產(chǎn)生的電阻熱。

電弧熱：焊接電弧傳給焊條端部的熱量。

化學(xué)反應(yīng)熱：藥皮部分化學(xué)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)時產(chǎn)生的熱量。

1)電阻加熱

手工電弧焊，小電流時電阻熱不是主要的；大電流時電阻熱是主要的，過大，

造成危害。一是焊條藥皮脫落、開裂；二是化學(xué)元素?fù)p失，冶金性能變化；三是熔

化過分激烈，飛濺嚴(yán)重；四是焊縫成型來好，易產(chǎn)生缺陷。

自動焊、半自動焊時，適當(dāng)增加電流密度和焊絲伸出長度，提高熔化速度。

2)電弧熱

真正用于使焊條加熱和熔化的熱能。焊接電弧用于加熱和熔化焊條的功率為

qe=HeUI

ne—焊條加熱有效系數(shù)，取決于焊接規(guī)范，電流極性、焊條藥皮成分、金屬

過渡形式。

手工電弧焊時ne為0.2—0.27

2、焊條金屬的熔化速度

焊條金屬的平均熔化速度

gM=G/t=apl

a0為焊條熔化系數(shù)

焊條金屬的平均熔敷速度

go-Gi)/t=anl

an為焊條的平均熔敷速度，體現(xiàn)了生產(chǎn)率的大小。

損失系數(shù)

中二(G-Gn)/G=(gM-gD)/go=l-aH/ap

aH=(-W)a

3、焊條金屬熔滴及過渡特性

1)熔嫡過渡形式

短路過渡、顆粒過渡、附壁過渡、射流過渡、旋轉(zhuǎn)射流過渡。

堿性焊條：短路過渡和大顆粒過渡；酸性焊條：細顆粒過渡和附壁過渡。

2)熔滴的比表面積和作用時間

熔滴的比表面積S：熔嫡的表面積與其質(zhì)量之比。

S=Ag/PVg=4口R2/(4/3口R3P)=3/RP

熔滴的比表面積是相當(dāng)大的，S=1000—10000Cm7kg

It.Rl.St,利于冶金反應(yīng)進行。

熔滴的平均作用時間是指熔滴的平均質(zhì)量與一個周期內(nèi)焊芯的平均熔化速度之比。

Tcp=m/gcp=(mo+O.5mtr)/mtr/T=(m0/mtl+0.5)T

Tcp=0.01—1.Os

3）熔滴的溫度

實測手工電弧焊碳鋼焊條：2100-2700K,熔渣平均溫度：1600C°

（-）熔池的形成

1、熔池的形狀和尺寸

熔池為半橢球，幾何尺寸為

L=P/U其中，Pz是比例系數(shù)，取決于焊接方法和規(guī)范。I是焊接電流，U是焊

接電壓，上式適用于點狀熱源。

B,H分別是熔池寬度和熔池深度。

It,Ht,Bl；Ut,HI,Bt?

熔池平均表面積Fg,一般為l—Mm；

熔池的比表面積$=Fg/pG.

2、熔池質(zhì)量和存在時間

tmax-L/V

tcp=Gp/PVA.Ar焊縫的橫截面積。

3、熔池溫度

熔池中部溫度最高，頭部次之，其次是尾部。

4、熔池運動狀態(tài)

運動原因：

1）液態(tài)金屬密度差引起自由對流運動

P=f（T）,Tr^i,P小，T低，P大，促使金屬由低溫區(qū)向局溫區(qū)運動。

2）表面張力差強迫對流運動

F=f（T）,TT,尸J,尸T尸，表面張力差將強迫液態(tài)金屬發(fā)生對流。

2）熔池中各種機械力攪拌

如電弧吹力、電磁力、重力等。

5、對焊接質(zhì)量的影響

熔池運動使母材與焊縫成分加以混合，成分均勻化；利于氣體、夾雜外逸，加

速冶金反應(yīng)，提高焊接質(zhì)量。

二、焊接過程中對熔融金屬的保護

以低碳鋼為例光焊絲在空氣中無保護下焊接，其結(jié)果是：電弧不穩(wěn)，飛濺嚴(yán)重，氣

孔多，工藝性能不好；

（1）焊縫含⑼、量過高；

（2）［Mn］、［C］量下降，焊接時合金元素?zé)龘p嚴(yán)重；

（3）機械性能下降。

保護方式：

1、氣渣聯(lián)合保護

2、渣保護

3、氣保護

4、真空保護

5、自保護

三、焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)及反應(yīng)條件

焊接方法不同，冶金反應(yīng)階段也不同。以手工電弧焊為例，加以討論。

1、藥皮反應(yīng)區(qū)：指焊條受熱后，直到焊條藥皮熔點前發(fā)生的一些反應(yīng)。

1）水分蒸發(fā)

T>100C°,吸附水蒸發(fā)。

2）某些物質(zhì)分解

T在200-250℃時,有機物分解：

300—400℃時，結(jié)晶水及化合水分解。

結(jié)晶水：有金屬鍵的聯(lián)系。

化合水指不是以單一水分子形式存在。白泥：Al2Si205（011）,

2MnO2=MnO+O2

2Fe2O3=4FeO+O2（赤鐵礦）

2、熔滴反應(yīng)區(qū)

指熔滴形成、長大脫離焊條過渡到熔池之前。

特點：

1）溫度高

熔滴平均溫度1800~2400℃

熔滴活性斑點溫度：2800℃

熔滴金屬過熱度大300—900C

2）與氣體、熔渣的接觸面積大

比表面積大F比=1000—lOOOOcm^/Kg

比煉鋼時大1（）00倍，弧柱空間的熔滴尺寸最小直徑0.01-

3）時間短、速度快

在焊條端停留時間：0.001-0.1S

穿過弧柱時間：10“一103s

4）熔渣和熔滴金屬進行強烈的攪拌混合。

主要冶金反應(yīng)：金屬蒸發(fā)；氣體的分解和溶解；氧化一還原；摻合金。

3熔池反應(yīng)區(qū)

1）熔池溫度度1600~1900℃

2

2）接觸面積小Flt=3—130Cm/Kg

3）時間長手工焊時為3-8S埋弧焊6-25S

4）攪拌沒有熔滴階段激烈

5）熔池溫度不均勻

(SiO2)+2[Fe]=[Si]+2FeO

2

lgKSi=(FeO)[Si]/(SiO2)=-13460/T+6.04

(MnO)+[Fe]=[Mn]+FeO

lgKMn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.16

2

AH=[SiO2]+042B1(MnO)]/l00B,

Fe2O3+Mn=MnO+2FeO

CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO

[Mn]+[FeO]=[Fe]+（MnO）

K=aMno/aMn-aFeO=YMnO-（MnO）/aMnO-^FeO

第二章焊條和焊劑

目前我國焊接材料生產(chǎn)廠家約有800余家，其中焊條生產(chǎn)企業(yè)在600家以上；C02

氣體保護焊絲生產(chǎn)廠家100余家；釬料生產(chǎn)廠家300多家；埋弧焊劑生產(chǎn)企業(yè)30多家;

