焊接冶金学复习提纲

焊接冶⾦学复习提纲

焊接冶⾦学复习提纲

注：编者⽔平有限，如总结不全，可⾃⾏翻阅教材及课件，祝考试周顺利，新年快乐！

焊接冶⾦学考题类型

⼀、焊接概念及术语解释5*2分=10分

⼆、选择20*1分=20分

三、判断20*1分=20分

四、简单题4*5分=20分

五、论述题3*10分

焊接复习课重点概括1、焊接概念题举例：焊接热循环的定义

2、简答题举例：低碳调制钢的要点（焊材、⼯艺、焊接⽅法）

⼯艺：起弧板、收弧板？线能量控制？多层焊层间温度？焊前预热？焊前清理？3、论述题举例：奥式体不锈钢的要点及困难。要点见上题。困难有热裂纹倾向

⼤，结晶裂纹为最；晶间腐蚀4、熔池、熔滴的特点

5、为什么要焊接保护？eg：熔渣保护

6、熔合⽐的定义

7、溶度过渡形式

8、⽓体的种类及来源：C、H、O与⾦属作⽤，H（扩散氢、溶解氢、⽩点、氢

⽓孔、裂纹）9、熔池的⼤⼩等与焊接线能量有关

10、焊接线能量的定义

11、⾦属焊接性的定义？如何评价？eg：碳当量的定义

12、可⽤焊接接头的硬度来代替检测是否淬硬

13、熔渣分酸性和碱性，⼯艺上酸性好，但碱性的⼒学性能好

14、如何⼯艺上评价熔渣

15、⽓孔的分类及来源：H、N⽓孔

16、裂纹的分类？出现在什么材料中？产⽣的原因？

17、焊接接头的概念？（焊缝、热影响区、部分母材的组成、组织、⼒学性

能不均、显微偏析、层状偏析）18、焊接热循环的定义

19、脆化和软化

20、提⾼焊缝性能的⽅法：合适的焊接⽅式、焊接线能量，细化组织

21、CCT图，淬硬倾向与⽣成的⾦相组织，eg：铁素体、马⽒体？22、脱硫脱氧的⽅法

23、不同钢材与铝焊接性的要点

绪论1、焊接定义：通过加热或加压或两者并⽤，使⽤或不使⽤填充材料，使被焊⼯件达到原⼦间结合⽽形成永久性连接的⼯艺过程。2、焊接的物理本质：⾦属形成⾦属键结合；塑料形成共同的分⼦链。宏观上形成永久性的接头，微观上组织上建⽴内在联系

3、焊接⽅法⼀般分三⼤类：熔化焊、压⼒焊、钎焊

4、焊接热源的种类及其特性

电弧热、化学热、电阻热、摩擦热、等离⼦焰、电⼦束、激光束、超声波5、焊件上加热区的热能分布

(1) 活性斑点区：活性斑点区是带电质点（电⼦和离⼦）集中轰击的部位，并把电能转为热能

(2) 加热斑点区：加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进⾏的. 在该区内热量的分布是不均匀的，中⼼⾼，边缘低，形如⽴体⾼斯锥体

第⼀章焊接化学冶⾦

第⼀节焊接化学冶⾦过程的特点

⼀、焊条的加热及熔化1、焊条⾦属的加热

电弧焊时，⽤于加热和熔化焊条或焊丝的热能有：电阻热（可忽略）、电弧热（主要因素，占总功率的⼀⼩部分）、化学反应热（可忽略）。2、焊条⾦属平均熔敷速度：单位时间内真正进⼊焊缝⾦属的那⼀部分⾦属的质量。

3、焊条⾦属熔滴及其过渡特性

熔滴:在电弧热的作⽤下，焊条端部熔化形成的滴状液态⾦属。

熔滴过渡：当熔滴长⼤到⼀定的尺⼨时，便在各种⼒的作⽤下脱离焊条，以滴状的形式过渡到熔池中去，然后周⽽复始，熔滴通过电弧空间向熔池转移的过程。4、焊条⾦属熔滴的特征

