焊接冶金学基本原理要点归纳总计

焊接冶金学基本原理绪论1)焊接：焊接是指被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，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。

2)焊接、钎焊和粘焊本质上的区别:焊接：母材与焊接材料均熔化，且二者之间形成共同的晶粒；钎焊：只有钎料熔化，而母材不熔化，在连接处一般不易形成共同晶粒，只有在母材和钎料之间形成有相互原子渗透的机械结合；粘焊：既没有原子的相互渗透而形成共同的晶粒也没有原子间的扩散，只是靠粘接剂与母材的粘接作用。

3)熔化焊热源：电弧热、等离子弧热、电子束、激光束、化学热。

压力焊和钎焊热源：电阻热、摩擦热、高频感应热。

4)焊接加热区：可分为活性斑点区和加热斑点区5)焊接温度场：焊接时焊件上的某瞬时的温度分布称为焊接温度场。

表示方法：等温线或者等温面。

特点：焊接时焊件上各点的温度在每一瞬时都在有规律的变化。

影响因素：（1）热源的性质；（2）焊接线能量；（3）被焊金属的热物理性质；<热导率，比热容容积比热容，热扩散率，热焓，表面散热系数>;（4）焊件的板厚和形状。

6)稳定温度场：当焊件上温度场各点温度不随时间变化时，称之7)准稳定温度场：恒定功率的热源作用在焊件上做匀速直线运动时，经过一段时间后，焊。

，件传热达到饱和状态，温度场会达到暂时稳定状态，并可随着热源以同样速度移动。

8)焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程。

9）焊接热传递的三种形式：传导、对流和辐射。

由热源传热给焊件的热量以辐射和对流为主，而母材和焊丝获得热能后热的传播以传导为主。

10）焊接线能量：热源功率q与焊接速度v的比值。

热输入：在单位时间内，在单位长度上输入的热能。

第一章焊接化学冶金1）平均熔化速度：单位时间内熔化焊芯质量或长度。

平均熔敷速度：单位时间内熔敷在焊件上的金属质量称为平均熔敷速度。

真正反应焊接质量的指标)损失系数：在焊接过程中，由于飞溅、氧化、蒸发损失的一部分焊条金属(或焊丝)质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损失系数。

熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。

注：假设焊接是合金元素没有任何损失，这时焊缝金属中的浓度称为原始浓度焊缝金属中合金元素的实际浓度:熔滴的比表面积:熔滴表面积与其质量之比。

2）熔滴过度：当熔滴长大到一定尺寸时，在各种力的作用下脱离焊条，以熔滴的形式过度到熔池中去的过程。

熔滴过渡的形式：短路过渡、颗粒状过渡和附壁过渡。

3）熔池：焊接热源作用在焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分就是熔池。

注：熔池：T=1770±100℃；溶滴：T=2300±200℃；熔渣：T=1550±100℃熔池的温度中中间温度最高头部次之，尾部最小。

在熔池形成的过程中熔池中流体的运动状态有以下特点：①液态金属密度差引起自由对流运动；②表面张力差强迫对流运动；③熔池中各种机械搅拌力；④对焊接质量有影响，有利于消除气孔夹渣等缺陷，有利于成分分布均匀。

熔滴：在电弧热的作用下，焊条端部溶化形成的滴状液态金属。

4）焊接过程中对金属的保护的必要性：（1）防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用，降低焊缝金属中氧和氮的含量。

