Unit2-1-焊接化学冶金

Unit2焊接化学冶金,北京工业大学材料科学与工程学院2020年6月6日,2,2焊接冶金学,焊接材料,熔池凝固,焊缝固态相变,热影响区的组织和性能,焊接裂纹,焊接化学冶金,3,2焊接化学冶金,焊接化学冶金过程熔焊时焊接区各种物质之间在高温下相互作用焊接化学冶金学研究各种焊接工艺条件下，冶金反应与焊缝金属成分，性能之间的关系及其变化规律本课程：以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢时的冶金问题为重点,4,2焊接化学冶金过程的特点,复杂的高温多相系统三个相互作用的相：液态金属、熔渣和电弧气氛焊接区的不等温条件排除了整个系统平衡的可能性,改变焊接工艺条件必然引起冶金反应条件的变化，也就影响到冶金反应的过程熔合比熔滴过渡特性,焊接化学冶金分区域连续进行各区的反应条件也有较大差异影响到各区反应进行的可能性、方向、速度和限度,焊接过程必须对焊接区的金属进行保护以减少有害杂质的含量和有益合金元素的损失使焊缝金属的到合适的化学成分,保护,分阶段,工艺条件,不平衡,5,2.1焊接过程中对金属的保护,熔化金属与周围的空气会发生激烈的相互作用，使焊缝金属中氧和氮含量显著增加为提高焊缝金属的质量，必须尽量减少焊缝金属中有害杂质的含量和有益合金元素的损失，使焊缝金属得到合适的化学成分。对焊接区内的金属加强保护，以免受空气的有害作用焊接化学冶金的首要任务,6,2.1焊接过程中对金属的保护,保护的方式气保护渣保护真空保护,气渣联合,7,2.2焊接化学冶金反应区,手工电弧焊时有三个反应区,药皮反应阶段,熔滴反应阶段,熔池反应阶段,8,2.2焊接化学冶金反应区,A.药皮反应阶段,温度oC,600400200100,熔焊进程药皮反应阶段,水蒸发,结晶水分解,碳酸盐分解,冶金反应,9,2.2焊接化学冶金反应区,B.熔滴反应阶段反应温度高熔滴温度过高、接近沸点比表面积大是炼钢的1000倍反应时间短0.011s与熔渣接触三相系统液、渣、气,10,2.2焊接化学冶金反应区,C.溶池反应阶段温度稍低，依旧过热16001900oC温度分布极不均匀形成对流，对均匀化有好处反应同时向两个方向进行高温区氧化、低温区脱氧不断有新物质加入反应区,11,2.2焊接化学冶金反应区,焊接工艺条件A.熔合比q焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例取决于焊接方法、规范、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条倾角等因素通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分,12,2.2焊接化学冶金反应区,焊接工艺条件B.熔滴过渡形态焊接电流熔滴阶段反应时间反应程度电弧电压熔滴阶段反应时间反应程度短路颗粒射流比较面积大存在时间短,熔滴存在时间,13,2.2焊接化学冶金反应区,反应的不平衡性复杂的高温多相系统液态金属熔渣电弧气氛焊接区内不等温条件整个系统不可能平衡系统的个别反应：短暂的平衡.,14,本节重点,气体&熔渣对金属的作用,熔渣,气体对金属的作用,熔渣对金属的作用,气体,15,2.3焊接区内的气体,研究焊接区内气体的来源、产生、成分及其分布对于气相与熔化金属的相互作用具有重要意义！