第一章-焊接化学冶金

1,第一章焊接化学冶金,2,第一节焊接化学冶金过程特点,第二节气相与金属的作用,第三节熔渣与金属的作用,第四节合金过渡,第一章-焊接化学冶金,3,重点内容,1、焊接化学冶金过程特点2、熔敷速度、熔合比3、气相对金属的作用（H）4、焊接化学冶金的一般规律5、熔渣的作用性质6、合金过渡问题,4,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。,1-1焊接化学冶金过程特点,5,普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比,普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放入特定的炉中进行。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。,6,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。,7,一、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%3%）,8,2、焊条金属的熔化速度,焊条金属的平均熔化速度gM=G/t=pIp为焊条熔化系数gM焊条金属的平均熔敷速度gD=GD/t=HIgD为焊条的平均熔敷速度（真正进入焊缝的）损失系数=(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-H/PH=(1-)P,9,3、焊条金属熔滴及过渡特性,熔滴过渡形式,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。,10,2)熔滴的比表面积和作用时间,熔滴的比表面积S：熔滴的表面积与其质量之比。,S=Ag/Vg=4R2/(4/3R3)=3/RI,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。,11,3)熔滴的温度,实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度：1600C0,12,（二）熔池的定义及形成,1、熔池：焊条熔化金属及母材熔化金属熔池为半椭球，几何尺寸（长度）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。,13,14,2、熔池质量和存在时间tmax=L/vtcp=mp/vAwAW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。,15,16,1）液态金属密度差引起自由对流运动2）表面张力差强迫对流运动3）熔池中各种机械力搅拌,4）对焊接质量的影响,4、熔池运动状态,17,二、焊接过程中对熔融金属的保护,1、渣保护2、气保护3、气渣联合保护4、真空保护5、自保护,保护方式,18,三、焊接化学冶金反应区及反应条件,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。,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)水分蒸发（100）2)某些物质分解)3)铁合金氧化,19,1)水分蒸发（100）2)某些物质分解200-250300400T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)42MnO2=MnO+O22Fe2O3=4FeO+O2(赤铁矿),20,21,2）、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:,).温度高).与气体.熔渣的接触面积大).时间短速度快).熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合.,22,1.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。,23,3、熔池反应区,1）、熔池T16001900低于熔滴T比表面积2)、接触面积小3130cm2/Kg3）、时间长手工焊38秒埋弧焊625s4）、搅拌没有熔滴阶段激烈5）、熔池温度不均匀的突出特点,熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应,24,四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系,（一）、熔合比的影响,焊接规范：焊接金属（焊条、焊丝）和局部熔化的母材组成。,熔合比：焊缝金属中，局部熔化的母材所占的比例。=：熔合比F1：熔化母材的面积F2：填充金属的面积,25,焊接电流I的变化冶金反应不充分,（二）、（化学反应条件的影响）熔滴过渡特性的影响,焊接电压V的变化U弧长冶金反应充分,本节结束,26,1-2气相与金属的作用,一、焊接区内的气体（一）气体的来源和产生来源：1.焊接材料2.气体介质3.焊丝和母材表面上的油锈等杂质。4.金属和熔渣的蒸发产生的气体,成分：金属及熔渣蒸气,27,双原子气体分解度与温度的关系,28,29,二、氮与金属作用,来源：主要是焊接区周围的空气。氮与金属作用有两种情况。1、不与氮发生作用的金属，即不能熔解氮又不形成氮化物，可用N作为保护气体。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。