材料成型理论基础焊接-5

赵兴科,焊接理论基础,第二章焊接冶金过程,本章主要以钢铁材料的电弧焊为例，分析焊接冶金过程特点，揭示焊接冶金与焊缝金属成分、组织和性能等之间的关系。初步学会利用焊接冶金的理论基础知识，控制焊缝金属的成分和组织。,本章目录,2-1焊接冶金过程的特点2-2焊接区的气体与熔渣2-3气体与金属的作用2-4熔渣与金属的作用,熔化焊时焊接区内的各种物质之间发生的高温反应过程称为焊接冶金过程。,焊接冶金包括物理冶金和化学冶金。,物理冶金反映原子迁移现象，如扩散、熔化、结晶与相变等；化学冶金反映电子迁移现象，如氧化、还原、分解与合成等。,2.1焊接冶金过程的特点,焊接冶金过程实质上是金属在焊接条件下的二次熔炼过程。与普通冶金（如电炉炼钢）有共同之处，同时存在显著差别，如：,分区域进行快速进行受焊接工艺影响大,因此，不能机械地搬用普通冶金规律，而必须找出焊接冶金的固有规律，以使冶金反应向着有利的方向发展，得到优质的焊缝金属。,在认识焊接冶金的特点之前，首先要了解焊接时保护金属的必要性、保护方式、效果以及对焊缝金属性能的影响。,一、焊接区的保护,用低碳钢光焊丝在空气中无保护电弧焊接时，焊缝金属的成分和性能与母材和焊丝比较，发生了很大的变化：,焊缝氧含量比焊丝的高2045倍；焊缝氮含量比焊丝的高735倍；焊缝C、Mn等合金元素的含量降低。,成分：,性能：,焊缝不致密，内部和表面存在大量气孔；焊缝的塑性和韧性急剧下降，脆性断裂；,低碳钢光焊丝无保护焊接时焊缝的性能,无实用价值。,为了提高焊缝的质量，需要采取各种措施减少大气对高温液态金属的污染，保护是焊接冶金的首要任务。实际上，焊接方法的分类标准之一就是保护方式。,1固相焊；2热化学焊；3电阻焊；4无保护电弧焊；5焊剂保护电弧焊；6气保护电弧焊；7辐射能焊,在真空室内进行的电子束焊接，保护效果是最理想的，常用来焊接化学活性强的材料。,惰性气体（主要有氩、氦等）的纯度、焊炬的结构、气流的特性等影响保护效果。,活性气体常用的有二氧化碳，这是一种氧化性气体，通过添加脱氧剂可以用来焊接钢铁材料，一般不能用于有色金属的焊接。,焊剂，高温下成为熔渣，覆盖在熔滴和熔池的表面将空气隔开，典型的焊接方法是埋弧焊和电渣焊。,手工电弧焊则采用气体-溶渣联合保护的。,从保护的角度，上述方法均可以很好地将高温液体金属与空气隔离。这种机械方式保护熔滴和熔池，有些情况下仍然得不到的合乎要求的焊缝成分与性能。,烧损、增氧、脆性、裂纹等,冶金处理是焊接冶金的第二个任务即：通过调整焊接材料的成分和性能控制高温液体金属冶金反应的发展，获得预期要求的焊缝成分。,二、焊接冶金反应区及其反应条件,熔滴、溶池具有不同的状态参量（温度、相接触面积、搅拌、作用时间等），即使对熔池而言，头部和尾部的温度梯度分布也存在差别，这决定了焊接化学冶金过程的分区域、分阶段进行的特征。,不同的焊接方法有不同的反应区，手弧焊有三个独立又相互联系着的焊接冶金反应区：,药皮反应区；熔滴反应区；熔池反应区。,1药皮反应区,药皮反应区的温度范围从100至药皮的熔点。这个反应区主要冶金反应为某些物质的分解和合金元素的氧化。,物质的分解：,有机物（纤维素、淀粉等）,CO2、CO、H2,矿物质（大理石、钛铁矿等）,CO2、CO、O2；MO,合金元素的氧化：,2Mn+O2=2MnO;Mn+CO2=MnO+CO;Mn+H2O=MnO+H2,先期脱氧：在药皮加热阶段，通过固态药皮中的合金元素的氧化反应，降低焊接区气相氧化性的过程。