焊接冶金学课件

焊接冶金学

（基本原理）

李慕勤

佳木斯大学材料工程学院

二000年3月15日

结论

一、焊接过程的物理本质

1、焊接定义

被焊工件的材质通过加热或加压或二者并用，用或不用添充材料，使工件的材质达

到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。

定义掌握三个要点：一是材料，可以是金属、非金属；可以是同种材料、异种材料。

二是达到原子间的结合。三是永久性。

2、金属连接的障碍

1）金属表面只有个别微观点接触；

2）材料表面存在着氧化膜、油、杂质、污物、锈等。

3、解决的方法

1）加热

加热到熔化状态一熔化焊

2）加压（加热或不加热）——压力焊

4、分类

1）冶金角度分：

液相焊接：指熔化焊，利用热源加热侍焊部位，使之发生熔化，利用液相的相溶，

达到原子间的结合。它包括电弧焊、电渣焊、气焊、电子束焊、激光焊等。

固相焊接：指压力焊，是焊接时必须使用压力，使待焊部位的表面在固态下达到紧

密接触，并使待焊表面的温度升高（一般低于材料的熔点），通过调解温度、压力和时

间，造成接头处材料进行扩散，实现原子间的结合。它包括电阻焊、磨擦焊、超声波焊

等。

固-液相焊接：待焊表面并不直接接触，通过两者毛细间隙中的中间液相联系。在

待焊的同质或异质材质固态母材与中间液相之间存在两个固-液界面，由于固液相间能

充分进行扩散，可实现原子间的结合。

2）从焊接方法上分：

一是熔化焊：

a、电弧焊：手工电弧焊、埋弧焊、气电焊。

b、气焊

c、电渣焊

d、等离子焊

e、真空电子束焊

f、激光焊

二是压力焊：

a、磨擦焊、

b、接触焊：点焊、对焊、闪光焊、缝焊等。

C、超声波焊

d、扩散焊

三是钎焊：真空钎焊、火焰钎焊、感应钎焊等。

二、焊接热源种类及其特性

1、热源的发展

上个世纪80年代发现碳弧焊；

1891年金属极电弧焊；

本世纪初薄皮焊条电弧焊和氧乙快气焊；

30年代，厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氮气保护焊；

40年代，埋弧焊和电阻焊；

50年代，CO2气体保护焊和电渣焊；

60年代，电子束焊和等离子弧焊与切割；

70年代，激光焊焊接与切割；

80年代，逐步完善电子束焊接和激光焊接工程；

90年代，寻找新能源，如太阳能、微波等。

从发展的趋势来看，焊接技术逐步向高效率、高质量、低成本、自动化、低

消耗方向发展。焊接热源要能量高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到致密而

强韧的焊缝和热影响区。

2、热源种类

1）电弧热：利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。

2）化学热：利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源。

3）电阻热：利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。

4）高频感应热：对于有磁性的金属材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源,

在局部集中加热，实现高速焊接。如高频焊管等。

5）摩擦热：由机械摩擦而产生的热能作为热源。

6）等离子焰：电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和

动能，利用这种能量进行焊接。

7）电子束：利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转

化为热能作为热源。

8）激光束：通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激

光束作为热源。

三、焊接冶金及金属焊接性的特点

以熔化焊为例，焊接过程经过了加热一熔化一冶金反应一结晶一固态相变一接头。

1、焊接热过程

贯穿整个焊接过程，决定焊接应力、应变、冶金反应、结晶、相变。

2、焊接化学冶金过程

熔化金属、熔渣、气相进行系列的化学冶金反应。

3、焊接时金属结晶和相变过程

4、焊接接头的特征

焊接接头是指整个焊接区，不仅包括结合区，也包括其周围区域。结合区既是焊缝

(WM),结合区邻近区既是母材中组织或性能发生变化的区，称为热影响区

(HAZ)o

过渡区是指母材与焊缝交界处，也称为熔合区。接头的质量包括焊缝与热影响区与

熔合区。

第一章焊接化学冶金

第一节焊接化学冶金过程特点

焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。

要点：各种物质包括气体、液态金属、熔渣。

普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放牧特定的炉中进行。

焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。

二者共同点：金属冶炼加工。

不同点：

1)原材料不同。

普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。

焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。

2)目的不同

普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能。

一、焊条熔化及熔池的形成

(-)焊条的加热及熔化

1、焊条的加热

所用热能有电阻热、电弧热、化学反应热。

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)电阻加热

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；四是焊缝成型来好，易产生缺陷。

自动焊、半自动焊时，适当增加电流密度和焊丝伸出长度，提高熔化速度。

2)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=HeUI

ne—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ne为0.2—0.27

2、焊条金属的熔化速度

焊条金属的平均熔化速度

gM=G/t=apl

a0为焊条熔化系数

焊条金属的平均熔敷速度

go-Gi)/t=anl

an为焊条的平均熔敷速度，体现了生产率的大小。

损失系数

中二(G-Gn)/G=(gM-gD)/go=l-aH/ap

aH=(-W)a

3、焊条金属熔滴及过渡特性

1)熔嫡过渡形式

短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡、射流过渡、旋转射流过渡。

碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。

2)熔滴的比表面积和作用时间

熔滴的比表面积S：熔嫡的表面积与其质量之比。

S=Ag/PVg=4口R2/(4/3口R3P)=3/RP

熔滴的比表面积是相当大的，S=1000—10000Cm7kg

It.Rl.St,利于冶金反应进行。

熔滴的平均作用时间是指熔滴的平均质量与一个周期内焊芯的平均熔化速度之比。

Tcp=m/gcp=(mo+O.5mtr)/mtr/T=(m0/mtl+0.5)T

Tcp=0.01—1.Os

3）熔滴的温度

实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K,熔渣平均温度：1600C°

（-）熔池的形成

1、熔池的形状和尺寸

熔池为半椭球，几何尺寸为

L=P/U其中，Pz是比例系数，取决于焊接方法和规范。I是焊接电流，U是焊

接电压，上式适用于点状热源。

B,H分别是熔池宽度和熔池深度。

It,Ht,Bl；Ut,HI,Bt»

熔池平均表面积Fg,一般为l—Mm；

熔池的比表面积$=Fg/pG.

