26-48620-焊接治金学.doc

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，CO2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，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=HIH为焊条的平均熔敷速度，体现了生产率的大小。 损失系数=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-H/PH=(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=4R2/(4/3R3)=3/R熔滴的比表面积是相当大的，S=100010000Cm3/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/=(m0/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：1600C0（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，P2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，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/Gp2、 熔池质量和存在时间 tmax=L/v tcp=Gp/vAw 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。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。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T100C0，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。化合水指不是以单一水分子形式存在。白泥：Al2Si2O5(OH)4 2MnO2=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；气体的分解和溶解；氧化还原；掺合金。熔池反应区1）熔池温度度16001900 2) 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=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：K2CO3、CaCO3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-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,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,CaF2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:SiO2、TiO2、CaO、云母、长石中含K2O、Na2O等，稳弧性好。判定稳弧性：测最大的燃烧电弧长度LmaxLmax稳断弧长度越大,稳弧性越好.示波器,观察电流,电弧电压波形的变化情况.控制低氢型焊条稳弧性方法：a)CaCO3/CaF2比例控制并加入K1.62.5、K2CO3 K直流飞溅.焊条的熔化速度1）焊条的熔化速度焊接过程中,焊条的熔化速度反映着焊接生产率的高低,也是工艺性能方面的一个重要指标.焊条的熔化速度与它的熔化系数有关,可用焊条的熔化系数表示.焊条的熔化系数:单位时间内,单位电流所能熔化的焊芯金属重.符号表示: 单位克/安一小时焊条的熔化系数的影响因素:）药皮成分的影响药皮成分对电弧电压有影响,电弧电离电位越低,电弧电压越低,产生热量少小。