具有生產(chǎn)藥芯焊絲條件的企業(yè)21家。共生產(chǎn)品種576個。我國焊接材料總產(chǎn)量已躍居

世界第一位，年生產(chǎn)能力近180萬噸。1995年生產(chǎn)焊接材料76萬噸，其中電焊條60

萬噸（生產(chǎn)能力超過150萬噸），占總數(shù)的80%。C0氣體保護焊絲7萬噸（生產(chǎn)能力為

15萬噸左右）,占總數(shù)的9.3396o焊劑5萬噸（生產(chǎn)能力10萬噸），占總數(shù)的6.66%。

埋弧焊絲4萬噸（生產(chǎn)能力10萬噸），占總數(shù)的5.33%。由上述數(shù)據(jù)可以看出我國的

焊接自動化水平很低，比發(fā)達國家分別落后30到70個百分點。另一個問題是及時調(diào)整

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開發(fā)市場上急需的特種焊條，由于種種原因，國內(nèi)生產(chǎn)焊材的企業(yè)尚不能完

全供應(yīng)這些焊條，施工單位只好購買昂貴的進口焊條，在增加工程成本的同時還要花費

大量的外匯。為此，焊接材料領(lǐng)域也在積極研究開發(fā)了許多相應(yīng)的新品種.

第一節(jié)焊條

一.焊條的組成

1.焊芯一焊絲

作用：導(dǎo)電、填充金屬。

焊芯材料有選擇性，用量最多的是H08、H08A,還有H08E。

H—漢語拼音字母表示焊條的“焊—08—表示含碳量平均為0.08%,A—表示

優(yōu)質(zhì)鋼、含雜質(zhì)量少S、P?！癊”，S、P雜質(zhì)更少。

2.藥皮

作用：①機械保護作用

②冶金處理作用

③工藝性能良好

組成：

①穩(wěn)弧劑：改善引弧性能和提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，原材料為易電離或電離勢低的物

質(zhì)。如：K2CO.,SCaCOa大理石、長石、鉀水玻璃

②造渣劑：造成具有一定物理性能、化學(xué)性能的熔渣，起到保護作用和改善焊縫成型。

如：鈦鐵礦、金紅石、螢石、長石等。

③造氣劑：造氣保護。有機物、碳酸鹽、有機物如：木粉、淀粉、析出氣體CO、H,碳

酸鹽析出氣體CO2,高溫時產(chǎn)生CO。

④脫氧劑：降低藥皮中或熔渣的氧化性和脫除金屬中的氧。鐵合金：錦鐵、鈦鐵、硅

鐵、Re等。

⑤合金劑：使焊縫補償燒損和獲得必要的合金成分。合金、純金屬、一般Mn-Fe、Si-Fe

要純化發(fā)醇加5%高Mn酸鉀純化。

⑥粘結(jié)劑：將涂料牢固的粘在焊芯上，參加冶金反應(yīng)，如鈉水玻璃、鉀水玻璃與鈉水

玻璃混合。

⑦增塑性:便于用機器壓制焊條，額外加入一些能改善涂料塑性或滑潤性物質(zhì)。如云母、

白泥、滑石等。

二.焊條分類

(-)焊條用途分

1.結(jié)構(gòu)鋼焊條用結(jié)XX表示，符號J、焊接低碳鋼、低合金

2.銅和銘鋁耐熱鋼焊條，用熱XXX表示、符號、R、焊接珠光體耐熱鋼

3.不銹鋼焊條：用不XXX表示、符號G或A、焊接不銹鋼及熱強鋼

4.堆焊焊條：用堆XXX表示、符號D、用于金屬表面的堆焊、耐磨性、紅硬性

5.低溫鋼焊條：這類焊條的熔敷金屬,在不同的低溫介質(zhì)條件下,具有一定的低溫

工作能力.型號W以區(qū)別堆焊焊體牌號。

6.鑄鐵焊條：焊補，焊接鑄鐵，型號Z.牌號用符號.鑄

7.銀及銀合金焊條:用于銀.銀合金的焊接.補焊或堆焊,有的也可用于鑄鐵補焊及異種金屬

焊接，型號N牌號.銀

8.銅及銅合金焊條

用于銅及銅合金焊接,也可用于鑄鐵補焊及異種金屬焊接.

型號7.牌號.銅.

9.鋁及鋁合多焊條：鋁及鋁合金的焊接及補焊，型號L牌號.鋁。

（二）按渣堿度：分為酸、堿性焊條。

（三）按藥皮類型：分為鈦型.鈦鈣型、鈦鐵礦、氧化鐵、纖維素、低氫型、石墨、鹽基型。

三、焊條的型號與牌號

1、焊條的牌號

以結(jié)構(gòu)鋼為例.牌號,編制法.結(jié)XXX,結(jié)為結(jié)構(gòu)鋼焊條,第3個數(shù)字，代表藥皮類型,焊接電流

要求,第1.2,數(shù)學(xué):代表焊縫金屬抗拉強度。

2、焊條的型號

焊條的型號是按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)確定的。以結(jié)構(gòu)鋼為例，型號編制法為字母“E”

表示焊條，第一、二位表示熔敷金屬最小抗拉強度，第三位數(shù)字表示焊條的焊接位置，第

三、四位數(shù)字表示焊接電流種類及藥皮類型。

結(jié)構(gòu)鋼焊條牌號舉例，結(jié)422對應(yīng)于E4303,結(jié)構(gòu)鋼焊條，鈦鈣型,可用交直流，焊縫抗拉

強度不低于42公斤/亳米2結(jié)507與E5015結(jié)構(gòu)鋼焊條相對應(yīng)，低氫型,直流焊接,焊縫最

小抗拉強度不低于50公斤/毫米2

叫焊條的工藝性能

1.焊接電弧的弧定性（穩(wěn)弧性）

影響因素有焊條藥皮成份、電源的特性、焊接規(guī)范等.藥皮成份的影響是若藥皮中含低

電離勢元素,UI穩(wěn)弧性3在焊條藥皮中凡是能降低電弧電壓的物質(zhì)，均有穩(wěn)弧作用，而電

弧電壓的高低又與物質(zhì)的電離勢有關(guān)，電離勢低的元素,化合物就能起到穩(wěn)弧作用.

某些元素的電離勢

元素KNaBaCaTiMnFeSiCH0F

CO，

電離勢（V）4.325.125.166.086.817.407.837.9411.2213.5313.5618.614.3

堿性焊條:結(jié)507,低氫型，電弧穩(wěn)定性不好

原因:藥皮中含螢石較多,CaF,氟電離勢高18.6伏，與電子親和力大,奪取電弧中的電子,形

成負(fù)離子,惡化電弧的穩(wěn)定性。

結(jié)506加入了低電離勢物質(zhì),K.、Na則可用交，直流.但K、Na與F的親和力大,KF、NaF有

毒.

酸性焊條;Si。?、TiO2>CaO,云母、長石中含KQ、咽0等,穩(wěn)弧性好。

判定穩(wěn)弧性：

①測最大的燃燒電弧長度Lmax

Lmaxt穩(wěn)t斷弧長度越大,穩(wěn)弧性越好.

