第一章 熔化焊

1、第一章第一章 熔化焊熔化焊1.1熔化焊热源及温度场1.2焊接热循环1.3熔化焊接头的形成1.4焊接气氛及其与金属的互相作用1.5焊接材料与焊接熔渣1.6焊接化学冶金反应1.7熔化焊接头的组织与性能1.8焊接冶金缺陷1.1熔化焊热源及温度场l传热学是研究热量传递规律的一门科学。传热学是研究热量传递规律的一门科学。l许多学科都涉及到传热学的问题！许多学科都涉及到传热学的问题！p焊接传热焊接传热对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组对焊接接头形成过程中冶金过程、固态相变、组织性能和应力变形等均有重要影响！织性能和应力变形等均有重要影响！p焊接传热的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。焊接传热

2、的形式：热传导为主，考虑辐射和对流的作用。p焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随焊接传热过程研究内容：主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题。时间的温度变化问题。 热源热源 焊件焊件 辐射和对流为主；辐射和对流为主；母材和焊条母材和焊条其他部分热传导为主；其他部分热传导为主；1.1熔化焊热源及温度场l焊接过程焊接过程l热源加热热源加热熔化熔化冶金反应冶金反应 结晶结晶固态相变固态相变接头（冷却而形成）接头（冷却而形成）l焊接热过程的特点焊接热过程的特点1 1. . 局部性局部性加热和冷却过程极不均匀加热和冷却过程极不均匀变形不均匀变形不均匀应力应力开开裂裂 此外还有组织的

3、变化不均匀，热影响区。此外还有组织的变化不均匀，热影响区。2 2. . 瞬时性瞬时性1800K1800K/s/s，加热和冷却都很快，组织变化迅速。，加热和冷却都很快，组织变化迅速。3. 3. 热源是运动的，工件受热区域不断变化，传热过程不稳定。热源是运动的，工件受热区域不断变化，传热过程不稳定。4. 4. 焊接传热过程的复合性。焊接传热过程的复合性。l焊接过程焊接过程l热源加热热源加热熔化熔化冶金反应冶金反应 结晶结晶固态相变固态相变接头（冷却而形成）接头（冷却而形成）l焊接热过程的特点焊接热过程的特点加热过程加热过程冷却过程冷却过程1.1熔化焊热源及温度场 1.1.1焊接热源l实现金属焊接所

4、需的能量实现金属焊接所需的能量l热能热能l机械能机械能l焊接热源的要求：焊接热源的要求：l能量密度高度集中；能量密度高度集中；l快速实现焊接过程；快速实现焊接过程；l保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。l焊接热源的种类焊接热源的种类 - -电弧热电弧热l气体介质中的电弧放电气体介质中的电弧放电l化学热化学热l可燃气体和铝、镁热剂反应热可燃气体和铝、镁热剂反应热l电阻热电阻热l电阻焊、电渣焊电阻焊、电渣焊l高频感应热高频感应热l磁性的金属高频感应产生二次磁性的金属高频感应产生二次电流作为热源电流作为热源l摩擦热摩擦热l机械高速摩擦机械高速摩擦l电子

5、束电子束l高速运动的电子轰击高速运动的电子轰击l等离子焰等离子焰l电弧或高频放电电弧或高频放电离子流离子流l激光束激光束l激光聚焦激光聚焦1.1熔化焊热源及温度场 1.1.1焊接热源1.1熔化焊热源及温度场 1.1.1焊接热源l焊接热效率焊接热效率l电弧功率电弧功率l电弧有效热功率电弧有效热功率l热效率热效率UIq 00qqUI0qq焊接方法焊接方法焊条电弧焊焊条电弧焊0.770.770.870.87埋弧焊埋弧焊0.770.770.900.90电渣焊电渣焊0.830.83电子束及激光束电子束及激光束0.90.9TIGTIG焊焊0.680.680.850.85MIGMIG焊焊钢钢0.660.66

