第三章：焊接基础知识

第二节熔焊热过程一、焊接热效率η=Q/Q◦η---热效率Q---有效用于加热焊件的热量Q◦---热源提供的热量η的高低取决于热源性质、焊接工艺方法、焊材的种类（焊条、焊剂、保护气体）、被焊金属性质、尺寸形状二、焊接热过程传热过程--化学冶金过程--结晶相变过程

三、焊接热循环焊接热循环的概念

焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环

Tt焊接热循环是用来描述焊接过程中热源对母材金属的热作用。在焊缝双侧不同距离的各点所经历的热循环是不同的（见下图）焊接热循环的主要参数

（一）加热速度（vH）

v

H=dT/dtvHT相变

A均质化和碳化物溶解越不充分热影响区冷却后的组织、性能（二）加热的最高温度（Tm）

低碳钢和低合金钢焊接时，在熔合线附近的过热区，由于温度高（1300～1350℃），晶粒发生严重长大，从而使韧性严重下降（三）在相变温度以上的停留时间（tH）

高温停留时间tH为焊接加热和冷却过程中在相变温度以上的停留时间，分为加热过程的停留时间t′和冷却过程的停留时间t′′tH

＝t′＋t′′tH

越长，越有利于奥氏体的均质化过程，但tH

越长，奥氏体晶粒越容易长大；特别是在温度较高时（如1100℃以上)，即使停留时不长，也会产生严重的晶粒长大。

（四）冷却速度（v

c）和冷却时间

（t8／5、t8／3、t100）

1.冷却速度是一个不易准确描述的变化量，在工程实际应用中常用冷却时间t8／5、t8／3或

t100来表述焊接冷却过程2.t8／5、t8／3为焊接冷却过程中温度从800~500℃或800~300℃的冷却时间3.t100为焊后冷却到100℃所花时间影响焊接热循环的因素1.焊接参数和热输入

熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量称为热输入。电弧焊的热输入为：q/v=η(IU/v）q/v---热输入（J/cm)I------焊接电流（A）U------电弧电压（V）v-------焊接速度（cm/s)

η-------电弧加热功率有效系数焊条焊η=0.70-0.80埋弧焊η=0.85-0.95钨极氩弧焊η=0.50η与电弧长度有关，弧长增加时η降低，反之则增加。热输入（q/v)对热影响区的大小和接头的性能有直接的影响。热输入越大，热影响区越宽，反之则越窄。2.预热和层间温度预热、层间温度越高，热输入越大。将降低焊缝组织在高温期停留时间3.其他因素的影响板厚----增大，冷却速度加快接头形式--角焊缝比对接接头冷速快材料的导热性--导热性好则冷速快

（一）长段多层焊焊接热循环

1.

长段多层焊：每道焊缝的长度较长（一般1m以上），焊完第一层再焊第二层时，第一层已基本冷至较低的温度（一般在100～200℃以下），其特点是相邻各层之间有依次热处理的作用，不适用于淬硬倾向较大的钢种

2.焊接热循环的变化如图4－17所示。

二、焊接热循环的形式（二）短段多层焊焊接热循环

1.短段多层焊：每道焊缝长度较短（约为

50～400mm），未等前层焊缝冷却到较低温度（如Ms点）就开始焊接下一道焊缝，其特点是后焊一层对先焊层具有缓冷作用，可以防止焊接接头产生淬硬组织，适于焊接晶粒易长大而又易于淬硬的钢种

第三节熔池保护和焊缝金属中元素的控制熔池：熔焊时，在焊接电源作用下焊件上某点所形成的具有一定几何形状的液态金属部分。焊缝金属的组织和性能取决于焊缝的熔池结晶行为和相变行为的直接影响。焊接化学冶金的任务①对焊接区实施保护，免受空气侵害②熔化金属，冶金处理，获得所要求的焊缝成型焊接化学冶金的概念在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下液态金属、熔渣、气相之间相互作用的过程研究目的在于运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求，设计创造新的焊接材料一、对焊接区的保护1.光焊丝焊接时[N]＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍，[O]＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍，[Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导致塑性韧性下降,光焊丝无保护的焊接不实用2.保护方法药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等3.保护效率与保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3）

1.药皮反应区

（1）产生的气体①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化

a.＜100°C吸附水分蒸发

b.>200~400°C排除结晶水

c.>400°C排除化合水②有机物的分解和燃烧：产生CO2、CO、H2③碳酸盐的分解（大理石CaCO3、菱苦土

MgCO3):产生CO2④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿

MnO2):产生O2（2）产生的气体对铁合金（Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe）的氧化作用

