西安工大焊接冶金学基本原理-第2章焊接化学冶金

焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金焊接冶金学-基本原理主讲:张文兴西安工业大学材化学院焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金第2章焊接化学冶金含义：在熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用。作用：对焊缝金属的成分、性能、缺陷和焊接工艺都有很大影响。内容：研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及变化规律。目的：合理选择焊接材料，控制焊缝金属成分和性能，设计创造新的焊接材料。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金本章内容：2.1焊接化学冶金过程特点2.2气相对金属的作用2.3熔渣及其对金属的作用2.4焊缝金属的合金过渡焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金2.1焊接化学冶金过程特点2.1.1焊条熔化及熔池形成2.1.2焊接过程中对熔融金属的保护2.1.3焊接化学冶金反应区及其反应条件2.1.4焊接工艺条件与化学冶金反应的关系焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金普通化学冶金和焊接化学冶金过程对比：普通化学冶金过程对金属熔炼加工过程，在特定的熔炉中进行。焊接化学冶金过程金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当于熔炉。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…焊接材料：焊条、焊丝、焊剂…2）目的不同普冶：提炼金属；调整状态焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能焊接原理就是用基本理论分析在焊接条件下的特点，重点是不同之处。含义或形式不同在熔炉中进行，量大焊缝相当于熔炉，量小焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金2.1.1焊条熔化及熔池形成1、焊条的加热及熔化（1）焊条的加热电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热。（600～650℃)电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。（主要）化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量（极少）2.1焊接化学冶金过程的特点焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金（2）焊条金属的熔化速度焊条金属的平均熔化速度：单位时间内熔化的焊芯质量或长度称为～,与焊接电流成正比MPGgItgM——焊条金属平均熔化速度（g/h)G——熔化的焊芯质量（g）t——电弧燃烧的时间（h）I——焊接电流（A)αP——焊条的熔化系数[g/(A·h)]焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金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称～DDHGgItgD——焊条金属的平均熔敷速度（g/h)GD——熔敷到焊缝金属中的金属质量（g）αH——焊条的平均熔敷系数（g/(A·h)）损失系数：损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比，称为～Ψ=(G-GD)/G=(gM-gD)/gM=1-αH/αPαH=(1-Ψ)αP焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金熔滴：在电弧热的作用下，焊条端部熔化形成的滴状液态金属。（3）焊条金属熔滴及过渡特性a）熔滴的过渡形式短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金短路过渡示意图碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金图焊条端部熔滴质量随时间的变化—(低氢碱性焊条，反接)焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金b)熔滴的比表面积和与周围介质相互作用时间熔滴的比表面积S：熔滴的表面积与其质量之比，称为～。①熔滴越细，比表面积越大②I↑,R↓,S↑，利于冶金反应进行。③大小103~104cm2/kg熔滴与周围介质的平均相互作用时间：很短,0.01~1.0s内。234343ggARSVRR比表面积小存在时间短焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金c）熔滴温度实测手工电弧焊碳钢焊条:熔滴平均温度：1800-2400℃熔渣平均温度：1600℃熔池平均温度：1770±100℃电流越大温度越高，焊丝直径越细温度越高。注：药皮熔化后（熔渣）的向熔池过渡：①以薄膜的形式包在熔滴外面或夹在熔滴内同熔滴一起过渡。②直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池。温度高焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金2熔池的形成熔池：熔焊时，母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属。就像钢锭冶炼一样，不过体积小。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金（1）熔池的形状和尺寸熔池为半椭球，几何尺寸：Hmax(深度）,Bmax（宽度）,L（长度）I↑，Bmax↑(主要受I控制)Hmax(不确定，TIG略有增大)；U↑，Hmax↓(主要受U控制)Bmax(不确定)；P2——比例系数，取决于焊接方法和电流2.4-5.5I——焊接电流U——焊接电压该式适用于点状热源。比表面积：熔池(0.3~13)×10cm2/kg熔滴103~104cm2/kg2LPIU实验结论焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金（2）熔池的质量和存在时间•质量：手弧焊：0.6~16g，一般小于5g埋弧焊：最大100g。•最大存在时间：几秒-几十秒比熔滴长。tmax=L/vv：焊速•平均存在时间：mp：熔池的质量ρ：熔池液态金属的密度Aw：焊缝的横截面积pcpWmtvA平均长度焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金（3）熔池温度熔池中部温度最高，前部/尾部低。熔滴平均温度：1800-2400℃熔池平均温度：1770±100℃熔渣平均温度：1600℃焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金（4）熔池运动状态a）液态金属密度差引起自由对流运动b）表面张力差引起强迫对流运动c）熔池中各种机械力搅拌对焊接质量的影响①元素扩散→成分均匀化②熔渣运动→反应彻底③上浮→夹杂↓（熔渣密度小）④气泡上浮→气孔↓焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金2.1.2焊接过程中对熔融金属的保护1、保护的必要性及目的现象：氧氮显著提高合金元素烧损电弧不稳目的：减少和防止空气（氧、氮）进入焊接区，避免合金元素烧损，降低焊缝的性能；促进电弧稳定燃烧，改善工艺性能。光焊丝焊接→塑韧性下降焊接化学冶金首要任务→工艺性下降焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金2、保护方式和效果真空：电子束焊(小于0.0133Pa）气体：TIG焊,CO2,MIG熔渣：埋弧焊，渣保护的焊条气-渣：焊条电弧焊、药芯焊自保护：焊丝含脱氧剂，脱氮剂（非机械隔离空气）效果效果差无实用价值但可作为补充焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金3、焊条的组成（补充内容）（1）焊芯-焊丝作用：导电、填充金属。（2）药皮作用：①机械保护作用②冶金处理作用焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金药皮组成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：K2CO3、CaCO3大理石、长石、钾水玻璃等。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(CaF2)、长石（硅酸盐）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CO2、H2。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。如：铁合金，锰铁、钛铁、硅铁等。⑤合金剂:使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。如：Fe合金、纯金属。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金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。药皮组成总结：一系列氧化物（Ti，Fe，Mn、Si），碳酸盐（Ca，Na，K）、硅酸盐（SiO2的复合化合物）、纯Me，有机物及CaF2等。※书P83页。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金2.1.3焊接化学冶金反应区及其反应条件分区域连续进行焊条电弧焊3个反应区。YT焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金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。温度：100-1200℃（钢）反应：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。气保护及气体氧化问题。（先期脱氧）水分蒸发结晶水分解碳酸盐分解铁合金氧化1200°100°焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院SchoolofMaterialandChemicalEngineering第2章焊接化学冶金2熔滴反应区熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到熔池之前所发生的反应。特点：①温度高1800℃～2400℃，过热度300℃～900℃②与气体、熔渣的接触面积大。比表面积是炼钢的1000倍③各相反应时间短末端停留0.01～0.1s，速度2.5～10m/s，弧柱区0.0001～0.001s④熔渣和熔滴金属发生强烈的混合。反应最激烈，包括：气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化与还原等。焊接冶金学--基本原理西安工业大学材化学院Sch