,2熔滴反应区,在熔滴形成、长大和过渡过程中，液体金属与气体、熔渣（药皮反应产物）在高温下发生复杂的反应。这个区的冶金反应最激烈，对焊缝的成分影响也最大。熔滴反应区的冶金反应主要为：,气体的分解和溶解；金属的蒸发；金属的氧化和还原；焊缝的合金化。,3熔池反应区,熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材混合或接触，与此同时各相间进一步发生物化反应，直至金属凝固。熔池反应区的冶金反应主要表现为：,熔池尾部：放热反应,溶池头部：吸热反应,金属的熔化、气体的吸收；,金属的凝固、气体的逸出。,三、焊接冶金与焊接工艺条件的关系,焊接冶金过程的另一个特点是它与焊接工艺条件有密切的联系，改变焊接工艺（如焊接方法、焊接规范等）必然引起冶金反应条件（反应物的种类、数量、浓度、温度、反应时间等）的变化，因而也就影响到冶金反应的过程。,熔合比：在焊缝中熔化的母材所占的比例。,1熔合比的影响,熔合比的数值取决于焊接方法、规范、接头形式和尺寸、母材性质等。,当母材与焊材的成分不同时，熔合比对焊缝金属的成分有很大影响。,C0焊缝中的浓度；Cb母材中的浓度；Ce焊材中的浓度熔合比,考虑到焊接过程中焊材损失，用熔敷金属中的浓度Cd代替Ce。,多层焊时，如果各层间的熔合比是恒定的，则可以得出第n层焊缝金属中元素浓度的计算式为：,Cn=Cd-(Cd-Cb)n,通过上面两式可以看出，通过熔合比可以改变焊缝金属的化学成分：,要保证焊缝金属成分和性能的稳定，必须严格控制焊接工艺条件；堆焊时要调整焊接规范，尽量减小熔合比；异种材料焊接时，要根据熔合比合理选择焊接材料。,2熔滴过渡特性的影响,熔滴反应区进行的冶金反应最为激烈，对焊缝成分产生重要的影响。而熔滴过渡特性决定了熔滴的温度、存在时间以及相接触程度等，对冶金反应有重要影响。,CO2保护焊焊丝中Si元素的损失率,短路过渡比大颗粒过渡小；随熔滴的过渡频率提高而减小。,3熔渣有效作用系数的影响,熔渣作用系数定义为焊接冶金过程中与液体金属发生相互作用的熔渣质量与液体金属质量之比。,手弧焊时焊条的药皮重量系数一定，熔渣作用系数受焊接规范的影响相对较小。但对于埋弧焊，焊接规范不仅使熔滴的过渡特性和熔合比有很大的变化，而且熔化焊剂的量也变化很大，从而改变了焊接冶金的物质条件，最终对焊缝金属产生影响。,影响焊缝金属成分的主要因素：,焊接材料（焊丝、药皮/焊剂、保护气体等），不仅影响焊接冶金过程，而且决定焊缝金属的合金系统。调整焊接材料是控制焊缝成分的主要手段；焊接工艺规范，通过影响焊接冶金过程发挥作用，是控制焊缝金属成分的辅助手段。,四、焊接冶金系统及其不平衡性,焊接冶金系统是一个复杂的高温多相反应系统。多相反应发生在相界面上，并与传质、传热等密切相关。焊接方法、规范、焊材、母材都可能影响冶金反应的可能性、方向、速度和限度。,焊接的动态加热过程决定了焊接冶金系统是非平衡。不宜直接应用热力学平衡的计算公式定量分析焊接冶金问题。,在焊接冶金区的局部某些冶金反应可以达到平衡状态，例如，在熔池的头部和尾部个别反应的方向相反说明存在一个平衡态。因此，可以用热力学计算定性分析局部区域焊接冶金的方向和动力学问题。,2.2焊接区的气体和熔渣,弄清焊接区内的气体来源、组成、状态及其分布特点对于研究气相参与的焊接冶金反应具有重要的意义。