熔焊原理第三章

焊接冶金,焊接冶金特点气相对金属的作用熔渣及其对金属的作用焊缝金属的硫、磷控制焊缝金属的合金化,焊接冶金特点,一、焊接冶金的特点1.冶金反应温度高焊接冶金反应在超高温下进行，反应过程快速而剧烈，容易造成合金元素的烧损与蒸发2.冶金反应时间短冶金反应不能充分进行，各种冶金化学反应无法达到平衡状态，在焊缝中很容易出现化学成分不均匀的偏析,焊接冶金特点,3.冶金反应条件差熔焊时，焊接熔池一般暴露在空气中，熔池周围的气体、铁锈、油污等在电弧的高温下，将分解成原子态的氧、氮等，极易同金属元素产生化学反应；反应生成的氧化物、氮化物混入焊缝中，使焊缝的力学性能下降；空气中的水蒸气分解出氢原子，在焊缝中产生气孔、裂缝等缺陷和“氢脆”现象。由于焊接冶金反应条件差，将严重影响焊接质量，因此，焊接时必须采取有效措施来保护焊接区，防止周围有害气体侵入熔池,焊接冶金特点,4.冶金反应界面大熔焊时，焊接冶金反应是多相反应，熔滴和熔池金属的比表面积大，能与熔渣、气相充分接触，促使冶金反应快速完成。5.熔融金属处于不断运动状态熔焊时，熔滴和熔池金属均处于不断运动状态，有利于提高冶金反应的速度，促使气体和杂质快速的排除，使焊缝成分均匀化。,焊接冶金特点,二、焊接时金属的保护1、保护的必要性焊接冶金过程中，由于熔化金属和周围介质的相互作用，使焊缝金属的成分和性能与母材和焊材有较大的不同；因此，为了提高焊缝的质量，在焊接制造重要焊接结构时，焊接冶金的首要作用就是对熔化金属进行保护，以免受空气的有害作用,焊接冶金特点,2、保护方式焊条电弧焊和药芯焊丝的焊接是利用焊条药皮和焊丝药芯中的造渣剂、造气剂、铁合金等来实现对焊缝金属的保护；埋弧焊是指利用焊剂熔化以后形成的熔渣隔离空气保护金属的。气体保护的焊接方式是利用包围在焊接区域的气体将焊缝金属与空气隔离开。真空电子束焊是在真空度高0.01Pa(10-4Torr)的真空室内进行焊接的，保护效果最好；自保护焊是利用含有脱氧剂和脱氮剂的特制光焊丝在空气中进行焊接的一种方法。,焊接冶金特点,焊接冶金特点,三、焊接冶金的特点1、药皮反应区的特点药皮反应区：主要在焊条端部的套筒附近(图1-1中的区)，反应温度范围从100至药皮的熔点(钢焊条约为1100)。参加反应的物质：是药皮的组成物，反应的结果是产生气体和熔渣。主要物化反应是水分蒸发、某些物质分解和铁合金的氧化。,焊接冶金特点,焊接冶金特点,当加热温度超过100，药皮中的水分就开始蒸发。当升高到一定温度，药皮中的有机物(木粉、纤维素、淀粉等)、碳酸盐(如大理石CaCO3、菱苦土等)和高价氧化物(如赤铁矿、锰矿等)逐步发生分解，析出CO2和O2等气体，这些气体既对焊接区金属有保护作用，又对被熔化的金属和药皮中的铁合金(如锰铁、硅铁、钼铁等)产生很大氧化作用，使气象的氧化性大大下降，此即先期脱氧过程。药皮反应区进行的反应属于整个冶金过程的准备阶段，其产物就是熔滴与熔池反应区的反应物，故对冶金全过程有一定的影响。,焊接冶金特点,2、熔滴反应区的特点从熔滴形成、长大到过渡至熔池中都属于熔滴反应区。熔滴反应区(图1-1中区)是冶金反应最剧烈的区域，对焊缝的成分影响最大。从反应条件看这个区域有如下特点。（1)熔滴温度高。电弧焊焊接钢材时熔滴最高温度约2800，平均温度在18002400范围内。其过热度很大，可达300900。（2)熔滴金属与气体和熔渣接触面积大。因熔滴尺寸小，在正常情况下其比表面积可达1104cm2/kg，比炼钢时约大1000倍。,焊接冶金特点,（3)各相之间的反应时间短。主要在焊条末端进行。（4)熔滴金属与熔渣发生强烈混合。熔滴在形成、长大和过渡过程中受到电磁力、气吹力等外界因素作用，便与熔渣发生强烈的混合，既增加彼此接触面积，也加速反应进行。