焊接基礎(chǔ)知識及工藝培訓(xùn)課件

焊接冶金學(xué)及金屬材料焊接(第二版)模

塊

一

焊

接

化

學(xué)

冶

金

過

程·

課題一

控制焊縫熔合比·

課題二焊接熔渣對焊接冶金的作用·

課題三

控制氣相對熔池金屬的危害·

課題四焊縫金屬的合金化途徑·

課題五

焊縫金屬的脫硫、脫磷方法課題一

控制焊縫熔合比一、熔池形成過程定義：熔焊時在焊接熱源作用下，焊件上由熔化的填

充金屬和熔化的母材組成具有一定幾何形狀的液體金屬部

分叫做熔池。(一)熔池的形狀和尺寸

圖1-1熔池示意圖回目錄課題一

控制焊縫熔合比(二)熔池的質(zhì)量和存在時間tmax

在幾秒與幾十秒之間變化。焊縫軸線上各點在液態(tài)停留的時間最長，離軸線越遠(yuǎn)，停留的時間越短。

一般情況下，熔池

存在的時間與熔池長度成正比，與焊接速度成反比。(三)熔池的溫度圖1-3熔池的溫度分布1-熔池中部、2-熔池頭部、3-熔池尾部課題一

控制焊縫熔合比(四)熔池中液態(tài)金屬的流動使熔池中液態(tài)金屬發(fā)生運動的主要原因如下：1、液態(tài)金屬的密度差所產(chǎn)生的自由對流運動2、表面張力所引起的強迫對流運動3、熱源的各種機械力所產(chǎn)生的攪拌運動正是這些運動促使熔池中的冶金反應(yīng)劇烈發(fā)生，對保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性具有重大的意義。課題一

控制焊縫熔合比二、

對焊接區(qū)金屬的保護(hù)1.保護(hù)的必要性1)提高焊接過程穩(wěn)定性，減少飛濺2)減少合金燒損3)防止產(chǎn)生焊接缺陷，以保證力學(xué)性能保護(hù)提供良好的工藝性能滲合金保證冶金反應(yīng)過程焊條藥皮的作用課題一

控制焊縫熔合比2、保護(hù)方式及效果5)自

保護(hù)4)真空保護(hù)保護(hù)效果用焊縫金屬中的氮含量來衡量3)氣

—

渣聯(lián)合保護(hù)保護(hù)方式1)氣

保護(hù)2

)

渣

保護(hù)課題一

控制焊縫熔合比三、

焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)特點：分區(qū)域連續(xù)進(jìn)行。反應(yīng)相：熔化金屬、熔渣電弧氣氛。1.藥皮反應(yīng)區(qū)的特點：(100℃至藥皮的熔點約1200℃)

達(dá)到100℃時，水分蒸發(fā)；超過200℃時，有機物分解；超過200℃時，結(jié)晶水蒸發(fā)；繼續(xù)升高溫度，碳酸鹽開始分解。課題一

控制焊縫熔合比2.熔滴反應(yīng)區(qū)的特點(從熔滴形成、長大，到過渡到熔

池之前)特點：熔滴的溫度高；作用時間短；焊接反應(yīng)最為激烈

的部位液體金屬與熔渣

發(fā)生強烈的混合。熔滴比表面積大；課題一

控制焊縫熔合比3.熔池反應(yīng)區(qū)的特點特點：比表面積小，反應(yīng)時間較長；課題一

控制焊縫熔合比四、

焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的條件和特點(4)處于不停

(5)反應(yīng)條件的運動之中

不斷變化(2)比表面積

大(1)溫度高(3)時間短課題一

控制焊縫熔合比五、

焊接參數(shù)與焊接化學(xué)冶金的關(guān)系1.焊接參數(shù)影響冶金試驗表明反應(yīng)的條件和作用時間熔滴階段的反應(yīng)時間(熔滴存在的時間)隨著電流的增加而變短，隨著電弧電壓的增加而變長。因此可以斷定反應(yīng)進(jìn)行的完全程度將隨著

