熔焊原理-焊接化学冶金过程的特点课件

1.1焊接化学冶金过程的特点熔焊原理1.1焊接化学冶金过程的特点熔焊原理1.1焊接化学冶金过程的特点在熔焊过程中，焊接区内各种物质（包括气体、液态金属、熔渣）之间在高温下相互作用的过程。

普通化学冶金过程焊接化学冶金过程对金属熔炼加工过程，在放入特定的炉中进行。金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。共同点：金属冶炼加工不同点：原材料：矿石、焦炭、废钢铁等。目的：提炼金属原材料：焊条、焊丝、焊剂等。目的：对金属再熔炼，以满足构件性能焊接化学冶金过程1.1焊接化学冶金过程的特点普通化学冶金过程焊接化学冶金过21.1焊接化学冶金过程的特点焊条熔化及熔池形成1焊条的加热及熔化焊条的加热电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。(1%~3%)电阻热：对于手工电弧焊，小电流时电阻热不是主要的；大电流时电阻热是主要的，过大，造成危害。一是焊条药皮脱落、开裂；二是化学元素损失，冶金性能变化；三是熔化过分激烈，飞溅严重；四是焊缝成型不好，易产生缺陷。应严格控制焊芯和药皮的加热温度，一般焊接终了时，焊芯的温度不应超过600～650ºC。电弧热：真正用于使焊条加热和熔化的热能。焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率为qe=ηeUIηe—焊条加热有效系数，取决于焊接规范，电流极性、焊条药皮成分、金属过渡形式。手工电弧焊时，ηe

为0.2～0.271.1焊接化学冶金过程的特点焊条熔化及熔池形成1焊条的加热31.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属的平均熔化速度－－在单位时间内熔化的焊芯质量或长度

焊条金属的平均熔化速度：gM=G/t=αpI

式中，gM焊条金属的平均熔化速度，g/hG熔化的焊芯质量，gt电弧燃烧的时间，hI焊接电流，Aαp焊条的熔化系数，g/(A·h)

焊条金属的平均熔敷速度：gD=GD/t=αHI

式中，gD

焊条金属的平均熔敷速度，g/hGD

熔敷到焊缝金属中的金属质量，gαH

焊条的熔敷系数，g/(A·h)

损失系数：在焊接过程中因飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。真正反映焊接生产率的指标。Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αP

或αH=(1-Ψ)αP1.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属的平均熔化速度损失系数41.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属熔滴及其过渡特性

熔滴过渡的形式：短路过渡颗粒状过渡附壁过渡熔滴，过渡1.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属熔滴及其过渡特性51.1焊接化学冶金过程的特点短路过渡：在短弧焊时，焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸便与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭。同时在各种力（重力、电磁力、表面张力等）的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。短路过渡1.1焊接化学冶金过程的特点短路过渡61.1焊接化学冶金过程的特点颗粒状过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，然后在各种力（重力、电弧吹力等）的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路，接着进行下一个过渡周期。颗粒过渡1.1焊接化学冶金过程的特点颗粒过渡71.1焊接化学冶金过程的特点

附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡。附壁过渡1.1焊接化学冶金过程的特点附壁过渡81.1焊接化学冶金过程的特点影响熔滴过渡形式、尺寸及频率的因素药皮类型碱性焊条主要是短路过渡和大颗粒状过渡；酸性焊条主要是细颗粒状过渡和附壁过渡。焊芯直径直径减小，熔滴变细焊接电流电流增大，熔滴变细，过渡频率↑1.1焊接化学冶金过程的特点影响熔滴过渡形式、尺寸及频率的91.1焊接化学冶金过程的特点熔滴的比表面积和相互作用时间：熔滴的比表面积S：熔滴的表面积与其质量之比。

可知，R↓,S↑，有利于冶金反应进行。如增大焊接电流↑I，在药皮中加入表面活性物质等。熔滴的平均作用时间：与熔滴存在的时间τ和比值mo/mtr有关，一般近似表示，0.01~1s。熔滴的温度：手工电弧焊焊接低碳钢焊条：2100~2700K，熔渣平均温度：1600ºC1.1焊接化学冶金过程的特点熔滴的比表面积和相互作用时间：10母材焊条熔池焊缝熔池的形成熔池的形状和尺寸

熔池:母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属。形状:为半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。熔池的宽度和深度沿X轴连续变化，一般地，I↑，Bmax↓，Hmax↑；U↑，Bmax↑，Hmax↓尺寸：L=P2IU其中，P2为比例系数，取决于焊接方法和焊接电流。1.1焊接化学冶金过程的特点母材焊条熔池焊缝熔池的形成1.1焊接化学冶金过程的特点11熔池的质量和存在时间质量：手弧焊时，通常为0.6~16g，一般不小于5g。埋弧焊焊接低碳钢时，焊接电流很大，熔池质量不超过100g。存在时间：

