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第二章 焊接冶金学基础2.1 焊接化学冶金前言版权：TWI第二章 焊接冶金学基础2.1 焊接化学冶金v焊接化学冶金：焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。v焊接化学冶金的特殊性v焊接区内的气体和焊接熔渣v焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用v焊缝金属的合金化及其成分控制前言2.1.1焊接化学冶金的特殊性1、焊接区金属的保护保护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。保护方法真空：电子束焊气体：TIG焊,CO2,MIG熔渣：埋弧焊气-渣：手工焊、自保护药芯焊焊接材料熔敷金属成分性能变化低碳钢焊材熔敷金属成分及性能变化2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件（1）药皮反应区温度：100-1200（钢材）反应：水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化手工电弧焊（2）熔滴反应区2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件（2）熔滴反应区熔滴平均温度：1800-2400 熔滴金属与气体和熔渣的接触面积：比面积：1000-10000cm2/kg,比炼钢时大1000倍各相之间的反应时间（接触时间）：0.01-0.1s反应：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以及焊缝金属的合金化。特点：反应激烈、反应物含量离平衡浓度较远。2.1.1焊接化学冶金的特殊性2、焊接冶金反应区及其反应条件（3）熔池反应区熔滴和熔渣同熔化的母材混合形成熔池温度：1600-1900 比表面积：1300 cm2/kg反应时间：3-8S（SMAW）特点：熔池金属有规律的对流和搅拌运动，冶金反应比较激烈、熔池温度不均匀、同一反应在不同区域可能向相反方向进行。焊接熔池与熔滴的平均温度焊接熔池的物理参数2.1.1焊接化学冶金的特殊性3、焊接冶金反应分析温度变化范围大；停留时间短；基本排除了整个系统达到热力学平衡的可能性；不同条件下焊接冶金反应离平衡的远近程度不同；利用热力学原理定性分析冶金反应的进行方向和影响因素；2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分气体的来源焊接材料、保护气体焊材表面和母材坡口附近的吸附水、油、锈及氧化铁皮等物质的蒸发100：吸附水蒸发400-600：焊条药皮中的组分如白泥和云母中的结晶水被排除。电弧高温：金属元素和熔渣中的各种成分发生蒸发，如Fe,Mn及氟化物等有机物的分解和燃烧碳酸盐和高价氧化物的分解有机物的分解和燃烧有机物种类：淀粉、纤维素和藻酸盐作用：酸性焊条造气剂和增塑剂分解：220-320 分解50%；800 完全分解。分解产物：CO2,CO,H2碳酸盐和高价氧化物的分解碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO3)2作用：焊条造气剂分解：CaCO3 分解温度为545，剧烈分解温度为910；MgCO3 分解温度为325，剧烈分解温度为650。分解产物：CO2,CO,H2高价氧化物：Fe2O3和MnO2O2和低价氧化物FeO和MnO2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分气体的高温分解简单气体的分解：N2、H2、O2和F2复杂气体的分解：CO2和H2O双原子气体的分解度与温度的关系CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣1、焊接区内气体的来源和气相成分气相的成分焊接区经常同时存在多种气体，之间存在复杂的反应。典型的反应：焊接方法焊条/焊剂COCO2H2H2ON2SMAW钛钙型50.75.937.75.7SMAW纤维素型42.32.941.212.6SMAW低氢型79.816.91.81.5SAW33086.29.34.5SAW43189-937-91.32.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质（2）焊接熔渣的理化性质 2）熔渣的氧化性熔渣的氧化性取决于熔渣中的氧化物，FeO是熔渣的重要氧化源。通常用FeO的活度来代表熔渣氧化能力的强弱。3）熔渣的熔点一般比焊缝熔点低200-450 焊接熔渣的熔点过高，将使其与液态金属间的反应不充分，易形成夹渣。熔点过低，使熔渣的覆盖性能变差，焊缝表面粗糙不平。