電流的增加而減少，隨著電弧電壓的增加而增大。課題一

控制焊縫熔合比2.焊接參數(shù)影響參加冶金反應(yīng)的熔渣量六、

熔合比的控制定義：

在焊縫金屬中局部熔化的母材所占的比例稱為熔合

比。影響因素：(1)預(yù)熱的影響(2)焊接參數(shù)的影響(3)焊接方法的影響(4)坡口形式和焊接層數(shù)的影響課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用一、焊接熔渣1.熔渣在焊接過程中的作用(1)

機械保護(hù)作用(2)

改善焊接工藝性能3

冶金處理作用(4)

改善熱規(guī)范回目錄課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用2.熔渣的成分和分類(1)鹽型熔渣主要有CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AIF6,BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。(2)鹽-氧化物型熔渣主要有CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al203-SiO2、CaF2-CaO-SiO2-MgO

等。(3)氧化物型熔渣主要有FeO-MnO-SiO2、CaO-TiO2-SiO2、MnO-SiO2等。課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用二、

熔渣的冶金作用(

一

)

熔

渣

的

性

質(zhì)1.熔渣的堿度分子理論：O從理論上講，

B1>1

時，熔渣為堿性熔渣；

B1<1

時，為酸性熔渣；B1=1

時，為中性熔渣。根據(jù)經(jīng)驗確定：Ⅱ

》1.3

為課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用離子理論當(dāng)B?>0

時，則熔渣為堿性熔渣；當(dāng)B?<0

為酸性熔渣；當(dāng)B?=0

時，為中性熔渣。課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用2.熔渣的黏度黏度越大，流動性越差；黏度越小，流動性過小。長渣：

隨溫度降低黏度增加緩慢的，凝固所需時間長。隨溫度降低0黏度迅速增加的，叫做短渣立焊，仰焊課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用(1)溫度對黏度的影響熔渣的黏度隨溫度的上升而下降，但不同成分的熔渣其具體的變化規(guī)律是不同的，如圖1-8所示。1-堿性熔渣

2-含SiO?

多的酸性熔渣長渣和短渣的黏度-溫度曲線課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用(2)成分對黏度的影響在酸性熔渣中加入SiO2,

使Si-O離子的聚合程度增大，其尺寸也增加，因而使黏度迅速升高。減少酸性熔渣中的SiO2,

增加TiO2,

使復(fù)雜的Si-O離子減少，可降低高溫時的黏度。含TiO2多的酸性熔渣已不是玻璃狀的渣，而是接近于晶體

狀的渣。這種渣的黏度隨溫度變化急劇變?yōu)槎淘?。課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用3.熔渣的熔點熔渣的熔點是指熔渣開始熔化的溫度，不是藥皮開始熔化的溫度，后者一般稱為造渣溫度。但兩者之間有一定的關(guān)系，

一般的規(guī)律是：藥皮的熔點

高時，所形成的熔渣的熔點也高。熔點過高將使熔渣與液態(tài)金屬之間的反應(yīng)不充分，易形成夾渣和氣孔，并產(chǎn)生壓鐵液現(xiàn)象，使焊縫成形變壞。熔點過低易使熔渣的覆蓋性能變壞，焊縫表面粗糙不平，并使焊條難于進(jìn)行全位置焊接。

一般要求焊接熔渣的熔

點比焊縫金屬的熔點低200～450℃。課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用4.表面張力表面張力是液體表面所受到的指向液體內(nèi)部的力，它是由于表面層分子與內(nèi)部分子所處的狀態(tài)不同而引起的。熔滴的表面張力以及與液體金屬的界面張力影響熔滴的尺寸和熔渣的覆蓋性能。熔渣與液體金屬的界面張力減小，熔滴的尺寸減??；反之，熔滴粗化。實驗表明課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用5.密度熔渣的密度必須低于焊縫金屬的密度。6.熔渣的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)電性熔渣的線膨脹系數(shù)主要影響脫渣性，熔渣與焊縫金屬的線膨脹系數(shù)差值越大，脫渣性越好。熔渣的導(dǎo)電性取決于熔渣的溫度與成分。課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用(二)熔渣對焊縫金屬的氧化1.擴(kuò)散氧化焊接鋼時，