U药皮成分对熔滴过渡形态有影响,增多碳酸盐减少碳酸盐,细化熔滴短路过度U,颗粒过渡U,射流过渡, 最大.焊条熔化与药皮的导电性和导热性有关,以为主,渣导热性差,导中性好,电阻热作用,导致药皮易于发红,钛型.钛型.钛钙型,若药皮中加入发热剂,氧化铁型加速药皮熔化大,氧化铁型.药皮成分中含有进行放热反应的物质时,加速焊条熔化为了提高生成率,铁粉焊条提高熔敷放率是指熔敷金属量与熔化的填充金属量的百分比。例：J422Fe160表示加纯铁粉熔敷效率为160%的J422.）电流种类与极性直流正接:电弧电压和熔化系数变化很大,此时焊条接阴极,药皮成分对阴极压降影响较大,药皮成分的改变直接影响着电弧电压变化,使也发生变化.直流反接:电弧电压和熔化系数变化最小.交流:处于中间状态.药皮发红问题指焊条焊一半时后部焊条,由于焊条药皮温升过高而发红,开裂脱落的现象,JXX1、JXX2导热性差,导中性好,不锈钢最为严重.解决办法:提高电弧能量,减少熔化时间,减少电阻热.加入发热剂,促进药皮熔化.例JXX48、焊条发尘量气体的毒性分为两种一种是细微的蒸发锰产生的毒性,称为锰中毒.特点:作用缓慢,但长时间吸入锰尘,会使人中毒致病而又不易治疗.酸性焊条中加入较多的锰铁,用于脱氧,渗合金提高抗裂性能,但在酸性焊条中,锰尘的含量尚未达到明显危害的程度.另一种是氟中毒,即当药皮中含有大量莹石时,在焊接过程中会有气体析出,这种毒气作用较快,亦有人认为,不但而且NaF、KF更易使人中毒致病.低氢型焊条药皮中含有萤石较多, NaF、KF的沸点较低,易蒸发,因此,低氢焊条发尘量和尘中的致毒物多.改善方法:. 减小发尘量. 减小尘中致毒物质数量具体措施:减少药皮中萤石的含量,(保证机械性能的前题下,否则萤石含量过低时,焊缝易出气孔.)减小水玻璃药皮中一般用水玻璃为粘结剂,含有一定量的K、Na目前,有的地方采用硅酸乙酯和硅溶胶代替水玻璃,降低了碱性焊条的发尘量.减少电弧的过热程度. 各种类型结构钢焊条的工艺性能对比药皮类型主要原料电流种类碱.酸性特点1钛型 硅酸盐交.直酸易引弧.脱渣.熔深浅.外型美观2钛钙型钙镁碳酸矿石20%交.直酸电弧较稳流动性好,飞溅小.成型3钛铁矿型钛铁矿交.直酸脱渣容易,更盖好,熔深较深4氧化铁型多量氧化铁.锰铁脱氧剂交.直酸易引弧.弧稳.抗裂性良好,飞溅稍多5纤维素型15%以上有机物30%TiO2交.直酸电弧强,熔深大,熔化V大,渣少,飞溅一般6低氢型碳酸盐矿石,萤石,加稳弧剂交.直碱碱度大,焊缝金属纯度高,塑.韧性好7低氢型CaO-CaF2直碱工艺性能较差,气孔敏感毒性五、焊条的冶金性能（一）. 钛钙型焊条E4303（J422）渣系，酸性焊条:熔渣碱度为.,属于酸性渣，气渣联合保护。以为主, 的原料是金红石,钛白粉还原钛铁矿等.云母、长石、白泥大理石、白云石，造渣、造气剂、为主，加之其它物质。1、氧化和脱氧反应1）、铁的氧化:焊接前,药皮中含FeO为.%,焊后熔渣中FeO数量增到.%,这主要是由于铁的氧化引起,铁被电弧中的氧直接氧化引起 氧直接使铁氧化使铁氧化水蒸气使铁氧化渣中氧化物使Fe氧化由还原引起2）、脱氧锰脱氧焊前药皮中含锰.%,不含,但焊后熔渣中含.%的,其原因为:锰在药皮加热阶段进行先期脱氧熔池,熔滴阶段进行沉淀脱氧使熔渣中增加了含量.硅脱氧焊前焊芯含硅量为.%,焊后熔敷金属中含硅量为.%硅在熔池后期脱氧生成来不及转移到渣中,而夹杂到焊缝中,使含硅量有所增加.碳的氧化与脱氧碳为.减少到.%,说明焊芯中的碳没有完全过渡到焊缝中去,有一小部分被氧化.还原反应，使焊缝增硅. 脱硫S从.%增到.%.脱 从.%增到.%由于渣中CaO、MnO量少, 、含量较高,难以进行脱.反应,严格限制原材料含.量.5、 合金化锰铁主要是脱氧、脱硫，合金化必需是另外加入所需元素。6.气孔敏感性 焊皮中加入大量造渣,造气剂,焊后产生相当数量的熔渣和气体,具有较强的隔绝空气能力,量不多.熔渣氧化、CO气孔，调整氧化性防止产生两大类气孔。（二）.低氢焊条渣系，碱度高达.。以为主、大理石、白云石萤石云母、长石、白泥铁合金Mn-Fe、。