②示波器,觀察電流，電弧電壓波形的變化情況.

控制低氫型焊條穩(wěn)弧性方法：

a）CaC（VCaFz比例控制并加入KL6~2.5、K2C03K〈L5鉀，鈉水玻璃

b）添加10?20%純鐵粉和少量Al-Mg合金粉.

c）用蛇艮代CaF?不僅提高穩(wěn)弧性,還可改善焊縫成型和脫渣.

d）加入少量CsCO:,（O.1~1.0%）的也離勢比K小,還可加石墨0.5-3.0%,熔點低，套筒長度了

2.表面成型

與操作技術(shù)有關(guān),還取決熔渣熔點,粘度與表面張力,熔渣的物理性質(zhì)有關(guān).

1）熔渣的熔點

藥皮熔化后,熔渣凝固的溫度,低于藥皮熔點100?200℃,熔渣的熔點過高,壓鐵水，成型不

好,產(chǎn)生氣孔.熔渣的熔點過低，保護作用不好,復(fù)蓋不好，比焊縫金屬熔點低200?450C.

2）熔渣的粘度（7）

Tt〃3〃過高，表面成型不良，易產(chǎn)生氣孔，夾雜.〃過低，對焊縫敷蓋不均勻，保護作用差.

適中，一般T1500℃渣1-2泊,鐵水〃0.019泊，熔渣的粘度也決定于熔渣的化學(xué)成分.如圖

4-3

3）表面張力b

crI復(fù)蓋性好，但不能過小，crt熔渣易成球型,復(fù)蓋性不好.

熔渣的表面張力和粘度

材料溫度℃表面張力（N/m）粘度（泊）

鐵1575?15901.0?1.20.019

堿性渣14000.28-0.352.0-7.0

酸性渣14000.35-0.401.2?2.0

4）熔滴過渡

低氫型焊條粗滴短路過渡，J423,J424以短路過渡為主,J421,J422以噴射過渡,焊縫成型美

觀.

3.在各種位置焊接適應(yīng)性

焊縫位置：平焊縫、立焊縫、仰焊縫、橫焊縫

一般焊條均可進行平焊，但不是所有焊條均可立、仰、橫焊，立、仰、橫焊難點在于:①重力

作用卜.焊條熔滴不易向熔池過渡;②熔池金屬,熔渣下流。

解決方法：

1）適當(dāng)增加電弧吹力，調(diào)整藥皮熔點和厚度,使焊條端部產(chǎn)生適當(dāng)長度的套筒,藥皮中加入

一定數(shù)量造氣劑.

2）熔渣的物理性能適應(yīng)

①熔滴的凝固溫度

焊條類型凝固溫度C凝固溫度范圍力

纖維素型1200-129090

鈦型1320-1420100

鈦鐵礦型1130-1260130

氧化鐵型1180-1350170

凝固溫度范圍窄,粘度表面張力隨溫度變化，使熔渣能在較短時間內(nèi)迅速凝固，才能立、仰橫

焊,凝固溫度范圍t,不易橫、仰、立焊.

②粘度（7）表面張力（cr）

長渣:粘度與表面張力隨時間變化而發(fā)生緩慢凝固的渣.

短渣:粘度與表面張力隨時間變化而發(fā)生快速凝固的渣.

氧化鐵型不適應(yīng)于橫.立.仰焊，長渣凝固溫度范圍大，其它種焊條可進行全位置焊接.

4.脫渣性

脫渣性:焊后熔渣從焊縫表面清除的難易程度.

影響因素：

1）熔渣的膨脹系數(shù)和松脆性,金屬與熔渣的膨脹系數(shù)相差越大,收縮不同產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力越大，

脫渣性好,如圖2-2可知,鈦型焊條,脫渣性最好，低氫型焊條脫渣性最差.

疏松度:指渣中孔隙所占的面積的百分?jǐn)?shù).

對于角焊縫,深剖口底層焊縫,熔渣夾在鋼板之間，脫渣困難,渣的硫松度影響很大，渣

越松脆,越易脫。鈦型焊條疏松度,不如氧化鐵型及鈦鐵礦型,在角焊縫及深剖口中脫渣，以

氧化鐵型,鈦鐵礦型為好.鈦鈣型渣松脆。CaO是黃白色質(zhì)松而不脆，CaF多，色黑而硬，均不

利于脫渣.

2）熔渣氧化性

熔渣氧化性太強，脫渣難。

原因是：

①氧化性太強，使焊縫表面氧化,生成氧化膜。

FeO晶格結(jié)構(gòu)體心立方，焊縫金屬a—Fe體心立方.

②晶格與a—Fe搭接

③熔渣中尖晶石型化合物Al2O3、匕。③、CrO.等形成體心立方晶格結(jié)構(gòu)的尖晶石型化

合物。

④尖晶石化合物與FeO晶格結(jié)合，使之很難脫渣，F(xiàn)eO膜相當(dāng)膠粘劑，連接焊縫金屬

與熔渣。

5.飛濺

匕濺;焊接過程中由熔滴或熔池中飛出的金屬顆粒

產(chǎn)生原因：

1）熔池內(nèi)部氣體的熔池中逸出引起如：CO

2）熔滴爆炸

3）電弧作用力，熔滴在帶電質(zhì)點對電極斑點產(chǎn)生斑點壓力,排斥熔滴過渡

4）短路過渡時,電弧再燃時產(chǎn)生飛濺

影響因素：

①粘度〃t飛濺t

②It飛濺t

③藥皮水分t飛濺t

@Uf飛濺t

⑤電源種類，交流飛濺〉直流飛濺

6.焊條的熔化速度

1）焊條的熔化速度

焊接過程中,焊條的熔化速度反映著焊接生產(chǎn)率的高低，也是工藝性能方面的一個重要指

標(biāo).

焊條的熔化速度與它的熔化系數(shù)有關(guān),可用焊條的熔化系數(shù)表示.

焊條的熔化系數(shù):單位時間內(nèi),單位電流所能熔化的焊芯金屬重.

符號表示：單位克/安一小時

焊條的熔化系數(shù)的影響因素：

i）藥皮成分的影響

藥皮成分對電弧電壓有影響，電弧電離電位越低，電弧電壓越低，產(chǎn)生熱量少%,小?Ut

%t

藥皮成分對熔滴過渡形態(tài)有影響，增多碳酸鹽減少碳酸鹽，細化熔滴短路過度UI,顆粒過

渡ut,射流過渡，叫,最大.

焊條熔化與藥皮的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性有關(guān)，以77。2為主，渣導(dǎo)熱性差，導(dǎo)中性好,電阻熱作用,

導(dǎo)致藥皮易于發(fā)紅，鈦型.鈦型.鈦鈣型,若藥皮中加入發(fā)熱劑，氧化鐵型加速藥皮熔化a,

大，氧化鐵型.藥皮成分中含有進行放熱反應(yīng)的物質(zhì)時，加速焊條熔化t為了提高生成

率，鐵粉焊條提高熔敷放率是指熔敷金屬量與熔化的填充金屬量的百分比。

例：J422—Fei60表示加純鐵粉熔敷效率為160%的J422.

ii）電流種類與極性

直流正接:電弧電壓和熔化系數(shù)變化很大，此時焊條接陰極,藥皮成分對陰極壓降影響較

大,藥皮成分的改變直接影響著電弧電壓變化，使%,也發(fā)生變化.