2、熔池质量和存在时间

tmax-L/V

tcp=Gp/PVA.Ar焊缝的横截面积。

3、熔池温度

熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。

4、熔池运动状态

运动原因：

1）液态金属密度差引起自由对流运动

P=f（T）,Tr^i,P小，T低，P大，促使金属由低温区向局温区运动。

2）表面张力差强迫对流运动

F=f（T）,TT,尸J,尸T尸，表面张力差将强迫液态金属发生对流。

2）熔池中各种机械力搅拌

如电弧吹力、电磁力、重力等。

5、对焊接质量的影响

熔池运动使母材与焊缝成分加以混合，成分均匀化；利于气体、夹杂外逸，加

速冶金反应，提高焊接质量。

二、焊接过程中对熔融金属的保护

以低碳钢为例光焊丝在空气中无保护下焊接，其结果是：电弧不稳，飞溅严重，气

孔多，工艺性能不好；

（1）焊缝含⑼、量过高；

（2）［Mn］、［C］量下降，焊接时合金元素烧损严重；

（3）机械性能下降。

保护方式：

1、气渣联合保护

2、渣保护

3、气保护

4、真空保护

5、自保护

三、焊接化学冶金反应区及反应条件

焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以手工电弧焊为例，加以讨论。

1、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。

1）水分蒸发

T>100C°,吸附水蒸发。

2）某些物质分解

T在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。

化合水指不是以单一水分子形式存在。白泥：Al2Si205（011）,

2MnO2=MnO+O2

2Fe2O3=4FeO+O2（赤铁矿）

2、熔滴反应区

指熔滴形成、长大脱离焊条过渡到熔池之前。

特点：

1）温度高

熔滴平均温度1800~2400℃

熔滴活性斑点温度：2800℃

熔滴金属过热度大300—900C

2）与气体、熔渣的接触面积大

比表面积大F比=1000—lOOOOcm^/Kg

比炼钢时大1（）00倍，弧柱空间的熔滴尺寸最小直径0.01-

3）时间短、速度快

在焊条端停留时间：0.001-0.1S

穿过弧柱时间：10“一103s

4）熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌混合。

主要冶金反应：金属蒸发；气体的分解和溶解；氧化一还原；掺合金。

3熔池反应区

1）熔池温度度1600~1900℃

2

2）接触面积小Flt=3—130Cm/Kg

3）时间长手工焊时为3-8S埋弧焊6-25S

4）搅拌没有熔滴阶段激烈

5）熔池温度不均匀

(SiO2)+2[Fe]=[Si]+2FeO

2

lgKSi=(FeO)[Si]/(SiO2)=-13460/T+6.04

(MnO)+[Fe]=[Mn]+FeO

lgKMn=(FeO)[Mn]/(MnO)=-6600/T+3.16

2

AH=[SiO2]+042B1(MnO)]/l00B,

Fe2O3+Mn=MnO+2FeO

CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO

[Mn]+[FeO]=[Fe]+（MnO）

K=aMno/aMn-aFeO=YMnO-（MnO）/aMnO-^FeO

第二章焊条和焊剂

目前我国焊接材料生产厂家约有800余家，其中焊条生产企业在600家以上；C02

气体保护焊丝生产厂家100余家；钎料生产厂家300多家；埋弧焊剂生产企业30多家;

具有生产药芯焊丝条件的企业21家。共生产品种576个。我国焊接材料总产量已跃居

世界第一位，年生产能力近180万吨。1995年生产焊接材料76万吨，其中电焊条60

万吨（生产能力超过150万吨），占总数的80%。C0气体保护焊丝7万吨（生产能力为

15万吨左右）,占总数的9.3396o焊剂5万吨（生产能力10万吨），占总数的6.66%。

埋弧焊丝4万吨（生产能力10万吨），占总数的5.33%。由上述数据可以看出我国的

焊接自动化水平很低，比发达国家分别落后30到70个百分点。另一个问题是及时调整

产品结构，开发市场上急需的特种焊条，由于种种原因，国内生产焊材的企业尚不能完

全供应这些焊条，施工单位只好购买昂贵的进口焊条，在增加工程成本的同时还要花费

大量的外汇。为此，焊接材料领域也在积极研究开发了许多相应的新品种.

第一节焊条

一.焊条的组成

1.焊芯一焊丝

作用：导电、填充金属。

焊芯材料有选择性，用量最多的是H08、H08A,还有H08E。

H—汉语拼音字母表示焊条的“焊—08—表示含碳量平均为0.08%,A—表示

优质钢、含杂质量少S、P。“E”，S、P杂质更少。

2.药皮

作用：①机械保护作用

②冶金处理作用

③工艺性能良好

组成：

①稳弧剂：改善引弧性能和提高电弧燃烧的稳定性，原材料为易电离或电离势低的物

质。如：K2CO.,SCaCOa大理石、长石、钾水玻璃

②造渣剂：造成具有一定物理性能、化学性能的熔渣，起到保护作用和改善焊缝成型。

如：钛铁矿、金红石、萤石、长石等。

③造气剂：造气保护。有机物、碳酸盐、有机物如：木粉、淀粉、析出气体CO、H,碳

酸盐析出气体CO2,高温时产生CO。

④脱氧剂：降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。铁合金：锦铁、钛铁、硅

铁、Re等。

⑤合金剂：使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。合金、纯金属、一般Mn-Fe、Si-Fe

要纯化发醇加5%高Mn酸钾纯化。

⑥粘结剂：将涂料牢固的粘在焊芯上，参加冶金反应，如钠水玻璃、钾水玻璃与钠水

玻璃混合。

⑦增塑性:便于用机器压制焊条，额外加入一些能改善涂料塑性或滑润性物质。如云母、

白泥、滑石等。

二.焊条分类

(-)焊条用途分

1.结构钢焊条用结XX表示，符号J、焊接低碳钢、低合金

2.铜和铭铝耐热钢焊条，用热XXX表示、符号、R、焊接珠光体耐热钢

3.不锈钢焊条：用不XXX表示、符号G或A、焊接不锈钢及热强钢

4.堆焊焊条：用堆XXX表示、符号D、用于金属表面的堆焊、耐磨性、红硬性

5.低温钢焊条：这类焊条的熔敷金属,在不同的低温介质条件下,具有一定的低温

工作能力.型号W以区别堆焊焊体牌号。

6.铸铁焊条：焊补，焊接铸铁，型号Z.牌号用符号.铸

7.银及银合金焊条:用于银.银合金的焊接.补焊或堆焊,有的也可用于铸铁补焊及异种金属

焊接，型号N牌号.银

8.铜及铜合金焊条

用于铜及铜合金焊接,也可用于铸铁补焊及异种金属焊接.