6、0.690.69铝铝0.700.700.850.851.1熔化焊热源及温度场 1.1.1焊接热源l焊接热效率和热分配区别l电渣焊的热效率 其热效率高主要是由于焊件较厚，冷却滑块带走的热量较少，大量的热从焊缝向母材传导，易使热影响区过宽，晶粒粗大，焊接接头力学性能低下。l电子束和激光束热效率 能力极其集中，焊接能量损失小。1.1熔化焊热源及温度场 1.1. 1焊接热源1.1熔化焊热源及温度场 1.1.1焊接热源焊件加热区的分布：活性斑点区和加热斑点区焊件加热区的分布：活性斑点区和加热斑点区加热斑点的比热流分布加热斑点的比热流分布-立体高斯锥体立体高斯锥体220( )( )AKA( )2KrmKr

7、emmmeq rq eq rrqFq r dFq erdrqKKqq是 点的热流密度是能量集中系数是 点距加热斑点中心的距离1.1熔化焊热源及温度场 1.1.1焊接热源l概念：某时刻焊件上各点的温度分布。l焊接温度场的数学表达式：焊接温度场的数学表达式： T = f ( x , y , z , t )l等温线与等温面等温线与等温面l稳定温度场：稳定温度场：焊件上温度场各点温度不随时间变化。焊件上温度场各点温度不随时间变化。l非稳定温度场：非稳定温度场：焊件上各点温度随时间变化。焊件上各点温度随时间变化。l准稳定温度场准稳定温度场1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场下一页l等温线等温线

8、l等温线不可能相交等温线不可能相交l等温线、等温面之间有温差等温线、等温面之间有温差l大小：温度梯度大小：温度梯度l方向：垂直于等温面方向：垂直于等温面焊缝STTT211.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场返回l根据焊件尺寸和热源性质，焊接温度场分为：l三维温度场（空间传热，如厚大焊件表面堆焊，半无限大物体，热源为点热源） T= f (x,y,z,t)l二维温度场（平面传热，如一次焊透薄板，无限薄物体，热源为线热源） T=f(x,y,t)l一维温度场（线性传热，如焊条和焊丝的加热，细棒的电阻焊，无限长细杆，热源为面热源。） T=f(x,t)1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场

9、l焊接温度场数学处理方法：精确解法（数学解析法）和近似解法（数值计算法、图解法和模拟法）l求解过程中物理概念、逻辑推理严格，清晰，解的结果能清楚表示各因素（物性条件、边界条件、时间条件等）对T的影响。但只能求解非常简单的方程，对焊接温度场，只有在许多假设均能满足的情况下，才能得到精确解。l将偏微分方程离散化，得到代数方程组，该方程组的解即为偏微分方程的近似解，通常离散化程度越高，近似解的精确性越高。当然方程组也就越大，计算量亦越大。l随着计算机集成度、运算速度、可靠性及内存量的不断提高，数值解法愈来愈受到人们的重视，并被广泛应用于实际焊接结构中。所采用的离散化方法主要有：有限差分法和有限元素法

10、。1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场l边界条件：l半无限大物体上表面绝热，即热量全部向物体内部传导；无限大薄板上下表面及无限长细杆外表面与介质发生热交换（表面散热）l不考虑相变潜热l热源放出的能量是稳定的，并作直线等速运动l物性参数为常量l运动热源是由无数集中点热源连续作用的总和数学解析法 瞬时热源作用下的温度场22( , )exp()44nQrT r tatcat为热传导偏微分方程的一个特解，其表示了离热源作用点r上某点的瞬时温度。式中：Q热源作用强度 n指数系数 r到热源作用点的距离Qnr点热源qt3线热源Q/h2面热源Q/F1x222xyz22xy瞬时热源作用下的温度场 根据