式中，mp熔池质量，ρ熔池液态金属的密度，Aw焊缝的横截面积一般，几秒～几十秒1.1焊接化学冶金过程的特点1.1焊接化学冶金过程的特点12熔池的温度1.1焊接化学冶金过程的特点熔池的温度分布图1熔池中部，2前部，3后部熔池内的温度分布不均匀，处于电弧下面的熔池表面（中部）温度最高，前部次之，后部最低。熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。低碳钢－熔池的平均温度为1770±100ºC。1.1焊接化学冶金过程的特点熔池的温度分布图熔池内的温度13熔池中流体的运动状态1.1焊接化学冶金过程的特点液态金属密度差引起自由对流运动表面张力差强迫对流运动熔池中各种机械力搅拌对焊接质量的影响

→使熔化的母材和焊条金属能够很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属→有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷→在液体金属与母材交界处，液态金属的运动受到限制，引起化学成分的不均匀性

1.1焊接化学冶金过程的特点液态金属密度差引起自由对流141.1焊接化学冶金过程的特点焊接过程中对金属的保护2保护的必要性保护的方式和效果1.1焊接化学冶金过程的特点焊接过程中对金属的保护2保护的151.1焊接化学冶金过程的特点熔渣保护

气体保护渣-气联合保护真空保护自保护保护方式利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的熔渣保护气焊、在惰性气体（如Ar、He）和其它保护气体（如CO2、混合气体）中焊接利用药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体而共同保护利用真空环境使焊接区的空气含量显著降低通过在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化物，并使其成渣，从而降低焊缝金属含氧量和含氮量1.1焊接化学冶金过程的特点熔渣保护气体保护渣-气真空保161.1焊接化学冶金过程的特点焊条电弧焊埋弧焊CO2焊等离子弧焊电渣焊氩弧焊激光束焊电子束焊自保护焊熔焊方法的保护方式渣-气联合保护熔渣保护气体保护气体保护熔渣保护气体保护气体保护真空保护自保护1.1焊接化学冶金过程的特点焊条电弧焊埋弧焊CO2焊等离子171.1焊接化学冶金过程的特点焊接化学冶金反应区及其反应条件3焊接化学冶金反应区示意图T1药皮反应开始温度T2焊条端熔滴表面温度T3弧注间熔滴温度T4熔池最高温度T5熔池凝固温度I药皮反应区II熔滴反应区III熔池反应区1.1焊接化学冶金过程的特点焊接化学冶金反应区及其反应条件181.1焊接化学冶金过程的特点药皮反应区

指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。特点：反应温度较低，其生成物可作为熔滴和熔池阶段的反应物，对焊接化学冶金过程和焊接质量有一定的影响。在该区内的主要物化反应有：1)水分蒸发（100℃）2)某些物质分解200～250℃时，有机物分解；300～400℃时，结晶水及化合水分解。结晶水：有金属键的联系。化合水：不是以单一水分子形式存在。白泥：Al2Si2O5(OH)42MnO2=MnO+O2(锰矿)2Fe2O3=4FeO+O2(赤铁矿)3)铁合金氧化1.1焊接化学冶金过程的特点药皮反应区191.1焊接化学冶金过程的特点熔滴反应区

指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到熔池之前发生的一些反应。特点：1)熔滴的温度高（平均为1800～2400℃）2)熔滴与气体和熔渣的接触面积大（比表面积可达103～104cm2/kg）3)各相之间的反应时间（接触时间）短（平均为0.01～1.0s）4)熔滴与熔渣发生强烈的混合在该区内的主要物化反应有：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原、焊接金属的合金化等。1.1焊接化学冶金过程的特点熔滴反应区201.1焊接化学冶金过程的特点熔池反应区

指熔滴和熔渣落入熔池后，各相之间进一步发生的物化反应，直至金属凝固，形成焊缝金属。特点：1)熔池的平均温度较低（约1600～1900℃）2)比表面积较小（3～130cm2/kg）3)反应时间较长（如手工电弧焊3～8s，埋弧焊6～25s）4)温度分布不均匀