熔滴反应区是冶金反应最激烈的部位，在此区进行的主要物理化学反应有：气体的分解、气体的溶解、熔融金属的氧化、金属的蒸发，熔滴金属的合金化等,焊接冶金特点,3、熔池反应区的特点1)熔池的温度分布极不均匀2)熔池反应区的反应物质是不断更新的3)熔池的平均温度比熔滴低(约为16001900)，反应时间稍长4)由于受电弧力、气流和等离子流等因素作用，熔池发生搅动，有助于熔池成分的均匀化和加大冶金反应速度，有利于气体或非金属夹杂物从熔池中外逸。,焊接冶金特点,四、焊接参数对焊接冶金的影响焊接参数：是指在焊接时,为保证焊接质量,而选定的焊接电源、焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入等参数的总称1、熔合比的影响在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比改变焊缝金属的熔合比就可以改变焊缝金属的化学成分。因此，焊接时必须严格控制焊接工艺条件以使熔合比稳定合理。在焊接异种钢时，要根据熔合比选择焊接材料。,焊接冶金特点,2、焊接工艺参数影响冶金反应的条件和作用时间熔滴阶段的反应时间随着电流的增加而变短，随着电弧电压的增加而变长。3、工艺参数影响参加冶金反应的熔渣量埋弧焊时，焊接工艺参数可以在很宽的范围内变化，使焊剂的熔化率发生很大的变化。影响焊缝金属成分的主要因素：焊接材料：不仅影响冶金过程，而且决定焊缝金属的合金系统。焊接参数：只影响冶金过程，不能决定焊缝金属的合金系统，调节焊接参数是控制焊缝金属成分的辅助手段。,气相对金属的作用,一、焊接区内的气体1、焊接区内的气体的来源（1）焊接材料焊条药皮、焊剂和焊丝药芯中的造气剂、高价氧化物和水分气体保护焊：保护气体及其杂质（2）热源周围的气体介质空气,气相对金属的作用,（3）焊丝和母材表面上的杂质铁锈、油污、水分（4）高温蒸发所产生的气体。金属蒸汽、熔渣蒸汽2、焊接区内的气体的种类焊接区内的气体是由CO、H2、H2O、CO2和少量的氮，这些气体在高温时将分解出一定的氧，以及它们分解或电离的产物所组成的混合物。,气相对金属的作用,二、氢对金属的作用及其控制1、氢的来源焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中的水分、有机物焊件表面的铁锈、油污空气中的水分2、氢在金属中的溶解(1)氢与金属的作用方式：第一类是能形成稳定氢化物的金属，如Zr、Ti、V、Ta、Nb等。第二类是不形成稳定氢化物的金属，如Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等。氢在金属中的溶解度与氢的存在状态有关系。,气相对金属的作用,(2)氢的溶解：氢能溶解于Fe、Ni、Cu、Cr、Mo等金属中。氢通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式溶于金属氢通过熔渣层溶入金属氢在铁中的溶解度与其在电弧气氛中的浓度(以分压pH表示)、温度及金属的晶体结构、氢的压力等因素有关，即电弧气氛中pH增大，溶入溶池中的氢增加；氢在铁中的溶解度随温度升高而加大,气相对金属的作用,气相对金属的作用,3氢在金属中的扩散一部分氢可以在焊缝金属晶格中自由扩散，称为扩散氢另外一部分氢扩散到金属的晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘的空隙处，结合成氢分子，称为残余氢。焊缝中总的含氢量是扩散氢和残余氢之和。焊后随焊件放置时间的增加，扩散氢的一部分逸出到焊缝外面，一部分变成残余氢。随着扩散氢的逸出，焊缝中的扩散氢减少，残余氢增加，总的含氢量则下降,气相对金属的作用,4氢对焊接质量的影响在结构钢焊接时，氢的有害作用可分为两种类型：一种是暂态现象，包括氢脆和白点，另一种是永久现象，它们一经出现就无法消除，如气孔、裂纹等。（1）氢脆金属在室温时因吸收氢而导致塑性降低的现象叫作氢脆。