1、第三章 焊接冶金学 第08讲126上讲回顾v熔池结晶的一般规律v熔池凝固线速度v焊接熔合区226v熔化焊时，伴随着焊接材料和母材被加热熔化的同时，在液态金属的周围充满了大量的气体，有时表面上还覆盖着熔渣。v这些气体及熔渣在焊接的高温条件下与液态金属不断地进行着一系列复杂的物理化学反应。v这种焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。326v该过程对焊缝金属的成分、性能、焊接质量以及焊接工艺性能都有很大的影响。v研究在各种工艺条件下冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律，对于合理地选择焊接材料、正确地控制和调整焊缝金属的成分和性能具有重要的意义。426 3.1
2、 焊接冶金过程的特点v焊接化学冶金过程实质上是金属在焊接条件下再熔炼的过程。v焊接化学冶金过程与炼钢过程相比，无论是原材料还是冶炼条件都有很大的不同。v因此，必须研究焊接化学冶金的特点，总结出其规律性，才能指导焊接实践，使冶金反应向有利的方向发展，从而获得优质的焊缝金属。5263.1.1 焊接过程中对金属的保护1. 保护的必要性低碳钢光焊丝在空气中无保护下焊接时：l电弧不稳；l飞溅严重；l气孔多；l工艺性能不好；l焊缝含O、N量过高；l Mn、C等合金元素烧损严重；l机械性能下降。 6262. 保护的方式在实际工程中，光焊丝无保护焊接 没有任何实用价值。熔化焊必须进行保护。保护方式：l渣保护：
3、手工电弧焊、埋弧焊、电渣焊等l气保护：钨极氩弧焊（TIG ）、CO2焊（MAG）等l渣-气联合保护：具有造气成分的焊条和药芯焊丝焊接l真空保护：真空电子束焊l自保护：自保护焊丝焊726v各种保护方式的保护效果虽然不同，但均已基本解决隔离空气的问题。v仅仅机械地保护熔化金属，在有些情况下仍然不能得到合格的焊缝成分。例如，在多数情况下药皮、焊剂对金属具有程度不同的氧化性，从而使焊缝金属增氧。v因此焊接冶金的另一个任务就是对熔化金属进行冶金处理，也就是说，通过调整焊接材料的成分和性能，控制冶金反应的发展，从而获得预期要求的焊缝成分。 8263.1.2 焊接化学冶金反应区及其反应条件 焊接方法不同，冶
4、金反应阶段也不同：l手工电弧焊：药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区l熔化极气保护焊：熔滴反应区、熔池反应区l钨极氩弧焊、电子束焊、气焊：熔池反应区 完整的冶金反应包括三个阶段，即药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区。 下面以手工电弧焊为例，加以讨论 ：926一、 药皮反应区 指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。温度范围：100药皮熔点（钢焊条约1200 ）。lT100 ，吸附水蒸发。l200250时，有机物分解，析出CO、H2等气体；l300400时，结晶水及化合水分解。 结晶水：有金属键的联系。化合水指不是以单一水分子形式存在。白泥：Al2Si2O5(OH)4l温度更高时，高价氧化
5、物和碳酸盐分解2MnO2=MnO+O2 ， 2Fe2O3=4FeO+O2 (赤铁矿)1026v上述物化反应产生的大量气体，一方面对熔化金属有机械保护作用，另一方面对被焊金属和药皮中的铁合金(如锰铁、硅铁和钛铁等)有很大的氧化作用。v试验表明，温度高于600就会发生铁合金的明显氧化，结果使气相的氧化性下降。这个过程即所谓的“先期脱氧” 。v药皮反应阶段的反应产物为熔滴和熔池阶段提供了反应物。这一阶段对整个焊接化学冶金过程和焊接质量有着重要的影响。 11262. 熔滴反应区 指从熔滴形成、长大至脱离焊条过渡到熔池之前。 该区具有以下特点： 熔滴的温度高l熔滴平均温度：18002400l熔滴活性斑点
6、温度：2800l熔滴金属过热度大：300900 熔滴与气体、熔渣的接触面积大比表面积大，F比=103104cm2/Kg，比炼钢时大1000倍。1226 各相之间反应时间短、速度快l 在焊条端停留时间：0.010.1S l 穿过弧柱时间：10-410-3S 熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌混合 在该区的反应时间虽短，但因温度高，相接触面积大，并有强烈的混合作用，所以冶金反应最激烈，许多反应可达到接近终了的程度，因而对焊缝成分影响最大。 主要冶金有反应：金属蒸发；气体的分解和溶解；金属及其合金的氧化-还原；合金化。1326熔池反应区 熔池温度：16001900 接触面积小: F比=31302/Kg 反