型号7.牌号.铜.

9.铝及铝合多焊条：铝及铝合金的焊接及补焊，型号L牌号.铝。

（二）按渣碱度：分为酸、碱性焊条。

（三）按药皮类型：分为钛型.钛钙型、钛铁矿、氧化铁、纤维素、低氢型、石墨、盐基型。

三、焊条的型号与牌号

1、焊条的牌号

以结构钢为例.牌号,编制法.结XXX,结为结构钢焊条,第3个数字，代表药皮类型,焊接电流

要求,第1.2,数学:代表焊缝金属抗拉强度。

2、焊条的型号

焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。以结构钢为例，型号编制法为字母“E”

表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第

三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。

结构钢焊条牌号举例，结422对应于E4303,结构钢焊条，钛钙型,可用交直流，焊缝抗拉

强度不低于42公斤/亳米2结507与E5015结构钢焊条相对应，低氢型,直流焊接,焊缝最

小抗拉强度不低于50公斤/毫米2

叫焊条的工艺性能

1.焊接电弧的弧定性（稳弧性）

影响因素有焊条药皮成份、电源的特性、焊接规范等.药皮成份的影响是若药皮中含低

电离势元素,UI稳弧性3在焊条药皮中凡是能降低电弧电压的物质，均有稳弧作用，而电

弧电压的高低又与物质的电离势有关，电离势低的元素,化合物就能起到稳弧作用.

某些元素的电离势

元素KNaBaCaTiMnFeSiCH0F

CO，

电离势（V）4.325.125.166.086.817.407.837.9411.2213.5313.5618.614.3

碱性焊条:结507,低氢型，电弧稳定性不好

原因:药皮中含萤石较多,CaF,氟电离势高18.6伏，与电子亲和力大,夺取电弧中的电子,形

成负离子,恶化电弧的稳定性。

结506加入了低电离势物质,K.、Na则可用交，直流.但K、Na与F的亲和力大,KF、NaF有

毒.

酸性焊条;Si。?、TiO2>CaO,云母、长石中含KQ、咽0等,稳弧性好。

判定稳弧性：

①测最大的燃烧电弧长度Lmax

Lmaxt稳t断弧长度越大,稳弧性越好.

②示波器,观察电流，电弧电压波形的变化情况.

控制低氢型焊条稳弧性方法：

a）CaC（VCaFz比例控制并加入KL6~2.5、K2C03K〈L5钾，钠水玻璃

b）添加10〜20%纯铁粉和少量Al-Mg合金粉.

c）用蛇艮代CaF?不仅提高稳弧性,还可改善焊缝成型和脱渣.

d）加入少量CsCO:,（O.1~1.0%）的也离势比K小,还可加石墨0.5-3.0%,熔点低，套筒长度了

2.表面成型

与操作技术有关,还取决熔渣熔点,粘度与表面张力,熔渣的物理性质有关.

1）熔渣的熔点

药皮熔化后,熔渣凝固的温度,低于药皮熔点100〜200℃,熔渣的熔点过高,压铁水，成型不

好,产生气孔.熔渣的熔点过低，保护作用不好,复盖不好，比焊缝金属熔点低200〜450C.

2）熔渣的粘度（7）

Tt〃3〃过高，表面成型不良，易产生气孔，夹杂.〃过低，对焊缝敷盖不均匀，保护作用差.

适中，一般T1500℃渣1-2泊,铁水〃0.019泊，熔渣的粘度也决定于熔渣的化学成分.如图

4-3

3）表面张力b

crI复盖性好，但不能过小，crt熔渣易成球型,复盖性不好.

熔渣的表面张力和粘度

材料温度℃表面张力（N/m）粘度（泊）

铁1575〜15901.0〜1.20.019

碱性渣14000.28-0.352.0-7.0

酸性渣14000.35-0.401.2〜2.0

4）熔滴过渡

低氢型焊条粗滴短路过渡，J423,J424以短路过渡为主,J421,J422以喷射过渡,焊缝成型美

观.

3.在各种位置焊接适应性

焊缝位置：平焊缝、立焊缝、仰焊缝、横焊缝

一般焊条均可进行平焊，但不是所有焊条均可立、仰、横焊，立、仰、横焊难点在于:①重力

作用卜.焊条熔滴不易向熔池过渡;②熔池金属,熔渣下流。

解决方法：

1）适当增加电弧吹力，调整药皮熔点和厚度,使焊条端部产生适当长度的套筒,药皮中加入

一定数量造气剂.

2）熔渣的物理性能适应

①熔滴的凝固温度

焊条类型凝固温度C凝固温度范围力

纤维素型1200-129090

钛型1320-1420100

钛铁矿型1130-1260130

氧化铁型1180-1350170

凝固温度范围窄,粘度表面张力随温度变化，使熔渣能在较短时间内迅速凝固，才能立、仰横

焊,凝固温度范围t,不易横、仰、立焊.

②粘度（7）表面张力（cr）

长渣:粘度与表面张力随时间变化而发生缓慢凝固的渣.

短渣:粘度与表面张力随时间变化而发生快速凝固的渣.

氧化铁型不适应于横.立.仰焊，长渣凝固温度范围大，其它种焊条可进行全位置焊接.

4.脱渣性

脱渣性:焊后熔渣从焊缝表面清除的难易程度.

影响因素：

1）熔渣的膨胀系数和松脆性,金属与熔渣的膨胀系数相差越大,收缩不同产生内应力越大，

脱渣性好,如图2-2可知,钛型焊条,脱渣性最好，低氢型焊条脱渣性最差.

疏松度:指渣中孔隙所占的面积的百分数.