氢脆是溶解在金属中的氢引起的，焊缝中的剩余氢扩散，聚集在金属的显微缺陷内，结合成分子氢，造成局部高压区，阻碍塑性变形，使焊缝的塑性严重下降经过脱氢处理，可以使钢的力学性能得到恢复,气相对金属的作用,（2）白点在碳钢或低合金钢焊缝中，如果含氢量高，则常常在其拉伸或弯曲试件的断面上，出现银白色圆形局部脆断点，称为白点。白点会使焊缝金属的塑性大大降低，焊缝中含氢量越高，出现白点的可能性越大（3）气孔（4）冷裂纹造成冷裂纹的主要因素之一。,气相对金属的作用,5控制氢的措施（1）限制焊接材料中的含氢量焊接材料在使用前应按规定的温度和时间进行烘焙，存放焊接材料时应采取有必要的防潮措施对保护气体采用脱水或干燥措施（2）清除焊件和焊丝表面的杂质焊前应仔细清理：焊件坡口和焊丝表面的铁锈、油污、吸附水以及其他含氢物质,气相对金属的作用,（3）进行冶金处理：通过化学反应降低电弧气氛中氢的分压，从而降低氢在液体金属中的溶解度1）在药皮和焊剂中加入氟化物；HF不溶于液态金属而逸出至大气中，从而减少焊缝的含氢量2）在焊条药皮中加入适量的活性氧化剂，如Fe或Mn的高价氧化物；,气相对金属的作用,（4）控制焊接工艺参数焊条电弧焊：降低焊接电流和电弧电压，可减少焊缝的含氢量气体保护电弧焊：当电流增加到一定值，熔滴过渡形式由颗粒过渡转变为喷射过渡，含氢量明显减少。交流焊接比用直流焊接时焊缝的含氢量高，直流正接的焊缝含氢量较直流反接的高（5）焊后脱氢处理脱氢处理。一般把焊件加热到350以上，保温1h,气相对金属的作用,三、氮对金属的作用及其控制1、氮的来源：电弧周围空气2、氮在金属中的溶解氮既能溶解在铁中，又可与某些金属形成氮化物，如Fe、Ti、Mn、Cr等，但Cu、Ni不与氮作用。氮在铁中的溶解度随温度升高而增加加入C、Si、Ni会减小氮的溶解度，加入V、Mn、Cr会增加氮的溶解度,气相对金属的作用,气相对金属的作用,3、氮对焊接质量的影响在碳钢焊缝中，氮是有害的元素，它对焊接质量影响有以下几方面：（1）形成气孔（2）降低焊缝金属的机械性能焊缝中含氮量的增加，使其强度升高，塑性、韧性下降（3）时效脆化：焊缝中过饱和溶解的氮随时间延长逐渐以Fe4N形式析出，导致焊缝金属的塑性和韧性持续下降，即时效脆化。氮除了对焊缝的性能有害的作用之外，也有有利的影响。,气相对金属的作用,气相对金属的作用,3、控制氮的措施（1）加强机械保护：主要措施（2）选用合理的焊接工艺参数电弧电压增加，焊缝含氮量增大，故应尽量采用短弧焊。采用直流反极性接法，减少了氮离子向熔滴溶解的机会，因而减少了焊缝的含氮量（3）控制焊丝金属的成分增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝的含氮量焊丝中加入一定数量与氮亲和力大的合金元素，如Ti、Zr、Al或稀土元素等，可形成稳定氮化物进入熔渣，起到脱氮的作用,气相对金属的作用,四、氧对金属的作用及其控制1、氧的来源电弧中氧化性气体（CO2、O2、H2O等）、侵入的空气、药皮中的高价氧化物和焊接材料与焊件表面的铁锈、水分等分解产物2、氧对焊缝金属的影响（1）影响焊缝金属的性能随着焊缝中含氧量的增加，其强度、塑性、韧性等各项力学性能指标都下降，其中冲击韧度下降最为显著,气相对金属的作用,气相对金属的作用,（2）导致气孔的产生生成不溶于金属的CO，如熔池结晶时CO气泡来不及逸出，则在焊缝中形成CO气孔（3）合金元素的烧损使钢中的有益合金元素氧化，从而使焊缝的性能变坏(4)产生飞溅在焊接时，熔滴区产生的CO，使熔滴爆炸，产生飞溅，影响焊接过程的稳定性,气相对金属的作用,3、氧在金属中的溶解氧是以原子氧和氧化亚铁FeO两种形式溶于液态铁中的温度升高，氧在液态铁中的溶解度增大。在液态铁中有第二类金属元素时，随着合金元素含量的增加氧的溶解度下降在焊缝中，氧主要以氧化物夹杂的形式存在，在低碳钢中则主要是铁的氧化物,气相对金属的作用,4、氧对金属的氧化1)自由氧对金属的氧化：主要考虑铁的氧化,气相对金属的作用,2）CO2对金属的氧化当温度高于3000K时，CO2气体氧化性较强，作为保护气体，只能防止氮的入侵，而不能防止金属的氧化，也可能会产生气孔。