,30,(一)氮在金属中的溶解,1）原子形式溶于液态金属2）以NO形式溶入3）以氮离子形式溶入,31,32,（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施,1）、机械保护：气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效果取决于药皮的数量及成分2）、焊接工艺规范影响：3）、焊丝成分的影响：增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量TiALZrRE,33,三、氢对金属的作用,（一）、氢在金属中的溶解1、来源：焊条药皮、焊剂、焊丝药芯中水分，药皮中有机物为、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（锆钛钒铌）第二类不形成稳定氢化物的金属(铝铁镍铜铬钼),34,2、氢的溶解机构,焊接区为氢可以处于分子、原子和离子状态,1).氢以原子形式溶入2).以溶入3).以溶入,35,3、的影响因素,氢与金属作用的特点，把金属分为两类与氢形成稳定氢化物的金属不与氢形成稳定氢化物的金属合金元素的影响：氢在铁中溶解度受合金元素影响,36,（二）、焊缝金属中的氢及其扩散,1.存在形式扩散氢：氢以原子或质子形式存在的并可在金属晶格中自由扩散。残余氢（剩余氢）：氢原子扩散聚集到金属的晶格缺陷，显微裂纹和非金属夹杂物的边缘空隙中，结合成分子不能自由扩散。总含氢量=扩散氢剩余氢,37,.氢在焊缝中分布,（1）氢沿长度方向的分布基本均匀（2）氢沿焊接接头横断面的分布（3）母材与焊缝的匹配,38,（三）、氢对焊接质量的影响,暂态现象：脆化、白点、(经时效、热处理可消除)永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、冷裂纹、不可消除1)、氢脆氢在室温附近，氢溶解在金属晶格中，引起钢的塑性严重下降现象,39,2)、白点,肉眼可见，直径0.53mm中心处有气孔或小的夹渣，外围有塑性裂断的痕迹，象鱼眼似的也称“鱼眼”.产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。“诱捕理论”解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙,好象“陷阱”一样.捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子,在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附.由于塑性变形新产生的微裂纹表面上,分解成原子氢,原子氢扩散到微裂纹金属晶格内,引起金属脆化。,40,3)、气孔,4)、组织变化和显微斑点焊缝金属AM时，由于氢在A有较大的溶解度，当含氢量高的焊缝自A化，温度冷却时，引起局部A过冷残余A增加，残余AM时，富氢的组织内产生大的内应力，造成显微裂纹5)、产生冷裂纹,41,（四）控制氢的措施,1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分3)、冶金处理4)、调整焊接规范5)、焊后脱氢处理,42,四、氧对金属的作用,（一）氧在金属中的溶解1).以原子氧形式溶解2).以FeO形式溶解（二）金属被氧化的途径气相中氧化气体与金属相互作用,1).自由氧对金属的氧化2).CO2对金属的氧化3).H2O气对金属的氧化4).混合气体对金属的氧化,43,（三）氧对焊接质量的影响,1).机械性能下降2).化学性能变差3).产生气孔合金元素烧损4).工艺性能变差,（四）防止措施一防二脱,本节结束,44,1-3熔渣与金属的作用,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。一、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分类1.熔渣的作用1).机械保护作用2).冶金处理作用3).改善工艺性能,45,2.熔渣的成分和分类,1).熔渣成分：大体由氧化物、氯化物、氟化物、硼酸盐类组成是多种化学组成的复杂体系。2).熔渣分为三类第一类盐型第二类盐氧化物型第三类氧化物型,46,（二）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。,47,1.分子理论：,1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成2).氧化物之间成盐反应服从质量作用定律,当Tk自由氧化物复合物浓度熔渣活性Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性,48,3).只有自由氧化物才能与金属作用,4).各氧化物之间的化学亲和力可近似用生成复合物时的热效应来衡量,49,5).液态熔渣是理想的熔体-服从理想溶液定律,分子理论可简明的定性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。,50,2.离子理论：,1).熔滴是由简单和复杂的离子组成的中性溶液,负电性大的元素以负离子形式存在负电性小的元素以正离子形式存在碱性渣中少，氧以自由氧离子形式存在酸性渣中SiO2多，形式复杂的离子.之间形成离子团，极性键结合.,51,2).离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩,综合矩=Z/rr=其子Z离子电荷（静电单位）r离子半径离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大综合矩如综合矩最大,负离子综合矩最大.二者可结合成或更复杂的离子当综合矩r综合矩,52,盐型简单结构均匀溶液，氧化型熔渣具有复杂网状，结构的化学成分更不均匀的离子溶液，盐氧化物型比较复杂的化学成分微观不均的离子溶液。,3).液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子交换电荷的过程离子理论分子理论由于离子交换电荷、运动、形成电流.,53,（三）熔渣的性质与其结构的关系,1.