2.1.2 焊接区内气体和焊接熔渣2、焊接熔渣的类型及理化性质4）熔渣的粘度 (熔渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力)主要影响对金属的保护效果、焊缝成形、熔池中气体的外逸等；温度下降、粘度下降；酸性氧化物（SiO2）使粘度增加；2.1.3 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应1）氧对焊接质量的影响焊缝金属强度、塑性、韧性下降；引起金属红脆、冷脆和时效硬化；2）氧化还原反应判据 氧化物分解压氧化物分解达到平衡时氧的平衡分压，称为氧化物的分解压。反应系统中氧的分压2.1.3 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用1、焊接冶金过程中的氧化还原反应3）氧化气体对金属的氧化自由氧CO2H2O2.1.3 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接冶金过程中的氧化还原反应4）熔渣对金属的氧化扩散氧化焊接钢时，FeO既溶于熔渣又溶于液态钢。在两相中的含量符合分配定律:L=w(FeO)/wFeO；温度不变时，增加熔渣中FeO的含量，FeO将向熔池金属中扩散。置换氧化当熔渣中含有较多的易分解氧化物，则与液态铁发生置换反应，使铁氧化，氧化物中的合金元素被还原。（SiO2)+2Fe=Si+2FeO 2FeO=FeO+(FeO)2.1.3 焊接区内金属、气体与熔渣的相互作用焊接冶金过程中的氧化还原反应脱氧物不应溶于液态金属而应溶于熔渣，且熔点低、密度小，上浮至熔渣中，以减少夹杂物的数量。Mn、Si、Ti和Al常用于脱氧剂。5）金属的还原反应（脱氧反应）各种脱氧元素在焊接中被氧化，以降低焊接区的氧化性，使被焊金属及有益合金元素免受氧化；或使被氧化的金属从它们的氧化物中还原出来的反应。脱氧剂应在焊接温度下比被焊金属对氧具有更强的亲和力。1800 时，各种元素对氧亲和力从小到大的次序排列为：Ni、Cu、W、Mo、Fe、Cr、Nb、Mn、V、Si、B、Ti、Mg、C、Al、Ce。氢在焊接冶金中的行为及其控制氢对金属的影响氢脆气孔裂纹控制氢的措施限制焊接材料及母材中的含氢量冶金处理：通过调整焊接材料的成分，使氢在焊接过程中，生成比较稳定的、不溶于液态金属的氢化物，如HF。焊后脱氢处理：消氢处理。（焊缝中氮、硫及磷同样需要控制）2.1.4焊缝金属的合金化一、合金化方式 合金化（渗合金）：将所需的合金元素由焊接材料通过焊接冶金过渡到焊缝金属的反应。3、通过药皮、药芯和焊剂中的合金元素氧化物与Fe置换反应，还原合金元素。2、将粉末状态的合金加入药皮、焊剂中通过焊接过程过渡到焊缝金属中去。1、应用含所需合金元素的焊丝、带（板）极、焊条芯或药芯焊丝将合金元素过渡到焊缝或堆焊层中。2.1.4焊缝金属的合金化一、合金化方式 药药 芯芯 焊焊 丝丝Flux cored wires药芯焊丝药芯焊丝2.1.4焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数2.1.4焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数2.1.4焊缝金属的合金化二、合金元素的过渡系数过渡系数：某元素在熔敷金属中的实际含量与它在焊接材料中的原始含量之比。影响因素合金元素的物理化学性质合金元素的含量合金剂的粒度药皮、药芯或焊剂的氧化势（放氧量）2.1.4焊缝金属的合金化三、焊缝金属化学成分的计算熔合比：焊缝金属中熔化的母材所占的比例。熔合比概念示意图合金元素的实际含量：2.1.4焊缝金属的合金化四、焊缝金属化学成分的控制焊缝金属化学成分的控制改变熔合比熔渣有效作用系数焊缝金属成分的预测数学模型计算机2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.1焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程与铸造凝固过程的差别焊接熔池体积小，冷却速度高；平均100 /s，约为铸造的104。焊接熔池的液态金属处于过热状态熔池边界的温度梯度比铸造时高103 104倍。熔池在运动状态下结晶结晶前沿随热源同步运动液态金属受到力的搅拌运动熔池金属存在对流运动2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.1焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点外延结晶从熔池边界半熔化的母材开始生长非均质形核柱状晶形式外延结晶示意图2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.1焊接熔池凝固过程的特点焊接熔池凝固过程的特点择优生长每一种晶体点阵都存在一个最优结晶取向,对于立方点阵的金属（Fe,Ni,Cu,Al），最优结晶取向为。