（2）防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少，使焊缝得到合适的化学成分。

（3）防止电弧不稳定，避免焊缝中产生气孔。

用光焊丝焊接时的缺点：①电弧不稳定；②焊缝中产生气孔；③飞溅严重；④焊缝中氮氧量增加；⑤C、Mn烧损严重，焊缝的塑形和韧性急剧下降。

5）手工电弧焊时的反应区：药皮反应区、熔滴反应区（冶金反应最剧烈）和熔池反应区。

焊接冶金的特点：①电弧区温度高；②熔池体积小，存在时间短，成分不均匀；③熔池金属不断更新；④反应接触面大，搅拌激烈；⑤反应时间短。

6）药皮反应区主要物化反应有：1 水分蒸发： 2 有机物燃烧和分解：3 铁合金氧化。

物化反应产生的大量气体和熔渣，一方面对融化金属有机械保护作用，另一方面对被焊金属和药皮中的铁合金有很大的作用。

7）熔滴反应区的特点：1、熔滴温度高，熔滴金属过热度大；2、熔滴与气体和熔渣的接触面积大；3、各相之间的反应时间短；4、熔滴与熔渣发生强烈的混合。

在熔滴反应区主要进行的反应是：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、焊缝金属的合金化。

熔池反应区的特点：熔池反应区的物理条件、熔池反应区的化学条件。

①池的平均温度较低；②比表面积较小；③反应时间长；④在熔池前部发生金属的溶化和气体的吸收，并有利于发展吸热过程；在熔池的后部发生金属的凝固和气体的溢出，有利于当热反应；⑤搅拌没有熔滴反应区激烈；⑥与熔滴反应阶区相比熔池反应区的反应速度小，贡献小，被氧化的程度小。

焊接工艺条件与化学冶金反映的关系：改变焊接工艺条件（如焊接方法、焊接工艺参数等）必然引起冶金反应条件（反应物的种类、数量、浓度、温度、反应时间等的）变化，因而影响到冶金反应的过程。

8）焊接区气体来源：1、焊接材料：焊接区内的气体主要来源于焊接材料。

焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。

2、热源周围的保护气体介质：热源周围的空气是难以避免的气体来源，而焊接材料中的造气剂所产生的气体，不能完全排除焊接区内的空气。

3、焊丝和母材表面上的杂质：焊丝表面和母材表面的杂质，如铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等，在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。

4、焊接时析出的气体。

气体的产生：1、有机物的分解和燃烧2、碳酸盐和高价氧化物的分解3、材料的蒸发9）氮对金属的作用：焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。

焊接时空气中的氮总是或多或少地会侵入焊接区，与熔化金属发生作用。

氮的溶解度随着温度升高而增大，在2200℃时达到最大值。

Ⅰ、氮对焊接质量的影响：1、促使焊缝产生气孔：液态金属在高温时可以溶解大量的氮，凝固结晶时氮的溶解度突然下降，过饱和氮以气泡形式从熔池中逸出，若焊缝金属的结晶速度大于氮的逸出速度时，就形成气孔。

2、氮是提高低碳、低合金钢焊缝强度，降低塑性和韧性的元素。

如果熔池中含有比较多的氮，一部分氮将以过饱和的形式存在于固溶体中；另一部分氮则以针状氮N的形式析出，分布于晶界或晶内，因而使焊缝金属的强度、硬度升高，而塑化物Fe4性、韧性，特别是低温韧度急剧下降。

3、氮是促使焊缝金属时效脆化的元素：焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，N，因而使焊缝金属随着时间的延长，过饱和的氮逐渐析出，形成稳定的碳氮化物Fe4的强度增加、塑性、韧性降低。

4、氮可以作为合金元素加入钢中。

在焊缝金属中加入能形成稳定氮化物元素，如RE、A1、Ti、Zr等，可以抑制或消除时效现象，可以细化晶粒。

Ⅱ、控制焊缝合氮量的措施1、加强焊接区的保护（1）焊条药皮的保护作用，取决于药皮的成分和数量。

（2）药芯焊丝的保护效果，取决于保护成分含量和形状系数。

2、焊接工艺参数的影响↑，应尽量采用短弧（1）U↑（电弧长度↑），氮可以与熔滴作用时间τ↑，SN焊。

（2）I↑，熔滴过渡频率f↑,熔滴阶段作用时间τ↓, S↓ 。

N直流正极性焊接时焊缝含氮量比反极性(焊条接正极，工件接负极)时高。

（3）焊接速度对焊缝的含氮量影响不大。

（4）增加焊丝直径，熔滴变粗，焊缝含氮量下降。

（5）多层焊时焊缝含氮量比单层焊时高，这与氮的逐层积累有关。

3、利用合金元素控制焊缝合氮量：(1)增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量，其原因是：a)碳能够降低氮在铁中的溶解度。