1、氧化反应控制:由于强碱性氧化物,主要是钛、硅锰联合脱氧。焊接区气氛的氧化性强,熔渣的氧化性小总含氧量为.%.2、对氢的控制:含氢量少.原因:a)碱性焊条不加或少加含氢物质b)氧化性能, 、c) 去氢作用含氢量低故抗冷裂纹性能好.3、对硫.磷的控制脱效果好, 含量高,由.%降到.%脱磷效果较差.%增到.%.4、烟尘由于氟中毒，危害较大，是低氢型焊条研究的重要课题。该类焊条，机械性能比钛钙型焊条好,尤其韧性好，硫、磷、氧、氢量少，用于焊接重要结构,各种合金钢。但工艺性能差主要是稳弧性、脱渣性差，烟尘大。.六、.焊条的设计见焊条实验指导书。第二节 焊剂一.焊剂的类型焊剂和焊丝都是埋弧焊，电渣焊时使用的焊接材料。焊剂相当于焊条药皮，焊丝相当于焊条药芯。埋弧焊、电渣焊多用于焊接钢，少数用于焊接有色金属。钢用焊剂分类：.按制造方法分类()熔炼焊剂：将原料按配方比例配成炉料，放在电炉或火焰炉中熔炼，这种焊剂叫熔炼焊剂。()非熔炼焊剂：依烘熔温度不同分i.陶质焊剂：使原粉料按比例混拌后加水玻璃，制成湿料制成颗粒，一般为.mm、在350500烘干即成。 ii.烧结焊剂,把湿料压成块,在7501000烧结后,破碎成一定尺寸的颗粒使用2.按焊剂化学成分分类(1).按氧化物性质分酸性焊剂、中性焊剂、碱性焊剂(2).按含量分i、高硅焊剂：焊剂含30%ii、中硅焊剂：焊剂含1030iii、低硅焊剂：焊剂含30%ii、中锰焊剂：含1530%iii、低锰焊剂：含25%iV、无锰焊剂：不加，焊剂中是混入的杂质30%ii、中氟焊剂：含1030%iii、低氟焊剂：含%，高有通过焊剂向焊缝里过渡硅作用。高硅焊剂又可分为高硅高锰焊剂，高硅中锰焊剂、高硅低焊剂、高硅无锰焊剂。如图当()%焊缝中锰是增加的（大于焊丝中量）浓度达到左右不再增加了。高硅焊剂与焊丝配合：(1)高硅无锰焊剂配合高锰焊丝（1.51.9%）(2)高硅中锰焊剂配合含锰焊丝（0.81.1%）?焊剂中？浓度对焊缝金属含锰量的影响(3)高硅高锰焊剂应配合低碳钢焊丝或含锰焊丝，主要用于焊接低碳结构钢或某些低合金钢。.中硅焊剂含数量较低，.().量较多，碱度较高属于弱氧化性焊剂。中硅焊剂配合适当焊丝焊接合金结构钢，弱氧化性中硅焊剂，焊缝金属含量高，抗冷裂纹能力弱。在中硅焊剂中加相当数量，氧化性这种焊剂为中硅氧化性焊剂，焊缝金属中又具有相当高的韧性，用于焊接高强钢。.低硅焊剂焊剂由.组成，焊剂对基本金属元氧化作用，配合相应焊丝焊接高合金钢如不锈钢等。(二).陶质焊剂陶质焊剂与熔炼焊剂相比具有下列优、缺点。.陶质焊剂中加脱氧剂、脱氧充分、熔炼焊剂中则不能加脱氧剂。.加合金剂、合金化强。.抗气孔能力比熔炼焊剂强。.对焊接参数变动敏感，会引起焊缝化学成分不均匀。.吸湿性大，易增加焊缝含氢量，必须焊前烘干。.生产成本低、节能、生产效率高。目前有五种类型型号SJ后三位数表示主要组成成分分类的代码SJ 101氟碱型 IIWSJ 301硅钙型 FB SJ 401硅锰型 CS SJ 501铝钛型 MS SJ 502铝钛型 AR 第三章焊接结晶过程 焊接过程中焊缝及母材金属发生一系列金属形态的变化，包括焊缝金属的凝固和结晶，母材与热影响区金属在焊接加热和冷却过程中的组织变化，以及凝固结晶相变有密切关系的各种缺陷的形成，这些过程直接关系到焊后接头的性能，因此，有必要对焊接结晶过程进行研究。3-1 熔池的凝固一 熔池的结晶特殊性1 熔池体积小，冷却速度大手工电弧焊V=2-10cm3 Vmax=30 cm3重量最大为100g铸锭： 几吨几十吨焊泠=4100/s铸= （3150）10-4 C/S焊接冷却速度比铸件冷却速度大10000倍左右，由于体积小，冷却速度快，对含碳量高的合金钢易产生淬硬组织，裂纹，熔池中心与边缘有较大的温度梯度，焊缝中柱状晶长大，焊缝中没有等轴晶。2、 过热度大熔池温度溶滴2300200铸件浇铸温度1500过热度大，烧损合金元素，如自发晶核的质点减少，柱状晶长大。3熔池在运动中结晶熔池前部金属熔化，后部金属结晶。在焊接过程理论鲍戈金阿历克谢夫著中有这样论述焊接熔池所特有的金属结晶过程，与铸锭的金属结晶过程不同之处有下述各点。