焊接基础知识及工艺培训课件

焊接冶金学及金属材料焊接(第二版)模

块

一

焊

接

化

学

冶

金

过

程·

课题一

控制焊缝熔合比·

课题二焊接熔渣对焊接冶金的作用·

课题三

控制气相对熔池金属的危害·

课题四焊缝金属的合金化途径·

课题五

焊缝金属的脱硫、脱磷方法课题一

控制焊缝熔合比一、熔池形成过程定义：熔焊时在焊接热源作用下，焊件上由熔化的填

充金属和熔化的母材组成具有一定几何形状的液体金属部

分叫做熔池。(一)熔池的形状和尺寸

图1-1熔池示意图回目录课题一

控制焊缝熔合比(二)熔池的质量和存在时间tmax

在几秒与几十秒之间变化。焊缝轴线上各点在液态停留的时间最长，离轴线越远，停留的时间越短。

一般情况下，熔池

存在的时间与熔池长度成正比，与焊接速度成反比。(三)熔池的温度图1-3熔池的温度分布1-熔池中部、2-熔池头部、3-熔池尾部课题一

控制焊缝熔合比(四)熔池中液态金属的流动使熔池中液态金属发生运动的主要原因如下：1、液态金属的密度差所产生的自由对流运动2、表面张力所引起的强迫对流运动3、热源的各种机械力所产生的搅拌运动正是这些运动促使熔池中的冶金反应剧烈发生，对保证焊接质量的稳定性具有重大的意义。课题一

控制焊缝熔合比二、

对焊接区金属的保护1.保护的必要性1)提高焊接过程稳定性，减少飞溅2)减少合金烧损3)防止产生焊接缺陷，以保证力学性能保护提供良好的工艺性能渗合金保证冶金反应过程焊条药皮的作用课题一

控制焊缝熔合比2、保护方式及效果5)自

保护4)真空保护保护效果用焊缝金属中的氮含量来衡量3)气

—

渣联合保护保护方式1)气

保护2

)

渣

保护课题一

控制焊缝熔合比三、

焊接化学冶金反应区特点：分区域连续进行。反应相：熔化金属、熔渣电弧气氛。1.药皮反应区的特点：(100℃至药皮的熔点约1200℃)

达到100℃时，水分蒸发；超过200℃时，有机物分解；超过200℃时，结晶水蒸发；继续升高温度，碳酸盐开始分解。课题一

控制焊缝熔合比2.熔滴反应区的特点(从熔滴形成、长大，到过渡到熔

池之前)特点：熔滴的温度高；作用时间短；焊接反应最为激烈

的部位液体金属与熔渣

发生强烈的混合。熔滴比表面积大；课题一

控制焊缝熔合比3.熔池反应区的特点特点：比表面积小，反应时间较长；课题一

控制焊缝熔合比四、

焊接化学冶金反应的条件和特点(4)处于不停

(5)反应条件的运动之中

不断变化(2)比表面积

大(1)温度高(3)时间短课题一

控制焊缝熔合比五、

焊接参数与焊接化学冶金的关系1.焊接参数影响冶金试验表明反应的条件和作用时间熔滴阶段的反应时间(熔滴存在的时间)随着电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。因此可以断定反应进行的完全程度将随着

电流的增加而减少，随着电弧电压的增加而增大。课题一

控制焊缝熔合比2.焊接参数影响参加冶金反应的熔渣量六、

熔合比的控制定义：

在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合

比。影响因素：(1)预热的影响(2)焊接参数的影响(3)焊接方法的影响(4)坡口形式和焊接层数的影响课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用一、焊接熔渣1.熔渣在焊接过程中的作用(1)

机械保护作用(2)

改善焊接工艺性能3

冶金处理作用(4)

改善热规范回目录课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用2.熔渣的成分和分类(1)盐型熔渣主要有CaF2-NaF、CaF2-BaCl2-NaF、KCl-NaCl-Na3AIF6,BaF2-MgF2-CaF2-LiF等。(2)盐-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。课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用二、

熔渣的冶金作用(

一

)