①在温度大于600°C的条件下：

2Mn+O2=2MnO

Mn+CO2=MnO+COMn+H2O=MnO+H2

②结果使气氛的氧化性降低，达到先期脱氧的作用2.熔滴反应区（1）特点①熔滴温度高：1800~2400°C，过热度大②熔滴比表面积大，故接触面积大：一般比炼钢时大1000倍③反应接触时间短：熔滴存在时间短，内部又存在流动④熔滴金属与熔渣发生强烈混合：熔渣质点尺寸可达50μm,相互接触面积大，反应物与产物充分交流，反应速度加快

总之，熔滴反应区反应时间较短，但温度高，相互接触面积大，反应最为激烈，对焊缝的影响最大（2）主要冶金反应

①气体的分解和溶解

②金属的氧化、还原

③合金化④金属蒸发

3.熔池反应区（1）物理条件

①与熔化的母材充分混合②熔池的平均温度较低（1600~1900°C）③比表面积小（3~130cm3/kg）④时间从几s到几十s⑤温度分布不均匀（在熔池头部的反应与熔池尾部的不一样）

①熔池反应体系中各相浓度接近平衡浓度，反应速度小

②药皮质量系数Kb

大时，有部分熔渣直接进入熔池，参与并强化熔池反应

③熔池反应物质处在连续更新过程，且维持准稳定状态（2）化学条件①熔池反应速度小，程度小，对整个化学冶金过程贡献小

②主要化学冶金反应同熔滴阶段，但程度和方向有可能改变（3）特点

常见熔焊方法的保护方式：埋弧焊保护效果：焊剂的保护效果取决于焊剂的粒度和结构。试验证明，焊剂的粒度越大，其松装比（单位体积内焊剂的质量）越小，透气性越大，焊缝金属中含氮量多，说明保护效果差。埋弧焊时，焊缝中的ψ（N)一般为0.002%-0.007%，比焊条电弧焊的保护效果好。三、焊缝中的氧、硫、磷及其控制A氧1.氧（O）对金属的作用

1）来源：

材料中的含氧化合物、周围空气污染2）分类

①不溶解，只氧化，氧化物不溶于金属中

(如Al、Mg等)

②既溶解，又氧化，氧化物溶于金属中（如Fe、Ni、Cu、Ti等）3）溶解

①溶解度：（平方根定律）

②影响因素

TS0

凝固时S0=0.16%

γ相时S0=0.05%室温时S0

<0.01%,此时基本上以氧化物存在

合金元素S04）O对焊接质量的影响

①强度、塑性、韧性下降（见下图）

②低温冲击韧性下降

③产生红脆、冷脆、时效脆化④影响物化性能（导电性、导磁性、耐蚀性）⑤产生气孔⑥影响电弧的稳定性、飞溅等工艺性含氧量对焊缝性能的影响5）控制氧的措施

①降低焊材中的氧含量

②控制焊接工艺参数

电弧电压焊接电流

③采取脱氧措施2.氧对金属的氧化、还原作用

1）气体对金属的氧化

①O2的氧化

空气中：{PO2}≈0.21atm>>PO2,Fe氧化严重电弧气氛中(PO2>PO2

）:

[Fe]+1/2O2=FeO+26.97kJ/mol

[Fe]+O=FeO+515.76kJ/mol(更激烈）

C、Si、Mn的氧化：

[C]+1/2O2=CO[Si]+O2=(SiO2)

[Mn]+1/2O2=(MnO)②CO2的氧化

CO2分解得到{PO2}>>饱和FeO分解压，3000℃接近空气中的氧分压，即高温是强氧化剂

CO2+[Fe]=CO+[FeO]lgK=-11576/T+6.855,TK

故熔滴阶段氧化更激烈，CO2多是必须用Si、Mn脱氧

焊不锈钢时，还会出现增碳:

[Cr]+CO(CrO3)+3[C][Al]+COAl2O3+[C]COCO2+[C]

所以焊不锈钢时应降低CO2的含量，或加入Cr2O3③H2O对金属的氧化

H2O+[Fe]=Fe+H2,lgK=-10200/T+5.5H2O在液铁温度下氧化性比CO2小，但H严重影响焊缝的质量，故应严格控制H2O的来源④混合气体的氧化根据室温时气相成分和气体反应的平衡常数推算高温时气相成分，求出氧分压，与氧化物的分界压比较。目前评价气体氧化能力的指标：金属元素的氧化损失系数即焊缝含氧量3.熔渣对金属的氧化