,16,2.3.1气体的来源,焊接区内，气体主要来源于焊接材料焊条药皮、焊剂，药芯中的造气剂、高价氧化物和水分气电焊时，采用的保护气体及杂质热源周围的空气焊丝表面上和母材坡口附近的铁皮、铁锈、油污、油漆和吸附水除直接输送和侵入焊接区的气体以外，气体主要是通过系列物化反应产生的,保护气,造气剂,油锈水,17,有机物的分解和燃烧热氧化分解反应：造气剂、涂料增塑剂淀粉、纤维素、糊精、藻酸盐等有机物受热分解和燃烧反应,2.3.2气体的产生,实际色谱分析证明气态产物主要是CO2，还有少量的CO、H2、烃和水气220250oC开始分解含有机物的焊条，烘干温度控制在150oC，不应超过200oC,18,2.3.2气体的产生,有机物的分解和燃烧Tips：酸性焊条烘干条件：250oC，1h纤维素型（30%有机物）烘干条件：100oC碱性焊条烘干条件：350400oC，1h,19,碳酸盐和高价氧化物的分解,2.3.2气体的产生,CaCO3MgCO3BaCO3CaMg(CO3)2,Fe2O3MnO2,20,2.3.2气体的产生,材料的蒸发焊接材料中的水分金属元素熔渣的各种成分焊接时的蒸发现象不仅使气相成分复杂化，而且造成元素的损失，甚至产生焊接缺陷，增加焊接烟尘，污染环境,21,2.4焊接熔渣,熔渣在焊接过程中能够起到机械保护焊缝金属免受空气影响作用，能够改善焊接工艺性能，调整和控制焊缝金属的成分和性能,22,熔渣的碱度熔渣中的氧化物按性质分为三类酸性氧化物SiO2、TiO2、P2O5碱性氧化物K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO中性氧化物Al2O3、Fe2O3、Cr2O3R2O、RO碱性氧化物摩尔分数RO2酸性氧化物分数没有考虑氧化物的酸碱性强弱程度不同也没有考虑碱性氧化物和酸性氧化物形成中性复合物的情况,2.4.1熔渣的分类,B1碱性渣B=1中性渣B气泡逸出速度形成气泡,31,2.5.1氮对焊接质量的影响,3、促使焊缝金属时效脆化焊缝中的氮处于过饱和的不稳定态随时间延长，过饱和的N析出形成Fe4N强度，塑性，韧性焊缝金属中，Ti、Al、Zr可以抑制或消除时效现象例如：15MnVNV：V改变氮化物的形态，使之弥散点状分布N：微量，起到强化作用,32,2.5.1影响因素及控制措施,1、焊接区保护N一旦进入液态金属脱氮比较困难主要措施加强保护、防止空气与金属作用2、焊接工艺参数采用短弧焊增加焊接电流直流正接好于交流，好于直流反接增加焊丝直径N%，多层焊单层焊N%，小直径焊条大直径焊条,33,2.5.1影响因素及控制措施,三种不同类型的焊接电流,34,2.5.1影响因素及控制措施,3、合金元素增加含碳量可降低焊缝含氮量C降低了N在Fe中的溶解度CO、CO2降低了气相中氮的分压C氧化引起熔池沸腾，利于N2逸出Ti、Al、Zr和RE与N有较大亲和力，可形成稳定氮化物，且不溶于液态钢与O有较大亲和力，减少气相中NO的含量,35,不形成稳定氢化物的金属Al、Fe、Ni、Cu、Cr、Mo但是氢能够溶于这类金属及其合金中,2.5.2氢对金属的作用,来源：焊接材料中的水分含氢物质电弧周围空气中的水蒸气根据氢与金属的作用能形成稳定氢化物的金属Zr、Ti、V、Ta、Nb固态下吸收大量氢,应用广泛重点讨论,36,2.5.2氢在金属中的溶解,溶解过程与焊接方法相关气体保护焊：气/液金属界面，H2，H，H+电渣焊、电渣熔炼：渣/液金属界面手工电弧焊、埋弧焊：两者兼而有之氢从熔渣中向金属中过渡,()表示在熔渣中表示在金属中,H可以进入液相OH不溶于液态金属,37,2.5.2氢在金属中的扩散,焊缝（固态金属）中氢的存在形式H、H+、H可以在金属晶格中自由扩散的氢扩散氢：80-90%聚集在杂质、微裂纹、晶格缺陷的氢残余氢焊后随着放置时间增加：扩散氢减少残余氢增加总氢量下降,38,2.5.2氢在金属中的扩散,熔敷金属中的扩散氢含量（cm3/100g）焊后用标准方法测定并换算为标准状态下的含氢量测定标准方法甘油法GB3965-83色谱法水银法仲裁用,39,2.5.2氢在金属中的扩散,扩散氢的分布氢沿焊接接头横断面的分布,H(cm3/100g),40,2.5.2氢对焊接质量的影响,熔焊时，进入焊缝和热影响区中的氢将对接头产生危害。