CO2+Fe=CO+FeOCO2气体保护焊，必须采用含硅、锰较高的焊丝（H08Mn2Si),利于脱氧3）H2O蒸气对金属的氧化水蒸汽不仅有氧化性，还会造成焊缝增氢。4）混合气体对金属的氧化。,气相对金属的作用,5、控制氧的措施（1）控制焊接材料的含氧量采用不含氧或低氧的焊接材料（2）控制焊接工艺参数采用短弧焊，加强保护效果，限制空气与液体金属的接触（3）脱氧,熔渣及其对金属的作用,一、熔渣的作用及分类1、熔渣在焊接过程中的作用（1）机械保护作用（2）改善焊接工艺性能的作用（3）冶金处理作用（4）改善热规范的作用,熔渣及其对金属的作用,2、熔渣的成分和分类根据焊接熔渣的成分和性能可将其分为三大类：第一类盐型熔渣它们主要由金属的氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成；盐型熔渣的氧化性很弱，主要用于焊接铝、钛和其他活性金属及其合金。第二类盐-氧化物型熔渣主要由氟化物和碱土金属的氧化物组成；氧化性也较弱，主要用于焊接各种合金钢第三类氧化物型熔渣主要由各种氧化物组成。氧化性较强，主要用于焊接低碳钢和低合金钢,熔渣及其对金属的作用,二、焊接熔渣的结构理论1、分子理论（1）液态熔渣是由自由的简单氧化物分子和复杂的化合物分子以及硫化物、氟化物分子所组成。（2）简单氧化物及其复杂化合物分子之间的化合与分解，服从于质量作用定律，处于动平衡状态。（3）只有自由氧化物才能参与和熔化金属的反应。2、离子理论（1）液态熔渣是由阳离子和阴离子组成的电中性溶液熔渣的成分不同，其中的离子种类和形式也是不同的。（2）离子的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩。（3）液态熔渣与金属之间相互作用的过程，是离子与原子交换电荷的过程。,熔渣及其对金属的作用,三、焊接熔渣的性质1、熔渣的碱度分子理论对熔渣碱度的定义和计算为：碱度B的倒数称为酸度。实际生产中，B1.3时，熔渣才为碱性熔渣。熔渣的碱度是判断熔渣碱性强弱的指标，对焊接化学冶金反应，如元素的氧化与还原、脱硫、脱磷及液态金属气体的吸收等都有重要影响,熔渣及其对金属的作用,2、熔渣的粘度在单位速度梯度下，作用在单位接触面积上的内摩擦力称为粘度系数，简称粘度，以表示。熔渣的粘度与温度和渣的成分有关：（1）温度对粘度的影响（2）熔渣的成分对粘度的影响,熔渣及其对金属的作用,3、熔渣的熔点熔渣的熔点是指熔渣开始熔化的温度一般要求焊接熔渣的熔点比焊缝金属的熔点低200450。熔渣熔点过高：熔渣与液态金属反应不充分，易形成夹渣和气孔，焊缝成形变坏熔渣熔点过低；保护效果变差，难于进行全位置焊接。,熔渣及其对金属的作用,4、表面张力表面张力是液体表面所受到的指向液体内部的力，它是由于表面层分子与内部分子所处的状态不同而引起的。5、密度熔渣的密度主要取决于各个组成物的密度及质量分数。6、熔渣的线膨胀系数和导电性熔渣的线膨胀系数主要影响脱渣性，熔焊与焊缝金属的线膨胀系数差值越大脱渣性越好。,熔渣及其对金属的作用,四、熔渣对焊缝金属的氧化1、扩散氧化FeO即可溶于熔渣也可以溶于液体金属扩散氧化：熔渣中的FeO可以直接由熔渣向焊缝金属扩散而使焊缝增氧的过程。分配定律：,熔渣及其对金属的作用,分配常数L与熔渣的性质和温度有关温度上升，L值下降，FeO由熔渣向熔池扩散在温度相同的条件下，碱性熔渣的L值小于酸性熔渣,熔渣及其对金属的作用,2、置换氧化焊缝金属与熔渣中易分解的氧化物发生置换反应而被氧化的过程称置换氧化置换反应主要发生在熔滴阶段和熔池头部。