11、上式可求出焊件上任一点的最高温度Tmax及达到最高温度时所需的时间tmax。 这些参数对研究焊件，特别是HAZ，在焊接过程中的受热历程及其相变及晶粒的大小，力学性能等有直接意义。l影响温度场的因素：l（1）热源的性质与焊接规范l（2）被焊金属的物理性质l（3）焊件的形态l（4）热源的作用时间和移动速度。l影响温度场的因素：l（1）热源的性质与焊接规范l一般热源的能量越集中，热强度越高，则温度场的范围越小。如电子束焊，热能很集中，温度场范围就很小，而气焊则相反。1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场热输入量热输入量q q= =常数，常数，热源移动速度热源移动速度v v对温度场的影响对温度

12、场的影响热源移动速度热源移动速度v v增加增加热源功率热源功率q q保持为常数时保持为常数时随焊接速度随焊接速度v v的增加的增加等温线的范围变小等温线的范围变小温度场的宽度和长度均变小温度场的宽度和长度均变小宽度显著变小宽度显著变小所以，等温线的形状变得细长所以，等温线的形状变得细长1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场热源移动速度热源移动速度v=常数，常数，热输入量热输入量q对温度场的影响对温度场的影响热源功率热源功率q增加增加热源移动速度热源移动速度v保持为常数时保持为常数时随热源功率随热源功率q的增加的增加温度场分布范围增大，温度场分布范围增大，主要焊件获得的热能也会增多。主要

13、焊件获得的热能也会增多。1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场热源移动速度热源移动速度v热源功率热源功率q增加增加q/v=常数，热输入量及热源移动速度常数，热输入量及热源移动速度等比例变化时对温度场的影响等比例变化时对温度场的影响q/v保持为常数时保持为常数时同比例改变同比例改变q和和v等温线拉长等温线拉长等温线宽度稍变窄等温线宽度稍变窄温度场范围扩大温度场范围扩大1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下在相同热功率、热源移动速度和相同板厚条件下不同材料板上移动线热源周围的温度场不同材料板上移动线热源周围的温度场导热性越差，某一温度的等温

14、线范围越大。则易使焊接熔池或热影响导热性越差，某一温度的等温线范围越大。则易使焊接熔池或热影响区温度过高。区温度过高。1.1熔化焊热源及温度场 1.1.2焊接温度场l概念：焊件上某一点在焊接热源的作用下所经历的热过程，即该点的温度随时间的变化过程。 1.2焊接热循环研究焊接热循环的意义：（1）找出最佳的焊接热循环（2）用工艺手段改善焊接热循环（3）预测焊接应力分布及改善热影响区组织焊接热循环的主要参数加热速度加热速度加热的最高温度加热的最高温度在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间冷却速度或冷却时间冷却速度或冷却时间焊接热循环的参数焊接热循环的参数HMTHtC8/5tMTHtCv 1

15、.2焊接热循环焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数加热速度加热速度 热源集中程度越高，加热速度增加，但较快的加热使相变不充分。l加热速度受许多因素影响：加热速度受许多因素影响：不同的焊接方法（决定热源的强度、功率）不同的焊接方法（决定热源的强度、功率）不同的被焊金属（导热性越好，加热速度越慢）不同的被焊金属（导热性越好，加热速度越慢）不同厚度（厚板三向导热，加热速度慢）不同厚度（厚板三向导热，加热速度慢）不同焊接热输入等不同焊接热输入等l加热速度方面的研究还不够充分加热速度方面的研究还不够充分l特别是新工艺，如真空电子束焊接等数据很缺乏特别是新工艺，如真空电子束焊接等数据很缺乏 1.2焊接