,1、氢气孔2、氢白点3、氢脆4、氢致裂纹,焊缝中形成,焊缝和热影响区中形成,41,2.5.2氢对焊接质量的影响,1、氢气孔形成原因：熔池液态金属中溶解较多的氢冷却凝固后，氢在固液相中溶解度突变,T(oC),H(cm3/1oog),42,2.5.2氢对焊接质量的影响,V金属结晶长大V气泡逸出多余的氢将在液固界面处形成气泡固液相中溶解度差别越大，越易形成氢气孔平衡态：氢气孔敏感性AlFeNi非平衡态：凝固前后溶解度差别更大,43,2.5.2氢对焊接质量的影响,2、氢白点氢白点：碳钢和低合金钢焊缝金属中含氢量较多时，在拉伸或弯曲的试件断面上，出现光亮圆形的局部脆性断裂点直径0.50.3mm，白点周围为延性断口多数情况，白点中心有气孔或夹杂物实质：拉伸或弯曲的延性变形过程中，在焊缝金属中局部产生的氢脆现象。,44,2.5.2氢对焊接质量的影响,3、氢脆焊缝和热影响区中有氢存在时，将会降低其延性，产生氢脆焊接接头不同部位的氢脆敏感性与组织种类有关奥氏体纯铁素体铁素体珠光体低碳马氏体贝氏体索氏体托氏体高碳马氏体降低熔敷金属的碳含量母材含碳量过高时，需减少母材金属的稀释率,45,2.5.2氢对焊接质量的影响,4、产生冷裂纹HgdrogeninducedCrackHydrogen-assistedCrack危害严重主要因素：钢种的淬硬倾向焊接接头含氢量及其分布接头所承受的拘束应力状态,后续课程中重点研究,46,2.5.2控制氢的措施,限制来源70烘干少用或不用含结晶水的原料制造焊条焊前严格清除油锈冶金处理氟化物有去氢的作用，如CaF2提高氧化势:CO2+H=CO+OH稀土、稀散元素，进一步去氢：碲、钇,47,2.5.2控制氢的措施,焊接规范很大局限性熔滴过渡小电流种类和极性（直流反接比较好）脱氢处理焊后将焊件加热到一定的温度促使氢扩散外逸焊件加热到350oC,保温1h,48,2.5.3氧对金属的作用,根据氧与金属的作用不溶解氧，但焊接时发生激烈氧化的金属Mg、Al等能有限溶解氧，同时焊接过程中也发生氧化的金属Fe、Ni、Cu、Ti等生成的金属氧化物能溶解于相应的金属中主要研究FeO,49,2.5.3氧在金属中的溶解,氧以原子氧和FeO两种形式溶于液态铁中的氧在液态铁中的溶解度随着温度的升高而增大铁冷却过程中，氧的溶解度急剧下降,液态铁中氧的溶解度与温度的关系,50,2.5.3氧在金属中的溶解,当液态铁中有第二相合金元素时，随着合金元素含量的增加，氧的溶解度下降焊缝金属和钢中所含的氧氧化物（FeO、SiO2、MnO）硅酸盐夹杂,合金元素浓度CMe对液态铁中氧的溶解度的影响(1600oC),51,2.5.3氧对焊接质量的影响,氧在焊缝中无论以何种形式存在，对焊缝性能都有很大的影响。随氧含量提高：焊缝强度、塑性、韧性都明显下降尤其是低温冲击韧度急剧下降热脆：在某一温度出现脆硬相，350400oC冷脆：析出相硬，形态不好时效硬化：析出相使基体强化CO在熔池凝固时来不及逸出，形成气孔烧损有益合金元素影响焊接过程稳定性,52,2.5.3氧对焊接质量的影响,必须指出，焊接材料具有氧化性并不是在所有情况下都是有害的为了减少焊缝含氢量，改进电弧的特性，获得必要的熔渣物理化学性能，在焊接材料中有时要故意加入一定量的氧化剂,53,2.5.3控制氧的措施,鉴于氧的有害作用，必须控制焊缝的氧含量纯化焊接材料选用不含氧或含氧少的焊接材料例如，采用高纯度的惰性气体作为保护气体，采用低氧、无氧焊条、焊剂，乃至真空室中焊接控制焊接工艺参数很有限电弧电压U，空气侵入电弧，焊缝含氧增加采用短弧焊脱氧冶金方法脱氧最有效,54,2.5.3氧化还原反应,金属氧化还原方向的判据(物理化学)金属氧化氧化性气体对金属的氧化活性熔渣扩散氧化置换氧化铁锈、氧化皮脱氧分阶段脱氧Mn、Si脱氧,氧化方式,55,焊接时金属的氧化是在各个反应区通过氧化性气体（O2、CO2、H2O）与活性熔渣与金属相互作用实现的金属氧化还原方向判据(不要求)金属金属氧化物氧化性气体,2.5.3氧化还原反应,系统,56,2.5.3氧化还原反应,P1：金属氧化物分解压P2：金属-氧-金属氧化物氧化物系统中央的实际分压P1P2金属被氧化P1=P2处于平衡态P11,59,2.5.3氧化还原反应,金属氧化：活性熔渣A.