熔池的前部发生金属的熔化、气体的吸收，利于吸热反应熔池的后部发生金属的凝固、气体的析出，利于放热反应

1.1焊接化学冶金过程的特点熔池反应区211.1焊接化学冶金过程的特点焊接工艺条件与化学冶金反应的关系4

熔合比的影响熔合比：在焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。θ=

式中，θ

熔合比，F1熔化母材的面积，F2熔敷金属的面积

通过改变熔合比，可改变焊缝金属的化学成分。1.1焊接化学冶金过程的特点焊接工艺条件与化学冶金反应的关221.1焊接化学冶金过程的特点焊接工艺条件与化学冶金反应的关系4熔滴过渡特性的影响①焊接电流I的变化

I↑，t熔滴↓，冶金反应不充分②焊接电压V的变化

U↑，弧长↑，t熔滴↑，冶金反应充分1.1焊接化学冶金过程的特点焊接工艺条件与化学冶金反应的关231.1焊接化学冶金过程的特点熔焊原理1.1焊接化学冶金过程的特点熔焊原理1.1焊接化学冶金过程的特点在熔焊过程中，焊接区内各种物质（包括气体、液态金属、熔渣）之间在高温下相互作用的过程。

普通化学冶金过程焊接化学冶金过程对金属熔炼加工过程，在放入特定的炉中进行。金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。共同点：金属冶炼加工不同点：原材料：矿石、焦炭、废钢铁等。目的：提炼金属原材料：焊条、焊丝、焊剂等。目的：对金属再熔炼，以满足构件性能焊接化学冶金过程1.1焊接化学冶金过程的特点普通化学冶金过程焊接化学冶金过251.1焊接化学冶金过程的特点焊条熔化及熔池形成1焊条的加热及熔化焊条的加热电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。(1%~3%)电阻热：对于手工电弧焊，小电流时电阻热不是主要的；大电流时电阻热是主要的，过大，造成危害。一是焊条药皮脱落、开裂；二是化学元素损失，冶金性能变化；三是熔化过分激烈，飞溅严重；四是焊缝成型不好，易产生缺陷。应严格控制焊芯和药皮的加热温度，一般焊接终了时，焊芯的温度不应超过600～650ºC。电弧热：真正用于使焊条加热和熔化的热能。焊接电弧用于加热和熔化焊条的功率为qe=ηeUIηe—焊条加热有效系数，取决于焊接规范，电流极性、焊条药皮成分、金属过渡形式。手工电弧焊时，ηe

为0.2～0.271.1焊接化学冶金过程的特点焊条熔化及熔池形成1焊条的加热261.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属的平均熔化速度－－在单位时间内熔化的焊芯质量或长度

焊条金属的平均熔化速度：gM=G/t=αpI

式中，gM焊条金属的平均熔化速度，g/hG熔化的焊芯质量，gt电弧燃烧的时间，hI焊接电流，Aαp焊条的熔化系数，g/(A·h)

焊条金属的平均熔敷速度：gD=GD/t=αHI

式中，gD

焊条金属的平均熔敷速度，g/hGD

熔敷到焊缝金属中的金属质量，gαH

焊条的熔敷系数，g/(A·h)

损失系数：在焊接过程中因飞溅、氧化和蒸发损失的那一部分金属质量与熔化的焊芯质量之比。真正反映焊接生产率的指标。Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αP

或αH=(1-Ψ)αP1.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属的平均熔化速度损失系数271.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属熔滴及其过渡特性

熔滴过渡的形式：短路过渡颗粒状过渡附壁过渡熔滴，过渡1.1焊接化学冶金过程的特点焊条金属熔滴及其过渡特性281.1焊接化学冶金过程的特点短路过渡：在短弧焊时，焊条端部的熔滴长大到一定的尺寸便与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭。同时在各种力（重力、电磁力、表面张力等）的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新引燃。短路过渡1.1焊接化学冶金过程的特点短路过渡291.1焊接化学冶金过程的特点颗粒状过渡：当电弧的长度足够长时，焊条端部的熔滴长大到较大的尺寸，然后在各种力（重力、电弧吹力等）的作用下，以颗粒状落入熔池，此时不发生短路，接着进行下一个过渡周期。颗粒过渡1.1焊接化学冶金过程的特点颗粒过渡301.1焊接化学冶金过程的特点

附壁过渡：熔滴沿着焊条端部的药皮套筒壁向熔池过渡。附壁过渡1.1焊接化学冶金过程的特点附壁过渡311.1焊接化学冶金过程的特点影响熔滴过渡形式、尺寸及频率的因素药皮类型碱性焊条主要是短路过渡和大颗粒状过渡；酸性焊条主要是细颗粒状过渡和附壁过渡。焊芯直径直径减小，熔滴变细焊接电流电流增大，熔滴变细，过渡频率↑1.1焊接化学冶金过程的特点影响熔滴过渡形式、尺寸及频率的321.1焊接化学冶金过程的特点熔滴的比表面积和相互作用时间：熔滴的比表面积S：熔滴的表面积与其质量之比。

