1、 焊 接 冶 金 学（基本原理）李慕勤佳木斯大学材料工程学院二 000 年 3 月 15 日结论一、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
2、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
3、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，CO 2 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
4、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
5、，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
6、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。第一章 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
7、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= eUIe焊条加热有效系数，取决于焊
8、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 e 为 0.20.272、焊条金属的熔化速度焊条金属的平均熔化速度gM=G/t = pI p为焊条熔化系数焊条金属的平均熔敷速度gD=GD/t= HI H 为焊条的平均熔敷速度，体现了生产率的大小。损失系数=(G-G D)/G=(gM-gD)/gD=1- H/ P H=(1-) P3、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/Vg=4R 2
9、/(4/3R 3)=3/R熔滴的比表面积是相当大的，S=100010000Cm 3/kgI,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。 cp=mcp/gcp=(m0+0.5mtr)/mtr/=(m 0/mtr+0.5) cp=0.011.0s3）熔滴的温度实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度：1600C 0（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，P 2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，
10、B；U，H，B。熔池平均表面积 Fg,一般为 14Cm2,熔池的比表面积 S= Fg/G p2、熔池质量和存在时间tmax=L/vtcp=Gp/vA w 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=f（T） ，T 高， 小，T 低， 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,表面张力差将强迫液态金属发生对流。FfF,)(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
11、。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。
12、化合水指不是以单一水分子形式存在。白泥：Al 2Si2O5(OH)42MnO2=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 18002400熔滴活性斑点温度：2800熔滴金属过热度大 3009002）与气体、熔渣的接触面积大比表面积大 F 比 =100010000cm2/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 -410-3S）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
13、解；氧化还原；掺合金。 熔池反应区1）熔池温度度 160019002) 接触面积小 F 比 =3130Cm2/Kg3) 时间长 手工焊时为 3-8S 埋弧焊 6-25S4) 搅拌没有熔滴阶段激烈5) 熔池温度不均匀(SiO2)+2Fe=Si+2FeOlgKSi=(FeO)2Si/(SiO2) =-13460/T+6.04(MnO)+Fe=Mn+ FeOlgKMn=(FeO)Mn/(MnO)=-6600/T+3.16AF=SiO2+042B12(MnO)/100B1Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnOMn+FeO=Fe+(MnO)K=aMnO/aMn.aFeO