加强保护作用，降低了氮分压。

b)碳氧化生成CO、CO2c)碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮的逸出。

(2)Ti、A1、Zr和稀土元素对氮有较大的亲合力，能形成稳定的氮化物。

并且这些氮化物不溶于铁水，而进入熔渣中。

这些元素对氧的亲力也很大，因此，可减少气相中NO的含量，这在一定程度上减少了焊缝的含氮量。

○重10）焊缝金属中的氢（扩散氢+残余氢=焊缝中的总氢量）扩散氢：氢原子及离子半径很小，可以在焊缝金属晶格中自由扩散，故被称为扩散氢。

残余氢：氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空隙中时，结合成氢分子，由于分子的半径大而不能自由扩散，被称为残余氢。

Ⅰ、氢的主要来源：焊接材料中的水分、含氢物质和电弧周围空气的水蒸气。

Ⅱ、氢在焊缝中的存在形式：以H、H+、H-存在。

它们与焊缝金属形成间隙固溶体。

Ⅲ、氢在焊缝中的溶解：①熔渣溶解；②阳极溶解；③气相溶解；④通过搅拌和扩散直接进入。

Ⅳ、氢对焊接质量的影响：1、形成气孔熔池凝固结晶时，氢的溶解度突然下降，使氢处于过饱和状态，，反应生成的分子氢在液态金属中形成气泡。

当气泡就促使发生如下反应：2H→H2向外逸出的速度小于熔池的凝固速度时，就在焊缝中形成气孔。

2、产生冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在M温度以下）时s 才产生的焊接裂纹称为冷裂纹。

3、造成氢脆氢在室温附近使钢塑性严重下降现象称为氢脆。

氢脆是由于原了氢扩散聚集于钢显微空隙中，结合为分子氢，造成空隙内产生很高压力，阻碍金属塑性变形，导致金属变脆。

(可以通过时效或热处理消除)4、出现白点白点是出现在焊缝金属拉伸或弯曲试件的断面上的一种白色园形斑点，中心含有微细气孔或夹杂物，周围则为银白色的脆化部分，其形状类似鱼眼珠中的白点。

它主要是在外力作用下，氢在微小气孔或夹杂物处的集结造成脆化。

Ⅴ、控制氢的措施1、限制焊接材料中的含氢量2、清除工件及焊丝表面上的油污、杂质工件坡口附近以及焊丝表面上的铁锈、油污、水分等是使焊缝增氢原因之一。

3、冶金处理1)焊条药皮和焊剂中加入氟化物2）控制焊接材料的氧化还原势。

3）在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土或稀散元素。

4、控制焊接工艺参数。

5、焊后脱氢处理（焊后把焊件加热到一定的温度，促使氢扩散外逸的工艺,具体为350℃保温1h）。

11）焊缝中的氧：（无论那种金属氧对其都是有害的）Ⅰ、焊缝中氧的来源：①电弧气体周围的空气；②药皮中大残酸盐和高价氧化物；③药皮中的含水物质和工件表面的铁锈，以及空气中和保护气体中的水汽；Ⅱ、氧在焊接过程中的存在特点：①不溶解氧，焊接时与金属发生激烈的氧化反应，形成氧化物；②有限溶解氧，一部分溶解另一部分与金属发生氧化反应；③金属氧化后生成的金属氧化物溶解于相应的金属中；④以气孔的形式存在于焊缝中。

Ⅲ、氧在金属中的溶解：①以原子氧形式溶解；②以FeO形式溶解。

Ⅳ、氧对焊接质量的影响；1、降低焊缝的力学性能：焊缝的强度、塑性、韧性明显下降；2、形成气孔：在熔池阶段，溶解的氧与碳发生冶金反应，反应产物是不溶于金属的CO。

如果在熔池进行凝固时CO气泡来不及逸出，就会形成CO气孔；3、烧损的有益合金元素，从而使焊缝金属的性能变坏；4、形成飞溅在熔滴中所进行的氧与碳的冶金反应，生成CO受热膨胀，造成熔滴爆炸，形成飞溅，破坏了焊接过程的稳定性；5、增加焊缝的冷脆性与热敏感性；6、使焊缝的物理及化学性能发生变化降低焊缝的导电性、导磁性和耐腐蚀性等。