16、热循环H焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数加热的最高温度加热的最高温度l据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同，对研究热影响区有重大意义。据焊缝远近不同的各点，加热的最高温度不同，对研究热影响区有重大意义。TmTm低低于于500500，不产生热塑性变形，冷却后无内应力。一般低碳钢和低合金钢，熔合线，不产生热塑性变形，冷却后无内应力。一般低碳钢和低合金钢，熔合线附近附近TmTm可达可达13001300，晶粒发生严重长大，塑性降低。，晶粒发生严重长大，塑性降低。MT 1.2焊接热循环焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数在相变温度以上的停留时间在相变温度以上的停留时间Htttt Htt加

17、热过程的停留时间冷却过程的停留时间 1.2焊接热循环一般测试1100以上的停留时间。停留时间越长，过热区越宽，晶粒越粗，塑性和韧性越差。焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数冷却速度或冷却时间冷却速度或冷却时间决定热影决定热影响区组织性能响区组织性能l指焊件上某点热循环的冷却过程中指焊件上某点热循环的冷却过程中某一瞬时温度的冷却速度某一瞬时温度的冷却速度l为了便于测量和分析比较，采用为了便于测量和分析比较，采用800800500500o oCC的冷却时间来代替瞬时的冷却时间来代替瞬时冷却速度，因为这一温度区间是相冷却速度，因为这一温度区间是相变的主要温度范围变的主要温度范围Cv8/5t 1.

18、2焊接热循环焊接热循环的主要参数焊接热循环的主要参数冷却时间冷却时间从从800800o oCC冷却到冷却到500500o oCC时所用时间时所用时间l碳钢、不易淬火的低合金钢碳钢、不易淬火的低合金钢l从从800800o oCC冷却到冷却到300300o oCC时所用时间时所用时间l易淬火的低合金钢易淬火的低合金钢( (马氏体相变点马氏体相变点300300o oCC左右左右) )从从高温高温冷却到冷却到100100o oCC时所用时间时所用时间l扩散氢扩散氢58t100t83t 1.2焊接热循环长段多层焊接热循环焊缝长度在1m以上，焊完第一层再焊第二层时，第一层基本冷至较低的温度（100200）

19、相邻层间有热处理作用。为防止最后一层淬硬，多加一层“退火焊道”。 1.2焊接热循环 多层焊接循环不适合淬硬性大的钢材。焊完第一道就可能产生裂纹。需焊前预热，焊后缓冷。短段多层焊接热循环焊道长度约50400mm，未等前层焊道冷却到较低温度（Ms）就开始下一道焊接。 1.2焊接热循环 多层焊接循环短道多层焊接热循环短道多层焊接热循环材质的影响（热物理参数）接头形状的影响焊道长度的影响预热温度的影响线能量的影响 1.2焊接热循环焊接热循环的影响因素1.3熔化焊接头的形成l1.焊接材料的熔化l焊接材料（焊丝、焊条）在焊接热（电阻热、电弧热、化学热）的作用下熔化，在焊条端部形成滴状液态金属称为熔滴。l熔

20、滴在各种力的作用下脱离焊条，以滴状的形式过渡到熔池中，周而复始。过渡形式：短路过渡、颗粒状过渡、附壁过渡。l1.焊接材料的熔化l（1）焊条金属平均熔化速度gM：单位时间熔化的焊芯质量，与焊接电流成正比。l（2）损失系数：焊接中由于氧化、飞溅和蒸发而损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比。l（3）平均熔敷速度gH：单位时间进入熔池的金属质量。l（4）相互关系：1.3熔化焊接头的形成1HMggl2.熔池的形成l1）熔池的形状和尺寸l经过过渡期后，熔池进入准稳定时期。熔池形状、尺寸和质量不再发生变化，即熔化速度等于结晶速度。l焊接电流增加，熔池最大深度增大，最大宽度相对变小l电弧电压增加，最大深度变小，