1. 焊接熔池即受焊接火焰的加热作用，同时又受到固体金属的冷却作用；2. 焊接熔池的液体金属为加热到不同温度的固体金属所包围。焊接熔池侧壁的焊件金属加热的程度比熔池后壁焊缝金属的加热程度小。3. 焊缝金属的平均结晶速度等于熔池的移动速度，也就是等于焊接速度。二 熔池结晶的一般规律 焊接时，熔池金属的结晶与一般炼钢时钢锭的结晶一样，也是在过冷的液体金属中，首先形成晶核和晶核长大的结晶过程。生核热力学条件是过冷度而造成的自由能降低；生核的动力学条件是自由能降低的程度。 从金属学的结晶理论可知：金属的结晶过程必须是液态金属的温度降低到“理论结晶温度”以下才能进行。液态金属缓慢冷却时，当温度降到某一点便开始结晶，直到全部结晶成固态金属为止。在缓慢冷却条件下，结晶时由于放出“结晶潜热”，补偿了热的损失，所以在冷却曲线上便出现了一个水平台，平台对应的温度即为纯金属的“理论结晶温度”T。在实际生产中，总是具有一定的冷却速度，有时甚至很大，在这种情况下，纯金属的结晶过程在一定的温度过冷下才能进行。T1低于T0过冷度，冷却速度越大，则所测得的实际结晶温度越低，过冷度越大。从图中还可以看出，液态金属座结晶开始到结晶完了是需要一定时间，这就体金属中产生一批晶核，然后这些晶核就吸附周围液体中的原子面成长，同时，还会有新的晶核不断从液体金属中产生，长大，直到全部液体都转变为固体，最后形成由许多外形不规则的晶粒所组成的多晶体。 结晶过程就是由晶核的产生和成长两个基本过程所组成。1、 生核 熔池中晶核的生成分为：非自发晶核、自发晶核。 形成两种晶核都需要能量1） 自发晶核自发临界晶核所需的能量：新相与液相间的表面张力系数。 Fr：单位体积内液固两相自由能之差。 2） 非自发形核？：非自发晶核的浸润角见图3-3=0 EK=0液相中早有悬浮的质点或现成表面。它们本身就是晶核。当=180，EK= EK自发晶核=0180时，EK/ EK=01说明非自发形核所需能量小于自发晶核。角的大小决定新相晶核与现成表面之间的表面张力。若新核与液相中厚有现成表面固体粒子的晶体结构越相似表面张力越小，越小，EK越小。焊接时存在两种非自发晶核质点，一种是合金元素，另一种是现成表面， 焊接熔池边界，正是固液相的相界石，熔池边界半熔化的母材晶粒表面为新相晶核的“基底”。2成长原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝中部发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。晶粒长大要具有一定结晶位向，在焊缝边界，作为晶核基底的母材晶粒是各向异性的，即结晶位向不同，因此在某一个方向上晶粒最易长大；晶核的成长是一个原子厚度从液相中吸收原子集团来进行的并连续不断地吸附在晶体表面的小台阶处而迅速长大。Fe、Cr、Cu、Ni点阵，立方结晶有利位向（1、0、0）散热最快方向，垂直等温面、等温线的结晶位向与散热最快的方向一致，晶粒最易长大，与熔池结晶等温面相垂直的方向，也就是最大温度梯度的方向。 焊接时非自发晶核依附在半熔化母材晶粒表面上，以柱状晶的形态不断成长，形成联生结晶。所谓联生结晶是指依附在半熔化的母材表面，成长成与母材具有共同晶粒的现象，也称交互结晶。可见金相照片。三 熔池结晶线速度任意晶粒主轴在任一点A成长的平均线速度方向是A的切线（SS线）此方向与X轴交角为，在dt时间内AB移动dx距离，晶粒主轴由A成长到C，若dx很小，则可把AC=AC？同时认为ABC为直角，见图3-8，令AC=ds，则同除dt则 厚大焊件的表面上快速冷却时：热扩散率 （cm2/s）vc : 晶粒成长的平均速度v : 焊速 : v0和vc的夹角薄板上自动焊接1 晶粒成长的平均线速度是变化的y=0B时Ky=1 熔合线处 =90Ky=1 v0=0晶粒在区上刚成长瞬时，成长方向垂直于熔合区，平均线速度为0.=0 Vc=V焊道中心处，焊速即是晶粒平均线速度。=090 Vc=V0 即，晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合线处最小，在焊道中心处最大，为焊速。