直流反接:電弧電壓和熔化系數(shù)變化最小.

交流:處于中間狀態(tài).

7.藥皮發(fā)紅問題

指焊條焊一半時后部焊條，山于焊條藥皮溫升過高而發(fā)紅，開裂脫落的現(xiàn)象,JXX1、JXX2

導(dǎo)熱性差，導(dǎo)中性好，不銹鋼最為嚴(yán)重.解決辦法:提高電弧能量%,t，減少熔化時間，減少

電阻熱.加入發(fā)熱劑，促進藥皮熔化.例JXX4

8、焊條發(fā)塵量

氣體的毒性分為兩種

一種是細微的蒸發(fā)缽產(chǎn)生的毒性，稱為缽中毒.特點:作用緩慢，但長時間吸入鎰塵，會使人

中毒致病而又不易治療.酸性焊條中加入較多的鎰鐵，用于脫氧,滲合金提高抗裂性能，但

在酸性焊條中，鎰塵的含量尚未達到明顯危害的程度.

另一種是氟中毒,即當(dāng)藥皮中含有大量瑩石時，在焊接過程中會有HF氣體析出,這種毒

氣作用較快，亦有人認(rèn)為，不但HF而且NaF、KF更易使人中毒致病.低氫型焊條藥皮中

含有螢石較多,NaF、KF的沸點較低,易蒸發(fā)，因此，低氫焊條發(fā)塵量和塵中的致毒物多.

改善方法：

1.減小發(fā)塵量

2.減小塵中致毒物質(zhì)數(shù)量

具體措施：

①減少藥皮中螢石的含量，（保證機械性能的前題下，否則螢石含量過低時，焊縫易出氣

孔.）

②減小水玻璃

藥皮中一般用水玻璃為粘結(jié)劑,含有一定量的K、Na目前，有的地方采用硅酸乙酯和硅溶

膠代替水玻璃,降低了堿性焊條的發(fā)塵量.

③減少電弧的過熱程度.

各種類型結(jié)構(gòu)鋼焊條的工藝性能對比

藥皮類型主要原料電流種類堿.酸性特點

1鈦型硅酸鹽交.直酸易引弧.脫渣.熔深淺.外型美觀

2鈦鈣型鈣鎂碳酸礦石交.直酸電弧較穩(wěn)流動性好，飛濺小.成型

20%

3鈦鐵礦型鈦鐵礦交.直酸脫渣容易,更蓋好,熔深較深

4氧化鐵型多量氧化鐵.鋅交.直酸易引弧.弧穩(wěn).抗裂性良好，飛濺稍

鐵脫氧劑多

5纖維素型15%以上有機物交直酸電弧強,熔深大,熔化v大,渣少，飛

30%Ti02濺一般

6低氫型碳酸鹽礦石，螢交.直堿堿度大，焊縫金屬純度高，塑.韌性

石,加穩(wěn)弧劑好

7低氫型CaO-CaF，i'i堿工藝性能較差,氣孔敏感毒性

五、焊條的冶金性能

（一）.鈦鈣型焊條E4303（J422）

渣系「。2一&'°2一。。。，酸性焊條:熔渣堿度為0.76,屬于酸性渣，氣渣聯(lián)合保護。

。

/VO?—以TV2為主，TiO2的原料是金紅石，鈦白粉還原鈦鐵礦等.

Si。?一云母、長石、白泥

C。。一大理石、白云石，造渣、造氣劑

TQ、SiO2,CaO為主,加之其它物質(zhì)。

1、氧化和脫氧反應(yīng)

1)、鐵的氧化：

焊接前，藥皮中含F(xiàn)eO為7.3%，焊后熔渣中FeO數(shù)量增到13.6%，這主要是由于鐵的

氧化引起，鐵被電弧中的氧直接氧化引起

①氧直接使鐵氧化

[Fe]+Of(FeO)

Fe+—0—>FeO

2

②。。2使鐵氧化

[Fe]+CO2=[FeO]

③水蒸氣使鐵氧化

。氣

[Fel+H?-^[FeO]+H2

④渣中Si。2氧化物使Fe氧化

由Si。2還原引起

(SzO2)+2[Fe]-?[Si]+2FeO

(MnO)+[Fe]->[Mn]+FeO

2)、脫氧

①鎰脫氧

焊前藥皮中含缽1().6%,不含加〃0,但焊后熔渣中含13.7%的M〃0,其原因為:鎰

在藥皮加熱階段進行先期脫氧

Mn+~^2-MnO

熔池，熔滴階段進行沉淀脫氧

[Mn]+[FeO]-^[Fe]+(MnO)

使熔渣中增加了用〃。含量.

②硅脫氧

焊前焊芯含硅量為0.02%，焊后熔敷金屬中含硅量為0.1%

[Si]+2[FeO]o2[Fe]+(SiO2)

硅在熔池后期脫氧生成(S/02)來不及轉(zhuǎn)移到渣中，而夾雜到焊縫中,使含硅量有所增加.

③碳的氧化與脫氧

碳為0.077減少到0.072%，說明焊芯中的碳沒有完全過渡到焊縫中去，有一小部

分被氧化.

[C]+[0]->C0

2.還原反應(yīng)

2\Mn]+(SiO2)f[5/]+2(M〃。)，使焊縫增硅

3.脫硫

S從0.017%增到0.019%

FeS+Mn—>MnS+Fe

FeS+MnO-?FeO+MnS

4.脫P從0.019%增到0.035%

由于渣中CaO、MnO量少，TiO2>Si。2含量較高，難以進行脫P?S反應(yīng),嚴(yán)格限制原材

料含S.P量.

5、合金化

錦鐵主要是脫氧、脫硫，合金化必需是另外加入所需元素。

6.氣孔敏感性

焊皮中加入大量造渣，造氣劑，焊后產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的熔渣和氣體，具有較強的隔絕空

氣能力,N量不多.熔渣氧化t、CO氣孔t,調(diào)整氧化性防止產(chǎn)生兩大類氣孔。

(二).低氫焊條

渣系CaO-CaF2-SiO2,堿度高達1.89。

。/。一以C。。為主、大理石、白云石

CaF2—螢石

Si。?一云母、長石、白泥

鐵合金Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe。

1、氧化反應(yīng)控制：

由于C4。強堿性氧化物，主要是鈦、硅鎰聯(lián)合脫氧。

焊接區(qū)氣氛的氧化性強，熔渣的氧化性小[0]I

總含氧量為0.03%.

2、對氫的控制：

[H]l<8血/100g含氫量少.

原因:a)堿性焊條不加或少加含氫物質(zhì)

b)氧化性能，%t.%t、

c)&?乙去氫作用

含氫量低故抗冷裂紋性能好.