熔

渣

的

性

质1.熔渣的碱度分子理论：O从理论上讲，

B1>1

时，熔渣为碱性熔渣；

B1<1

时，为酸性熔渣；B1=1

时，为中性熔渣。根据经验确定：Ⅱ

》1.3

为课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用离子理论当B₂>0

时，则熔渣为碱性熔渣；当B₂<0

为酸性熔渣；当B₂=0

时，为中性熔渣。课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用2.熔渣的黏度黏度越大，流动性越差；黏度越小，流动性过小。长渣：

随温度降低黏度增加缓慢的，凝固所需时间长。随温度降低0黏度迅速增加的，叫做短渣立焊，仰焊课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用(1)温度对黏度的影响熔渣的黏度随温度的上升而下降，但不同成分的熔渣其具体的变化规律是不同的，如图1-8所示。1-碱性熔渣

2-含SiO₂

多的酸性熔渣长渣和短渣的黏度-温度曲线课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用(2)成分对黏度的影响在酸性熔渣中加入SiO2,

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

增加TiO2,

使复杂的Si-O离子减少，可降低高温时的黏度。含TiO2多的酸性熔渣已不是玻璃状的渣，而是接近于晶体

状的渣。这种渣的黏度随温度变化急剧变为短渣。课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用3.熔渣的熔点熔渣的熔点是指熔渣开始熔化的温度，不是药皮开始熔化的温度，后者一般称为造渣温度。但两者之间有一定的关系，

一般的规律是：药皮的熔点

高时，所形成的熔渣的熔点也高。熔点过高将使熔渣与液态金属之间的反应不充分，易形成夹渣和气孔，并产生压铁液现象，使焊缝成形变坏。熔点过低易使熔渣的覆盖性能变坏，焊缝表面粗糙不平，并使焊条难于进行全位置焊接。

一般要求焊接熔渣的熔

点比焊缝金属的熔点低200～450℃。课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用4.表面张力表面张力是液体表面所受到的指向液体内部的力，它是由于表面层分子与内部分子所处的状态不同而引起的。熔滴的表面张力以及与液体金属的界面张力影响熔滴的尺寸和熔渣的覆盖性能。熔渣与液体金属的界面张力减小，熔滴的尺寸减小；反之，熔滴粗化。实验表明课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用5.密度熔渣的密度必须低于焊缝金属的密度。6.熔渣的线膨胀系数和导电性熔渣的线膨胀系数主要影响脱渣性，熔渣与焊缝金属的线膨胀系数差值越大，脱渣性越好。熔渣的导电性取决于熔渣的温度与成分。课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用(二)熔渣对焊缝金属的氧化1.扩散氧化焊接钢时，

FeO

既溶于液态金属又溶于渣中，在一定的温度下平衡时，

它在两相中的浓度符合分配定律。在一定的温度下，

FeO

在熔渣和液体金属中的浓度虽然可随FeO

总量的

不同而变动，但平衡时两相中FeO

的浓度之比是定值。在温度不变的情况

下，当增加熔渣中FeO

的浓度时，

FeO

将向焊缝金属中扩散，使焊缝中的

氧含量增加。在温度相同的条件下，碱性熔渣中

FeO

的分配常数比酸性熔渣中小。置换氧化反应主要发生在熔滴阶段和熔池头部的高温区。在焊丝或药皮中含有对氧的亲和力比铁更大的金属元素时，如Al、Ti、Cr等，它们将和MnO、SiO2

发生更激烈的反应，反应的结果使焊缝中非金属夹杂物增多，氧含量增加，同时焊缝金属中Si、Mn

含量也显著地增加。如果熔渣中含有较多的易分解的氧化物(如SiO2、MnO),态铁发生置换反应，使铁氧化。课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用2.置换氧化则可能与液课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用(三)焊缝金属的脱氧脱氧是一种冶金处理措施，它是通过在焊丝、焊剂或焊条药皮中加人某些对氧亲和力较大的元素，使其在焊接过程中夺取气相或氧化物中的氧，从而减少焊缝金属的氧化及氧含量。用于脱氧的元素或合金剂叫脱氧剂。选择脱氧剂应遵循以下原则：1)

剂。对氧的亲和力应比被焊脱氧产物应不溶于液态金属。

2)3)