7、应时间较长：手工焊时为3-8s 埋弧焊6-25s 搅拌没有熔滴阶段激烈 熔池温度不均匀 熔池阶段的反应速度比熔滴阶段小，并在这个反应过程中的贡献也较小。但这并不是说熔池反应阶段不重要，在某些情况下，熔池中的反应也有相当大的贡献。1426 总之，焊接化学冶金过程是分区域连续进行的，在熔滴阶段进行的反应多数在熔池阶段继续进行，但也有的停止甚至改变反应方向的。焊缝金属的最终化学成分，是上述各区冶金反应的综合结果。1526 3.1.3 焊接工艺条件与化学冶金反应的关系v焊接化学冶金过程与焊接工艺条件有密切的联系。改变焊接工艺条件(如焊接方法、焊接工艺参数等)必然引起冶金反应条件(反应物的种类、数量、浓
8、度、温度、反应时间等)的变化，因而也就影响到冶金反应的过程。v这种影响可归结为以下两个方面。 1626 1、熔合比的影响v熔化焊时，焊缝金属一般是由填充金属和局部熔化的母材组成的。v在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。熔合比可粗略地表示为： （3-1）v式中：Fp焊缝截面中母材所占的面积； Fd焊缝截面中填充金属所占的面积； 1726v当母材和填充金属的成分不同时，熔合比对焊缝金属的成分有很大的影响。v假设焊接时合金元素没有任何损失，则这时焊缝金属中的合金元素浓度称为原始浓度，它与熔合比的关系为： (3-2)v式中：C0为某元素在焊缝金属中的原始质量百分浓度，； Cb 为该元素在母
9、材中的质量百分浓度，； Ce 为该元素在焊条中的质量百分浓度，%； 为熔合比。 1826v实际上，焊条中的合金元素在焊接过程中是有损失的，而母材中的合金元素几乎全部过渡到焊缝金属中。这样，焊缝金属中合金元素的实际浓度为： (3-3) 1926v由式(3-3)可以看出，通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。v例如，要保证焊缝金属成分和性能的稳定性，必须严格控制焊接工艺条件，使熔合比稳定、合理。在堆焊时，总是调整焊接规范使熔合比尽可能的小，以减少母材成分对堆焊层性能的影响。在焊接异种钢时，熔合比对焊缝金属成分和性能的影响甚大。因此要根据熔合比选择焊接材料。 2026 2、熔滴过渡特性的影响v焊
10、接工艺参数对熔滴过渡特性有很大影响，因此对冶金反应也必然发生影响。v试验表明，熔滴阶段的反应时间随着焊接电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。所以，可以断定反应进行的程度将随电流的增加而减小，随电压的增加而增大。2126v例如：用H08A为焊芯，药皮含有50%的硅砂和8%的铝粉，为了避免空气的影响，焊接时用氩气作附加的保护，在这样的条件下来研究焊接工艺参数与硅还原反应的关系，发现熔敷金属中的含硅量随着电压的增加和电流的减小而增加，见图3-2。 2226 3.1.4 焊接化学冶金系统及其不平衡性 v焊接化学冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统。根据焊接方法不同，组成系统的相也不同。v手工电
11、弧焊和埋弧焊时，系统内有三个相互作用的相，即液态金属、熔渣和电弧气氛；v气体保护焊时，主要是气相与金属相之间的相互作用；v电渣焊时，主要是熔渣与金属之间的作用。v由物理化学可知，多相反应是在相界面上进行的，并与传质、传热和动量传输过程密切相关。2326v研究认为，焊接区的不等温条件排除了整个系统平衡的可能性。但是在系统的个别部分可能出现个别反应的短暂平衡状态。v如上面指出的同一反应在熔池前部和后部反应的方向不同，就是有力的证明。因为反应改变方向必须通过平衡状态。v试验表明，焊缝金属的最终成分与熔池凝固温度下的平衡成分相比，通常距离是比较远的。然而，各种反应离平衡的远近程度是不一样的。这种系统的不平衡性是焊接化学冶金过程的又一个特点。 2426v上述说明，不能直接应用热力学平衡的计算公式定量地分析焊接化学冶金问题，但是作定性分析还是有益的。例如，通过热力学计算可以确定冶金反应最大可能的方向、发展趋势和影响因素等。 2526本讲小结v焊接冶金过程的特点v焊接过程中对金属的保护v焊接化学冶金反应区及其反应条件v焊接工艺条件与化学冶金反应的关系v焊接化学冶金系统及其不平衡性2626