21、最大宽度增加l熔池长度L：l L=P2q=P2UIl熔池的表面积和P2取决于焊接方法和焊接电流。1.3熔化焊接头的形成l2.熔池的形成l2）熔池的质量l手工电弧焊熔池质量通常在0.6g16g之间，一般在5g以下。试验表明：手工电弧焊熔池质量与q2/v成正比。埋弧自动焊，焊接电流较大，熔池质量较大，但一般小于100g。1.3熔化焊接头的形成l2.熔池的形成l3）熔池存在时间l熔池在液态的最大时间取决于熔池的长度和焊速。l由熔池质量确定熔池的平均存在时间tcp：1.3熔化焊接头的形成maxLtvpcpwGtvFl随着热源的移动，熔池沿焊接随着热源的移动，熔池沿焊接方向作同步移动方向作同步移动l熔池

22、前部熔池前部l母材不断地熔化母材不断地熔化l熔池尾部熔池尾部l熔池金属不断凝固，熔池金属不断凝固，温度逐渐降低温度逐渐降低熔池温度分布熔池温度分布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熔化焊接头的形成l4）熔池的温度分布l5）熔池中液相的运动l焊接的强烈搅拌作用将使母材和填充金属充分混合和均匀化。能得到成分均匀的焊缝金属。其次能有利于气体和非金属夹杂物的外逸，消除焊接缺陷。l母材和液态金属的交界，运动受到限制，化学成分不均匀。l运动原因：温度差，密度差，表面张力，机械力、电磁力等。1.3熔化焊接头的形成l熔化焊焊接接头一般都要经历加热、熔化、冶金反应

23、、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。l（1）焊接的热过程l在前两节中已经详细介绍。l（2）焊接化学冶金过程l通过化学冶金的方法提高焊缝的强韧性。如添加微量合金元素进行变质处理；降低焊缝中C含量，最大限度排除S、P、O、N、H等杂质，净化焊缝，提高韧性。l（3）焊接凝固结晶和相变过程l和铸造中液体金属凝固一样，不同之处是焊接的凝固更快，冷却之后产生缺陷的可能性更大。l（4）熔化焊接头形式与熔合比l接头形式的多样化。l熔合比：在焊缝金属中局部熔化的母材所占比例。l通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。如要保证焊缝成分和性能的温度，必须严格控制焊接工艺。堆焊时，总是使熔合比尽可能小，以减少母

24、材成分对堆焊层的影响。1.3熔化焊接头的形成1.3.2焊接接头的形成1.3熔化焊接头的形成1.3.3熔化焊接冶金与焊接性问题（1）焊缝中组织和成分与母材的区别（2）焊接热或焊接热循环对母材的热影响（3）焊缝熔合区成分的差异。焊接性：焊接性：指金属材料（同种或异种）在一定的焊接工艺条件下焊接后，能满足结构和使用要求的能力，也即金属材料对焊接加工的适应性、获得优质焊接接头的难易程度。（1）结合性能，焊接时缺陷的敏感性。（2）使用性能，能否满足使用性能。注意：焊接性是一个相对概念。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用l1.4.1焊接区的气体l（1）气体的来源l1）焊接材料l2）热源周围的气体l3）焊丝

25、和母材表面上的杂质N2、H2、O2CO2 和和 H2O 焊条药皮、焊剂、焊芯焊条药皮、焊剂、焊芯的造气剂的造气剂高价氧化物及有机物的分解气体高价氧化物及有机物的分解气体母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分空气中的气体、水分空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体保护气体及其杂质气体直接进入直接进入间接分解间接分解 焊条药皮中的淀粉、焊条药皮中的淀粉、 纤维素、糊精等有机物纤维素、糊精等有机物（造气、粘接、增塑剂）（造气、粘接、增塑剂） 热氧化分解反应热氧化分解反应 220250以上发生，以上发生，220320质量损失质量损失50%， 800左右完全分解左右完全分解 C