可知，R↓,S↑，有利于冶金反应进行。如增大焊接电流↑I，在药皮中加入表面活性物质等。熔滴的平均作用时间：与熔滴存在的时间τ和比值mo/mtr有关，一般近似表示，0.01~1s。熔滴的温度：手工电弧焊焊接低碳钢焊条：2100~2700K，熔渣平均温度：1600ºC1.1焊接化学冶金过程的特点熔滴的比表面积和相互作用时间：33母材焊条熔池焊缝熔池的形成熔池的形状和尺寸

熔池:母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属。形状:为半椭球，其轮廓为温度等于母材熔点的等温面。熔池的宽度和深度沿X轴连续变化，一般地，I↑，Bmax↓，Hmax↑；U↑，Bmax↑，Hmax↓尺寸：L=P2IU其中，P2为比例系数，取决于焊接方法和焊接电流。1.1焊接化学冶金过程的特点母材焊条熔池焊缝熔池的形成1.1焊接化学冶金过程的特点34熔池的质量和存在时间质量：手弧焊时，通常为0.6~16g，一般不小于5g。埋弧焊焊接低碳钢时，焊接电流很大，熔池质量不超过100g。存在时间：

式中，mp熔池质量，ρ熔池液态金属的密度，Aw焊缝的横截面积一般，几秒～几十秒1.1焊接化学冶金过程的特点1.1焊接化学冶金过程的特点35熔池的温度1.1焊接化学冶金过程的特点熔池的温度分布图1熔池中部，2前部，3后部熔池内的温度分布不均匀，处于电弧下面的熔池表面（中部）温度最高，前部次之，后部最低。熔池的平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。低碳钢－熔池的平均温度为1770±100ºC。1.1焊接化学冶金过程的特点熔池的温度分布图熔池内的温度36熔池中流体的运动状态1.1焊接化学冶金过程的特点液态金属密度差引起自由对流运动表面张力差强迫对流运动熔池中各种机械力搅拌对焊接质量的影响

→使熔化的母材和焊条金属能够很好的混合，形成成分均匀的焊缝金属→有利于气体和非金属夹杂物的外逸，加速冶金反应，消除焊接缺陷→在液体金属与母材交界处，液态金属的运动受到限制，引起化学成分的不均匀性

1.1焊接化学冶金过程的特点液态金属密度差引起自由对流371.1焊接化学冶金过程的特点焊接过程中对金属的保护2保护的必要性保护的方式和效果1.1焊接化学冶金过程的特点焊接过程中对金属的保护2保护的381.1焊接化学冶金过程的特点熔渣保护

气体保护渣-气联合保护真空保护自保护保护方式利用焊剂、药芯或药皮熔化形成的熔渣保护气焊、在惰性气体（如Ar、He）和其它保护气体（如CO2、混合气体）中焊接利用药皮或药芯中的造渣剂和造气剂在焊接过程中形成熔渣和气体而共同保护利用真空环境使焊接区的空气含量显著降低通过在焊丝中加入脱氧剂和脱氮剂，使由空气进入熔化金属的氧和氮反应生成氧化物和氮化物，并使其成渣，从而降低焊缝金属含氧量和含氮量1.1焊接化学冶金过程的特点熔渣保护气体保护渣-气真空保391.1焊接化学冶金过程的特点焊条电弧焊埋弧焊CO2焊等离子弧焊电渣焊氩弧焊激光束焊电子束焊自保护焊熔焊方法的保护方式渣-气联合保护熔渣保护气体保护气体保护熔渣保护气体保护气体保护真空保护自保护1.1焊接化学冶金过程的特点焊条电弧焊埋弧焊CO2焊等离子401.1焊接化学冶金过程的特点焊接化学冶金反应区及其反应条件3焊接化学冶金反应区示意图T1药皮反应开始温度T2焊条端熔滴表面温度T3弧注间熔滴温度T4熔池最高温度T5熔池凝固温度I药皮反应区II熔滴反应区III熔池反应区1.1焊接化学冶金过程的特点焊接化学冶金反应区及其反应条件411.1焊接化学冶金过程的特点药皮反应区

指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。特点：反应温度较低，其生成物可作为熔滴和熔池阶段的反应物，对焊接化学冶金过程和焊接质量有一定的影响。在该区内的主要物化反应有：1)水分蒸发（100℃）2)某些物质分解200～250℃时，有机物分解；300～400℃时，结晶水及化合水分解。结晶水：有金属键的联系。化合水：不是以单一水分子形式存在。白泥：Al2Si2O5(OH)4