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材料焊接冶金原理与工艺主讲：陈树海E-mail:shchen@mater.ustb.edu.cn电话：010-62334859第3章焊接化学冶金3.1焊接化学冶金系统及其特点3.2气体与金属的冶金反应3.3熔渣与金属的冶金反应3.4典型焊接方法的化学冶金焊接化学冶金概述熔化焊过程中焊接区内各物质之间在焊接高温下的相互作用统称为焊接化学冶金。渣保护电弧焊的主要化学冶金问题焊接化学冶金的主要任务是研究和探讨熔化焊条件下焊接区物质（金属材料、保护材料及空气）间的冶金热力学—相互作用的方向和限度—行为、规律和机理3.1焊接化学冶金系统及其特点3.1.1焊接化学冶金系统焊接冶金过程实质上是金属在焊接条件下的二次熔炼过程。与普通冶金（如电炉炼钢）有共同之处，同时存在显著差别，不能机械地搬用普通冶金规律，而必须找出焊接冶金的固有规律，以使冶金反应向着有利的方向发展，得到优质的焊缝金属。在认识焊接冶金的特点之前，首先要了解焊接时保护金属的必要性、保护方式、效果以及对焊缝金属性能的影响。1、焊接区的保护用低碳钢光焊丝在空气中无保护电弧焊接时，焊缝金属的成分和性能与母材和焊丝比较，发生了很大的变化：焊缝氧含量比焊丝的高20~45倍；焊缝氮含量比焊丝的高7~35倍；焊缝C、Mn等合金元素的含量降低。成分：性能：焊缝不致密，内部和表面存在大量气孔；焊缝的塑性和韧性急剧下降，脆性断裂；3.1焊接化学冶金系统及其特点氮氢氧钢增加强度，降低韧性引起氢致裂纹裂纹降低韧性，但在一定条件下也可以通过促进针状铁素体的形成提高韧性奥氏体不锈钢双相不锈钢减少铁素体，促进凝固裂纹铝合金形成气孔，降低强度和塑性形成氧化物夹杂钛合金增加强度，但降低塑性增加强度，但降低塑性氮、氢和氧对常见金属材料焊缝性能及质量的影响低碳钢裸焊丝无保护电弧焊接时熔敷金属的性能为了提高焊缝的质量，需要采取各种措施减少大气对高温液态金属的污染，保护是焊接冶金的首要任务。实际上，焊接方法的分类标准之一就是保护方式。保护方式保护物质在焊接材料中的形态典型焊接方法熔渣保护焊条药皮焊条电弧焊（不含造气剂）焊剂埋弧焊、电渣焊气体保护气体TIG、MIG、MAG、等离子弧焊、激光焊、二氧化碳电弧焊渣-气联合保护药芯/气体、焊条药皮药芯焊丝电弧焊、焊条电弧焊（含造气剂）真空保护电子束焊自保护脱氧剂、脱氮剂自保护焊丝焊接熔化焊接常见保护方式及其典型焊接方法1）熔渣保护熔渣保护主要利用焊剂或焊条药皮熔化形成的熔渣覆盖在焊接区金属（熔滴和熔池）表面将空气隔开而实现保护。典型焊接方法：埋弧焊、焊条电弧焊（无造气剂）埋伏焊保护示意图焊条电弧焊（无造气剂）保护示意图2）气体保护气体保护是利用外加气体对焊接区金属进行保护的一类焊接保护方式。典型焊接方法TIGMIG等离子弧焊激光焊MAG二氧化碳电弧焊惰性气体惰性气体+活性气体二氧化碳气体3）渣-气联合保护渣气联合保护是利用熔渣和气体联合保护的方式。典型焊接方法：焊条电弧焊（有造气剂）、药芯焊丝电弧焊。焊条电弧焊（有造气剂）保护示意图药芯焊丝电弧焊保护示意图4）真空保护真空保护是将空气从焊接区抽离而实现保护。典型焊接方法：真空电子束焊、真空激光焊、真空电弧焊5）自保护自保护是通过在焊丝中添加脱氧剂和脱氮剂（氧和氮的强亲和元素），焊接过程中脱氧剂和退氮剂与有空气进入焊接区金属氧和氮反应生成氧化物和氮化物并形成熔渣，从而实现降低焊缝金属中氧和氮含量的方法。焊接化学冶金体系是指焊接过程中热源作用区域内金属、气体、熔渣等物质的总和。焊接化学冶金体系取决于焊接方法，特别是保护介质。2、焊接化学冶金体系金属-熔渣：主要设计金属与熔渣相互作用的渣保护类焊接方法金属-气体：主要是焊接去金属与气体间的相互作用金属-熔渣-气体：既有熔渣参与冶金反应，又有气氛参与冶金反应。药皮反应区；熔滴反应区；熔池反应区。