,1.焊接区内气体的来源,焊剂保护焊，气体的主要来自焊接材料，如焊条药皮、焊剂等中的造气剂、所含的水分以及矿物质中的氧等。,焊接区内的气体来源与焊接方法有关。,气体保护焊，焊接区内的气体主要来自保护气及其所含的杂质（氧、氮、水分等）。还有空气的侵入。,一、焊接区内气体,(1)有机物的分解和燃烧,焊条药皮成分中常有淀粉、纤维素、糊精等有机物作为增塑剂和造气剂。这些物质受热时将发生复杂的分解和燃烧反应，统称为热氧化分解反应，析出大量气体。,纤维素的热氧化分解反应可以表示为：,有机物的热氧化分解反应常伴随放热效应，同时使气体产物发生分解或合成。色谱分析表明，上述反应的气态产物主要是CO2，还有少量的CO、H2、烃和水气。,焊条药皮中的有机物在200以上时就开始热氧化分解反应，因此，含有有机物的焊条，烘干温度应控制在150左右，不应超过200。,(2)碳酸盐和高价氧化物的分解,焊条药皮和焊剂中常用的碳酸盐有CaCO3、MgCO3、BaCO3等，当加热到一定温度时，它们就发生分解反应，如：,分解反应的程度用分解压表示，是温度的函数，上述分解反应的分解压与温度的关系为：,空气中的CO2分压为30.4Pa，由此可以计算出CaCO3在空气中开始分解的温度为545，电弧加热温度远高于此温度，碳酸盐在焊接过程中将完全分解。,焊接材料中常用的高价氧化物主要有Fe2O3和MnO2，在焊接条件下将发生逐级分解，如：,反应的结果生成低价氧化物，并放出大量的氧气。,(3)材料的蒸发,焊接过程中除焊接材料中的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分也会在电弧的高温作用下发生蒸发，在焊接区内形成大量蒸汽。这些蒸汽飘离电弧将发生凝结，成为焊接烟尘。,材料蒸发不仅使气相的成分和冶金反应复杂化，造成合金元素的损失，并且污染环境，影响焊工身体健康。,材料蒸发程度与材料（母材、焊材）中的低沸点物质的数量以及焊接工艺有关。,2.焊接区内气体的分解,气体的状态（分子、原子和离子状态）对其在金属中的溶解和与金属的作用有很大影响，需要了解焊接区内气体的分解和电离问题。,气体受热后，原子的振动能和旋转能增加，当原子的能量达到一定值时，将使原子键断裂开，分解成单个原子或离子和电子。,气体的分解反应进行程度用平衡常数和分解度来表示。对于双原子分子G2分解反应的平衡常数和分解度可以表示为：,反应通式,平衡常数,分解度,(1)简单气体的分解,气体分解的平衡常数是温度的函数，分解度也是温度的函数，如果平衡常数对温度的函数一旦确定，可以计算分解度随温度的变化曲线。,在焊接温度（5000K）下，焊接区内气体的分解度很大，绝大部分的氢和氧都以原子状态存在。氮的分解度较小，基本上以分子状态存在。,单原子气体当获得足够的能量后将发生热电离。电离所需要的能量比分解时高，需要更高的能量。,有电弧存在时，会发生碰撞电离和光电离，因此实际焊接区内气体离子化过程复杂，产生的离子数量很多。,（2）复杂气体的分解,CO2和H2O是焊接区内常见的复杂气体，受热后也会发生分解反应。,CO2有一种分解方式，H2O的分解方式有多种。,在焊接温度（5000K）下这两种气体分子几乎完全分解。,分解产物中含有双原子气体，会进一步发生分解。,CO2分解时气相的平衡成分与温度的关系,水蒸汽分解的产物比较复杂，不仅增加了气相的氧化性，而且增加了气相中的氢数量，这可能使焊缝金属