第三章焊接过程中的冶金反应原理VIP

Chapter3焊接过程中的冶金反应原理（一）,第一篇连接成形理论基础,2,焊接方法,焊接材料,焊缝的成份,焊缝的性能,化学冶金过程,焊接过程中，高温液态金属会与气体和熔渣之间发生相互作用（冶金反应）。通过本章的学习，了解影响焊件的性能的气体和熔渣的来源及其与金属的相互作用机制。,本章讲授目的,3,本章主要内容,第1节连接成形的冶金反应特点,第2节液态金属与气体界面的反应,第4节合金化及工艺条件对冶金反应的影响,第3节液态金属与熔渣的相互作用,4,第1节连接成形的冶金反应特点,连接成形的冶金反应特点：存在保护、分区域（药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区）进行、与焊接工艺有关,5,药皮反应区：温度低（钢焊条1200）。水蒸发及药皮中固态物质的分解，造渣和造气。熔滴反应区：温度高（21002800）、熔滴比表面积大，是焊接冶金反应最激烈的部位。气体分解和溶解、金属蒸发、氧化还原及焊缝金属合金化。熔池反应区：温度平均1770左右，反应比溶滴区弱些。温度分布不均，不同部位冶金反应不同。头部金属熔化和吸气，尾部金属凝固和气体逸出。,6,一、气体的来源与产生二、气体在金属中的溶解三、氧化性气体对金属的氧化四、气体的控制措施,第2节液态金属与气体界面的反应,7,N2、H2、O2CO2和H2O,焊接区的气体,焊接材料，如：焊条药皮、焊剂、焊芯、高价氧化物及有机物母材坡口的油污、铁锈、水分空气中的气体、水分保护气体及其杂质气体,直接进入,间接分解,一、气体的来源与产生,8,（1）有机物的分解和燃烧（2）碳酸盐和高价氧化物的分解（3）材料的蒸发（4）气体的分解,气体的间接来源,9,1有机物的分解和燃烧,焊条药皮中的淀粉、纤维素、糊精等有机物（造气、粘接、增塑剂）,热氧化分解反应,200250后,CO2、CO、H2、烃和水气,如纤维素的热氧化分解反应：（C6H10O5）m7/2mO2（气）6mCO2（气）5mH2（气）,酸性焊条药皮中有机物的含量较高。,10,2碳酸盐和高价氧化物的分解,碳酸盐（CaCO3、MgCO3及BaCO3等）的分解CaCO3=CaO+CO2MgCO3=MgO+CO2,（545910）（325650）,碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高。,高价氧化物（Fe2O3和MnO2）的逐级分解（在某些酸性焊条药皮中含量较高）6Fe2O3=4Fe3O4+O22Fe3O4=6FeO+O24MnO2=2Mn2O3+O26Mn2O3=4Mn3O4+O2,11,碳钢焊条电弧焊焊接区室温时的气相成分,低氢型焊条焊接时，气相中H2和H2O的含量很少，故称“低氢型”；酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条的最大。,12,3材料的蒸发,焊接材料和母材表面的水分、金属元素和熔渣的各种成分在电弧高温作用下会发生蒸发，形成相当多的蒸气。金属材料中Zn、Mg、Pb、Mn氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF后果：合金元素的损失；产生焊接缺陷；增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。,极易蒸发,13,4、气体的分解,简单气体（指N2、H2、O2、F2等双原子气体）的分解，如：H2HH；复杂气体（指CO2和H2O等）的分解，分解产物在高温下还可进一步分解和电离，由分子或原子变为离子，如：HH。,14,1.原子或离子状态直接溶入液态金属；分子状态的气体先分解为原子或离子之后再溶解到液态金属中。2.双原子气体溶入金属液的两种方式：吸附分解溶入分解吸附溶入,二、气体在金属中的溶解,15,双原子气体溶入金属液的两种方式,温度不够高或气体难以分解时焊接温度下氢、氧等气体的溶解,16,3.溶解度S在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。,溶解度S的影响因素,气体种类,合金成分,温度与压力,17,（1）温度和压力的影响,理想气体溶解度的平方根定律：Px为气相中的气体分压，Px溶解度Kx为气体溶解反应的平衡常数，取决于温度和金属的种类。,18,金属吸收气体为吸热反应，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应，溶解度随温度的上升而降低。,气体溶解度与热效应和温度的关系1吸热溶解2放热溶解,金属发生相变时，由于金属组织结构的变化，气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解。,当金属由液相转变为固相时，溶解度的突然下降将对铸件和焊件中气孔的形成产生直接的影响。,19,氮和氢在金属或合金中的溶解反应类型及形成化合物倾向,（2）氮、氢、氧在金属中的溶解度,20,氮、氢在铁中的溶解度,（PN2PH2=0.1MPa）,氮、氢在金属凝固时溶解度陡降。,氮、氢在奥氏体中的溶解度大于铁素体。,氮、氢在液态铁中的溶解度随温度升高而增大。,在铁的气化温度附近，气体溶解度陡降。,21,氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa）a）I类金属b）II类金属,a）,SH/mL.(100g)-1,T/,b）,第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随着温度的升高，氢的溶解度减小，,22,氧在金属中的溶解度与温度的关系,氧在液态铁中的溶解度随温度升高而增大,铁液中氧的溶解度随温度的变化,23,（3）合金成分对溶解度的影响,液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则降低气体的溶解度。,24,三、氧化性气体对金属的氧化,主要讨论O2、CO2、H2O等气体对金属的氧化。1、金属氧化还原方向的判据2、氧化性气体对金属的氧化,25,1、金属氧化还原方向的判据,在由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的分解压Po2作为金属是否被氧化的判据。2MeO2Me+O2若氧在金属氧氧化物系统中的实际分压为Po2，则:Po2Po2时，金属被氧化；Po2=Po2时，处于平衡状态；Po2Po2时，金属被还原。,26,金属氧化物的分解压是温度的函数，随温度的升高增加。