剂。对焊缝成分、性能及焊接在满足技术要求的前提下，注意降低成本。工艺性能的影响应综合考虑脱氧金属对氧的亲和力大在焊接温度下，脱氧课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用(1)先期脱氧焊条电弧焊时，在焊条药皮加热阶段，固体药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧。反应的结果使气相中的氧化性减弱。先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力。(2)沉淀脱氧沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的，是利用溶解在熔滴和熔池中的脱氧剂与[FeO]直接反应，把铁还原，使脱氧产物转入熔渣而被清除出去。1)锰的脱氧2)硅的脱氧3)硅锰联合脱氧课题二焊接熔渣对焊接化学冶金的作用(3)扩散脱氧温度降低时，便发生液态金属中的FeO

向熔渣中扩散，从而使熔池中的FeO

含量减少，说明扩散脱氧是在熔池的尾部低温区进行的。扩散脱氧还取决于FeO

在熔渣中的活度。在温度不变的情况下，

FeO

在熔渣中的活度越低，脱氧效果越好。当渣中含有较多的强酸性氧化物SiO2、

TiO2时，因易与FeO

形成复合物，从而使渣中FeO

活度减小，为保持分配常数，液态金属中的FeO

便不断向渣中扩散，所以酸性渣有利于扩散脱氧的进行。相比之下，碱性熔渣扩散脱氧能力较差。课题三控制气相对熔池金属的危害一、焊接区内气体的来源1、焊接材料2、热源周围的气体介质3、焊丝和母材表面上的杂质4、高温蒸发所产生的气体回目录课题三控制气相对熔池金属的危害二、

氢对熔池金属的作用1.氢在金属中的溶解氢向金属中溶解的机理在不同的情况下是不相同的。在气体保护焊时，氢可以直接在金属的表面上以原子或质子的形式溶入金属。在具有熔渣保护

时，氢向金属中溶解是通过熔渣层进行的。除此之外，溶解在渣中的一部分原子氢可以通过对流或搅拌作用而到达金属的表面上，然后溶入金属中。课题三控制气相对熔池金属的危害根据氢与金属作用的特点，可以把金属分为两类：第一类是能形成稳定氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ta、Nb

等。这些金属在吸收氢不多时，与氢形成固溶体；在吸收氢较多时，与氢形成氢化物。

在温度为300～700℃的范围内，这些金属在固态下可吸收大量的氢；再升

高温度，则氢化物分解，由金属中析出氢气，其氢含量下降，因此，这类金

属及合金焊接时，必须防止在固态下吸收大量的氢，否则将严重影响金属的性

能

。第二类是不形成稳定氢化物的金属，如Fe、Ni、Cu、Cr、Mo

等。但氢可以溶解于这类金属及其合金中。课题三控制气相对熔池金属的危害2.氢在金属中的扩散在钢焊缝金属中，氢大部分是以氢原子、正离子或负离子形式存在的。H

的原子和离子半径很小，它们与焊缝金属形成间隙固溶体。其中一部分氢可以在焊缝金属晶格中自由扩散，称为扩散氢。还有一部分氢扩散聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙中，结合为氢分子，因其半径增大，不能自由扩散，称为残余氢。因氢在扩散过程中总有一部分要转变为残余氢，还有一部分扩散到焊件以外的空间，所以焊缝金属中的总的氢含量和扩散氢的含量都是随时间

的延长而减少，残余氢则增加。课题三控制气相对熔池金属的危害3.氢对焊接质量的影响(1)氢脆金属在室温时因吸收氢而导致塑性降低的现象叫做氢脆。氢对钢的屈服强度与抗拉强度没有明显影响；而塑性，特别是断面收缩率，则随氢含量的增加而急剧下降。实验表明氢脆的一个重要特点是，它与试验温度和试验时的应变速度有关。在室温范围，氢脆表现明显，试验温度较高或很低时，都不会出现氢脆。课题三控制气相对熔池金属的危害(2)白点

在碳钢或低合金钢焊缝中，如果氢含量高，则常常在其拉伸或弯曲试件的断面上，出现银白色圆形局部脆断点，称为白点。(3)气孔(4)冷裂纹

在焊接接头中，冷裂纹是危害性极大的一种焊接缺陷，而氢是促使冷裂纹产生的主要因素之一。课题三控制气相对熔池金属的危害4.控制氢的措施(1)限制焊接材料中的氢含量(2)清除焊件和焊丝表面的杂质(3)进行冶金处理1)在药皮和焊剂中加入氟化物。2)在焊条药皮中加入适量的活性氧化剂，如Fe或Mn