3、對硫.磷的控制

脫S效果好，Ca。含量高,S由0.02%降到0.011%

(CaO)+[FeS]=(CaS)+(FeO)

脫磷效果較差.P0.01%增到0.021%.

4、煙塵

由于氨中毒，危害較大，是低氫型焊條研究的重要課題。

該類焊條，機械性能比鈦鈣型焊條好,尤其韌性好，硫、磷、氧、氫量少，用于焊接重

要結(jié)構(gòu)，各種合金鋼。但工藝性能差主要是穩(wěn)弧性、脫渣性差，煙塵大。.

六、.焊條的設(shè)計

見焊條實驗指導(dǎo)書。

第二節(jié)焊劑

一.焊劑的類型

焊劑和焊絲都是埋弧焊，電渣焊時使用的焊接材料。焊劑相當(dāng)于焊條藥皮，焊絲相當(dāng)

于焊條藥芯。埋弧焊、電渣焊多用于焊接鋼，少數(shù)用于焊接有色金屬。

鋼用焊劑分類：

1.按制造方法分類

(1)熔煉焊劑：將原料按配方比例配成爐料，放在電爐或火焰爐中熔煉，這種焊劑叫

熔煉焊劑。

(2)非熔煉焊劑：依烘熔溫度不同分

i.陶質(zhì)焊劑：使原粉料按比例混拌后加水玻璃，制成濕料制成顆粒，一般為0.5?2

mm、在350?500。烘干即成。

ii.燒結(jié)焊劑,把濕料壓成塊，在750?1000℃燒結(jié)后，破碎成一定尺寸的顆粒使用

2.按焊劑化學(xué)成分分類

(1).按氧化物性質(zhì)分

酸性焊劑、中性焊劑、堿性焊劑

瘋

Microsoft

⑵按公式3.0502含量分

i、高硅焊劑：焊劑含502>30%

ii、中硅焊劑：焊劑含5,。210~30%

iii、低硅焊劑：焊劑含SR<1。％

⑶.按M,,。含量分

i、高錦焊劑：含氧化錦"”。>30%

ii、中錦焊劑：含M“015—30%

iii、低鎰焊劑：含5%

iV、無銃焊劑：不加M.。，焊劑中是混入的雜質(zhì)M“0<2%

(4).按GF2含量分

i、高氟焊劑：含C”招>30%

ii、中氟焊劑：含?！叭?0—30%

iii、低氨焊劑：含。“尸2<10%

3.按焊劑化學(xué)性質(zhì)分

氧化性焊劑：焊劑中含有大量的SQ2.M,,。/,。，對金屬有較強的氧化作用。

弱氧化性焊劑：含5,。2.加“。.7；0較少，對金屬有較弱的作用。

中性焊劑：焊劑不含S02.M“。耳。，對金屬沒有氧化作用，主要由

Al2O3.CaO.CaF2組成。

4.按焊劑顆粒結(jié)構(gòu)分

玻璃狀焊劑：呈透明狀顆粒

結(jié)晶狀焊劑：具有結(jié)晶體特點致密、容積重量1.4-L8g/C機3

浮石狀焊劑：泡沫狀顆粒、疏松、容積重量0.6-lg/C〃?3

二.焊劑牌號編制方法

1.牌號前加“焊劑”兩字表示埋弧焊及電渣焊用熔煉型、燒結(jié)型、陶質(zhì)焊劑。

2.牌號第一數(shù)字表示焊劑中MnO含量

焊劑1XX無錦

焊劑2XX低鎰

焊劑3XX中錦

焊劑4XX局鎰

焊劑5XX陶質(zhì)型

焊劑6XX燒結(jié)型

焊劑7XX待發(fā)展

3.牌號第2位數(shù)字表示焊劑中氧化硅、氟化鈣含量

焊劑X1X低硅低氟

焊劑x2x中硅低氟

焊劑x3x高硅低氟

焊劑x4x低硅中氟

焊劑x5x中硅中氟

焊劑x6x高硅中氟

焊劑x7x低硅高氟

焊劑x8x中硅高氟

焊劑x9x待發(fā)展

4.牌號第三位數(shù)字表示同?類型焊劑的不同牌號

按0、1、2、3、4、5、6、7、8、9順序排列

5.對同一牌號焊劑生產(chǎn)兩種粒度時，在細粒產(chǎn)品后加一個細字。

例如、焊劑431表示埋弧焊及電渣焊所用焊劑，高鐳高硅低氟型。

三.焊劑的性能和用途

（一）.熔煉焊劑

1.高硅焊劑

以硅酸鹽為主S,02>30%,S,Q高有通過焊劑向焊縫里過渡硅作用。

高硅焊劑又可分為高硅高鎰焊劑，高硅中鎰焊劑、高硅低焊劑、高硅無鎰焊劑。

如圖4一18

當(dāng)（此。）<10%焊縫中鎰是減少的（小于焊絲中用“量）

當(dāng)0%焊縫中鐳是增加的（大于焊絲中〃“量）

用“。濃度達到35%左右不再增加了。

高硅焊劑與焊絲配合：

（1）高硅無鎰焊劑配合高鎰焊絲（M?O1.5~1.9%）

（2）高硅中鎰焊劑配合含鎰焊絲（M.O0.8?1.1%）?焊劑中？濃度對焊縫金屬含鏡

量的影響

（3）高硅高鎰焊劑應(yīng)配合低碳鋼焊絲或含鎰焊絲，主要用于焊接低碳結(jié)構(gòu)鋼或某些

低合金鋼。

2.中硅焊劑

含5,。2數(shù)量較低，Q。.（F,。）.Mg。量較多，堿度較高屬于弱氧化性焊劑。

中硅焊劑配合適當(dāng)焊絲焊接合金結(jié)構(gòu)鋼，弱氧化性中硅焊劑，焊縫金屬含H量高，

抗冷裂紋能力弱。

在中硅焊劑中加相當(dāng)數(shù)量優(yōu)。，氧化性THJ這種焊劑為中硅氧化性焊劑，焊縫

金屬中又具有相當(dāng)高的韌性，用于焊接高強鋼。

3.低硅焊劑

焊劑由。.。.4/2。3-組成，焊劑對基本金屬元氧化作用，配合相應(yīng)焊

絲

焊接高合金鋼如不銹鋼等。

（二）.陶質(zhì)焊劑

陶質(zhì)焊劑與熔煉焊劑相比具有下列優(yōu)、缺點。

1.陶質(zhì)焊劑中加脫氧劑、脫氧充分、熔煉焊劑中則不能加脫氧劑。

2.加合金劑、合金化強。

3.抗氣孔能力比熔煉焊劑強。

4.對焊接參數(shù)變動敏感，會引起焊縫化學(xué)成分不均勻。

5.吸濕性大，易增加焊縫含氫量，必須焊前烘干。

6.生產(chǎn)成本低、節(jié)能、生產(chǎn)效率高。

目前有五種類型

型號SJxxx后三位數(shù)表示主要組成成分分類的代碼

SJ101氟堿型IIW

SJ301硅鈣型FBCaO+MgO+MnO+Q乃〉50%

SJ401硅鎰型CSCaO+MgO+Sp2>60%

鋁鈦型

SJ501MSMnO+S5>50%

鋁鈦型

SJ502ARAl2Oy+T02>45%

第三章焊接結(jié)晶過程

焊接過程中焊縫及母材金屬發(fā)生一系列金屬形態(tài)的變化，包

括焊縫金屬的凝固和結(jié)晶，母材與熱影響區(qū)金屬在焊接加熱和冷

卻過程中的組織變化，以及凝固結(jié)晶相變有密切關(guān)系的各種缺陷

的形成，這些過程直接關(guān)系到焊后接頭的性能，因此，有必要對

焊接結(jié)晶過程進行研究。

§3-1熔池的凝固