除了Ni和Cu外，在同样温度下，FeO的分解压最大，即最不稳定。但由于FeO溶于铁液中，使其分解压Po2变小，从而使Fe更易于被氧化。,自由氧化物分解压与温度的关系,T/,LgpO2/101.3kPa,27,2、氧化性气体对金属的氧化,自由氧、CO2、H2O、混合气体对金属的氧化,28,（1）自由氧对金属的氧化,氧在铁液中以氧原子和FeO形式存在。气相中O2的分压超过Po2时，将使Fe氧化：Fe+O2=FeO+26.97kJ/molFe+O=FeO+515.76kJ/mol由反应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如：C+O2=COSi+O2=（SiO2）Mn+O2=（MnO）,29,纯CO2高温分解得到的平衡气相成分和气相中氧的分压Po2,随温度升高，气相中氧分压增大，氧化性增加。,CO2对金属的氧化,温度高于铁的熔点以后，Po2远大于Po2,高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。,30,CO2与液态铁的反应式为：CO2FeCOFeOCO2对金属的氧化反应特点：即使气相中只有少量的CO2，对铁也有很大的氧化性。焊接时，用CO2作保护气体只能防止空气中氮的侵入，不能避免金属的氧化。用CO2作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素。,31,H2O对金属的氧化,H2O气与Fe的反应式为：H2O气FeFeOH2,H2O对金属的氧化反应特点：温度越高，H2O的氧化性越强。在液态铁存在的温度，H2O气的氧化性比CO2小。但应注意，H2O气除了使金属氧化外，还会提高气相中H2的分压，导致金属增氢。,32,四、气体的控制措施,1、气体对金属质量的影响2、气体的控制措施,33,1、气体对金属质量的影响,残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于气体元素在金属中的存在状态。,室温下N、H、O在金属中的溶解度极低，残留在接头中的HR易导致冷裂纹和氢脆。,固溶态化合物独立气相,晶界、晶内弥散状（氮化物Fe4N）块状（氧化物、氮化物）,强化、脆化夹杂,气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）,氢在室温附近使钢的塑性严重下降,34,2、气体的控制措施,限制气体的来源控制工艺参数冶金处理,35,限制气体的来源,（1）氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除比较困难。因此，控制氮的首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。,限制措施：焊接时，采用渣保护、气保护或渣气联合保护。,（2）氢主要来源于水分，包括原材料（母材、焊接材料等）本身含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。,限制措施：焊材存放中防吸潮、焊前烘干和去除杂质和油污。,36,限制气体的来源,（3）氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应尽量选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧的焊条、焊剂等。,37,控制工艺参数,（1）减小电弧电压时，保护效果变好，液态金属与空气的接触机会减小，减少焊缝中氮、氧的含量。因此，应尽量采用短弧焊。,（2）焊接电流增加时，熔滴过渡频率增加，气体与熔滴作用时间缩短，焊缝中氮、氧含量减少。此外，焊接方法、熔滴过渡特性、电流种类等也有一定的影响。,38,39,冶金处理,采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气处理，是降低金属中气体含量的有效方法。冶金法脱氮液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气孔和时效脆化倾向。但要严格控制加铝量。,40,焊接过程中的脱氢（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物（2）控制焊接材料的氧化势（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素（4）焊后消氢处理,41,（1）在焊条药皮和焊剂中加入氟化物,主要是CaF2，焊条药皮中加入78，即可急剧减少焊缝的氢含量。氟化物的去氢机理主要有以下两种：在酸性渣中，CaF2和SiO2共存时能发生如下化学反应：2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4生成的气体SiF4沸点很低（90），它以气态形式存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应：SiF4+3H=SiF+3HFSiF4+2H2O=SiO2+4HF反应生成的HF在高温下比较稳定，故能降低焊缝的氢含量。,42,在碱性焊条药皮中，CaF2首先与药皮中的水玻璃发生反应生成NaF和KF：Na2O.nSiO2+mH2O=2NaOH+nSiO2(m-1)H2O2NaOH+CaF2=2NaF+Ca(OH)2K2O.nSiO2+mH2O=2KOH+nSiO2(m-1)H2O2KOH+CaF2=2KF+Ca(OH)2同时，CaF2与氢和水蒸气发生反应，生成HF：CaF2+H2O=CaO+2HFCaF2+2H=Ca+2HFNaF和KF与HF发生反应：NaF+HF=NaHF2KF+HF=KHF2生成的氟化氢钠和氟化氢钾进入焊接烟尘，从而达到了去氢的目的。,43,（2）控制焊接材料的氧化势,气相中的氧可以夺取氢，生成较稳定的OH，从而减小气相中的氢分压，降低熔池中氢的浓度。因此：适当提高气相的氧化性，有利于降低焊缝的氢含量。焊条药皮中加入碳酸盐或Fe2O3，或采用CO2作保护气体，均可获得氢含量较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出CO2，Fe2O3则分解出O2，能促使下列反应向右进行：O+H=OHO2+H2=2OH2CO2+H2=2CO+2OH在药皮中加入脱氧剂如钛铁，会增加扩散氢的含量。因此，要得到氧和氢含量都低的焊缝金属，在增加脱氧剂的同时，必须采取其他有效的去氢措施。,44,（3）在药皮或焊芯中加入微量稀土元素,焊条药皮中加入微量的钇，可显著降