先进焊接材料学2焊接冶金

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1、2.焊接冶金过程焊接热源填充金属熔化熔滴熔池母材熔化化学冶金凝固结晶焊缝凝固冶金凝固冶金－焊缝；物理冶金－焊接热影响区；重点介绍焊接化学冶金。焊接热影响区的组织和性能变化物理冶金熔化焊过程中，熔滴及熔池的表面充满大量的气体，有时还覆盖着熔渣。液态金属会与气体、熔渣发生一系列的物理化学以反应，如气体向金属中的溶解、金属的氧化、有害杂质的去除等等。焊接化学冶金过程对焊接工艺，焊缝金属的成分、组织及性能，焊接质量有重要影响。处于液态的金属与周围气体以及熔渣的相互作用过程称为焊接化学冶金过程。2.1焊接化学冶金过程特点1）不同的焊接方法对焊接区金属采

2、用不同的保护方式焊条电弧焊气-渣联合保护气保护焊TIG、MIG、CO2气保护埋弧焊渣保护真空焊接真空保护以焊条电弧焊为例：药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区2）分区连续进行3)超高温，反应激烈炼钢，1600℃称为超高温T池=1700~1800℃T滴=1800~2400℃熔池，特别是熔滴的比表面积大比表面积：单位重量所具有的表面积在炼钢时，即使用7kg的小高频感应炉的铸锭，比面积最大也仅为10cm2/kg熔池的比表面积平均为：300~1300cm2/kg熔滴的比表面积平均为：103~104cm2/kg4）反应界面大，利于反应完成熔滴的存在时间很

3、短，一般<1s熔池的存在时间亦不长，电弧焊时为10到几十秒，一般也仅为几秒5）焊接加热的瞬时性，使焊接冶金反应处于不平衡状态熔池中产生对流和搅拌现象的原因：热源的各种机械力的作用，如电弧吹力、电磁力、熔滴过渡的冲击力等熔池温度不均匀，使液体金属的产生密度差别及表面张力的差别6）熔池中的对流与搅拌现象，利于成分均匀化及反应的进行2.2焊接冶金反应区母材焊条熔池焊缝熔渣渣壳电弧气氛熔滴TI药皮反应区II熔滴反应区III熔池反应区反应温度100~1200℃（药皮的熔点）>100℃：药皮中吸附的水份开始蒸发200~400℃：结晶水、化合水、有机物分解

4、>500℃：高价氧化物分解>600℃：铁合金氧化，先期脱氧I药皮反应区熔滴存在时间虽然很短，但温度高，比表面积大，因此会与渣相和气相产生剧烈的冶金反应；气体高度分解和溶解H2、N2、O2等分解成原子、离子溶入熔滴中；渣中氧化物分解，特别是SiO2、MnOII熔滴反应区生成的FeO在渣()和滴[]中分配熔滴中合金元素含量增多，熔滴合金化熔滴中氧含量增加，碳及合金元素氧化低沸点元素严重蒸发Zn(907)、Mg(1126)、Pb(1740)、Mn(2097)、Cr(2222)、Al(2327)、Ni(2730)（FeO)[FeO]熔池温度不均，中心

5、接近弧柱区温度，周围接近金属熔点；各部分反应不同；熔池处于对流、搅拌运动状态，有利于金属液体、渣、气各相的充分接触。III熔池反应区v后部前部冷却降温，凝固结晶气体逸出有利于放热反应加热升温，金属熔化吸收气体有利于吸热反应2.3气相对金属的作用1）气体来源焊接材料一般焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中都含有造气剂。在焊接加热时造气剂会发生分解或燃烧，析出大量气体。用潮湿的焊条或焊剂焊接时将析出水气。气电焊时，焊接区内的气体主要来自所采用的保护气体。焊接材料是焊接区内气体的主要来源。热源周围的气体介质如空气。焊丝和母材表面上的杂质如油污、铁锈、油漆、吸

6、附的水分等。高温蒸发产生的气体如金属和熔渣的蒸气。焊接区内的气体主要有CO、CO2、H2O、O2、H2、N2以及金属和熔渣的蒸气等。其中对焊接质量影响最大的是N2、H2和O2。焊接区周围的空气是焊接区内氮的主要来源。2）氮对金属的作用铜和镍等，既不熔解氮，也不会与氮形成氮化物。因此焊接这类金属时，可用氮作为保护气体。铁、锰、钛、硅、铬等，既能熔解氮，又能与氮形成稳定的氮化物。焊接这类金属及其合金时，防止焊缝金属的氮化是一个重要问题。T/℃[N]/mL.(100mg)-15040302010060010001400180022002600300

7、0氮在纯铁中的溶解度N在铁中的溶解度与温度有关2200℃时溶解度最大；在铁的沸点，溶解度为0；在铁凝固结晶时，溶解度为1/4；气孔形成气孔使焊缝脆化氮对焊接质量的影响T/℃[N]/mL.(100mg)-150403020100600100014001800220026003000氮在纯铁中的溶解度N在固态铁中的溶解度与晶体结构有关α-Feδ-Feγ-FeN在室温下α-Fe中的溶解度仅为0.001％，多余的N会以针状N化物的形式存在，从从而提高焊缝的强度降低塑韧性，引起时效脆化。加强保护；控制焊接工艺参数；缩短熔滴过渡时间有利于减少焊缝中的N，

8、如提高电流、降低电压。冶金处理。加入与N亲和力较大的Ti,Al,Zr,Re等，可形成稳定的N化物，且这些N化物不溶于铁，而进入溶渣中。氮的控制3）氢对金属的作用对于