反应结果：焊缝增硅、增锰，增氧,熔渣及其对金属的作用,五、焊缝金属的脱氧1、选择脱氧剂的原则（1）在焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大；对氧的亲和力比铁大的元素，按亲和力从大到小的顺序为Al、Ti、Si、Mn等（2）脱氧产物应不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度；（3）须综合考虑脱氧剂对焊缝成分、性能及焊接工艺性能的影响；（4）在满足技术要求的前提下，注意降低成本。,熔渣及其对金属的作用,2、先期脱氧焊条电弧焊时，在焊条药皮加热阶段，固体药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧。先期脱氧的目的：是尽早控制电弧气氛中的氧化性，减少金属的氧化先期脱氧特点：是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系，脱氧主要发生在焊条端部反应区。由于药皮加热阶段温度低，反应时间短，故先期脱氧是不完全的，需进一步脱氧,熔渣及其对金属的作用,1)酸性焊条的先期脱氧。焊条药皮中的碳酸盐受热分解出CO2，其反应如下：药皮中主要加入锰铁作先期脱氧剂进行脱氧，脱氧反应是酸性焊条熔渣中含有较多的SiO2和TiO2，与MnO复合生成稳定的(MnOSiO2)和(MnOTiO2)而进入渣中，脱氧效果好。,熔渣及其对金属的作用,2)碱性焊条的先期脱氧。药皮中含有大量的大理石，在加热时放出CO2气体。药皮中主要依靠硅铁和钛铁作为先期脱氧剂，脱氧反应如下：脱氧产物SiO2和TiO2可与碱性渣中的CaO等碱性氧化物反应化合成稳定化合物(CaOSiO2)和(CaOTiO2)，减少了SiO2和TiO2的浓度，有利于向右进行，脱氧效果较好。,熔渣及其对金属的作用,3、沉淀脱氧沉淀脱氧是利用溶解在熔滴和熔池中的脱氧剂与FeO直接反应，把铁还原，使脱氧产物转入熔渣而被清除出去。最常用的是锰、硅或硅锰联合脱氧1)酸性焊条的沉淀脱氧。酸性焊条采用锰铁作为脱氧剂，其脱氧反应是：脱氧产物MnO为碱性氧化物，易与渣中酸性氧化物(SiO2、TiO2)结合成稳定的复合盐。因此，锰在酸性熔渣中的脱氧效果较好,熔渣及其对金属的作用,2)碱性焊条的沉淀脱氧。碱性焊条主要利用硅铁、钛铁对熔池中的FeO进行脱氧，其脱氧反应是：脱氧产物(SiO2、TiO2)为酸性氧化物，易与渣中CaO等碱性氧化物形成复合盐，使SiO2和TiO2浓度减小，有利于脱氧反应的进行。因此，硅在碱性熔渣中的脱氧效果较好同时采用硅锰联合脱氧，其脱氧产物相互作用能结合成熔点较低、密度较小的复合物进入熔渣，有利于消除夹杂物。因此，焊接低碳钢时常采用硅锰联合脱氧。,熔渣及其对金属的作用,4、扩散脱氧利用FeO能溶解于溶渣的特性，通过扩散使它从液态金属中进入熔渣，从而降低焊缝含氧量。酸性焊条熔渣中含有大量的SiO2和TiO2等酸性氧化物，它们易与渣中FeO形成复合物(FeOSiO2)和(FeOTiO2)，降低渣中FeO分子的浓度，使熔池中的FeO向熔渣扩散，扩散脱氧效果较好。碱性焊条熔渣中含有大量的碱性氧化物，而FeO也是碱性氧化物，故渣中FeO分子浓度也较大，不利于扩散脱氧,焊缝金属的硫、磷控制,一、焊缝金属中硫、磷的危害性1、S、P的来源焊缝中的硫磷主要来自于母材、焊丝、焊条、药皮或焊剂等2、硫的危害硫在钢中主要以FeS和MnS形式存在，增加了焊缝金属结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧度和抗腐蚀性。3、磷的危害磷主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。,焊缝金属的硫、磷控制,二、硫的控制1、限制焊接材料中的含硫量限制母材、焊丝，尤其是药皮、焊剂中的硫含量是防止硫危害的主要措施。低碳钢、低合金钢焊丝：S0.03%0.04%合金钢焊丝：S0.025%不锈钢焊丝：S