FeO

既溶于液態(tài)金屬又溶于渣中，在一定的溫度下平衡時，

它在兩相中的濃度符合分配定律。在一定的溫度下，

FeO

在熔渣和液體金屬中的濃度雖然可隨FeO

總量的

不同而變動，但平衡時兩相中FeO

的濃度之比是定值。在溫度不變的情況

下，當(dāng)增加熔渣中FeO

的濃度時，

FeO

將向焊縫金屬中擴(kuò)散，使焊縫中的

氧含量增加。在溫度相同的條件下，堿性熔渣中

FeO

的分配常數(shù)比酸性熔渣中小。置換氧化反應(yīng)主要發(fā)生在熔滴階段和熔池頭部的高溫區(qū)。在焊絲或藥皮中含有對氧的親和力比鐵更大的金屬元素時，如Al、Ti、Cr等，它們將和MnO、SiO2

發(fā)生更激烈的反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果使焊縫中非金屬夾雜物增多，氧含量增加，同時焊縫金屬中Si、Mn

含量也顯著地增加。如果熔渣中含有較多的易分解的氧化物(如SiO2、MnO),態(tài)鐵發(fā)生置換反應(yīng)，使鐵氧化。課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用2.置換氧化則可能與液課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用(三)焊縫金屬的脫氧脫氧是一種冶金處理措施，它是通過在焊絲、焊劑或焊條藥皮中加人某些對氧親和力較大的元素，使其在焊接過程中奪取氣相或氧化物中的氧，從而減少焊縫金屬的氧化及氧含量。用于脫氧的元素或合金劑叫脫氧劑。選擇脫氧劑應(yīng)遵循以下原則：1)

劑。對氧的親和力應(yīng)比被焊脫氧產(chǎn)物應(yīng)不溶于液態(tài)金屬。

2)3)

劑。對焊縫成分、性能及焊接在滿足技術(shù)要求的前提下，注意降低成本。工藝性能的影響應(yīng)綜合考慮脫氧金屬對氧的親和力大在焊接溫度下，脫氧課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用(1)先期脫氧焊條電弧焊時，在焊條藥皮加熱階段，固體藥皮中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)叫先期脫氧。反應(yīng)的結(jié)果使氣相中的氧化性減弱。先期脫氧的效果取決于脫氧劑對氧的親和力。(2)沉淀脫氧沉淀脫氧是在熔滴和熔池內(nèi)進(jìn)行的，是利用溶解在熔滴和熔池中的脫氧劑與[FeO]直接反應(yīng)，把鐵還原，使脫氧產(chǎn)物轉(zhuǎn)入熔渣而被清除出去。1)錳的脫氧2)硅的脫氧3)硅錳聯(lián)合脫氧課題二焊接熔渣對焊接化學(xué)冶金的作用(3)擴(kuò)散脫氧溫度降低時，便發(fā)生液態(tài)金屬中的FeO

向熔渣中擴(kuò)散，從而使熔池中的FeO

含量減少，說明擴(kuò)散脫氧是在熔池的尾部低溫區(qū)進(jìn)行的。擴(kuò)散脫氧還取決于FeO

在熔渣中的活度。在溫度不變的情況下，

FeO

在熔渣中的活度越低，脫氧效果越好。當(dāng)渣中含有較多的強酸性氧化物SiO2、

TiO2時，因易與FeO

形成復(fù)合物，從而使渣中FeO

活度減小，為保持分配常數(shù)，液態(tài)金屬中的FeO

便不斷向渣中擴(kuò)散，所以酸性渣有利于擴(kuò)散脫氧的進(jìn)行。相比之下，堿性熔渣擴(kuò)散脫氧能力較差。課題三控制氣相對熔池金屬的危害一、焊接區(qū)內(nèi)氣體的來源1、焊接材料2、熱源周圍的氣體介質(zhì)3、焊絲和母材表面上的雜質(zhì)4、高溫蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣體回目錄課題三控制氣相對熔池金屬的危害二、

氫對熔池金屬的作用1.氫在金屬中的溶解氫向金屬中溶解的機理在不同的情況下是不相同的。在氣體保護(hù)焊時，氫可以直接在金屬的表面上以原子或質(zhì)子的形式溶入金屬。在具有熔渣保護(hù)

