第一章(1,2节)焊接化学冶金

1、1 2 3 焊丝 母材 熔池 焊道 导电嘴 保护气体 溶 滴 电弧 4 5 6 gM=G/t =pI p为焊条熔化系数 gD=GD/t=HI H为焊条熔敷系数 =(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-H/p 蒸发蒸发 过渡过渡 飞溅飞溅 氧化氧化 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 N2、H2、O2 CO2 和和 H2O 直接进入直接进入间接分解间接分解 焊条药皮、焊剂、药芯的造气剂焊条药皮、焊剂、药芯的造气剂 22 焊条药皮中的淀粉、焊条药皮中的淀粉、 纤维素、糊精等有机物纤维素、糊精等有机物 （造气、粘接、增塑剂）（造气、粘接、增塑剂）

2、 热氧化分解反应热氧化分解反应 220250以上发生，以上发生， 800左右完全分解左右完全分解 CO2、CO、H2、烃和水气、烃和水气 如纤维素的热氧化分解反应：如纤维素的热氧化分解反应： （C6H10O5）m7/2m O2（气）（气）6m CO2（气）（气）5m H2（气）（气） 酸性焊条药皮中有机物的含量较高酸性焊条药皮中有机物的含量较高 23 碳酸盐（碳酸盐（CaCO3、MgCO3 及及 BaCO3 等）的分解等）的分解 CaCO3 = CaO + CO2 （545 910） MgCO3 = MgO + CO2（325 650） 碱性焊条药皮中碳酸盐的含量较高碱性焊条药皮中碳酸盐的含量

3、较高 高价氧化物（高价氧化物（Fe2O3 和和 MnO2）的分解）的分解 （在某些酸性焊条药皮中含量较高）（在某些酸性焊条药皮中含量较高） 6 Fe2O3 = 4 Fe3O4 + O2 2 Fe3O4 = 6 FeO + O2 4 MnO2 = 2 Mn2O3 + O2 6 Mn2O3 = 4 Mn3O4 + O2 24 焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分在焊接过程中，除了焊接材料和母材表面的水分发生蒸发外，金属元素和熔渣的各种成分在 电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。电弧高温作用下也会发生蒸发，形成相当多的蒸气。 金属材料中金属材料中Zn

4、、Mg、Pb、Mn 氟化物中氟化物中AlF3、KF、LiF、NaF 极易蒸发极易蒸发 物质物质ZnMgPbMnCrAlNiSi 沸点沸点9071126174020972222232724592467 物质物质CuFeTiVCNbMoW 沸点沸点25472753312733804502474248045927 物质物质CsFAlF3KFLiFNaFBaF2MgF2CaF2 沸点沸点12571260150016701700213722392500 后果：后果：合金元素的损失；合金元素的损失； 产生焊接缺陷；产生焊接缺陷； 增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身体健康。增加焊接烟尘，污染环境，影响焊工身

5、体健康。 纯金属和氟化物的沸点（纯金属和氟化物的沸点（） 25 编 号反 应 式 /kJ.mol编 号反 应 式 /kJ.mol 1F2FF2706CO2CO1/2O2282.8 2H2HH433.97H2OH21/2O2483.2 3H2HH+e17458H2OOH1/2H2532.8 4O2OO489.99H2OH2O977.3 5N2NN711.410H2O2HO1808.3 简单气体简单气体（指（指N N2 2、H H2 2、O O2 2、F F2 2等双原子气体）的分解等双原子气体）的分解 复杂气体复杂气体（指（指COCO2 2和和H H2 2O O等）的分解等）的分解 分解产物在高

6、温下还可进一步分解和电离分解产物在高温下还可进一步分解和电离 298 H 298 H 26 分分 解解 度度 温度温度 T / K CO2分解时气相的平衡成分分解时气相的平衡成分 与温度的关系与温度的关系 气气 相相 体体 积积 分分 数数 / % 温度温度 T / K 双原子气体分解度双原子气体分解度与温度与温度 的关系（的关系（P00.1MPa） 27 图图7-3 H2O分解形成的气相成分与温度的关系（分解形成的气相成分与温度的关系（P00.1MPa） 温度温度 T /103K 气气 相相 体体 积积 分分 数数 / % 28 低氢型焊条低氢型焊条焊接时，气相中焊接时，气相中H H2 2和