2 焊接规范的影响当焊速大时， 则越大，晶粒主轴的成长方向垂直于焊缝中心线，称为定向晶。当焊速小时，晶粒主轴的成长方向弯曲，形成偏向晶。四 金属的微观结晶形态（一）纯金属的结晶形态 纯金属指不含杂质的理想情况，此时金属是在一个确定的温度下结晶的，结晶时，固相和液相成分相同。 G0时 G-温度梯度（正的温度梯度）液相温度低于固相温度，过冷度小，结晶缓慢，形成平面晶。如图3-16a、b。 G0，结晶界面呈平面型。2 胞状结晶产生条件：过冷度很小。特征：断面六角形，细胞或蜂窝状。胞状结晶发生在具有很小的浓度过冷的条件下，平面晶处于不稳定状态，时而产生实起部分，有于存在着过冷度，凸起就更迅速的向前伸长，但由于浓度过冷很小，达到一凸起程度时，凸起部分迅速析出结晶潜热，提高了附近液体的温度，改变了温度梯度，同时界面溶质浓度发生了变化，使浓度过冷消失，凸起部分不再继续凸起，处于一种稳定的胞状界面状态。见图3-20。3 胞状树枝结晶产生条件：过冷度稍大。特征：主干四周伸出短小二次横枝，纵向树枝晶断面胞状。见图3-224 树枝状结晶：产生条件：过冷度较大。特征：主枝长，主枝向四周伸出二次横枝，并能得到很好的生长。由于浓度过冷范围大，在一个晶粒内生长出一个很长的主干，同时主干向横向排出溶质，横向也产生较大的浓度过冷域，主干向四周伸出的二次横枝也得到很好的生长，生产的二次横枝抑制了周围其它亚晶的生长，而形成了粗大的树枝状结晶。见图3-24。5 等轴晶产生条件：过冷度大。特征：结晶前沿长出粗大树枝晶，液相内，可自发生核，形成自由长大的等轴树枝晶。见图3-26。C0、R、G对结晶形态的影响见图3-28。l R、G一定C0向等轴晶方向发展。l C0、G一定R平面晶向等轴晶发展。l C0、R一定G向平面晶发展。（四）、焊接条件下的凝固形态焊接条件下的凝固形态见图3-29。焊缝成分对结晶形态有影响，还与焊接规范参数有关。熔池中成分过冷的分布在焊缝的不同部位是不同的，将会出现不同的结晶形态。在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G大，结晶速度R小，故成分过冷接近于0，得以平面发展。当远离熔化边界向焊缝中心过渡时，G，R，因此以平面晶胞状晶树枝柱状晶等轴晶发展。但并不是所有焊缝都有这几种结晶形态。1、熔质浓度影响：纯AL 99 .99%焊缝熔合线附近为平面晶中.S为胞状晶，若C0纯AL 99.6%，焊缝出现胞状晶，中.S.等轴晶。2、 焊接速度的影响V，熔池中心的温度梯度下降很多，使熔池中心的成分过冷很大，中心往往出现等轴晶。V小，熔合线附近出现胞状树枝晶。3、 电流的影响：I小，胞状晶I较大，胞状树枝晶I大，粗大树枝晶焊接速度过大时，焊缝中心出现等轴晶，低速时，焊缝中心有胞状树枝晶。焊接电流大时，出现粗大的树枝晶。五、焊缝金属的化学不均匀性和夹杂（一） 焊缝中的化学不均匀性化学不均匀性：结晶过程中化学成分的一种偏析现象。1 显微偏析：枝晶偏析指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。如图3-34树枝中心，m表示树枝区域。I偏析严重。A、M表示树枝晶的间界。其中Ke最易偏析元素；先结晶M处Ni低，A与M点，Ni高。 1）产生原因：l 选择性结晶，焊接时，冷却速度大，液固界面溶质来不及扩散，结晶有先后之分，纯金属先结晶，杂质后结晶。胞状晶，晶粒内部浓度低，晶界处溶质浓度高。树枝晶，主干处溶质浓度低，树枝区域浓度较高，晶界处浓度最高。l 结晶形态不同结晶形态，偏析不同。以Mn为例： 位置 Mn%树枝晶界 0.59 （树枝晶界偏析最严重）胞状晶界 0.57胞状晶中心 0.47 （希望晶粒越细化越好）2）影响因素l 冷却速度v冷小，可以有充分时间溶质进行扩散，显微偏析减少；v过大，溶质来不及扩散整个液体金属瞬时凝固，偏析程度小。l 原始浓度 C0溶质浓度C0 ，偏析加剧。枝晶偏析的结果，晶间含较多低熔点杂质，易于形成凝固裂纹。