26、O2、CO、H2、烃和水气、烃和水气 如纤维素的热氧化分解反应：如纤维素的热氧化分解反应：（C6H10O5）m7/2m O2（气）（气）6m CO2（气）（气）5m H2（气）（气）酸性焊条药皮中有机物的含量较高。酸性焊条药皮中有机物的含量较高。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用（2）气体的产生1）有机物的分解和燃烧含有机物的焊条，烘干温度控制在含有机物的焊条，烘干温度控制在150，不应超过，不应超过200。 碳酸盐（碳酸盐（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） 碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用（2）气体的产生2）碳酸盐和高价氧化物的分解高价氧化物（高价氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的分解）的分解 （在某些酸性焊条药皮中含量较高）（在某些酸性焊条药皮中含量较高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2 2Mn3O4=6MnO+O21.4焊接气氛及其与金属的相互作用（2）气体的产生2）碳酸盐和高价氧化物的分解l在焊接过程中除水分蒸发

28、外，金属元素和熔渣中的成分在电弧高温作用下也发生蒸发。l在一定温度下，物质的沸点越低越容易蒸发。l物质处于溶液中，则物质浓度越高其饱和蒸汽压越大，越容易蒸发。 金属材料中金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn 氟化物中氟化物中AlF3、KF、LiF、NaFl后果： 合金元素的损失； 产生焊接缺陷； 增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。1.4焊接气氛及其与金属的相互作用（2）气体的产生3）材料的蒸发1.4焊接气氛及其与金属的相互作用（3）气体的分解l简单气体（指简单气体（指N2、H2、O2、F2等双原子气体）的分解等双原子气体）的分解 ；l复杂气体（指复杂气体（指CO2和和H2O等）的分解，分解

29、产物在高温等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离。下还可进一步分解和电离。 编号编号反反 应应 式式/kJ.mol编号编号反反 应应 式式/kJ.mol1F2FF2706CO2CO1/2O2282.82H2HH433.97H2OH21/2O2483.23H2HH+e17458H2OOH1/2H2532.84O2OO489.99H2OH2O977.35N2NN711.410H2O2HO1808.3分分解解度度温度温度 T / KCO2分解时气相的平衡成分分解时气相的平衡成分与温度的关系与温度的关系气气相相体体积积分分数数/% 温度温度 T / K 双原子气体分解度双原子气体分解度与温度

30、与温度的关系（的关系（P00.1MPa）图图7-3 H2O分解形成的气相成分与温度的关系（分解形成的气相成分与温度的关系（P00.1MPa）温度温度 T /103K气气相相体体积积分分数数/%下一页溶解度溶解度S的的影响因素影响因素 气体种类气体种类合金成分合金成分温度温度与压力与压力xxPkS 气体溶解度与热效应和温度的关系气体溶解度与热效应和温度的关系1吸热溶解吸热溶解 2放热溶解放热溶解溶溶解解度度温度温度12 金属发生相变时，金属发生相变时，由于金属组织结构的由于金属组织结构的变化，气体的溶解度变化，气体的溶解度将发生突变。液相比将发生突变。液相比固相更有利于气体的固相更有利于气体的溶

31、解。溶解。 当金属由液相转变当金属由液相转变为固相时，溶解度的为固相时，溶解度的突然下降将对焊件中突然下降将对焊件中气孔的形成产生直接气孔的形成产生直接的影响。的影响。气体气体金金 属属 与与 合合 金金溶解反应类型溶解反应类型形成化合物倾向形成化合物倾向氮氮铁和铁基合金铁和铁基合金吸热反应吸热反应能形成稳定氮化物能形成稳定氮化物Al、Ti、V、Zr等金等金属及合金属及合金放热反应放热反应氢氢Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co等金属及合金等金属及合金吸热反应吸热反应能形成稳定氢化物能形成稳定氢化物Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th等金属及合金等金属及合金放热反应放热反应不能形成稳定氢化不能