（1）熔滴的⽐表⾯积和相互作⽤时间

熔滴的⽐表⾯积：使熔滴的⽐表⾯积增⼤，从⽽有利于加强冶⾦反应。

平均相互作⽤时间：熔滴的存在时间η不等于熔滴与周围介质相互作⽤的时间

⼆、熔池的形成1、熔池的形状和尺⼨

I↑→Bmax↓、Hmax↑；随着U↑→Bmax↑、Hmax↓。

2、熔池的温度分布不均匀，平均温度主要取决于母材的性质和散热的条件。

三、焊接过程中对⾦属的保护

保护的⽅式：埋弧焊是利⽤焊剂及其溶化后形成的熔渣隔离空⽓保护⾦属的。⽤焊条和药芯焊丝焊接时的保护效果取决于其中保护材料的含量、熔渣的性质和焊接⼯艺参数等，并⽤熔

敷⾦属中的含氮量多少衡量保护的好坏。

四、焊接化学冶⾦反应区及其反应条件

焊接⽅法不同，冶⾦反应阶段也不同：

⼿⼯电弧焊：药⽪反应区、熔滴反应区、熔池反应区

熔化极⽓保护焊：熔滴反应区、熔池反应区

钨极氩弧焊、电⼦束焊、⽓焊：熔池反应区

以⼿⼯电弧焊为例：1. 药⽪反应区

物化反应产⽣的⼤量⽓体，⼀⽅⾯对熔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氧化作⽤。药⽪反应阶段的反应产物为熔滴和熔池阶段提供了反应物。2. 熔滴反应区：指从熔滴形成、长⼤⾄脱离焊条过渡到熔池之前。

主要冶⾦有反应：⾦属蒸发；⽓体的分解和溶解；⾦属及其合⾦的氧化-还原；合⾦化。3、熔池反应区

五、焊接⼯艺条件与化学冶⾦反应的关系1、熔合⽐的影响

熔合⽐：熔化焊时，在焊缝⾦属中局部熔化的母材所占的⽐例。

第⼆节⽓相对⾦属的作⽤1.⽓体的来源与产⽣

⑴⽓体的来源

焊接区内⽓体来源于：焊接材料；热源周围的空⽓；焊条（丝）和焊件表⾯存在铁⽪、铁锈、油漆和吸附⽔等；母材和填充⾦属⾃⾝因冶炼⽽残留的⽓体

⑵⽓体的产⽣

①有机物的分解和燃烧②碳酸盐和⾼阶氧化物的分解③材料的蒸发4.⽓体对⾦属的作⽤

1、氮对⾦属的作⽤

（1）氮在⾦属中的溶解

与氮不发⽣作⽤的⾦属：如铜、镍、银等，即使在⾼温熔化状态也不溶解氮或与氮⽣成氮化物。→可⽤氮作保护⽓体。

既能溶解氮，⼜能与氮形成稳定的氮化物的⾦属：如铁、锰、钛、铬等，→必须防⽌焊缝⾦属的氮化。

除γ铁外，氮在铁中的溶解度随温度升⾼⽽增⼤。升⾄铁的沸点附近则溶解度急剧降低，真正为零。这是由于⾦属⼤量蒸发，使⽓相中氮的分压显著下降所致。铁从液态转变为固态时，氮的溶解度突然下降70-80%，析出的氮是形成焊缝⼩⽓孔的重要原因之⼀。