7、和H H2 2O O的含量很少，故称的含量很少，故称“低氢型低氢型” 酸性焊条酸性焊条焊接时氢含量均较高，其中焊接时氢含量均较高，其中纤维素型焊条纤维素型焊条的最大的最大 药药 皮皮 类类 型型 气相成分（体积分数）气相成分（体积分数） /% 备备 注注 COCO2H2H2O 高钛型（高钛型（J421）46.75.334.513.5 焊条在焊条在 110 烘干烘干2h 钛钙型（钛钙型（J422）50.75.937.55.7 钛铁矿型（钛铁矿型（J423）48.14.836.610.5 氧化铁型（氧化铁型（J424）55.67.324.013.1 纤维素型（纤维素型（J425）42.32.941

8、.212.6 低氢型（低氢型（J427）79.816.91.81.5 29 气体气体金金 属属 与与 合合 金金溶解反应类型溶解反应类型形成化合物倾向形成化合物倾向 氢氢 Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co 等金属及合金等金属及合金 吸热反应吸热反应不能形成稳定氢化物不能形成稳定氢化物 Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th 等金属及合金等金属及合金 放热反应放热反应能形成稳定氢化物能形成稳定氢化物 30 2 HH =KP H S 吸附吸附 分解分解 溶溶 入入 分解分解 吸附吸附 溶入溶入 31 （ PN2 PH2 = 0.1MPa ） 氮、氢在金属凝固氮、氢在金属凝固 时溶解度陡降。时溶解

9、度陡降。 氮、氢在奥氏体中的氮、氢在奥氏体中的 溶解度大于铁素体。溶解度大于铁素体。 氮、氢在液态铁中的溶解氮、氢在液态铁中的溶解 度随温度升高而增大。度随温度升高而增大。 在铁的气化温度附近，在铁的气化温度附近， 气体溶解度陡降。气体溶解度陡降。 32 SH/mL.(100g)-1 T/ 氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（氢在不同金属中的溶解度随温度的变化（pH20.1MPa） a）I类金属类金属 b）II类金属类金属 SH/mL.(100g)-1 T/ 第第II类金属吸氢过程是放热反应，因此随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，着温度的升高，氢的溶解度减小，

10、33 在室温下仍有较大的扩散能力，在室温下仍有较大的扩散能力， 如在如在2020时，时，HH的扩散速度比的扩散速度比NN、 CC高高101012 12倍！ 倍！ 占氢总量的占氢总量的80%80%以上。以上。 总含氢量总含氢量=扩散氢扩散氢氢氢 34 HH2 35 焊条保温桶焊条保温桶远红外焊条烘箱远红外焊条烘箱 36 2 主要是主要是 CaF2，焊条药皮中加入，焊条药皮中加入78，即可急剧减，即可急剧减 少焊缝的氢含量。少焊缝的氢含量。 氟化物的去氢机理主要有以下两种：氟化物的去氢机理主要有以下两种： 在酸性渣中在酸性渣中， CaF2和和SiO2共存时能发生如下化共存时能发生如下化 学反应：学

11、反应： 2 CaF2 + 3 SiO2 = 2 CaSiO3 + SiF4 生成的气体生成的气体 SiF4 沸点很低（沸点很低（90），它以气），它以气 态形式存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发态形式存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发 生反应：生反应： SiF4 + 3 H = SiF + 3 HF SiF4 + 2 H2O = SiO2 + 4 HF 反应生成的反应生成的 HF 在高温下比较稳定，故能降低在高温下比较稳定，故能降低 焊缝的氢含量。焊缝的氢含量。 37 CaF2首先与药皮中的水玻璃发生反应：首先与药皮中的水玻璃发生反应： Na2O.n SiO2 + m H2O = 2 NaOH