32、形成稳定氢化物物（ PN2 PH2 = 0.1MPa ）氮、氢在金属凝固氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。时溶解度陡降。氮、氢在奥氏体中的氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。溶解度大于铁素体。氮、氢在液态铁中的溶解氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。度随温度升高而增大。在铁的气化温度附近，在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。气体溶解度陡降。SH/mL.(100g)-1T/图图7-9 氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa）a）I类金属类金属 b）II类金属类金属a）SH/mL.(100g)-1T/b）第第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随

33、类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小，着温度的升高，氢的溶解度减小， 温度温度 T/溶解度溶解度SO/%与温度的关系与温度的关系氧在液态铁中的溶解度随氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大温度升高而增大 氢在二元系铁合金中的溶解度（1600）氢溶解度SH/ml.(100g)-1合金元素含量wMe /% 氮在二元系铁合金中的溶解度（1600）合金元素含量wMe /%氮溶解度SN/液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的

34、化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。 下一页2O26730lg6.43pT 图图7-14 自由氧化物分解压与温度的关系自由氧化物分解压与温度的关系T/Lg pO2/101.3kPaMoOp 计算得知，在高于铁熔点的温度下计算得知，在高于铁熔点的温度下 Po2 很小，例很小，例如温度为如温度为1800，液态铁中，液态铁中 FeO 的质量分数为的质量分数为1时，时， Po2 =1.510-8 MPa，说明气相中只要存在微，说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。量的氧，即可使铁氧化。p 通常情况下通常情况下FeO溶于液态溶于液态 铁中，这时其

35、分解压为：铁中，这时其分解压为： 2max2OOFeOFeO22pp温度温度/K1800200022002500300035004000气相成气相成分分( 体积分体积分数数 )/CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72O20.220.762.026.3018.5827.7731.36气相中氧的分气相中氧的分压压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高温下高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。855.611576lgTK5.510200lgTKO/g.(100g)-1，wO/%ArCO2CO2，O2/%O2/%不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。不同气体保护焊对于熔敷金属中含氧量的影响见下图。 熔敷金属中熔敷金属中O与保护气体成分的关系与保护气体成分的关系 实线实线O 虚线虚线wO(焊丝焊丝H08Mn2Si 1.6mm 母材低碳钢母材低碳钢)药药 皮皮 类类 型型气相成分（体积分数）气相成分（体积分数） /%

37、备备 注注COCO2H2H2O高钛型（高钛型（J421）46.75.334.513.5焊条在焊条在110烘干烘干2h钛钙型（钛钙型（J422）50.75.937.55.7钛铁矿型（钛铁矿型（J423）48.14.836.610.5氧化铁型（氧化铁型（J424）55.67.324.013.1纤维素型（纤维素型（J425）42.32.941.212.6低氢型（低氢型（J427）79.816.91.81.5酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。酸性焊条电弧焊电弧空间的氧化性远大于碱性。室温下室温下 N、H、O 在金属中的溶解度极低，在金属中的溶解度极低， 残留在接头中的残留在接头中的 HR易导致

38、延迟裂纹和氢脆。易导致延迟裂纹和氢脆。固溶态固溶态化合物化合物独立气相独立气相弥散状（氮化物）弥散状（氮化物）块状（氧化物、氮化物）块状（氧化物、氮化物）强化、脆化强化、脆化 夹杂夹杂气孔（氢气孔，氮气孔，气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）气孔）熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；熔炼时造渣覆盖（真空、惰性气体）保护；焊接时，惰性气体或气渣联合保护。焊接时，惰性气体或气渣联合保护。p 氢主要来源于水分氢主要来源于水分，包括原材料（炉料、造渣材料、母材、焊接材料等），包括原材料（炉料、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铁锈或氧化膜中的结晶水、化合本身含有的水分、材

39、料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的水等。材料内的碳氢化合物碳氢化合物和材料表面的和材料表面的油污油污等也是氢的重要来源。等也是氢的重要来源。 p 氧主要来源于焊材或矿石，氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。 限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干、除锈和去油污。限制措施为焊材存放中防吸潮、焊前烘干、除锈和去油污。p 焊