在铁熔液中加⼊C、Si、Ni会降低氮的溶解度，⽽加⼊V、Mn、C r会增加氮的溶解度。（2）氮对焊接质量的影响

⑴形成⽓孔

⑵使焊缝⾦属时效脆化：在焊缝中加⼊Ti、Al、Zr等能够形成稳定氮化物的元素，可有效抑制或消除失效现象。

（3）氮的控制

①加强焊接区的保护②控制焊接⼯艺参数

电弧电压（U）：电压不能太⼤。采⽤短弧焊对减少氮含量有利

焊接电流（I）：增⼤焊接电流

焊接速度（v）：焊接速度对焊缝含氮量影响不⼤。

③冶⾦处理

加Ti、Al、Zr和稀⼟元素有利

碳可降低氮在铁中的溶解度→在焊丝或药⽪中增加碳含量有利2、氢对⾦属的作⽤

（1）氢在⾦属中的溶解

能形成稳定氢化物的⾦属：如Zr、Ti、V、Ta、Nb等，吸氢反应是放热反应。当吸氢量较多时，形成稳定氢化物。当温度超过氢化物保持稳定的临界温度时，氢化物发⽣分解，氢则扩散逸出；当吸氢量少时，这些⾦属可与氢形成固溶体。

不能形成稳定氢化物的⾦属:如Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。能溶于这类⾦属及其合⾦中，其溶解反应属吸热反应。随着温度是升⾼，溶解度增加，并在⼀定的温度下达到最⼤值，后迅速下降，并在接近⾦属沸点时溶解度为零。C和B会引起氢溶解度急剧下降；O可减少⾦属对氢的吸附，降低氢在液态铁中的溶解度；Ti、Zr、Nb及某些稀⼟元素可以提⾼氢的溶解度；Mn、Ni、Cr和Mo等影响不⼤。

（2）焊缝⾦属中的氢及其扩散

扩散氢：焊接熔池处于液态时吸收的氢，因凝固结晶速度很快，来不及逸出⽽被留在固态的焊缝⾦属中。在钢焊缝中的氢是以H、H＋形式存在，它们与焊缝⾦属形成间隙固溶体。由于氢原⼦及离⼦的半径很⼩，它们可以在焊缝⾦属的晶格中⾃由扩散

残余氢：如果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，可以结合成氢分⼦，由于氢分⼦的半径⼤⽽不能⾃由扩散

