焊接知识

焊 接 冶 金 学

（基本原理）

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——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炔气焊；

30年代，厚皮焊条电弧焊、氢原子焊、氦气保护焊；

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—熔化—冶金反应—结晶—固态相变—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）。

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。

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

（一） 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=ηeUI

ηe—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—0.27

2、 焊条金属的熔化速度

焊条金属的平均熔化速度

gM=G/t =αpI

αp为焊条熔化系数

焊条金属的平均熔敷速度

gD=GD/t=αHI

αH为焊条的平均熔敷速度，体现了生产率的大小。

损失系数

Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-αH/αP

αH=(1-Ψ) αP

3、 焊条金属熔滴及过渡特性

1） 熔熵过渡形式

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：熔熵的表面积与其质量之比。

S=Ag/ρVg=4ДR2/(4/3ДR3ρ)=3/Rρ

熔滴的比表面积是相当大的，S=1000—10000Cm3/kg

I↑,R↓,S↑，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。

τcp=mcp/gcp=(m0+0.5mtr)/mtr/τ=(m0/mtr+0.5) τ

τcp=0.01—1.0s

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：1600C0

（二） 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=P2IU 其中，P2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。

I↑，H↑，B↓；U↑，H↓，B↑。

熔池平均表面积Fg,一般为1—4Cm2, 熔池的比表面积S= Fg/ρGp

2、 熔池质量和存在时间

tmax=L/v

tcp=Gp/ρvAw AW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

ρ=f（T），T高，ρ小，T低，ρ大，促使金属由低温区向高温区运动。

2）表面张力差强迫对流运动

FTFTTfF,,,),(F,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[0]、[N]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100C0，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：Al2Si2O5(OH)4

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—900℃

2） 与气体、熔渣的接触面积大

比表面积大F比=1000—10000cm2/Kg

比炼钢时大1000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：10-4—10-3S

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－还原；掺合金。

３ 熔池反应区

1）熔池温度度 1600～1900℃

2) 接触面积小 F比=3—130Cm2/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

lgKSi=(FeO)2[Si]/(SiO2) =-13460/T+6.04

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

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

AF=[SiO2]+042B12(MnO)]/100B1