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SiO2TiO2P2O52).碱性氧化物K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO3).中性氧化物Al2O3Fe2O3Cr2O3,54,根据分子理论碱度的定义为：B=(R2O+RO)/RO2R2O、RO熔渣中碱性氧化物的摩尔分数RO2熔渣中酸性氧化物的摩尔分数,碱度B的倒数称为酸度,B1碱B1.3碱B1酸B1中,55,离子理论对碱度定义,液态熔渣中自由氧离子的浓度定义为碱度.,B2=aiMiMi-渣中第i种氧化物的摩尔分数;ai-渣中第i种氧化物的碱度系数;B20碱B20酸B2=0中,56,式中CaO、MgO、CaF2、SiO2等以质量百分数计,B11碱B11酸B11中,57,2.熔渣的粘度,(1)温度对粘度的影响长渣:T（酸性）短渣:（碱性）(2)熔渣成分对粘度的影响CaF2CaOSiO2,Sio2多,碱性渣,保护效果、焊接工艺、化学冶金有影响,58,3.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.金属键（大）:K2ONa2OCaOMgOBaOMnOFeO共价键（较小）:SiO2TiO2P2O5,59,4.熔渣的熔点药皮熔点:药皮熔化温度（造渣温度熔渣熔点:固态熔渣熔化温度焊接钢的熔渣熔点在1150-1350,60,二、活性熔渣对焊缝金属的氧化,（一）扩散氧化,L=(FeO)/FeOTL,饱和SiO2lgL=4906/T-1.877,饱和CaOlgL=5014/T-1.980,渣中,液态钢中,碱性焊条药皮中一般不加入FeO，并焊前清氧化皮铁锈,氧化皮铁锈敏感,61,（二）置换氧化,(SiO2)+2FeSi+2FeO,lgKSi=(FeO)2Si/(SiO2)=-13460/T+6.04(MnO)+Fe=Mn+FeOlgKMn=(FeO)Mn/(MnO)=-6600/T+3.16T反应向右进行，主要发生在熔滴阶段和溶池前部另外取决于渣中MnO、SiO2及FeO的活度。,62,AF=SiO2+042B12(MnO)/100B1AF0.6高活性AF=0.30.1低活性AF=0.6-0.3活性能AF0.1惰性,盐氧化物型焊剂中硅锰还原对金属的氧化,63,三、焊缝金属的脱氧（一）脱氧的目的和选择脱氧的原则1.对氧亲合力大于被焊金属2脱氧产物不溶液态金属3.考虑脱氧剂对焊缝成分性能及焊接工艺性能的影响（二）先期脱氧药皮反应区发生在药皮加热阶段，与熔滴不发生直接关系,Fe2O3+Mn=MnO+2FeOCaCO3+Mn=CaO+CO+MnO,64,（三）沉淀脱氧：溶滴、熔池内进行的1Mn的脱氧,Mn+FeO=Fe+(MnO)K=aMnO/aMn.aFeO=MnO.(MnO)/aMn.aFeO2.Si的脱氧Si+2FeO(SiO2)+2Fe3硅锰联合脱氧4.扩散脱氧L=(FeO)/FeOTL,65,四、焊缝金属中硫和磷的控制,（一）焊缝中硫的危害及控制1.硫的危害FeS:低熔点共晶2.控制硫的措施（1）限制焊接材料中含硫量（2）用冶金方法脱硫Mn碱性氧化物,66,碱性焊条脱硫,(CaO)FeS(CaS)(FeO),(MnO)FeS(MnS)(FeO),脱硫剂：碱性氧化物、锰脱硫,Mn+Fes=(MnO)+Fe,LgK=8220/T-1.86TK有利于脱硫,(MgO)FeS(MgS)(FeO),67,（二）焊缝中磷的危害及控制,1.磷的危害2.控制磷的措施（1）限制焊接材料中含磷量（2）脱磷反应,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,2Fe3P+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3.P2O3+11Fe2Fe3P+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4.P2O3+11Fe,68,1-4合金过渡,一、合金过渡的目的及方式（一）目的:补尝;改善;特殊性能（二）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.应用合金药皮或粘结焊剂4.应用合金粉未,69,二、合金过渡过程的理论分析,（一）合金剂过渡的方式合金渣-液渣-液界面液态金属中溶解扩散搅拌均匀.,(二）在合金过渡过程中各阶段的作用,Kb0.4熔滴过渡为主Kb0.4熔池过渡为主,70,71,（三）合金过渡时的物质平衡,Md=M0-(Msl+Mox)Md-过渡到熔敷的合金量;M0-原始加入量,Msl-残留损失Mxo-氧化损失,72,三、合金过渡系数用及其影响因素,（一）合金过渡系数,式中Cd-合金元素在熔敷金属中含量Ce-合金元素原始含量Cco-合金元素在药皮中的含量Ccw-在焊芯中的含量,73,（二）影响过渡系数的因素,1.合金元素的物化性质Cu、Ni、Co、Fe、W、Mo、Cr、Mn、V、Si、Ti、Zr、Al在1600各种合金元素对氧的亲和力由左到右增强2.合金元素的含量合金元素的含量,但增加一定时,趋于定值.3.合金剂的粒度4.药皮的成分药皮或焊剂的氧化势合金元素与其氧化物共存时,合金元素与其氧化物与渣的酸碱性相同时,5.药皮重量系数Kb,74,本章小结,本章以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢的冶金问题为重点，从热力学的角度来阐明焊接化学冶金的一般规律。也讨论了熔渣对金属的作用、合金过渡的几种形式及影响因素,75,思考题,1.焊接化学冶金与炼钢相比，在原材料方面和反应条件方面主要有哪些不同？2.调控焊缝化学