对于角焊缝,深剖口底层焊缝,熔渣夹在钢板之间，脱渣困难,渣的硫松度影响很大，渣

越松脆,越易脱。钛型焊条疏松度,不如氧化铁型及钛铁矿型,在角焊缝及深剖口中脱渣，以

氧化铁型,钛铁矿型为好.钛钙型渣松脆。CaO是黄白色质松而不脆，CaF多，色黑而硬，均不

利于脱渣.

2）熔渣氧化性

熔渣氧化性太强，脱渣难。

原因是：

①氧化性太强，使焊缝表面氧化,生成氧化膜。

FeO晶格结构体心立方，焊缝金属a—Fe体心立方.

②晶格与a—Fe搭接

③熔渣中尖晶石型化合物Al2O3、匕。③、CrO.等形成体心立方晶格结构的尖晶石型化

合物。

④尖晶石化合物与FeO晶格结合，使之很难脱渣，FeO膜相当胶粘剂，连接焊缝金属

与熔渣。

5.飞溅

匕溅;焊接过程中由熔滴或熔池中飞出的金属颗粒

产生原因：

1）熔池内部气体的熔池中逸出引起如：CO

2）熔滴爆炸

3）电弧作用力，熔滴在带电质点对电极斑点产生斑点压力,排斥熔滴过渡

4）短路过渡时,电弧再燃时产生飞溅

影响因素：

①粘度〃t飞溅t

②It飞溅t

③药皮水分t飞溅t

@Uf飞溅t

⑤电源种类，交流飞溅〉直流飞溅

6.焊条的熔化速度

1）焊条的熔化速度

焊接过程中,焊条的熔化速度反映着焊接生产率的高低，也是工艺性能方面的一个重要指

标.

焊条的熔化速度与它的熔化系数有关,可用焊条的熔化系数表示.

焊条的熔化系数:单位时间内,单位电流所能熔化的焊芯金属重.

符号表示：单位克/安一小时

焊条的熔化系数的影响因素：

i）药皮成分的影响

药皮成分对电弧电压有影响，电弧电离电位越低，电弧电压越低，产生热量少%,小•Ut

%t

药皮成分对熔滴过渡形态有影响，增多碳酸盐减少碳酸盐，细化熔滴短路过度UI,颗粒过

渡ut,射流过渡，叫,最大.

焊条熔化与药皮的导电性和导热性有关，以77。2为主，渣导热性差，导中性好,电阻热作用,

导致药皮易于发红，钛型.钛型.钛钙型,若药皮中加入发热剂，氧化铁型加速药皮熔化a,

大，氧化铁型.药皮成分中含有进行放热反应的物质时，加速焊条熔化t为了提高生成

率，铁粉焊条提高熔敷放率是指熔敷金属量与熔化的填充金属量的百分比。

例：J422—Fei60表示加纯铁粉熔敷效率为160%的J422.

ii）电流种类与极性

直流正接:电弧电压和熔化系数变化很大，此时焊条接阴极,药皮成分对阴极压降影响较

大,药皮成分的改变直接影响着电弧电压变化，使%,也发生变化.

直流反接:电弧电压和熔化系数变化最小.

交流:处于中间状态.

7.药皮发红问题

指焊条焊一半时后部焊条，山于焊条药皮温升过高而发红，开裂脱落的现象,JXX1、JXX2

导热性差，导中性好，不锈钢最为严重.解决办法:提高电弧能量%,t，减少熔化时间，减少

电阻热.加入发热剂，促进药皮熔化.例JXX4

8、焊条发尘量

气体的毒性分为两种

一种是细微的蒸发钵产生的毒性，称为钵中毒.特点:作用缓慢，但长时间吸入镒尘，会使人

中毒致病而又不易治疗.酸性焊条中加入较多的镒铁，用于脱氧,渗合金提高抗裂性能，但

在酸性焊条中，镒尘的含量尚未达到明显危害的程度.

另一种是氟中毒,即当药皮中含有大量莹石时，在焊接过程中会有HF气体析出,这种毒

气作用较快，亦有人认为，不但HF而且NaF、KF更易使人中毒致病.低氢型焊条药皮中

含有萤石较多,NaF、KF的沸点较低,易蒸发，因此，低氢焊条发尘量和尘中的致毒物多.

改善方法：

1.减小发尘量

2.减小尘中致毒物质数量

具体措施：

①减少药皮中萤石的含量，（保证机械性能的前题下，否则萤石含量过低时，焊缝易出气

孔.）

②减小水玻璃

药皮中一般用水玻璃为粘结剂,含有一定量的K、Na目前，有的地方采用硅酸乙酯和硅溶

胶代替水玻璃,降低了碱性焊条的发尘量.

③减少电弧的过热程度.

各种类型结构钢焊条的工艺性能对比

药皮类型主要原料电流种类碱.酸性特点

1钛型硅酸盐交.直酸易引弧.脱渣.熔深浅.外型美观

2钛钙型钙镁碳酸矿石交.直酸电弧较稳流动性好，飞溅小.成型

20%

3钛铁矿型钛铁矿交.直酸脱渣容易,更盖好,熔深较深

4氧化铁型多量氧化铁.锌交.直酸易引弧.弧稳.抗裂性良好，飞溅稍

铁脱氧剂多

5纤维素型15%以上有机物交直酸电弧强,熔深大,熔化v大,渣少，飞

30%Ti02溅一般

6低氢型碳酸盐矿石，萤交.直碱碱度大，焊缝金属纯度高，塑.韧性

石,加稳弧剂好

7低氢型CaO-CaF，i'i碱工艺性能较差,气孔敏感毒性

五、焊条的冶金性能

（一）.钛钙型焊条E4303（J422）

渣系「。2一&'°2一。。。，酸性焊条:熔渣碱度为0.76,属于酸性渣，气渣联合保护。

。

/VO?—以TV2为主，TiO2的原料是金红石，钛白粉还原钛铁矿等.