12、 + n SiO2 (m-1)H2O 2 NaOH + CaF2 = 2 NaF + Ca(OH)2 K2O.n SiO2 + m H2O = 2 KOH + n SiO2(m-1) H2O 2 KOH + CaF2 = 2KF + Ca(OH)2 与此同时，与此同时，CaF2与氢和水蒸气发生如下反应：与氢和水蒸气发生如下反应： CaF2 + H2O = CaO + 2 HF CaF2 + 2 H = Ca + 2 HF 上述反应生成的上述反应生成的 NaF 和和 KF 与与 HF 发生反应：发生反应： NaF + HF = NaHF2 KF + HF = KHF2 生成的氟化氢钠和氟化氢钾进

13、入焊接烟尘，从而达到了去氢的目的。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。 38 气相中的氧可以夺取氢，生成气相中的氧可以夺取氢，生成较稳定的较稳定的OH ，从而减小气相中的氢分压，从而减小气相中的氢分压， 降低熔池中氢的浓度。因此：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适当提高气相的氧化性，有利于降低焊缝的氢含 量量。 焊条药皮中加入碳酸盐或焊条药皮中加入碳酸盐或 Fe2O3 ，或采用，或采用 CO2 作保护气体，均可获得氢含作保护气体，均可获得氢含 量较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出量较低的焊缝。因为碳酸盐受热后分解出 CO2 ，Fe2

14、O3 则分解出则分解出O2 ，能促使下，能促使下 列反应向右进行列反应向右进行 ： O + H = OH O2 + H2 = 2 OH 2 CO2 + H2 = 2 CO + 2 OH 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。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。 22 O PP H OHH 39 钇钇Y Y、 焊条药皮中加入微量的焊条药皮中加入微量的钇钇，可显著降低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊，可显著降

15、低焊缝中扩散氢的含量，同时能提高焊 缝的韧性。微量稀土元素缝的韧性。微量稀土元素碲碲和和硒硒也有很强的去氢作用。也有很强的去氢作用。 40 电流种类和极性电流种类和极性 交流电焊接时，焊缝含氢量比用直流电焊交流电焊接时，焊缝含氢量比用直流电焊 接时多接时多 反极性焊接时，焊缝的含氢量比正极性时反极性焊接时，焊缝的含氢量比正极性时 少少 + - H+ - + H+ 直流正极性直流正极性直流反极性直流反极性 41 如：焊后立即如：焊后立即将焊件加热到将焊件加热到 350350，保温，保温1h1h，可使绝大部分的，可使绝大部分的 扩散氢去除。扩散氢去除。 在生产上，对于易产生冷裂的在生产上，对于易产

16、生冷裂的 焊件常要求进行焊后脱氢处理。焊件常要求进行焊后脱氢处理。 但对于奥氏体钢焊接接头，脱但对于奥氏体钢焊接接头，脱 氢处理效果不大。氢处理效果不大。 42 43 温度温度 T/ 溶解度溶解度%/oS 734. 2 6320 lg max0 T S 44 在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的金属氧化物的 分解压分解压 Po2作为金属是否被氧化的判据。作为金属是否被氧化的判据。 分解达到平衡时氧的分压分解达到平衡时氧的分压Po2 ，称为反应，称为反应氧化物的分解压氧化物的分解压。 若氧在金属氧氧化物系统中的若

17、氧在金属氧氧化物系统中的实际分压实际分压为为Po2，则，则: Po2 Po2 时，金属被氧化；时，金属被氧化； Po2 = Po2 时，处于平衡状态；时，处于平衡状态； Po2 Po2 时，金属被还原。时，金属被还原。 2 22 OMe n m OMe n nm 45 自由氧化物分解压与温度的关系自由氧化物分解压与温度的关系 T/ Lg pO2/ 101.3kPa MoO 金属氧化物的分解压是金属氧化物的分解压是 温度的函数，它随温度的升温度的函数，它随温度的升 高而增加。高而增加。 除了除了 Ni 和和 Cu 外，在同外，在同 样温度下，样温度下，FeO的分解压最大，的分解压最大， 即最不稳

