第三章 焊接化学冶金过程.ppt

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1、第三章第三章 焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程一、焊接化学冶金的特殊性二、焊接区内的气体和焊接熔渣三、焊接区的气体、熔渣与焊缝金属的作用四、焊缝金属的合金化 焊接化学冶金过程：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。各种物质各种物质：气体、液态金属、熔渣。任务任务任务任务防止或减少有害杂质侵入防止或减少有害杂质侵入防止或减少有害杂质侵入防止或减少有害杂质侵入 减少合金元素烧损减少合金元素烧损减少合金元素烧损减少合金元素烧损 对熔化金属进行冶金处理对熔化金属进行冶金处理对熔化金属进行冶金处理对熔化金属进行冶金处理焊接化焊接化学冶金学冶金主要研究在各种焊接工艺条件下

2、，冶金反应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。焊接化学冶金的特殊性焊接化学冶金的特殊性普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比不同点：不同点：1）原材料不同 普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊冶材料：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 普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，放在特定的炉中进行。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。二者共同点二者共同点：金属冶炼加工。一、焊接时的焊缝金属保护1、焊缝金属保护的必要性光焊丝焊接时会有哪些现象？1、含N量达0.105%0.21

3、8%比焊丝中高2045倍2、含O量达0.14%0.72%比焊丝中高735倍3、Mn、Si等有益元素因烧损和蒸发而减少电弧燃烧不稳定 焊条粘钢板 操作困难 工艺性不好塑性、韧性急剧下降！低碳钢无保护焊时焊缝的性能光焊丝无保护焊接是没有实用价值！2、保护的方式、保护的方式真空保护真空保护CO2焊、TIG焊、MIG焊埋弧焊、电渣焊焊条电弧焊、药芯焊丝焊接真空电子束焊二、焊接化学冶金反应区1 1、药皮反应区、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。焊接方法不同，冶金反应阶段也不同。以焊条电弧焊焊条电弧焊为例1)水分蒸发2)某些物质分解3)铁合金氧化 主要物理化学反应：2 2）、熔滴

4、反应区）、熔滴反应区 指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到熔池之前 特点特点:)温度高（2800）)与气体、熔渣的比表面积大(103104cm/kg)时间短速度快)熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌、混合。主要物理化学反应：金属的蒸发、气体的分解和溶解、金属的氧化还原剂合金化。3 3、熔池反应区、熔池反应区 1、熔池温度低于熔滴（16001900）2、比表面积小（3130cm2/kg）3、时间长（38s）4、搅拌没有熔滴阶段激烈5、熔池温度分布不均匀特点：特点：焊接化学冶金反应的特点：1、高温多相反应3、系统的不平衡性2、分区域连续进行气体对熔池金属的作用气体对熔池金属的作用一、焊接区内气体的来源与组

5、成 气体的来源二、氮对熔池金属的作用 溶解、对焊接质量的影响、控制措施三、氢对熔池金属的作用 溶解与扩散、对焊接质量的影响、控 制措施 来源：来源：1.焊接材料、保护气体 2.热源周围的空气 3.焊丝和母材表面上的氧化物、铁锈、油污、油漆和吸附的水份等杂质。4.物质蒸发产生的气体 种类：种类：金属及熔渣蒸气一、一、焊接区内气体的来源与组成焊接区内气体的来源与组成1、有机物的分解和燃烧J有机物种类：淀粉、纤维素和藻酸盐J作用：酸性焊条造气剂和增塑剂J分解：220 320 分解50%；800 完全分解J分解产物：CO2、CO、H2气体的产生气体的产生J碳酸盐：CaCO3、MgCO3、CaMg(CO

6、3)2作用：焊条造气剂分解：CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 分解产物：CO2,COJ高价氧化物：Fe2O3和MnO2 Fe2O3=Fe3O4+O2 Fe3O4=FeO+O2 分解产物：O2和低价氧化物FeO和MnO2、碳酸盐和高价氧化物的分解气体的产生气体的产生J100：吸附水蒸发J400 600：药皮结晶水分解蒸发J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3、物质的蒸发及冶金反应气体的产生气体的产生4、直接输入或侵入(空气、保护气体)二、氮与金属作用 来源：来源：主要是焊接区周围的空气。n氮与金属作用有两种情况：1、不与氮发生作用的金属，即