一.熔池的結(jié)晶特殊性

1.熔池體積小，冷卻速度大

手工電弧焊V=2-10cm3Vmax=30cm3

重量最大為W100g

鑄錠：幾噸?兒十噸

U焊泠=4~100℃/s

口鑄=(3-150)X104C/S

焊接冷卻速度比鑄件冷卻速度大10000倍左右，由于體積小，冷

卻速度快，對含碳量高的合金鋼易產(chǎn)生淬硬組織，裂紋，熔池中

心與邊緣有較大的溫度梯度，焊縫中柱狀晶長大，焊縫中沒有等

軸晶。

2、過熱度大

熔池溫度”1770±100r

溶滴2300±200℃

鑄件澆鑄溫度V1500℃

過熱度大，燒損合金元素，如自發(fā)晶核的質(zhì)點減少，柱狀晶長大。

3.熔池在運動中結(jié)晶

熔池前部金屬熔化，后部金屬結(jié)晶。

在(焊接過程理論)鮑戈金一阿歷克謝夫著中有這樣論述

焊接熔池所特有的金屬結(jié)晶過程，與鑄錠的金屬結(jié)晶過程不同之

處有下述各點。

1.焊接熔池即受焊接火焰的加熱作用，同時又受到固

體金屬的冷卻作用；

2.焊接熔池的液體金屬為加熱到不同溫度的固體金屬所包

圍。焊接熔池側(cè)壁的焊件金屬加熱的程度比熔池后壁焊縫

金屬的加熱程度小。

3.焊縫金屬的平均結(jié)晶速度等于熔池的移動速度，也就是等

于焊接速度。

二.熔池結(jié)晶的一般規(guī)律

焊接時，熔池金屬的結(jié)晶與一般煉鋼時鋼錠的結(jié)晶一樣，也

是在過冷的液體金屬中，首先形成晶核和晶核長大的結(jié)晶過程。

生核熱力學(xué)條件是過冷度而造成的自由能降低；生核的動力學(xué)條

件是自由能降低的程度。

從金屬學(xué)的結(jié)晶理論可知：金屬的結(jié)晶過程必須是液態(tài)金屬

的溫度降低到“理論結(jié)晶溫度”以下才能進行。液態(tài)金屬緩慢冷

卻時，當(dāng)溫度降到某一點便開始結(jié)晶，直到全部結(jié)晶成固態(tài)金屬

為止。在緩慢冷卻條件下，結(jié)晶時由于放出“結(jié)晶潛熱”，補償了

熱的損失，所以在冷卻曲線上便出現(xiàn)了一個水平臺，平臺對應(yīng)的

溫度即為純金屬的“理論結(jié)晶溫度”T。在實際生產(chǎn)中，總是具有

一定的冷卻速度，有時甚至很大，在這種情況下，純金屬的結(jié)晶

過程在一定的溫度過冷下才能進行。1低于T（）過冷度，冷卻速度

越大，則所測得的實際結(jié)晶溫度越低，過冷度越大。

從圖中還可以看出，液態(tài)金屬座結(jié)晶開始到結(jié)晶完了是需要一定

時間，這就體金屬中產(chǎn)生一批晶核，然后這些晶核就吸附周圍液

體中的原子面成長，同時一，還會有新的晶核不斷從液體金屬中產(chǎn)

生，長大，直到全部液體都轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，最后形成由許多外形不

規(guī)則的晶粒所組成的多晶體。

結(jié)晶過程就是由晶核的產(chǎn)生和成長兩個基本過程所組成。

1、生核

熔池中晶核的生成分為：非自發(fā)晶核、自發(fā)晶核。

形成兩種晶核都需要能量

1）自發(fā)晶核

自發(fā)臨界晶核所需的能量

EY—16的3

3AFr2e：新相與液相間的表面張力系數(shù)。

AFr：單位體積內(nèi)液固兩相自由能之差。

2)非自發(fā)形核

17—16(2-3COS「+COS3S

6-T^V4)1?

5r

0：非自發(fā)晶核的浸潤角

見圖3-3

e=o℃E；=O

液相中早有懸浮的質(zhì)點或現(xiàn)成表面。

它們本身就是晶核。

當(dāng)0=180°,EK'=EK自發(fā)晶核。=0~180°時，EK'/EK=0?1

說明非自發(fā)形核所需能量小于自發(fā)晶核。。角的大小決定新相晶

核與現(xiàn)成表面之間的表面張力。若新核與液相中厚有現(xiàn)成表面固

體粒子的晶體結(jié)構(gòu)越相似表面張力越小，。越小，EK'越小。

焊接時存在兩種非自發(fā)晶核質(zhì)點，一種是合金元素，另一種是現(xiàn)

成表面，焊接熔池邊界，正是固液相的相界石，熔池邊界半

熔化的母材晶粒表面為新相晶核的“基底”。

2.成長

原子由液相不斷地向固相轉(zhuǎn)移，晶核的成長是通過二維成核方

式長大，但并不是齊步前進，長大趨勢不同，有的一直向焊縫

中部發(fā)展；有的只長大很短距離就被抑制停止長大。

晶粒長大要具有一定結(jié)晶位向，在焊縫邊界，作為晶核基底的母

材晶粒是各向異性的，即結(jié)晶位向不同，因此在某一個方向上晶

粒最易長大；晶核的成長是一個原子厚度從液相中吸收原子集團

來進行的并連續(xù)不斷地吸附在晶體表面的小臺階處而迅速長大。

Fe、Cr、Cu、Ni點陣，立方結(jié)晶有利位向（1、0、0）散熱最快

方向，垂直等溫面、等溫線的結(jié)晶位向與散熱最快的方向一致，

晶粒最易長大，與熔池結(jié)晶等溫面相垂直的方向，也就是最大溫

度梯度的方向。

焊接時非自發(fā)晶核依附在半熔化母材晶粒表面上，以柱狀晶

的形態(tài)不斷成長，形成聯(lián)生結(jié)晶。所謂聯(lián)生結(jié)晶是指依附在半熔

化的母材表面，成長成與母材具有共同晶粒的現(xiàn)象，也稱交互結(jié)

晶?？梢娊鹣嗾掌?/p>

三.熔池結(jié)晶線速度

任意晶粒主軸在任一點A成長的平均線速度方向是A的切線（S

-S線）此方向與X軸交角為。，在dt時間內(nèi)A-B移動dx距離,

晶粒主軸由A成長到C,若dx很小，則可把AC=AC'?同時認(rèn)為

△ABC'為直角，見圖3-8,令A(yù)C'=ds,則ds=dx*co〃e同除dt則

^=^con3

匕.=vcon0

厚大焊件的表面上快速冷卻時:

qv江+4

con6=+A22

1-KY-K2

a：熱擴散率(cm2/s)

vc:晶粒成長的平均速度

v:焊速

9:V。和V,的夾角

薄板上自動焊接cos8={1+

1.晶粒成長的平均線速度是變化的

y=0B時Ky=l熔合線處0=90°

Ky=lcos^=0Vo=O

晶粒在區(qū)上剛成長瞬時，成長方向垂直于熔合區(qū)，平均線速度為

0.