14、= MnO.(MnO)/aMnO.aFeO第二章焊条和焊剂目前我国焊接材料生产厂家约有 800 余家，其中焊条生产企业在 600 家以上；CO2气体保护焊丝生产厂家 100 余家；钎料生产厂家 300 多家；埋弧焊剂生产企业 30 多家；具有生产药芯焊丝条件的企业 21 家。共生产品种 576 个。我国焊接材料总产量已跃居世界第一位，年生产能力近 180 万吨。1995 年生产焊接材料 76 万吨，其中电焊条 60万吨（生产能力超过 150 万吨） ，占总数的 80。CO 气体保护焊丝 7 万吨（生产能力为 15 万吨左右） ，占总数的 93396。焊剂 5 万吨（生产能力 10 万吨） ，占
15、总数的666。埋弧焊丝 4 万吨（生产能力 10 万吨） ，占总数的 533。由上述数据可以看出我国的焊接自动化水平很低，比发达国家分别落后 30 到 70 个百分点。另一个问题是及时调整产品结构，开发市场上急需的特种焊条，由于种种原因，国内生产焊材的企业尚不能完全供应这些焊条，施工单位只好购买昂贵的进口焊条，在增加工程成本的同时还要花费大量的外汇。为此，焊接材料领域也在积极研究开发了许多相应的新品种.第一节 焊条一 焊条的组成. 焊芯焊丝作用：导电、填充金属。焊芯材料有选择性，用量最多的是 H08、H08A，还有 H08E。汉语拼音字母表示焊条的“焊“，表示含碳量平均为.，表示优质钢、含杂质
16、量少、。 “E”，S、P 杂质更少。. 药皮作用：机械保护作用冶金处理作用工艺性能良好组成：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：K 2CO3、CaCO 3大理石、长石、钾水玻璃造渣剂：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、长石等。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 CO、H，碳酸盐析出气体 CO2，高温时产生 CO。脱氧剂：降低药皮中或熔渣的氧化性和脱除金属中的氧。铁合金：锰铁、钛铁、硅铁、Re 等。合金剂：使焊缝补偿烧损和获得必要的合金成分。合金、纯金属、一般 Mn
17、-Fe、Si-Fe 要纯化发醇加高 Mn 酸钾纯化。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。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。二 焊条分类（一） 焊条用途分. 结构钢焊条用结 XX 表示，符号、焊接低碳钢、低合金. 铜和铬钼耐热钢焊条，用热 XXX 表示、符号、焊接珠光体耐热钢. 不锈钢焊条：用不 XXX 表示、符号 G 或 A、焊接不锈钢及热强钢. 堆焊焊条：用堆 XXX 表示、符号、用于金属表面的堆焊、耐磨性、红硬性.低温钢焊条：这类焊条的熔敷金属,在不同的低温介质条件下,具有一定的低温工作能
18、力.型号 W 以区别堆焊焊体牌号。6.铸铁焊条： 焊补,焊接铸铁，型号 Z.牌号用符号.铸7.镍及镍合金焊条:用于镍.镍合金的焊接.补焊或堆焊,有的也可用于铸铁补焊及异种金属焊接,型号 N 牌号.镍8.铜及铜合金焊条用于铜及铜合金焊接,也可用于铸铁补焊及异种金属焊接.型号 7.牌号.铜.9.铝及铝合多焊条：铝及铝合金的焊接及补焊，型号 L 牌号.铝。(二)按渣碱度：分为酸、碱性焊条。(三)按药皮类型：分为钛型.钛钙型、钛铁矿、氧化铁、纤维素、低氢型、石墨、盐基型。三、焊条的型号与牌号1、焊条的牌号以结构钢为例.牌号,编制法.结 XXX,结为结构钢焊条,第 3 个数字,代表药皮类型,焊接电流要求
19、,第 1.2,数学:代表焊缝金属抗拉强度。2、焊条的型号焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。以结构钢为例，型号编制法为字母“E”表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。结构钢焊条牌号举例，结 422 对应于 E4303， 结构钢焊条,钛钙型,可用交直流，焊缝抗拉强度不低于 42 公斤/毫米 2 结 507 与 E5015 结构钢焊条相对应,低氢型,直流焊接,焊缝最小抗拉强度不低于 50 公斤/毫米 2四.焊条的工艺性能1.焊接电弧的弧定性(稳弧性)影响因素有焊条药皮成份、电源的特性、焊接规范等.药皮成份的影响
20、是若药皮中含低电离势元素,U稳弧性，在焊条药皮中凡是能降低电弧电压的物质，均有稳弧作用,而电弧电压的高低又与物质的电离势有关,电离势低的元素,化合物就能起到稳弧作用.某些元素的电离势元素 K Na Ba Ca Ti Mn Fe Si C H O F CO2电离势(V) 4.32 5.12 5.16 6.08 6.81 7.40 7.83 7.94 11.22 13.53 13.56 18.6 14.3碱性焊条:结 507,低氢型,电弧稳定性不好原因:药皮中含萤石较多,CaF 2氟电离势高 18.6 伏,与电子亲和力大,夺取电弧中的电子,形成负离子,恶化电弧的稳定性。结 506 加入了低电离势物质,K.、Na 则可用交,直流.但 K、 Na 与 F 的亲和力大,KF、NaF 有毒.酸性焊条:SiO 2、TiO 2、CaO、云母、长石中含 K2O、Na 2O 等，稳弧性好。判定稳弧性：