時，氫向金屬中溶解是通過熔渣層進(jìn)行的。除此之外，溶解在渣中的一部分原子氫可以通過對流或攪拌作用而到達(dá)金屬的表面上，然后溶入金屬中。課題三控制氣相對熔池金屬的危害根據(jù)氫與金屬作用的特點，可以把金屬分為兩類：第一類是能形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如Zr、Ti、V、Ta、Nb

等。這些金屬在吸收氫不多時，與氫形成固溶體；在吸收氫較多時，與氫形成氫化物。

在溫度為300～700℃的范圍內(nèi)，這些金屬在固態(tài)下可吸收大量的氫；再升

高溫度，則氫化物分解，由金屬中析出氫氣，其氫含量下降，因此，這類金

屬及合金焊接時，必須防止在固態(tài)下吸收大量的氫，否則將嚴(yán)重影響金屬的性

能

。第二類是不形成穩(wěn)定氫化物的金屬，如Fe、Ni、Cu、Cr、Mo

等。但氫可以溶解于這類金屬及其合金中。課題三控制氣相對熔池金屬的危害2.氫在金屬中的擴(kuò)散在鋼焊縫金屬中，氫大部分是以氫原子、正離子或負(fù)離子形式存在的。H

的原子和離子半徑很小，它們與焊縫金屬形成間隙固溶體。其中一部分氫可以在焊縫金屬晶格中自由擴(kuò)散，稱為擴(kuò)散氫。還有一部分氫擴(kuò)散聚集到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜物邊緣的空隙中，結(jié)合為氫分子，因其半徑增大，不能自由擴(kuò)散，稱為殘余氫。因氫在擴(kuò)散過程中總有一部分要轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄽?，還有一部分?jǐn)U散到焊件以外的空間，所以焊縫金屬中的總的氫含量和擴(kuò)散氫的含量都是隨時間

的延長而減少，殘余氫則增加。課題三控制氣相對熔池金屬的危害3.氫對焊接質(zhì)量的影響(1)氫脆金屬在室溫時因吸收氫而導(dǎo)致塑性降低的現(xiàn)象叫做氫脆。氫對鋼的屈服強度與抗拉強度沒有明顯影響；而塑性，特別是斷面收縮率，則隨氫含量的增加而急劇下降。實驗表明氫脆的一個重要特點是，它與試驗溫度和試驗時的應(yīng)變速度有關(guān)。在室溫范圍，氫脆表現(xiàn)明顯，試驗溫度較高或很低時，都不會出現(xiàn)氫脆。課題三控制氣相對熔池金屬的危害(2)白點

在碳鋼或低合金鋼焊縫中，如果氫含量高，則常常在其拉伸或彎曲試件的斷面上，出現(xiàn)銀白色圓形局部脆斷點，稱為白點。(3)氣孔(4)冷裂紋

在焊接接頭中，冷裂紋是危害性極大的一種焊接缺陷，而氫是促使冷裂紋產(chǎn)生的主要因素之一。課題三控制氣相對熔池金屬的危害4.控制氫的措施(1)限制焊接材料中的氫含量(2)清除焊件和焊絲表面的雜質(zhì)(3)進(jìn)行冶金處理1)在藥皮和焊劑中加入氟化物。2)在焊條藥皮中加入適量的活性氧化劑，如Fe或Mn

的高價氧化物。這類氧化劑一方面在高溫下分解出O,

通過O+H=OH

起到去氫的作用，另一

方面增加了焊接熔池的氧化性，使液態(tài)金屬中氫的溶解度降低。課題三控制氣相對熔池金屬的危害(4)控制焊接參數(shù)焊條電弧焊時，增大焊接電流使熔滴吸收的氫的含量增加；增加電弧電壓使焊縫氫含量減小。(5)焊后脫氫處理把焊件加熱到350℃以上，保溫lh,

幾乎可將擴(kuò)散氫全部去除。課題三控制氣相對熔池金屬的危害

三、

氮對熔池金屬的作用(一)氮對金屬的作用及其控制1.氮在金屬中的溶解分子氮向氣體一金屬相界面上運動；被熔滴和熔池前部的金屬表面吸附；在金屬表面上分解為原子氮；原子氮過渡到金屬的表面層內(nèi)；并向金