6=0"cose=lVc=V焊道中心處，焊速即是晶粒平均線速度。

6=0"?90"Vc=V-0

即，晶粒成長方向和線速度是變化的，在熔合線處最小，在焊道

中心處最大，為焊速。

2.焊接規(guī)范的影響

當(dāng)焊速大時，則。越大，晶粒主軸的成長方向垂直于焊縫中心線,

稱為定向晶。當(dāng)焊速小時，晶粒主軸的成長方向彎曲，形成偏向

晶。t

四.金屬的微觀結(jié)晶形態(tài)

（一）.純金屬的結(jié)晶形態(tài)

純金屬指不含雜質(zhì)的理想情況，此時金屬是在一個確定的溫

度下結(jié)晶的，結(jié)晶時,固相和液相成分相同。

①G>0時G——溫度梯度（正的溫度梯度）液相溫度低于

固相溫度，過冷度小，結(jié)晶緩慢，形成平面晶。如圖3-16a、bo

②G<0液體內(nèi)部溫度比界面低，過冷度大，晶粒成長速度大，形

成樹枝晶，如圖3-16的c、d

（二）.固溶體合金的結(jié)晶形態(tài)

在任意T下，溶質(zhì)B在液態(tài)A是的濃度為CL',在固態(tài)A中

濃度為Cs,分配系數(shù)K0=篙

純金屬結(jié)晶，主要是溫度過冷。合金的結(jié)晶形態(tài)除了溫度過

冷，還存在成分起伏，造成成分過冷，由于成分過冷度不同形成

不同的結(jié)晶形態(tài)。

濃度過冷：過冷度的產(chǎn)生是由于結(jié)晶濃度的分布的變化引起的，

稱濃度過冷。

濃度過冷取決三方面：①合金成分Co；②結(jié)晶速度R；③溫度梯

度

結(jié)晶時理論結(jié)晶溫度曲線與實際溫度梯度所包圍的面積大小

衡量過冷度。

面積3過冷度t；面積小，過冷度小。

影響因素：

①溶質(zhì)濃度Co

Cot,過冷度3實際結(jié)晶曲線越陡，包圍面積越大。

②結(jié)晶速度R

R3過冷度t

RI,過冷度I

③實際的溫度梯度

Gt，過冷度小，GI,過冷度大。

（三）、濃度過冷對結(jié)晶形態(tài)的影響

1.平面結(jié)晶

產(chǎn)生條件，過冷度=0,無成分過冷。（溫度梯度過大）

特征是平面晶。見圖3-18

平面結(jié)晶形態(tài)發(fā)生在結(jié)晶前沿沒有濃度過冷的情況下。譬如:

由于液體中溫度分布曲線上升得比結(jié)晶溫度快，則在任何一點液

體實際濕度都高于該點的結(jié)晶溫度時.，就不存在濃度過冷。

純金屬，G>0,結(jié)晶界面呈平面型。

2.胞狀結(jié)晶

產(chǎn)生條件：過冷度很小。

特征：斷面六角形，細胞或蜂窩狀。

胞狀結(jié)晶發(fā)生在具有很小的濃度過冷的條件下，平面晶處于不穩(wěn)

定狀態(tài)，時而產(chǎn)生實起部分，有于存在著過冷度，凸起就更迅速

的向前伸長，但由于濃度過冷很小，達到一凸起程度時，凸起部

分迅速析出結(jié)晶潛熱，提高了附近液體的溫度，改變了溫度梯度,

同時界面溶質(zhì)濃度發(fā)生了變化，使?jié)舛冗^冷消失，凸起部分不再

繼續(xù)凸起，處于一種穩(wěn)定的胞狀界面狀態(tài)。見圖3-20。

3.胞狀樹枝結(jié)晶

產(chǎn)生條件：過冷度稍大。

特征：主干四周伸出短小二次橫枝，縱向樹枝晶斷面胞狀。見圖

3-22

4.樹枝狀結(jié)晶：

產(chǎn)生條件：過冷度較大。

特征：主枝長，主枝向四周伸出二次橫枝，并能得到很好的生長。

由于濃度過冷范圍大，在一個晶粒內(nèi)生長出一個很長的主干，同

時主干向橫向排出溶質(zhì)，橫向也產(chǎn)生較大的濃度過冷域，主干向

四周伸出的二次橫枝也得到很好的生長，生產(chǎn)的二次橫枝抑制了

周圍其它亞晶的生長，而形成了粗大的樹枝狀結(jié)晶。見圖3-24。

5.等軸晶

產(chǎn)生條件：過冷度大。

特征：結(jié)晶前沿長出粗大樹枝晶，液相內(nèi)，可自發(fā)生核，形成自

由長大的等軸樹枝晶。見圖3-26。

Co、R、G對結(jié)晶形態(tài)的影響見圖3-28。

?R、G一定

Cot向等軸晶方向發(fā)展。

?C（）、G一定

Rf平面晶向等軸晶發(fā)展。

?C（）、R一定

Gt向平面晶發(fā)展。

（四）、焊接條件下的凝固形態(tài)