1）扩散氧化

①符合分配定律分配系数:L=(FeO)/[FeO]

②酸性渣中（SiO2饱和）：lgL=4096/T-1.877

碱性渣中（CaO饱和）：lgL=5014/T-1.980

TL,即FeO向钢中扩散，可见扩散氧化主要发生在熔滴过渡阶段。

碱性渣中，根据分子理论，酸性氧化物少，所以FeO的活度大。因此碱性焊条焊接时，对锈和氧化皮敏感。但并不意味着碱性焊条焊缝含氧量高，反而是低，因为药皮氧化势低。2）置换氧化

①熔渣中的SiO2、MnO等发生以下反应：（SiO2）+2[Fe][Si]+2FeO（MnO）+[Fe][Mn]+2FeO

焊缝增Si,Mn，使Fe氧化温度升高，K,故置换氧化主要发生在高温区，随着温度降低，熔池后部的低温区Si、Mn被氧化，生成夹杂

②药皮中含Al、Ti、Cr等强脱氧元素时，置换脱氧效果更明显，高碳高强钢应采用无SiO2药皮3.焊缝金属的脱氧

1）脱氧目的：减少焊缝中的氧含量

2）选择脱氧剂的原则

①与O的亲和力比被焊金属大(C、Al、Ti、Si、Mn等）

②脱氧产物不溶于液态金属（密度小于液态金属）③对焊缝金属性能、工艺影响小、成本较低

3）脱氧方式

①先期脱氧

a.在药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧，其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系

b.Al、Ti、Si、Mn的先期脱氧反应为：

Fe2O3+Mn=MnO+2FeOFeO+Mn=MnO+FeMnO2+Mn=2MnO2CaCO3+Ti=2CaO+TiO2+2CO3CaCO3+2Al=3CaO+Al2O3+3CO2CaCO3+Si=2CaO+SiO2+2COCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO

c.反应的结果使气相的氧化性减弱。由于Al

和Ti对氧的亲和力很大，它们在先期脱氧的过程中绝大部分被烧损，沉淀脱氧的作用不大

d.C的先期脱氧问题

C易被氧化

[C]+[O]=CO[C]+[CO2]=2CO

加入Mn后

[Mn]+[CO2]=MnO+COCO+Mn=C+MnO故C的先期脱氧取决于Mn/C的比及碳酸盐当量

②沉淀脱氧

a.沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的，其原理是溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属

b.Mn的脱氧反应

增加金属中的含锰量，减少渣中的

MnO，可以提高脱氧效果

温度下降，Mn的脱氧能力增强，故一般在熔池的后部出现MnO的夹渣

c.Si的脱氧反应

提高熔渣的碱度和金属中的含硅量，可以提高硅的脱氧效果硅的脱氧能力比锰大，生成的SiO2熔点高，通常处于固态，不易聚合为大的质点；同时SiO2与钢液的界面张力小，润湿性好，SiO2不易从钢液中分离，所以易造成夹杂，因此一般不单独用硅脱氧

d.硅锰联合脱氧

把锰和硅按适当比例加入金属中进行联合脱氧时，可以得到较好的脱氧效果当［Mn］／［Si］＝3～7时，脱氧产物可形成硅酸盐MnO·SiO2,易析出CO2焊丝常用③扩散脱氧