7、不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。（Cu、Ni）2、与氮发生作用的金属，即能溶解氮又能形成氮化物，这种情况下就要防止焊缝金属的氮化。（Fe、Ti、Mn、Si）氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系1 1、氮在金属中的溶解、氮在金属中的溶解 1）原子N形式溶于液态金属 2）以NO形式溶入 3）以氮离子（N+）形式溶入 2 2、氮对焊接质量的影响、氮对焊接质量的影响 1)气孔气孔 2)力学性能变差力学性能变差3）时效脆化时效脆化4)有利一面有利一面 3 3、影响焊缝含氮量的因素及控制措施、影响焊缝含氮量的因素及控制措施 1)1)机机械械保保护护：气-渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于造渣

8、型焊条：保护效果取决于药皮的数量及成分 2)2)焊接工艺规范影响焊接工艺规范影响：3)3)焊焊丝丝成成分分的的影影响响：增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量；加入亲氮大的元素三、氢对金属的作用氢对金属的作用 1、氢在金属中的溶解、氢在金属中的溶解（1）来源来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物、焊件表面杂质（锈、油）、空气中水分第一类能形成稳定氢化物金属(Zr、Ti、V、Ta、Nb)第二类不形成稳定氢化物的金属(Al、Fe、Ni、Cu、Cr)（2 2）氢在金属中的溶解）氢在金属中的溶解 焊接区的氢可以处于分子、原子和离子状态 n氢以原子形式溶入n以 溶入 n以 溶入 （3

9、3）在铁中溶解度的影响因素在铁中溶解度的影响因素 Zr、Ti、Nb提高氢的溶解度Ni、Cr、Mo影响不大C、Si、B降低O能有效降低氢的溶解度 钢的组织结构氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系2 2、焊缝金属中的氢及其扩散、焊缝金属中的氢及其扩散 扩散氢扩散氢：固溶在钢焊缝中的氢原子和氢离子，由于半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散。残余氢残余氢（剩余氢）：部分氢扩散集聚到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂等空隙中，结合成为氢分子，因为半径大，不能自由扩散。氢在焊接接头中，既能在焊缝中扩散，也能向近缝区扩散，并能扩散到近缝区相当大的深度。在焊缝中，氢沿焊缝长度方向的分布基本均匀，只是在弧坑处含氢量

10、高，所以在弧坑处容易产生氢缺陷。在近缝区，熔合线处的含氢量高低影响到此接头是否容易在此处产生冷裂纹。含氢量越高越容易产生冷裂，因为氢的存在是接头产生冷裂纹的三大因素之一。焊缝中含氢量与焊后放置时间的关系1总氢量 2扩散氢 3残余氢3 3、氢对焊接质量的影响、氢对焊接质量的影响 n暂态现象：脆化、白点、硬度升高 （经时效、热处理可消除）n永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、冷裂纹 （不可消除）（1）氢脆氢脆：氢在室温附近使钢的塑性严重下降 的现象。原因：由溶解在金属晶格中的氢引起的在拉伸和弯曲过中，溶解在晶格中的原子氢沿位错方向扩散和聚集成氢分子，在显微空腔中产生很高的压力，造成应力集中，超过钢

11、的强度极限。（2 2）白点：白点：断面上呈光滑的银白色的斑点 焊缝产生白点，其延伸率显著下降，尤其是断面收缩率和冲击韧性 产生原因：产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。铁素体和奥氏体钢焊缝不出现白点（3 3）气孔）气孔 （4 4）冷裂纹）冷裂纹气泡的外逸速度小于焊缝金属凝固速度焊接接头冷却到较低温度时产生的裂纹4 4、控制氢的措施、控制氢的措施（1）限制焊接材料的含氢量，药皮成分 提高烘焙温度、防潮（2）严格清理工件及焊丝 去锈、油污、吸附水分（3）冶金处理 降低气相中氢的分压：在药皮和焊剂中加入氟化物 控制焊接材料的氧化还原势 加入微量稀土元素（4）控制焊接工艺参数（5）焊后脱氢处理 焊后