屬內(nèi)部擴(kuò)散。該反應(yīng)也服從化學(xué)平衡法則。降低氣相中氮的分壓可以減少金屬中的氮含量。氮在液態(tài)合金中的溶解度隨著溫度的升高而增大；當(dāng)溫度為2200℃時，氮的溶解度達(dá)到最大值；繼續(xù)升高溫度，氮的溶解度急劇下降，至該合金的沸點時溶解度變?yōu)榱?，這是由于金屬的蒸氣壓急劇增加的結(jié)果。課題三控制氣相對熔池金屬的危害2.氮對焊接質(zhì)量的影響(1)形成氣孔(2)降低焊縫金屬的力學(xué)性能氮是提高低碳鋼和低合金鋼焊縫金屬強度、降低塑性和韌性的元素。(3)時效脆化氮是促使焊縫金屬時效脆化的元素。焊接時，冷卻速度大，氮來不及隨溫度的下降析出，焊縫金屬中過飽和的氮處于不穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過一

段時間，過飽和的氮將以針狀的Fe4N

析出，導(dǎo)致焊縫金屬脆化。氮除了對焊縫的性能有危害作用之外，也有有利的影響。它可以作為合金元素加入鋼中，而改變焊縫金屬的力學(xué)性能。課題三控制氣相對熔池金屬的危害3.控制氮的措施(1)加強機械保護(hù)(2)選用合理的焊接參數(shù)增加電弧電壓(即增加電弧長度)將使焊縫金屬的氮含量增加。對于低碳鋼而言，由于氮的溶解是吸熱過程，所以增加焊接電流使得焊

縫中氮含量增加。但若電流過大，造成金屬強烈地蒸發(fā)，使氮的分壓下降，

焊縫中的氮含量又逐漸下降。(3)控制焊絲金屬的成分增加焊絲或藥皮中的碳含量可以降低焊縫中

氮的含量。上述措施中最有效、最實用的是加強機械保護(hù)作用，其他措施都有一定的局限性。注意課題三控制氣相對熔池金屬的危害四、

氧對熔池金屬的作用1.氧對金屬的作用(1)氧對焊接質(zhì)量的影響1)影響焊縫金屬的性能隨著焊縫中氧含量的增加，其強度、塑性及韌性指標(biāo)都要下降，沖擊韌性下降尤為明顯。氧還引起熱脆性、冷脆性及時效硬化。2)導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生形成CO

氣孔。3)合金元素的燒損在焊接高溫作用下，氧使焊縫金屬中有益的合金元素?zé)龘p，使焊縫的性能達(dá)不到母材的水平。課題三控制氣相對熔池金屬的危害(2)氧在金屬中的溶解(3)氧化物的分解壓(4)氧對金屬的氧化1)自由氧對金屬的氧化

2)CO2

對金屬的氧化3)水蒸氣對金屬的氧化H?O

(氣)+[Fe]=[FeO]+H24)混合氣體對金屬的氧化課題三控制氣相對熔池金屬的危害2.控制氧的措施(1)控制焊接材料的氧含量例如：采用高純度的惰性氣體作為保護(hù)氣，采用低氧或無氧的焊條、

焊劑，甚至在真空室中進(jìn)行焊接。(2)控制焊接參數(shù)增加電弧電壓，使空氣易于侵入焊接區(qū)，并增加氧與熔滴接觸的時

間，所以焊縫氧含量增加。此外，焊接電流的種類和極性以及熔滴過渡

的特性等也有一定的影響。(3)脫氧用冶金的方法進(jìn)行脫氧，這是實際生產(chǎn)中最有效的方法。課題四焊縫金屬的合金化途徑一、焊縫金屬合金化的目的1.補償合金元素的損失2.消除焊接工藝缺陷，改善焊縫金屬的組織和性能3.獲得具有特殊性能的堆焊層回目錄課題四焊縫金屬的合金化途徑二、

焊縫金屬合金化的方式(1)應(yīng)用合金焊絲或帶狀電極(2)應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條(3)應(yīng)用合金藥皮或粘結(jié)焊劑(4)應(yīng)用合金粉末影響合金元