温度梯度大的方向，也是晶粒易于生长的方向。与焊接熔池边界垂直的方向温度梯度G最大。当母材晶粒取向与导热最快的方向一致时，即垂直熔池边界时，晶粒生长最快而优先长大。焊缝金属柱状晶的择优生长2.2 焊接熔池的凝固及焊缝相变组织2.2.2焊缝金属的结晶形态熔池中不同部位温度梯度和结晶速度不同，成分过冷的分布不同，焊缝各部位出现不同的结晶形态：平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶。焊缝中结晶形态的变化低合金钢焊缝的组织形态分类2.2.3焊缝金属的显微组织与性能（低合金钢）2.2.3焊缝金属的显微组织与性能（低合金钢为例）v铁素体v先共析铁素体v温度：770-680；v位置：沿奥氏体晶界v形态：长条形或多边形块状v性能特点：使韧性下降v侧板条铁素体v温度：700-550 v位置：从晶界铁素体侧面生长v形状：板条状v性能特点：使韧性下降2.2.3焊缝金属的显微组织与性能v铁素体v针状铁素体v温度：500；v位置：在奥氏体晶粒内部v形态：针状v条件：中等冷却速度v性能特点：韧性好v细晶铁素体v温度：500 以下v位置：在奥氏体晶粒内部v形状：细晶状v条件：存在细化晶粒的元素（Ti，B等）v性能特点：韧性好2.2.3焊缝金属的显微组织与性能v珠光体v接近平衡下的组织，焊接条件下很少产生。v贝氏体v上贝氏体v温度：550-450；v位置：沿奥氏体晶界析出v形态：平行的条状铁素体之间分布有渗碳体v性能特点：韧性较差v下贝氏体v温度：450-Msv形态：针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物v性能特点：强度和韧性都较好2.2.3焊缝金属的显微组织与性能v马氏体v板条马氏体v低碳低合金钢v奥氏体内部v细条状v综合性能指标在马氏体中最好v片状马氏体v焊缝中含碳量大于0.4%v粗大，经常贯穿奥氏体晶粒内部v硬度高而脆vM-A组元v富碳马氏体和残余奥氏体v硬度高2.2.3焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属连续冷却组织转变图2.2.3焊缝金属的显微组织与性能焊缝金属连续冷却组织转变图合金元素和含氧量对焊接CCT图的影响不同含氧量的Si-Mn系焊缝金属CCT图2.2.3焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显微组织和性能的途径1、优化合金成分1）严格限制有害的杂质元素：S、P、N、O和H；2）通过合金元素来提高焊缝韧性促使高熔点第二相质点的析出，通过定扎作用阻止奥氏体晶粒长大；降低奥氏体分解温度，减少边界铁素体的形成；在奥氏体内形成铁素体形核核心，促使奥氏体在500-550温度区间分解得到针状铁素体，防止在奥氏体晶界形成侧板条铁素体；防止M-A组元的形成；防止或减少低温产物马氏体、上贝氏体的形成；2.2.3焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显维组织和性能的途径3）配置多种微量合金元素，则可能在大幅度地提高焊缝金属的强度的同时提高韧性和抗裂性Mn和Si最为常用的强化焊缝的元素例如，对于低合金钢（C:0.10-0.13%）埋弧焊时，Mn、Si分别处于0.8-1.0%和0.1-0.25%时，可以得到细晶铁素体和针状铁素体，具有较好的韧性Mn和Si对低合金钢焊缝韧性的影响2.2.3焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显维组织和性能的途径在Mn-Si系基础上复合添加Ti和BB在高温下易向奥氏体晶界扩散，在晶界沉淀聚集而降低晶界扩散，使晶界奥氏体的稳定性增大，抑制了PF和FSP的形核与生长，从而使转变开始温度向低温方向移动。Ti与氧的亲和力很大，焊缝中的Ti以微小颗粒可以作为“钉子”位于晶粒边界，阻碍奥氏体晶粒的长大。2.2.3焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显维组织和性能的途径Mo降低奥氏体分解温度，抑制边界铁素体形成，加入少量的Mo不仅可以提高强度，同时也能改善韧性。Nb和V焊缝金属中可固溶，推迟奥氏体向铁素体的转变，能够抑制焊缝中现共析铁素体的产生，而激发形成细小的AF组织。稀土元素:Y，Ce，Te，Se促进组织细化，提高韧性2.2.3焊缝金属的显微组织与性能改善焊缝金属显微组织和性能的途径2、焊接工艺参数1）焊接热输入过大的热输入使结晶时产生粗大的柱状晶，同时，由于降低了冷却速度，可能得到较多的边界铁素体；过小的热输入，则在较高合金成分焊缝形成马氏体，也会使焊缝韧性下降。2）多层焊3）焊后热处理