的高价氧化物。这类氧化剂一方面在高温下分解出O,

通过O+H=OH

起到去氢的作用，另一

方面增加了焊接熔池的氧化性，使液态金属中氢的溶解度降低。课题三控制气相对熔池金属的危害(4)控制焊接参数焊条电弧焊时，增大焊接电流使熔滴吸收的氢的含量增加；增加电弧电压使焊缝氢含量减小。(5)焊后脱氢处理把焊件加热到350℃以上，保温lh,

几乎可将扩散氢全部去除。课题三控制气相对熔池金属的危害

三、

氮对熔池金属的作用(一)氮对金属的作用及其控制1.氮在金属中的溶解分子氮向气体一金属相界面上运动；被熔滴和熔池前部的金属表面吸附；在金属表面上分解为原子氮；原子氮过渡到金属的表面层内；并向金

属内部扩散。该反应也服从化学平衡法则。降低气相中氮的分压可以减少金属中的氮含量。氮在液态合金中的溶解度随着温度的升高而增大；当温度为2200℃时，氮的溶解度达到最大值；继续升高温度，氮的溶解度急剧下降，至该合金的沸点时溶解度变为零，这是由于金属的蒸气压急剧增加的结果。课题三控制气相对熔池金属的危害2.氮对焊接质量的影响(1)形成气孔(2)降低焊缝金属的力学性能氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素。(3)时效脆化氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。焊接时，冷却速度大，氮来不及随温度的下降析出，焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态。经过一

段时间，过饱和的氮将以针状的Fe4N

析出，导致焊缝金属脆化。氮除了对焊缝的性能有危害作用之外，也有有利的影响。它可以作为合金元素加入钢中，而改变焊缝金属的力学性能。课题三控制气相对熔池金属的危害3.控制氮的措施(1)加强机械保护(2)选用合理的焊接参数增加电弧电压(即增加电弧长度)将使焊缝金属的氮含量增加。对于低碳钢而言，由于氮的溶解是吸热过程，所以增加焊接电流使得焊

缝中氮含量增加。但若电流过大，造成金属强烈地蒸发，使氮的分压下降，

焊缝中的氮含量又逐渐下降。(3)控制焊丝金属的成分增加焊丝或药皮中的碳含量可以降低焊缝中

氮的含量。上述措施中最有效、最实用的是加强机械保护作用，其他措施都有一定的局限性。注意课题三控制气相对熔池金属的危害四、

氧对熔池金属的作用1.氧对金属的作用(1)氧对焊接质量的影响1)影响焊缝金属的性能随着焊缝中氧含量的增加，其强度、塑性及韧性指标都要下降，冲击韧性下降尤为明显。氧还引起热脆性、冷脆性及时效硬化。2)导致气孔的产生形成CO

气孔。3)合金元素的烧损在焊接高温作用下，氧使焊缝金属中有益的合金元素烧损，使焊缝的性能达不到母材的水平。课题三控制气相对熔池金属的危害(2)氧在金属中的溶解(3)氧化物的分解压(4)氧对金属的氧化1)自由氧对金属的氧化

2)CO2

对金属的氧化3)水蒸气对金属的氧化H₂O

(气)+[Fe]=[FeO]+H24)混合气体对金属的氧化课题三控制气相对熔池金属的危害2.控制氧的措施(1)控制焊接材料的氧含量例如：采用高纯度的惰性气体作为保护气，采用低氧或无氧的焊条、

焊剂，甚至在真空室中进行焊接。(2)控制焊接参数增加电弧电压，使空气易于侵入焊接区，并增加氧与熔滴接触的时

间，所以焊缝氧含量增加。此外，焊接电流的种类和极性以及熔滴过渡

的特性等也有一定的影响。(3)脱氧用冶金的方法进行脱氧，这是实际生产中最有效的方法。课题四焊缝金属的合金化途径一、焊缝金属合金化的目的1.补偿合金元素的损失2.消除焊接工艺缺陷，改善焊缝金属的组织和性能3.获得具有特殊性能的堆焊层回目录课题四焊缝金属的合金化途径二、

焊缝金属合金化的方式(1)应用合金焊丝或带状电极(2)应用药芯焊丝或药芯焊条(3)应用合金药皮或粘结焊剂(4)应用合金粉末影响合金元