扩散氧化同样温度下，FeO在碱性渣中比酸性渣中更容易向金属中分配在熔渣含FeO量相同的情况下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣时多碱性渣含SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，FeO活度大，易向金属中扩散，使焊缝增氧碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大的原因,60,2.5.3氧化还原反应,金属氧化：活性熔渣A.扩散氧化但是，不能认为碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条高碱性焊条的焊缝含氧量比酸性焊条低碱性焊条药皮的氧化势小的缘故,61,2.5.3氧化还原反应,金属氧化：活性熔渣B.置换氧化熔渣中含有较多的易分解的氧化物，则可能与液态铁发生置换反应，使铁氧化，而另一元素还原反应结果：焊缝增加硅和锰，同时使铁氧化，生成的FeO大部分进入熔渣；小部分金属液态钢，使焊缝增氧,62,2.5.3氧化还原反应,脱氧,63,2.5.3氧化还原反应,金属氧化脱氧A.分阶段脱氧先期脱氧（药皮反应阶段）脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系,Si、Mn,64,2.5.3氧化还原反应,金属氧化脱氧A.分阶段脱氧沉淀脱氧熔池反应阶段锰脱氧硅脱氧硅锰联合脱氧,增加金属中锰含量，减少渣中MnO，可以提高脱氧效果在碱性渣中MnO的活度系数较大，不利于锰脱氧一般酸性焊条用锰铁作为脱氧剂，而碱性焊条不单独用锰铁作脱氧剂,65,2.5.3氧化还原反应,金属氧化脱氧A.分阶段脱氧沉淀脱氧熔池反应阶段锰脱氧硅脱氧硅锰联合脱氧,提高熔渣的碱度和金属中的含硅量，可以提高硅的脱氧效果硅的脱氧能力比锰大，但生成的SiO2熔点高，不易聚合为大的质点SiO2与钢液的界面张力小，润湿性好，不易从钢中分离，易造成夹杂,66,2.5.3氧化还原反应,金属氧化脱氧A.分阶段脱氧沉淀脱氧熔池反应阶段锰脱氧硅脱氧硅锰联合脱氧,锰和硅按适当比例加入金属中进行联合脱氧时可以得到较好的脱氧效果优点：脱氧产物MnOSiO2熔点低，比重小，易聚成球，浮到渣中去，减少焊缝夹杂物Mn/Si=37时效果最佳,67,2.5.3氧化还原反应,金属氧化脱氧A.分阶段脱氧扩散脱氧（熔池后部）液态金属与熔渣界面上进行关键是降低渣中的FeO的活度温度下降时FeO的分配系数L增大，则：,酸性渣中FeO活度小，利于脱氧碱性渣中FeO活度大，扩散脱氧能力比酸性差在熔池后部的低温区进行扩散脱氧优点：不因脱氧造成夹杂焊接条件下，冷速大，扩散时间短，氧的扩散又慢，扩散脱氧是不充分的,68,2.6脱硫&脱磷,69,2.6.1硫的危害,高温时：FeS与液态铁可以无限互溶室温下：FeS在固态铁中的溶解度非常低熔池凝固时发生偏析低熔点共晶Fe+FeS、Fe+FeO呈片状或链状分布于晶界增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，同时降低冲击韧性和抗腐蚀性当硫以FeS形式存在时