12、把焊件加热到一定的温度，使氢扩散 外逸的工艺四、氧对金属的作用 1、氧在液态铁中的溶解、氧在液态铁中的溶解（1）以原子O形式溶解T，溶解度（2）以FeO形式溶解第二种合金元素，溶解度温度的影响合金元素的影响2、金属被氧化的途径、金属被氧化的途径（1）气相中氧化性气体（O2、CO2、H2O）等与金属相互作用（2）氧化性熔渣与金属相互作用（3）焊件坡口和填充金属表面上的氧化物与金属相互作用3、自由氧对焊缝金属的氧化、自由氧对焊缝金属的氧化Fe+1/2O2=FeO+26.97kJ/molFe+O=FeO+515.76kJ/molC+1/2O2=COMn+1/2O2=(MnO)Si+O2=(SiO)4

13、、CO2对焊缝金属的氧化对焊缝金属的氧化CO2=CO+1/2O2Fe+CO2=FeO+COCO2保护焊须采用含硅、锰高的焊丝5、H2O气对焊缝金属的氧化气对焊缝金属的氧化Fe+H2O气=FeO+H26、混合气体对焊缝金属的氧化、混合气体对焊缝金属的氧化7 7、氧对焊接质量的影响、氧对焊接质量的影响（1）力学性能下降（2）导致气孔产生 （CO气孔）（3）合金元素烧损（4）工艺性能变差 8 8、防止措施、防止措施 一防二脱 焊接熔渣焊接熔渣一、熔渣的作用、成分和分类二、熔渣的结构理论三、熔渣的碱度四、熔渣的物理性能 熔渣：熔渣：电焊条药皮、焊剂溶化形成的金属及非金属氧化物及复合物。1、熔渣的作用熔

14、渣的作用 1)机械保护作用 2)冶金处理作用 3)改善工艺性能 一、熔渣的作用、成分及分类一、熔渣的作用、成分及分类2 2、熔渣分类、熔渣分类第一类氧化型CaO-TiO2-SiO2 氧化性强 低碳钢、低合金钢第二类盐氧化物型CaF2CaO-SiO2氧化性小合金钢第三类盐型CaF2-BaCl2-NaF 氧化性很小 有色金属、高合金钢二、二、熔渣结构理论熔渣结构理论 液态熔渣的结构有两种理论：分子理论和离子理论 分子理论可简明的定性为解释熔渣与金属之间的冶金反应,但不能解释一些重要现象，如导电性、电解等。熔渣的碱度熔渣的碱度分子理论认为熔渣中的氧化物按其性质可分为三类1).酸性氧化物 SiO2 T

15、iO2 P2O52).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3三、三、熔渣的碱度熔渣的碱度 碱度：表征熔渣碱度强弱的物理量碱度B=碱性氧化物摩尔量（%）/酸性氧化物的摩尔量（%）当B1是为碱性渣，反之为酸性渣。四、四、熔渣的物理性能熔渣的物理性能 1、熔渣的粘度 长渣 短渣 温度下降、粘度下降；酸性氧化物（SiO2）使粘度增加；2、熔渣的表面张力 实际气相与熔渣间的界面张力。键能越大表面张力越大。3、熔渣的熔点 药皮的熔点 要求熔渣的熔点与焊丝和母材的熔点相匹配4、熔渣的密度熔渣的密度必须低于焊缝金属的密度5、熔渣

16、的线膨胀系数影响脱渣性焊接时的氧化还原反应焊接时的氧化还原反应一、金属的氧化反应 扩散氧化、置换氧化 二、脱氧反应 沉淀脱氧、扩散脱氧 一、金属的氧化反应熔渣对焊缝金属的氧化有两种形式：扩散氧化和置换氧化。1、扩散氧化扩散氧化：由熔渣向焊缝金属扩散而使焊缝增氧的过程。FeO既溶于熔渣又溶于液态钢。L=(FeO)/FeOTL焊接温度下，L12 2、置换氧化：置换氧化：焊缝金属与熔渣中容易分解的氧化物发生置换反应而被氧化的过程。(SiO2)+2FeSi+2FeO(MnO)+Fe=Mn+FeOT反应向右进行二、脱氧反应1、脱氧的目的和选择脱氧的原则、脱氧的目的和选择脱氧的原则目的：尽量减少焊缝中的含