40、接电流增加时，焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。等也有一定的影响。1.5焊接材料和焊接熔渣焊条、焊丝、焊剂、保护气体统称焊接材料。焊接材料对接头性能的影响：组成焊缝影响组织及缺陷影响热影响区 熔化热（电弧过程） 熔合区性能焊接材料焊条一、焊条分类一、焊条分类 1.根据用途分 结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、Ni及Ni合金焊条 国标中又将结构钢分为碳钢及低合金钢

41、焊条 2.按焊接熔渣的碱度分 分为酸性焊条、碱性焊条 3.按焊条药皮的类型分 氧化钛型焊条、钛钙型焊条、钛铁矿型焊条、氧化铁型焊条、纤维素型焊条和低氢焊条等 4.厚皮焊条和薄皮焊条。1）焊芯 按照国家标准GB130077、GB342982 、 GB424184等选择相应牌号的焊丝作为焊芯 ，一般 碳钢及低合金钢焊丝用H08、H08A 焊芯中的组成元素 C:等强条件下越低越好，C含量高易引起气孔、飞溅、裂纹等 Mn:用来脱O、S，合金化，含量在0.3-0.55% Si:生成SiO2，易形成夹杂，产生热裂，应加以限制，越少越好 Ni、Cr：对冶金过程不会有太大的影响 S、P：有害，应加以限制焊接材

42、料焊条1.5.2焊接熔渣l1.按焊接熔渣的组成物分类：按焊接熔渣的组成物分类：l盐型熔渣盐型熔渣l盐盐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 下一页2、渣体结构及碱度 （一）熔渣结构的分子理论（二）熔渣的离子理论（三）熔渣的碱度下一页（一）熔渣结构的分子理论（1）液态熔渣是由）液态熔渣是由自由状态化合物自由状态化合物（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）和复合状态化合物复合状态化合物（酸性氧化物和碱性氧化物生成的盐）的分子所（酸性氧化物和碱性氧化物生成的盐）的分子所组成；组成； （2）氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态；）氧化物与复合物

43、在一定温度下处于平衡状态； （3）只有渣中的）只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用的元素发生作用。如：。如： （FeO）+ C = Fe + CO 而硅酸铁而硅酸铁 (FeO)2SiO2 中的中的 FeO 不能参与上面的不能参与上面的反应。反应。（二）熔渣的离子理论（1）认为液态熔渣是由）认为液态熔渣是由正离子正离子和和负离子负离子组成的电中组成的电中性溶液。性溶液。（2）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于）离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的它的综合矩（离子电荷综合矩（离子电荷/离子半径）离子半径）。离子的综合。离子的综合矩越大，

44、说明它的静电场越强，与异号离子的引力矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子的引力越大。越大。（3）液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是）液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原子原子与离子交换电荷的过程与离子交换电荷的过程。如：。如： Si4 + 2 Fe = 2 Fe2 + Si （三）熔渣的碱度 熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的碱度密切相关，碱度对液态金属的脱硫、碱度密切相关，碱度对液态金属的脱硫、脱磷效果也有重要影响。脱磷效果也有重要影响。 1、熔渣碱度的分子理论、熔渣碱度的分子理论 2、熔渣碱度的离子理论、熔渣碱度的离子理论 1、熔渣碱度的分子理论 按照分

45、子理论，按照分子理论，熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值性氧化物浓度的比值。表示为：。表示为： 碱性氧化物：碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等等 ， 酸性氧化物：酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。等。 考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为：考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为： 当当B11为碱性渣，为碱性渣，B11为酸性渣，为酸性渣，B1=1为中性渣为中性渣。 酸性氧化物的摩尔分数碱性氧化物的摩尔分数B221223220.018CaO+0.015MgO+0.006CaF +0.014(K O+Na2O)+0.007