Si。?一云母、长石、白泥

C。。一大理石、白云石，造渣、造气剂

TQ、SiO2,CaO为主,加之其它物质。

1、氧化和脱氧反应

1)、铁的氧化：

焊接前，药皮中含FeO为7.3%，焊后熔渣中FeO数量增到13.6%，这主要是由于铁的

氧化引起，铁被电弧中的氧直接氧化引起

①氧直接使铁氧化

[Fe]+Of(FeO)

Fe+—0—>FeO

2

②。。2使铁氧化

[Fe]+CO2=[FeO]

③水蒸气使铁氧化

。气

[Fel+H?-^[FeO]+H2

④渣中Si。2氧化物使Fe氧化

由Si。2还原引起

(SzO2)+2[Fe]-»[Si]+2FeO

(MnO)+[Fe]->[Mn]+FeO

2)、脱氧

①镒脱氧

焊前药皮中含钵1().6%,不含加〃0,但焊后熔渣中含13.7%的M〃0,其原因为:镒

在药皮加热阶段进行先期脱氧

Mn+~^2-MnO

熔池，熔滴阶段进行沉淀脱氧

[Mn]+[FeO]-^[Fe]+(MnO)

使熔渣中增加了用〃。含量.

②硅脱氧

焊前焊芯含硅量为0.02%，焊后熔敷金属中含硅量为0.1%

[Si]+2[FeO]o2[Fe]+(SiO2)

硅在熔池后期脱氧生成(S/02)来不及转移到渣中，而夹杂到焊缝中,使含硅量有所增加.

③碳的氧化与脱氧

碳为0.077减少到0.072%，说明焊芯中的碳没有完全过渡到焊缝中去，有一小部

分被氧化.

[C]+[0]->C0

2.还原反应

2\Mn]+(SiO2)f[5/]+2(M〃。)，使焊缝增硅

3.脱硫

S从0.017%增到0.019%

FeS+Mn—>MnS+Fe

FeS+MnO-»FeO+MnS

4.脱P从0.019%增到0.035%

由于渣中CaO、MnO量少，TiO2>Si。2含量较高，难以进行脱P•S反应,严格限制原材

料含S.P量.

5、合金化

锦铁主要是脱氧、脱硫，合金化必需是另外加入所需元素。

6.气孔敏感性

焊皮中加入大量造渣，造气剂，焊后产生相当数量的熔渣和气体，具有较强的隔绝空

气能力,N量不多.熔渣氧化t、CO气孔t,调整氧化性防止产生两大类气孔。

(二).低氢焊条

渣系CaO-CaF2-SiO2,碱度高达1.89。

。/。一以C。。为主、大理石、白云石

CaF2—萤石

Si。?一云母、长石、白泥

铁合金Mn-Fe、Si-Fe、Ti-Fe。

1、氧化反应控制：

由于C4。强碱性氧化物，主要是钛、硅镒联合脱氧。

焊接区气氛的氧化性强，熔渣的氧化性小[0]I

总含氧量为0.03%.

2、对氢的控制：

[H]l<8血/100g含氢量少.

原因:a)碱性焊条不加或少加含氢物质

b)氧化性能，%t.%t、

c)&?乙去氢作用

含氢量低故抗冷裂纹性能好.

3、对硫.磷的控制

脱S效果好，Ca。含量高,S由0.02%降到0.011%

(CaO)+[FeS]=(CaS)+(FeO)

脱磷效果较差.P0.01%增到0.021%.

4、烟尘

由于氨中毒，危害较大，是低氢型焊条研究的重要课题。

该类焊条，机械性能比钛钙型焊条好,尤其韧性好，硫、磷、氧、氢量少，用于焊接重

要结构，各种合金钢。但工艺性能差主要是稳弧性、脱渣性差，烟尘大。.