18、定。即最不稳定。FeO为为纯凝聚相纯凝聚相 时，其分解压为：时，其分解压为： 43.6 26730 lg 2 O T p 46 式中式中 Po2 是液态铁中是液态铁中FeO的分解压；的分解压；FeO 是溶解在液态铁中的是溶解在液态铁中的 FeO 浓度；浓度； FeOmax是液态铁中是液态铁中 FeO 的饱和浓度。的饱和浓度。 由式（由式（7-15）可以看出，由于）可以看出，由于 FeO 溶于液态铁中，使其分解压减小，致使溶于液态铁中，使其分解压减小，致使 Fe 更容更容 易氧化。易氧化。 p 计算得知，在高于铁熔点的温度下计算得知，在高于铁熔点的温度下 Po2 很小，例如温度为很小，例如温度为

19、18001800，液，液 态铁中态铁中 FeO FeO 的质量分数为的质量分数为1 1时，时， Po2 =1.510-5 KPa( ( 说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。说明气相中只要存在微量的氧，即可使铁氧化。 p 通常情况下通常情况下FeOFeO溶于液态铁中，这时其分解压为：溶于液态铁中，这时其分解压为： 2 max 2 OO FeO FeO 22 pp 47 中中 O2 的分压超过的分压超过 Po2 时，将使时，将使 Fe 氧化：氧化： Fe + O2 = FeO + 26.97 kJ/mol Fe + O = FeO + 515.76 kJ/mol 由反应的热效应看，由反应的热

20、效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈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：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 = CO Si + O2 =（SiO2） Mn + O2 =（MnO） 48 温度温度/K1800200022002500300035004000 气相成分气相成分 ( 体积分体积分 数数 ) / CO299.3497.7493.9481.1044.2616.695.92 CO0.441.514.0412.6037.1655.5462.72 O20.220.762.026.3018.5

21、827.7731.36 气相中氧的分压气相中氧的分压 pO2 /101.325kPa 2.2 10-3 7.6 10-3 2.02 10-2 6.3 10-2 18.58 10-2 27.77 10-2 31.36 10-2 FeO饱和时饱和时 PO2 /101.325kPa 3.81 10-9 1.08 10-7 1.35 10-6 5.3 10-5 气气 高温下高温下CO2对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。对液态铁和其他许多金属来说均为活泼的氧化剂。 49 CO2与液态铁的反应式和平衡常数为：与液态铁的反应式和平衡常数为： CO2 Fe CO FeO 温度升高时，平衡常数温度升高

22、时，平衡常数K增大，反应向右进行，促使铁氧化。增大，反应向右进行，促使铁氧化。 计算表明，即使气相中只有少量的计算表明，即使气相中只有少量的 CO2 ，对铁也有很大的氧化性。，对铁也有很大的氧化性。 因此，用因此，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。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。 用用CO2 作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素。作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素。 855.6 11576 lg T K 50 H2O 气与气与 Fe 的反应式和平衡常数为：的反应式和平衡常数为： H2O气气 Fe FeO H2 可见，可见，温度

23、越高，温度越高，H2O 的氧化性越强的氧化性越强。 在液态铁存在的温度，在液态铁存在的温度，H2O 气的氧化性比气的氧化性比 CO2 小小。但应。但应 注意，注意，H2O气除了使金属氧化外，气除了使金属氧化外，还会提高气相中还会提高气相中 H2 的分的分 压，导致金属增氢压，导致金属增氢。 5.5 10200 lg T K 51 温度温度/K 钛铁矿型钛铁矿型低氢型低氢型 Po2Po2Po2Po2 1800 2000 2500 3000 8.5210-10 9.4710-10 4.9810-6 2.9610-4 1.4010-9 8.4210-9 2.1610-7 1.8810-6 2.1210-9 8.0210-8 6.3010-5 5.3510-3 5.4910-11 3.3010-10 8.47