铁内扩散氢约占总氢量的80～90%，它对接头性能的影响⽐残余氢⼤。

熔敷⾦属的扩散氢可以⽤⽢油法、⽓相⾊谱法、⽔银法测定。

氢向近缝区扩散，并且扩散深度较⼤，这是热影响区产⽣延迟裂纹的主要原因。

（3）氢对焊接质量的影响

对结构钢焊接的有害作⽤：

⑴形成⽓孔⑵产⽣冷裂纹

⑶形成氢脆：在室温附近使钢的塑性发⽣严重下降的现象。

产⽣原因：⼀般认为是原⼦氢扩散聚集在⾦属晶格缺陷内（如位错、空位等），结合成分⼦氢，造成局部⾼压区，阻碍塑性变形⽽造成氢脆。

只有在室温或稍低于室温的情况下才发⽣氢脆，⾦属中晶格缺陷越多，氢脆倾向越⼤。

⑷形成⽩点：碳钢和低合⾦钢焊缝中，如含氢量⾼，则常常在其拉伸或弯曲断⼝上出现银⽩⾊圆形局部脆断点。

形成原因：⾦属塑性变形过程氢的存在及其扩散运动。当外⼒作⽤下⾦属产⽣塑性变形时，促使氢扩散并聚集于⼩⽓孔或⼩夹杂物等缺陷处。

⽩点对焊缝强度影响不⼤，但对塑性、韧性有较⼤的影响。

预先经过去氢处理，则可以消除⽩点。(4) 氢的控制

⑴减少氢的来源；⑵在焊接过程中利⽤冶⾦⼿段加以去除；⑶根据需要作焊后消氢处理。控制焊接⼯艺参数

① 焊接电流

焊条电弧焊时，焊接电流增使氢含量增加

⽓体保护焊时，当电流超过临界值时可减少熔滴的含氢量。

②电源性质和极性

交流电焊接焊缝含氢量⽐直流焊接时多。直流正接氢在焊缝中含量⽐直流反接时⾼。

（3）焊后脱氢处理

加热温度越⾼，脱氢所需时间越短。

奥⽒体钢接头进⾏脱氢处理效果不⼤，因为氢在奥⽒体组织中的溶解度⼤，⽽扩散速度⼩。第三节熔渣及其对⾦属的作⽤

⼀、焊接熔渣

焊接熔渣：焊接过程中焊条药⽪或焊剂熔化后，在熔池中参与化学反应的熔融状态

的⾮⾦属物质。1、焊接熔渣的作⽤、分类

分类：盐型、盐—氧化物型、氧化物型2、熔渣的碱度

2）熔渣碱度的计算

①分⼦理论对熔渣碱度B1

②离⼦理论的表达式

离⼦理论把熔渣中⾃由氧离⼦（即游离状态的氧离⼦）的含量（或氧离⼦的活度）定义为碱度，⽤B2表⽰。渣中⾃由氧离⼦的含量越⼤，其碱度越⼤。B2＞0碱性渣B2＝0中性渣B2＜0 酸性渣

3、熔渣的物理性能

1）熔渣的粘度

熔渣的粘度取决于熔渣的结构，结构越复杂，离⼦尺⼨越⼤，熔渣质

点移动越困难，其粘度就越⼤。影响熔渣结构的因素是熔渣的成分和温度。

①熔渣成分对粘度的影响在熔渣中加⼊能促使形成粗⼤阴离⼦的物质→粘度增⼤；反之则降低熔渣的粘度。

②温度对熔渣粘度的影响

温度升⾼熔渣的粘度下降，但碱性渣和酸性渣下降的趋势不同。

含SiO2较多的酸性渣：复杂Si-O离⼦较多，随着温度升⾼，Si-O极性键逐渐断开，出现尺⼨较⼩的Si-O离⼦，因⽽粘度逐渐下降。

碱性渣：当⾼于液相线时粘度迅速下降；当温度低于液相线时粘度迅速增⼤。

当两种渣的粘度都变化Δ时，含SiO2多的酸性渣对应的温度变化ΔT2⼤，即凝固时间长，故称长渣，不适于仰焊。

碱性渣对应的ΔT1⼩，即凝固时间短，故称短渣，适于全位置焊接。2）熔渣的表⾯张⼒

键能越⼤，其表⾯张⼒也越⼤。

加⼊碱性氧化物增加表⾯张⼒；加⼊酸性氧化物表⾯张⼒减⼩；加⼊CaF2→降低熔渣的表⾯张⼒；温度升⾼，熔渣表⾯张⼒下降

⼆、活性熔渣对⾦属的氧化

活性熔渣对焊缝⾦属发⽣氧化的基本形式：扩散氧化和置换氧化。1、扩散氧化

FeO的分配常数L与熔渣的性质和温度有关。T升⾼→L减⼩，即在⾼温时FeO向液态钢中分配:扩散氧化主要在熔滴阶段和熔池的头部（⾼温区）进⾏。但在焊接温度下，L>1，FeO 在渣中的分配量⼤⼀些。

在同样T下，FeO在碱性渣中⽐在酸性渣中更容易向焊缝⾦属中分配，也即在熔渣中含FeO 量相同时，⽤碱性渣的焊缝⾦属含氧量⽐⽤酸性渣时多。→碱性焊条药⽪中⼀般不加含FeO 的物质，焊接时严格清理焊件表⾯的氧化⽪和铁锈。2、置换氧化

当熔渣中含有较多的易分解的氧化物时，可能与液态钢发⽣置换反应，使铁氧化，⽽该氧化物中的元素被还原。

反应结果焊缝增加硅和锰，同时铁被氧化，⽣成的FeO⼤部分进⼊熔渣，⼩部分溶于液态钢中，使焊缝增氧。

三、焊缝⾦属的脱氧