六、.焊条的设计

见焊条实验指导书。

第二节焊剂

一.焊剂的类型

焊剂和焊丝都是埋弧焊，电渣焊时使用的焊接材料。焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当

于焊条药芯。埋弧焊、电渣焊多用于焊接钢，少数用于焊接有色金属。

钢用焊剂分类：

1.按制造方法分类

(1)熔炼焊剂：将原料按配方比例配成炉料，放在电炉或火焰炉中熔炼，这种焊剂叫

熔炼焊剂。

(2)非熔炼焊剂：依烘熔温度不同分

i.陶质焊剂：使原粉料按比例混拌后加水玻璃，制成湿料制成颗粒，一般为0.5〜2

mm、在350〜500。烘干即成。

ii.烧结焊剂,把湿料压成块，在750〜1000℃烧结后，破碎成一定尺寸的颗粒使用

2.按焊剂化学成分分类

(1).按氧化物性质分

酸性焊剂、中性焊剂、碱性焊剂

疯

Microsoft

⑵按公式3.0502含量分

i、高硅焊剂：焊剂含502>30%

ii、中硅焊剂：焊剂含5,。210~30%

iii、低硅焊剂：焊剂含SR<1。％

⑶.按M,,。含量分

i、高锦焊剂：含氧化锦"”。>30%

ii、中锦焊剂：含M“015—30%

iii、低镒焊剂：含5%

iV、无铳焊剂：不加M.。，焊剂中是混入的杂质M“0<2%

(4).按GF2含量分

i、高氟焊剂：含C”招>30%

ii、中氟焊剂：含。“入10—30%

iii、低氨焊剂：含。“尸2<10%

3.按焊剂化学性质分

氧化性焊剂：焊剂中含有大量的SQ2.M,,。/,。，对金属有较强的氧化作用。

弱氧化性焊剂：含5,。2.加“。.7；0较少，对金属有较弱的作用。

中性焊剂：焊剂不含S02.M“。耳。，对金属没有氧化作用，主要由

Al2O3.CaO.CaF2组成。

4.按焊剂颗粒结构分

玻璃状焊剂：呈透明状颗粒

结晶状焊剂：具有结晶体特点致密、容积重量1.4-L8g/C机3

浮石状焊剂：泡沫状颗粒、疏松、容积重量0.6-lg/C〃?3

二.焊剂牌号编制方法

1.牌号前加“焊剂”两字表示埋弧焊及电渣焊用熔炼型、烧结型、陶质焊剂。

2.牌号第一数字表示焊剂中MnO含量

焊剂1XX无锦

焊剂2XX低镒

焊剂3XX中锦

焊剂4XX局镒

焊剂5XX陶质型

焊剂6XX烧结型

焊剂7XX待发展

3.牌号第2位数字表示焊剂中氧化硅、氟化钙含量

焊剂X1X低硅低氟

焊剂x2x中硅低氟

焊剂x3x高硅低氟

焊剂x4x低硅中氟

焊剂x5x中硅中氟

焊剂x6x高硅中氟

焊剂x7x低硅高氟

焊剂x8x中硅高氟

焊剂x9x待发展

4.牌号第三位数字表示同•类型焊剂的不同牌号

按0、1、2、3、4、5、6、7、8、9顺序排列

5.对同一牌号焊剂生产两种粒度时，在细粒产品后加一个细字。

例如、焊剂431表示埋弧焊及电渣焊所用焊剂，高镭高硅低氟型。

三.焊剂的性能和用途

（一）.熔炼焊剂

1.高硅焊剂

以硅酸盐为主S,02>30%,S,Q高有通过焊剂向焊缝里过渡硅作用。

高硅焊剂又可分为高硅高镒焊剂，高硅中镒焊剂、高硅低焊剂、高硅无镒焊剂。

如图4一18

当（此。）<10%焊缝中镒是减少的（小于焊丝中用“量）

当0%焊缝中镭是增加的（大于焊丝中〃“量）

用“。浓度达到35%左右不再增加了。

高硅焊剂与焊丝配合：

（1）高硅无镒焊剂配合高镒焊丝（M„O1.5~1.9%）

（2）高硅中镒焊剂配合含镒焊丝（M.O0.8〜1.1%）?焊剂中？浓度对焊缝金属含镜

量的影响

（3）高硅高镒焊剂应配合低碳钢焊丝或含镒焊丝，主要用于焊接低碳结构钢或某些

低合金钢。

2.中硅焊剂

含5,。2数量较低，Q。.（F,。）.Mg。量较多，碱度较高属于弱氧化性焊剂。

中硅焊剂配合适当焊丝焊接合金结构钢，弱氧化性中硅焊剂，焊缝金属含H量高，

抗冷裂纹能力弱。

在中硅焊剂中加相当数量优。，氧化性THJ这种焊剂为中硅氧化性焊剂，焊缝

金属中又具有相当高的韧性，用于焊接高强钢。

3.低硅焊剂

焊剂由。.。.4/2。3-组成，焊剂对基本金属元氧化作用，配合相应焊

丝

焊接高合金钢如不锈钢等。

（二）.陶质焊剂

陶质焊剂与熔炼焊剂相比具有下列优、缺点。

1.陶质焊剂中加脱氧剂、脱氧充分、熔炼焊剂中则不能加脱氧剂。

2.加合金剂、合金化强。

3.抗气孔能力比熔炼焊剂强。

4.对焊接参数变动敏感，会引起焊缝化学成分不均匀。

5.吸湿性大，易增加焊缝含氢量，必须焊前烘干。

6.生产成本低、节能、生产效率高。

目前有五种类型

型号SJxxx后三位数表示主要组成成分分类的代码

SJ101氟碱型IIW

SJ301硅钙型FBCaO+MgO+MnO+Q乃〉50%

SJ401硅镒型CSCaO+MgO+Sp2>60%

铝钛型

SJ501MSMnO+S5>50%

铝钛型

SJ502ARAl2Oy+T02>45%

第三章焊接结晶过程

焊接过程中焊缝及母材金属发生一系列金属形态的变化，包

括焊缝金属的凝固和结晶，母材与热影响区金属在焊接加热和冷

却过程中的组织变化，以及凝固结晶相变有密切关系的各种缺陷

的形成，这些过程直接关系到焊后接头的性能，因此，有必要对

焊接结晶过程进行研究。

§3-1熔池的凝固

一.熔池的结晶特殊性

1.熔池体积小，冷却速度大

手工电弧焊V=2-10cm3Vmax=30cm3

重量最大为W100g

铸锭：几吨〜儿十吨

U焊泠=4~100℃/s

口铸=(3-150)X104C/S

焊接冷却速度比铸件冷却速度大10000倍左右，由于体积小，冷

却速度快，对含碳量高的合金钢易产生淬硬组织，裂纹，熔池中

心与边缘有较大的温度梯度，焊缝中柱状晶长大，焊缝中没有等

轴晶。

2、过热度大

熔池温度”1770±100r

溶滴2300±200℃

铸件浇铸温度V1500℃

过热度大，烧损合金元素，如自发晶核的质点减少，柱状晶长大。

3.熔池在运动中结晶

熔池前部金属熔化，后部金属结晶。

在(焊接过程理论)鲍戈金一阿历克谢夫著中有这样论述

焊接熔池所特有的金属结晶过程，与铸锭的金属结晶过程不同之

处有下述各点。

1.焊接熔池即受焊接火焰的加热作用，同时又受到固

体金属的冷却作用；

2.焊接熔池的液体金属为加热到不同温度的固体金属所包

围。焊接熔池侧壁的焊件金属加热的程度比熔池后壁焊缝

金属的加热程度小。

3.焊缝金属的平均结晶速度等于熔池的移动速度，也就是等

于焊接速度。

二.熔池结晶的一般规律

焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也

是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。

生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条

件是自由能降低的程度。

从金属学的结晶理论可知：金属的结晶过程必须是液态金属

的温度降低到“理论结晶温度”以下才能进行。液态金属缓慢冷

却时，当温度降到某一点便开始结晶，直到全部结晶成固态金属

为止。在缓慢冷却条件下，结晶时由于放出“结晶潜热”，补偿了

热的损失，所以在冷却曲线上便出现了一个水平台，平台对应的

温度即为纯金属的“理论结晶温度”T。在实际生产中，总是具有

一定的冷却速度，有时甚至很大，在这种情况下，纯金属的结晶

过程在一定的温度过冷下才能进行。1低于T（）过冷度，冷却速度

越大，则所测得的实际结晶温度越低，过冷度越大。

从图中还可以看出，液态金属座结晶开始到结晶完了是需要一定

时间，这就体金属中产生一批晶核，然后这些晶核就吸附周围液

体中的原子面成长，同时一，还会有新的晶核不断从液体金属中产

生，长大，直到全部液体都转变为固体，最后形成由许多外形不

规则的晶粒所组成的多晶体。

结晶过程就是由晶核的产生和成长两个基本过程所组成。

1、生核

熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。

形成两种晶核都需要能量

1）自发晶核

自发临界晶核所需的能量

EY—16的3

3AFr2e：新相与液相间的表面张力系数。

AFr：单位体积内液固两相自由能之差。

2)非自发形核

17—16(2-3COS「+COS3S

6-T^V4)1?