17、氧量。一方面 防止被焊金属的氧化，另一方面 排除脱氧后的产物。2、脱氧物熔点低、密度小、不溶于液态金属量。选择脱氧剂的原则：1、在焊接温度下，脱氧剂对氧的亲和力比被焊金属的对氧的亲和力大。3、脱氧剂本身对焊缝金属的性能及工艺性能无害作用脱氧反应分区进行：先期脱氧、沉淀脱氧、扩散脱氧2 2、先期脱氧、先期脱氧药皮反应区Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO3 3、沉淀脱氧、沉淀脱氧 Mn的脱氧Mn+FeO=Fe+(MnO)Si的脱氧Si+2FeO(SiO2)+2FeSi/Mn联合脱氧溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反应，把铁还原，脱氧产物浮出液态金属。4 4

18、、扩散脱氧、扩散脱氧L=(FeO)/FeOTL在液态金属与熔渣界面上进行的。焊缝金属的脱硫、脱磷焊缝金属的脱硫、脱磷一、焊缝金属的脱硫 S的危害、控制措施二、焊缝金属的脱磷 P的危害、控制措施 硫的危害硫的危害一、焊缝金属的脱硫低熔点共晶：Fe+FeS(985)FeS+FeO(940)NiS+Ni(644)1.增加焊缝金属产生结晶裂纹的倾向；2.降低冲击韧性和抗腐蚀性。S的存在形式：MnS、FeSFeS的存在形式危害最大控制硫的措施控制硫的措施（1）限制焊接材料中含硫量 限制焊缝含硫量的关键。（2）用冶金方法脱硫脱硫反应实质：用某种元素（脱硫剂）与溶解在熔池中硫（或硫化物）生成在液态金属中不溶

19、解的产物，使其进入熔渣或经熔渣溢出。碱性焊条脱硫(碱性氧化物)(CaO)FeS(CaS)(FeO)(MnO)FeS(MnS)(FeO)脱硫剂：Mn+FeS=(MnS)+FeLgK=8220/T-1.86TK有利于脱硫(MgO)FeS(MgS)(FeO)锰、碱性氧化物二、焊缝金属的脱磷1.1.磷的危害磷的危害低熔点共晶：Fe3P+Fe(1050)Ni3P+Fe(880)1.增加焊缝金属产生结晶裂纹的倾向；2.降低冲击韧性、脆性转变温度升高（脆化）。P的存在形式：Fe2P、Fe3P（1）限制焊接材料中含磷量 药皮和焊剂中的锰矿是导致焊缝增磷的主要来源（2）脱磷反应 2Fe3P+5(FeO)+3(C

20、aO)=(CaO)3.P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4.P2O3+11Fe2.控制磷的措施控制磷的措施a）FeO将磷氧化生成P2O5b）使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐控制原材料的含磷量是限制焊缝含磷量的主要办法。焊缝金属的合金化焊缝金属的合金化一、焊缝金属合金化的目的 二、焊缝金属合金化的方式 三、合金元素的过渡系数及 影响因素 一、焊缝金属合金化的目的合金过渡（合金化）：合金过渡（合金化）：把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程。目的：目的：1.补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素的损失。2.消除焊接缺陷，改善焊缝金属

21、的组织和性能。3.获得具有特殊性能的堆焊金属。二、焊缝金属合金化的方式1、应用合金焊丝或带极2、应用药芯焊丝或药芯焊条3、应用合金药皮或粘贴焊剂4、应用合金粉末 药药 芯芯 焊焊 丝丝Flux cored wires药芯焊丝药芯焊丝三、合金元素的过渡系数及影响因素1.过渡系数：过渡系数：某合金元素过渡到熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比。M=M0(Msl+Mox)凡是能使渣中残留量和氧化损失量下降的因素,都可以提高合金元素的过渡系数.2.影响过渡系数的因素影响过渡系数的因素1）合金元素对氧的亲和力合金元素对氧亲和力越大，其氧化损失越大，过渡系数越小在1600各种合金元素对氧的亲和力由小至大

22、的顺序：Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al2）合金元素的物理性质沸点越低，焊接时其蒸发损失量越大，过渡系数降低。3）焊接区介质的氧化性4）合金元素的粒度5）合金元素的含量6）药皮（焊剂）的成分7）药皮（药芯）重量系数和焊接参数附录：药皮组成附录：药皮组成稳弧剂：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要纯化发醇加高锰酸钾纯化.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。附录：药皮组成附录：药皮组成