1、焊接化学冶金反应区3.1.2焊接化学冶金系统特点不同的焊接方法化学冶金系统也不尽相同：焊条电弧焊熔化极气保焊熔滴反应区；熔池反应区。TIG自熔焊熔池反应区焊条电弧焊冶金反应区示意图1）药皮反应区药皮反应区是指焊条端部药皮开始发生变化的温度到药皮溶点之间的区域。特点：温度较低，对钢焊条温度范围为：100~1200℃。水分的蒸发当超过100℃时，吸附水汽化；当200~400℃时，白泥、云母等释放结晶水；当温度更高时，化合水分解析出。物质的分解有机物（纤维素、淀粉等）CO2、CO、H2矿物质（大理石、钛铁矿等）CO2、CO、O2；MO铁合金的氧化先期脱氧：在药皮加热阶段，通过固态药皮中的合金元素的氧化反应，降低焊接区气相氧化性的过程。水分蒸发和药品分解的气体对被焊金属和铁合金有很强的氧化作用。2）熔滴反应区熔滴反应区是指从焊条（或焊丝）端部熔滴形成、长大到过渡至溶质前的整个区域。气体的分解和溶解；金属的蒸发；金属的氧化和还原；焊缝的合金化。主要反应：熔滴反应区的特点反应温度高反应相间接触面积大反应时间短反应相间混合强烈3）熔池反应区熔池反应区是所有熔化焊方法共有的反应区，随着焊接方法的不同，其反应体系既有金属-熔渣、金属-气体，也有金属-熔渣-气体体系。熔池尾部：放热反应溶池头部：吸热反应金属的熔化、气体的吸收；金属的凝固、气体的逸出。主要反应反应特点反应速率低反应区域不一致反应在一定的搅拌作用下进行的合金元素在不同阶段的损失尽管熔池阶段的反应时间比熔滴阶段长（数秒到数十秒），但由于反应温度低、反应相之间接触面积小，使得熔池阶段反应速率比熔滴阶段低，对整个化学冶金反应的贡献也较熔滴阶段小。开放性；温度不均匀性；过程的短暂性。2、焊接化学冶金系统的不平衡性焊条电弧焊冶金反应区示意图焊接化学冶金过程影响因素反应物质反应条件反应体系反应物质的数量（浓度）焊接方法焊接工艺熔合比（θ）保护物质的相对量熔滴过渡特性焊接电流/电压熔滴过渡特性3.1.3焊接化学冶金的影响因素熔合比：在焊缝中熔化的母材所占的比例。当母材与焊材的成分不同时，熔合比对焊缝金属的成分有很大影响。熔合比的数值取决于焊接方法、规范、接头形式和尺寸、母材性质等。ebCCC)1(0C0—焊缝中的浓度；Cb—母材中的浓度；Ce—焊材中的浓度θ—熔合比考虑到焊接过程中焊材损失，用熔敷金属中的浓度Cd代替Ce。1、熔合比若不考虑合金元素的损失：多层焊时，如果各层间的熔合比是恒定的，则可以得出第n层焊缝金属中元素浓度的计算式为：Cn=Cd-(Cd-Cb)θn通过上面两式可以看出，通过熔合比可以改变焊缝金属的化学成分：要保证焊缝金属成分和性能的稳定，必须严格控制焊接工艺条件；堆焊时要调整焊接规范，尽量减小熔合比；异种材料焊接时，要根据熔合比合理选择焊接材料。2、保护物质的相对量保护物质的相对量是指焊接材料或焊接过程中保护物质的含量或相对消耗量。如焊丝药芯中保护物质的含量、焊条（或药芯焊丝）的药皮（或药芯）质量系数Kb，保护气流量等。熔敷金属中的含氮量与焊丝药芯中保护物质含量的关系熔滴和熔敷金属中硅的含量与Kb的关系3、熔滴过渡特性的影响熔滴反应区进行的冶金反应最为激烈，对焊缝成分产生重要的影响。而熔滴过渡特性决定了熔滴的温度、存在时间以及相接触程度等，对冶金反应有重要影响。CO2保护焊焊丝中Si元素的损失率φ短路过渡比大颗粒过渡小；随熔滴的过渡频率提高而减小。CO2气体保护焊焊丝合金元素损失率与熔滴过渡频率的关系4、焊接电流/电压一般地、熔滴阶段的反应时间(或熔滴存在时间)随着焊接电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。熔敷金属中硅的含量与电弧电压和电流的关系1、2-焊条电弧焊（2.5mm，Kb=0.7）3、4药芯焊丝电弧焊（4.0mm，Kb=0.66）熔敷金属中硅含量随焊接电压增加而增加，随焊接电流增加而减小