5r

0：非自发晶核的浸润角

见图3-3

e=o℃E；=O

液相中早有悬浮的质点或现成表面。

它们本身就是晶核。

当0=180°,EK'=EK自发晶核。=0~180°时，EK'/EK=0〜1

说明非自发形核所需能量小于自发晶核。。角的大小决定新相晶

核与现成表面之间的表面张力。若新核与液相中厚有现成表面固

体粒子的晶体结构越相似表面张力越小，。越小，EK'越小。

焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是合金元素，另一种是现

成表面，焊接熔池边界，正是固液相的相界石，熔池边界半

熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基底”。

2.成长

原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方

式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝

中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。

晶粒长大要具有一定结晶位向，在焊缝边界，作为晶核基底的母

材晶粒是各向异性的，即结晶位向不同，因此在某一个方向上晶

粒最易长大；晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团

来进行的并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。

Fe、Cr、Cu、Ni点阵，立方结晶有利位向（1、0、0）散热最快

方向，垂直等温面、等温线的结晶位向与散热最快的方向一致，

晶粒最易长大，与熔池结晶等温面相垂直的方向，也就是最大温

度梯度的方向。

焊接时非自发晶核依附在半熔化母材晶粒表面上，以柱状晶

的形态不断成长，形成联生结晶。所谓联生结晶是指依附在半熔

化的母材表面，成长成与母材具有共同晶粒的现象，也称交互结

晶。可见金相照片。

三.熔池结晶线速度

任意晶粒主轴在任一点A成长的平均线速度方向是A的切线（S

-S线）此方向与X轴交角为。，在dt时间内A-B移动dx距离,

晶粒主轴由A成长到C,若dx很小，则可把AC=AC'?同时认为

△ABC'为直角，见图3-8,令AC'=ds,则ds=dx*co〃e同除dt则

^=^con3

匕.=vcon0

厚大焊件的表面上快速冷却时:

qv江+4

con6=+A22

1-KY-K2

a：热扩散率(cm2/s)

vc:晶粒成长的平均速度

v:焊速

9:V。和V,的夹角

薄板上自动焊接cos8={1+

1.晶粒成长的平均线速度是变化的

y=0B时Ky=l熔合线处0=90°

Ky=lcos^=0Vo=O

晶粒在区上刚成长瞬时，成长方向垂直于熔合区，平均线速度为

0.

6=0"cose=lVc=V焊道中心处，焊速即是晶粒平均线速度。

6=0"〜90"Vc=V-0

即，晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处最小，在焊道

中心处最大，为焊速。

2.焊接规范的影响

当焊速大时，则。越大，晶粒主轴的成长方向垂直于焊缝中心线,

称为定向晶。当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，形成偏向

晶。t

四.金属的微观结晶形态

（一）.纯金属的结晶形态

纯金属指不含杂质的理想情况，此时金属是在一个确定的温

度下结晶的，结晶时,固相和液相成分相同。

①G>0时G——温度梯度（正的温度梯度）液相温度低于

固相温度，过冷度小，结晶缓慢，形成平面晶。如图3-16a、bo

②G<0液体内部温度比界面低，过冷度大，晶粒成长速度大，形

成树枝晶，如图3-16的c、d

（二）.固溶体合金的结晶形态

在任意T下，溶质B在液态A是的浓度为CL',在固态A中

浓度为Cs,分配系数K0=篙

纯金属结晶，主要是温度过冷。合金的结晶形态除了温度过

冷，还存在成分起伏，造成成分过冷，由于成分过冷度不同形成

不同的结晶形态。

浓度过冷：过冷度的产生是由于结晶浓度的分布的变化引起的，

称浓度过冷。

浓度过冷取决三方面：①合金成分Co；②结晶速度R；③温度梯

度

结晶时理论结晶温度曲线与实际温度梯度所包围的面积大小

衡量过冷度。

面积3过冷度t；面积小，过冷度小。

影响因素：

①溶质浓度Co

Cot,过冷度3实际结晶曲线越陡，包围面积越大。

②结晶速度R

R3过冷度t

RI,过冷度I

③实际的温度梯度

Gt，过冷度小，GI,过冷度大。

（三）、浓度过冷对结晶形态的影响

1.平面结晶

产生条件，过冷度=0,无成分过冷。（温度梯度过大）

特征是平面晶。见图3-18

平面结晶形态发生在结晶前沿没有浓度过冷的情况下。譬如:

由于液体中温度分布曲线上升得比结晶温度快，则在任何一点液

体实际湿度都高于该点的结晶温度时.，就不存在浓度过冷。

纯金属，G>0,结晶界面呈平面型。

2.胞状结晶

产生条件：过冷度很小。

特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。

胞状结晶发生在具有很小的浓度过冷的条件下，平面晶处于不稳

定状态，时而产生实起部分，有于存在着过冷度，凸起就更迅速

的向前伸长，但由于浓度过冷很小，达到一凸起程度时，凸起部

分迅速析出结晶潜热，提高了附近液体的温度，改变了温度梯度,

同时界面溶质浓度发生了变化，使浓度过冷消失，凸起部分不再

继续凸起，处于一种稳定的胞状界面状态。见图3-20。

3.胞状树枝结晶

产生条件：过冷度稍大。

特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。见图

3-22

4.树枝状结晶：

产生条件：过冷度较大。

特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长。

由于浓度过冷范围大，在一个晶粒内生长出一个很长的主干，同

时主干向横向排出溶质，横向也产生较大的浓度过冷域，主干向

四周伸出的二次横枝也得到很好的生长，生产的二次横枝抑制了

周围其它亚晶的生长，而形成了粗大的树枝状结晶。见图3-24。

5.等轴晶

产生条件：过冷度大。

特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自

由长大的等轴树枝晶。见图3-26。

Co、R、G对结晶形态的影响见图3-28。

•R、G一定

Cot向等轴晶方向发展。

•C（）、G一定

Rf平面晶向等轴晶发展。

•C（）、R一定

Gt向平面晶发展。

（四）、焊接条件下的凝固形态

焊接条件下的凝固形态见图3-29o焊缝成分对结晶形态有影响,

还与焊接规范参数有关。熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部

位是不同的，将会出现不同的结晶形态。

在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G大，结晶速度R小，故成分

过冷接近于0,得以平面发展。

当远离熔化边界向焊缝中心过渡时，Gl,Rf,因此以平面晶一

胞状晶一树枝柱状晶一等轴晶发展。但并不是所有焊缝都有这儿

种结晶形态。

1、熔质浓度影响：

纯AL99.99%焊缝熔合线附近为平面晶中.S为胞状晶，

若Co纯AL99.6%,焊缝出现胞状晶，中S等轴晶。

2、焊接速度的影响

Vt,熔池中心的温度梯度下降很多，使熔池中心的成分过冷很

大，中心往往出现等轴晶。

V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。

3、电流的影响：

I小，胞状晶

I较大,胞状树枝晶

I大，粗大树枝晶

焊接速度过大时，焊缝中心出现等轴晶，低速时，焊缝中心有

胞状树枝晶。焊接电流大时，出现粗大的树枝晶。

五、焊缝金属的化学不均匀性和夹杂

(-)焊缝中的化学不均匀性

化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。

1.显微偏析：f枝晶偏析

指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏

析。

如图3-34树枝中心，m表示树枝区域。I偏析严重。

A、M表示树枝晶的间界。其中凡最易偏析元素；

先结晶M处Ni低，A与M点，Ni高。

1)产生原因：

•选择性结晶，焊接时，冷却速度大，液固界面溶质来不及

扩散，结晶有先后之分，纯金属先结晶，杂质后结晶。胞

状晶，晶粒内部浓度低，晶界处溶质浓度高。树枝晶，主

干处溶质浓度低，树枝区域浓度较高，晶界处浓度最高。

•结晶形态

不同结晶形态，偏析不同。

以Mn为例:

位置Mn%

树枝晶界0.59（树枝晶界偏析最严重）

胞状晶界0.57

胞状晶中心0.47（希望晶粒越细化越好）

2）影响因素

•冷却速度

V冷小，可以有充分时间溶质进行扩散，显微偏析减少；V过大，

溶质来不及扩散整个液体金属瞬时凝固，偏析程度小。

•原始浓度Co

溶质浓度Cot,偏析加剧。枝晶偏析的结果，晶间含较多低熔点

杂质，易于形成凝固裂纹。

•元素性质（分配系数或扩散系数）

若元素扩散系数小，偏析严重。

2、宏观偏析（区域偏析）

指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊缝金属

以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂质浓度逐渐升高，

使最后凝固的部位发生较严重的偏析，当焊速较大时，成长中的

柱状晶最后都会在焊缝中心相遇，使溶质和杂质聚集在那里，容

易产生焊缝纵向裂纹。

3、层状偏析

由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面经浸蚀之后,

可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。

1）特征

•晶粒主轴与层状线垂直。

•越先靠近熔合线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽。

•层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。

2）产生原因：

焊缝金属的凝固并不是连续均匀的过程，而是一个断续的过

程，一种观点：层状偏析是由于晶体成长速度R发生周期变化引

起Rt,结晶前沿的溶质浓度增大，晶粒含有一层溶质较多的带

状偏析层。RI结晶前沿的溶质浓度减少。

晶粒成长线速度发生周期变化原因看法有很多不同主要是晶体长

大速度R与晶体前沿溶质浓度变化的关系。

•电源脉动使输入能量脉动，溶滴过渡带来的附加热脉冲作用；

•机械力作用；

焊条喷出气体周期搅动结果，液态金属在电弧吹力作用下，流到

已凝固的金属表面，使其熔化，结晶停顿。

•结晶潜热周期变化；

结晶过程放潜热，使结晶前沿温度升高，成长速度降低，析热减

少，熔池温度下降，晶粒成长速度又提高，发生了同期性变化。

另一种观点：成长中的晶体前沿与溶液在固一液共存时产生的扩

散过程所造成。

元素在液相中的溶解度〉在固相中溶解度，固液共存介面，溶质

原子由固相表面向液向扩散，如果焊缝的树枝状晶成长过程中固

液介面能够发生相互作用，必要条件是凝固过程必须发生一定停

顿。这时已凝固的表面发生深化，有利于溶质原子向液向中扩散

溶解，则在界面附近形成溶质原子富集薄层。

还有一种观点：快速结晶时析出的结晶潜热及熔滴过渡的附加脉

冲作用，是促使凝固速度中发生变化及结晶过R发生停顿的主要

原因。

当晶体前沿的温度梯度较大时，结晶潜热或其它附加热作用易使

晶体前沿温度急剧升高，促使减少凝固，使凝固停顿。

手工焊小熔池，G大，层状线清晰

手工焊大熔池，G小，层状线不清晰，中在熔合线处有层状偏析。

（二）熔合区的化学不均匀性

1.熔合区的形成

•热传播不均匀

尽管焊接规范稳定，但由于溶滴周期过渡造成热传播不稳定。

•晶粒的传热方向不同。

由于以上的原因可知，熔合区不可能是一个线，而是一个区域，

具有一定宽度。

2.熔合区的宽度

TL-TS_TL-TS

A=ATG

\Y

其中，A，熔合区的宽度（mm）

AT

AT温度梯度（℃/mm）

TL------被焊金属的液相线(℃)

Ts--------被焊金属的固相线(℃)

由此可知，熔合区的大小，决定于液固温度范围。(该温度区间的

温度梯度)。材料本身的热物理性质和组织状态。

碳钢，低合金钢，熔合区附近的温度梯度为300〜80c(依焊接方

法不同，温度梯度不同)。液固温差范围40℃

A==013〜0.50mm

3.熔合区的成分分布

1)化学不均匀性对于一般钢铁材料而言，合金元素在液相中的

溶解度大于固相中的溶解度。熔合区是液固两本共存的地

方。溶质原子由固相向液相界面扩散，使固液界面有合金元

素再分配。

在界面处，溶质浓度波动很大。见图3-39。

从理论可以利用下列公式计算距界面不同距离，经不同时间溶质

的浓度。

C0~K0C0

Cs(y,t)=CQ-

当Y<012(。河

当Y>0

c3)=。-①讲]

K0+悟