a.扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的。

b.扩散脱氧一般发生在低温区，利用既能溶解在熔池金属中，又能溶解在熔渣中这一特性，关键在于降低渣中FeO的活度

B硫1.硫

1）危害

①生成低熔点共晶：FeS

MnS

②当含C量高时，会促进S的偏析

③降低冲击韧性和抗腐蚀性2）硫的控制

①控制原材料中的S如母材、焊丝、药皮或焊剂中的硫0.045%0.035%0.025%

②冶金脱硫元素脱硫Mn：（Mn+FeSMnS+(Fe)MnS熔点高，直接进入渣中或弥散分布

熔渣脱硫MnO、CaO、MgO等：生成MnS、CaS、MgS（不溶于金属）进入渣中

增加渣碱度，降低(FeO）有利于脱硫加入CaF2，可降低粘度,有利于扩散用稀土脱硫C磷

1）危害

①在液态铁中可溶解较多的磷，主要以

Fe2P和Fe3P的形式存在

②形成低熔点共晶：Fe3P＋Fe(1050℃）

Ni3P＋Fe（880℃）

③产生热脆、冷脆

2）控制措施

①限制母材、填充金属、药皮和焊剂中的含磷量（主要来源：药皮和焊剂中的锰矿）

②脱P

2[Fe3P]+5（FeO）P2O5+11FeP2O5+CaO(CaO)3·P2O5

P2O5+CaO(CaO)4·P2O5

加CaF2有利于脱P(降低粘度和的P2O5活度）

增加碱度有利于脱P

但焊接熔渣的碱度受焊接工艺性能的制约，不可过分增大；碱性渣不允许含有较多的FeO，否则会使焊缝增氧，不利于脱硫，甚至产生气孔，所以碱性渣的脱磷效果是很不理想的脱P比脱S的难度更大，主要是靠控制原材料中的磷含量四、焊缝中的氮、氢及其控制A氮1.氮（N）对金属的作用１）N的来源与溶解

①来源：周围空气污染②溶解：金属表面吸附的气体分解为原子，穿过表面进行扩散

③溶解度的影响因素

a.成分：铁中加C、Si、Ni，原子将占据间隙，溶解度下降；加入V、Nb、Cr、

Ta，将形成沉淀，溶解度升高

b.电弧中N以原子形式存在，溶解速度较大，故熔融金属[N]较高

c.与温度的关系（如图1-16）2）N对质量的影响

①生成气孔（凝固时突降）

②生成Fe4N（脆化）

③时效脆化、回火脆性（固溶N)④加入V、Ti、Al、Zr等时，可抑制时效，细化晶粒，增强强度3）影响因素及控制措施

①保护效果（Kb，造气剂）

②工艺参数（U[N]，I[N])

③合金元素（如图2-7)B氢1、氢（H）对金属的作用

1）来源

焊接材料中的水分、含氢物质及电弧周围空气中的水蒸气等

2）溶解

①H与金属元素的作用

a.固态吸氢：与Zr、Ti、V、Ta、Nb等形成稳定的氢化物，反应吸热，温度越高，吸氢越少

b.高温溶解氢：与Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo

等形成不稳定的氢化物，反应吸热②溶解途径a.渣-液态金属：溶解在渣中的H主要以OH-的形式存在

H2O（气)+O2-（自由氧)2(OH-)

[O2-]（碱度越高），溶解的OH-越大

渣中有F-时，2OH-+F-=O2-+HF,降低了H2O在渣中的溶解度

金属从熔渣到金属的溶解：(Fe2+)+(OH-)[Fe]+2[O]+2[H][Fe]+2(OH-)(Fe2+)+2(O2-)+2[H](OH-)[O]+[H]+(O2-)(H+)[H]阴极处：(OH-)–e[H]+[O]b.气-液态金属

分子态：满足一般溶解规律平方根定律（溶解度）：质子态：溶解度更高电弧焊时，大量H、H+存在，溶解度高得多熔滴阶段吸氢比熔池阶段多③影响因素a.温度（如图1-16、图1-25）b.合金元素（如图1-27）c.组织(吸氢量：δ>γ>α)3）焊缝中的氢及其扩散

①H、H+、H-存在方式

a.存在晶格中（间隙固溶体）——残余氢，由于[H]半径小，可扩散

b.存在缺陷处，形成H2，不能扩散

c.形成化学物、氢化物

②对Fe、Al、Ni、Cu等来说，扩散氢占到80%~

90%，对Ti来说，大部分形成的是氢化物

③扩散氢的含量随时间的变化而逸出或形成H2,危害大4）[H]对焊接质量的影响

①氢脆（室温脆化）位错运动HH2显微空腔内压氢脆

②白点塑变夹渣或气孔处HH2内压白点

③气孔熔池H含量较高，结晶过程析出H2气孔

④冷裂纹5）控制氢的措施

①控制原材料中的H2O

②清除杂质及污染

③冶金处理

a.氟化物去氢机理

酸性渣中：SiO2活度大CaF2+SiO2

CaSiO3+SiF4(气)SiF4+2HSiF2+2HFSiF4+2H2OSiO2（气)+4HF

碱性渣中CaF2（气）+H2OCaO+2HF

CaF2（气）+2HCa（气）+2