焊接條件下的凝固形態(tài)見圖3-29o焊縫成分對結(jié)晶形態(tài)有影響,

還與焊接規(guī)范參數(shù)有關(guān)。熔池中成分過冷的分布在焊縫的不同部

位是不同的，將會出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)。

在焊縫的熔化邊界，由于溫度梯度G大，結(jié)晶速度R小，故成分

過冷接近于0,得以平面發(fā)展。

當(dāng)遠離熔化邊界向焊縫中心過渡時，Gl,Rf,因此以平面晶一

胞狀晶一樹枝柱狀晶一等軸晶發(fā)展。但并不是所有焊縫都有這兒

種結(jié)晶形態(tài)。

1、熔質(zhì)濃度影響：

純AL99.99%焊縫熔合線附近為平面晶中.S為胞狀晶，

若Co純AL99.6%,焊縫出現(xiàn)胞狀晶，中S等軸晶。

2、焊接速度的影響

Vt,熔池中心的溫度梯度下降很多，使熔池中心的成分過冷很

大，中心往往出現(xiàn)等軸晶。

V小，熔合線附近出現(xiàn)胞狀樹枝晶。

3、電流的影響：

I小，胞狀晶

I較大,胞狀樹枝晶

I大，粗大樹枝晶

焊接速度過大時，焊縫中心出現(xiàn)等軸晶，低速時，焊縫中心有

胞狀樹枝晶。焊接電流大時，出現(xiàn)粗大的樹枝晶。

五、焊縫金屬的化學(xué)不均勻性和夾雜

(-)焊縫中的化學(xué)不均勻性

化學(xué)不均勻性：結(jié)晶過程中化學(xué)成分的一種偏析現(xiàn)象。

1.顯微偏析：f枝晶偏析

指晶粒邊界或一個晶粒內(nèi)部亞晶界或樹枝狀晶的晶枝之間的偏

析。

如圖3-34樹枝中心，m表示樹枝區(qū)域。I偏析嚴(yán)重。

A、M表示樹枝晶的間界。其中凡最易偏析元素；

先結(jié)晶M處Ni低，A與M點，Ni高。

1)產(chǎn)生原因：

?選擇性結(jié)晶，焊接時，冷卻速度大，液固界面溶質(zhì)來不及

擴散，結(jié)晶有先后之分，純金屬先結(jié)晶，雜質(zhì)后結(jié)晶。胞

狀晶，晶粒內(nèi)部濃度低，晶界處溶質(zhì)濃度高。樹枝晶，主

干處溶質(zhì)濃度低，樹枝區(qū)域濃度較高，晶界處濃度最高。

?結(jié)晶形態(tài)

不同結(jié)晶形態(tài)，偏析不同。

以Mn為例:

位置Mn%

樹枝晶界0.59（樹枝晶界偏析最嚴(yán)重）

胞狀晶界0.57

胞狀晶中心0.47（希望晶粒越細化越好）

2）影響因素

?冷卻速度

V冷小，可以有充分時間溶質(zhì)進行擴散，顯微偏析減少；V過大，

溶質(zhì)來不及擴散整個液體金屬瞬時凝固，偏析程度小。

?原始濃度Co

溶質(zhì)濃度Cot,偏析加劇。枝晶偏析的結(jié)果，晶間含較多低熔點

雜質(zhì)，易于形成凝固裂紋。

?元素性質(zhì)（分配系數(shù)或擴散系數(shù)）

若元素擴散系數(shù)小，偏析嚴(yán)重。

2、宏觀偏析（區(qū)域偏析）

指焊縫邊緣到焊縫中心，宏觀上的成分不均勻性，焊縫金屬

以柱狀晶長大，把雜質(zhì)推向熔池中心，中心雜質(zhì)濃度逐漸升高，

使最后凝固的部位發(fā)生較嚴(yán)重的偏析，當(dāng)焊速較大時，成長中的

柱狀晶最后都會在焊縫中心相遇，使溶質(zhì)和雜質(zhì)聚集在那里，容

易產(chǎn)生焊縫縱向裂紋。

3、層狀偏析

由于化學(xué)成分分布不均勻引起分層現(xiàn)象。焊縫橫斷面經(jīng)浸蝕之后,

可以看到顏色深淺不同的分層結(jié)構(gòu)形態(tài)稱為結(jié)晶層。

1）特征

?晶粒主軸與層狀線垂直。

?越先靠近熔合線處越清析，遠離熔合線不清晰，線距越寬。

?層狀線不是連續(xù)的，是間斷的鏈狀偏析帶。

2）產(chǎn)生原因：

焊縫金屬的凝固并不是連續(xù)均勻的過程，而是一個斷續(xù)的過

程，一種觀點：層狀偏析是由于晶體成長速度R發(fā)生周期變化引

起Rt,結(jié)晶前沿的溶質(zhì)濃度增大，晶粒含有一層溶質(zhì)較多的帶

狀偏析層。RI結(jié)晶前沿的溶質(zhì)濃度減少。

晶粒成長線速度發(fā)生周期變化原因看法有很多不同主要是晶體長

大速度R與晶體前沿溶質(zhì)濃度變化的關(guān)系。

?電源脈動使輸入能量脈動，溶滴過渡帶來的附加熱脈沖作用；

?機械力作用；

焊條噴出氣體周期攪動結(jié)果，液態(tài)金屬在電弧吹力作用下，流到

已凝固的金屬表面，使其熔化，結(jié)晶停頓。

?結(jié)晶潛熱周期變化；

結(jié)晶過程放潛熱，使結(jié)晶前沿溫度升高，成長速度降低，析熱減

少，熔池溫度下降，晶粒成長速度又提高，發(fā)生了同期性變化。

另一種觀點：成長中的晶體前沿與溶液在固一液共存時產(chǎn)生的擴

散過程所造成。

元素在液相中的溶解度〉在固相中溶解度，固液共存介面，溶質(zhì)

原子由固相表面向液向擴散，如果焊縫的樹枝狀晶成長過程中固

液介面能夠發(fā)生相互作用，必要條件是凝固過程必須發(fā)生一定停

頓。這時已凝固的表面發(fā)生深化，有利于溶質(zhì)原子向液向中擴散

溶解，則在界面附近形成溶質(zhì)原子富集薄層。

還有一種觀點：快速結(jié)晶時析出的結(jié)晶潛熱及熔滴過渡的附加脈

沖作用，是促使凝固速度中發(fā)生變化及結(jié)晶過R發(fā)生停頓的主要

原因。

當(dāng)晶體前沿的溫度梯度較大時，結(jié)晶潛熱或其它附加熱作用易使

晶體前沿溫度急劇升高，促使減少凝固，使凝固停頓。

手工焊小熔池，G大，層狀線清晰

手工焊大熔池，G小，層狀線不清晰，中在熔合線處有層狀偏析。

（二）熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性

1.熔合區(qū)的形成

?熱傳播不均勻

盡管焊接規(guī)范穩(wěn)定，但由于溶滴周期過渡造成熱傳播不穩(wěn)定。

?晶粒的傳熱方向不同。

由于以上的原因可知，熔合區(qū)不可能是一個線，而是一個區(qū)域，

具有一定寬度。

2.熔合區(qū)的寬度

TL-TS_TL-TS

A=ATG

\Y

其中，A，熔合區(qū)的寬度（mm）

AT

AT溫度梯度（℃/mm）

TL------被焊金屬的液相線(℃)

Ts--------被焊金屬的固相線(℃)

由此可知，熔合區(qū)的大小，決定于液固溫度范圍。(該溫度區(qū)間的

溫度梯度)。材料本身的熱物理性質(zhì)和組織狀態(tài)。

碳鋼，低合金鋼，熔合區(qū)附近的溫度梯度為300?80c(依焊接方

法不同，溫度梯度不同)。液固溫差范圍40℃

A==013?0.50mm

3.熔合區(qū)的成分分布

1)化學(xué)不均勻性對于一般鋼鐵材料而言，合金元素在液相中的

溶解度大于固相中的溶解度。熔合區(qū)是液固兩本共存的地

方。溶質(zhì)原子由固相向液相界面擴散，使固液界面有合金元

素再分配。

在界面處，溶質(zhì)濃度波動很大。見圖3-39。

從理論可以利用下列公式計算距界面不同距離，經(jīng)不同時間溶質(zhì)

的濃度。

C0~K0C0

Cs(y,t)=CQ-

當(dāng)Y<012(。河

當(dāng)Y>0

c3)=。-①講]

K0+悟