焊接冶金学-第3讲

1、第一章 焊接化学冶金1第一章焊接化学冶金第一章 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 合金过渡第一章第一章- -焊接化学冶金焊接化学冶金第一章 焊接化学冶金3重点内容重点内容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、合金过渡问题第一章 焊接化学冶金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 1-1 焊接化学冶金过程特点焊接化学冶金过程特点第一章 焊接化学冶金5普通化学冶金过程和焊

2、接化学普通化学冶金过程和焊接化学冶金过程对比冶金过程对比 普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放牧特定的炉中进行。 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。 二者共同点二者共同点：金属冶炼加工。第一章 焊接化学冶金6不同点：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。 2）目的不同 普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能第一章 焊接化学冶金7一、焊条熔化及熔池的形成一、焊条熔化及熔池的形成 （一）焊条的加热及熔化（一）焊条的加热及熔化 1 1、焊条的加热、焊条的加热 电阻热：焊接电流通过焊芯时产生的电阻热

3、。电弧热：焊接电弧传给焊条端部的热量。1) 化学反应热：药皮部分化学物质化学反应时产生的热量。 第一章 焊接化学冶金8 2、焊条金属的熔化速度、焊条金属的熔化速度 焊条金属的平均熔化速度 gM=G/t =pI p为焊条熔化系数 gM焊条金属的平均熔敷速度 gD=GD/t=HI gD为焊条的平均熔敷速度 损失系数损失系数 =(G-GD)/G=(gM-gD)/gD=1-H/P H=(1-) P第一章 焊接化学冶金93、焊条金属熔滴及过渡特性、焊条金属熔滴及过渡特性 熔滴过渡形式熔滴过渡形式 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

4、附壁过渡。 第一章 焊接化学冶金10第一章 焊接化学冶金112) 熔滴的比表面积和作用时间熔滴的比表面积和作用时间熔滴的比表面积S：熔熵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。第一章 焊接化学冶金123) 熔滴的温度熔滴的温度 实测手工电弧焊碳钢焊条：2100-2700K，熔渣平均温度：1600C0 第一章 焊接化学冶金13（二）熔池的形成（二）熔池的形成1、熔池的形状和尺寸、熔池的形状和尺寸 熔池为半椭球，几何尺寸为L=P2IU 其中，P2是比例系数，取决于焊接方

5、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 。第一章 焊接化学冶金14第一章 焊接化学冶金15 2、熔池质量和存在时间、熔池质量和存在时间 tmax=L/v tcp=Gp/vAw AW焊缝的横截面积 3、熔池温度、熔池温度 熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。第一章 焊接化学冶金16第一章 焊接化学冶金171）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、熔池运动状态 第一章 焊接化学冶金18二、焊接过程中对熔融金属二、焊接过程中对熔融金属的保护的保护 1、气渣联合保护2、渣保护3、气保护4、真空保护5

6、、自保护保护方式保护方式 第一章 焊接化学冶金19三、焊接化学冶金反应区及反三、焊接化学冶金反应区及反应条件应条件 1 1、药皮反应区、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。以手工电弧焊手工电弧焊为例，加以讨论 1) 水分蒸发2) 某些物质分解3) 铁合金氧化 第一章 焊接化学冶金20第一章 焊接化学冶金212 2）、熔滴反应区）、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. 第一章 焊接化学冶金223 3、熔池反

7、应区、熔池反应区 1）、熔池T 16001900低于熔滴T 比表面积2 )、接触面积小3130 3）、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 第一章 焊接化学冶金23四、焊接工艺条件与化学冶金四、焊接工艺条件与化学冶金反应的关系反应的关系 （一）、熔合比的影响（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

8、面积 211FFF第一章 焊接化学冶金24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（二）、（化学反应条件的影响）熔滴过渡特性的影响滴过渡特性的影响 滴tI焊接电压V的变化 U 弧长 冶金反应充分滴t本节结束第一章 焊接化学冶金25 1-2 1-2 气相与金属的作用气相与金属的作用一、焊接区内的气体一、焊接区内的气体 （一）气体的来源和产生（一）气体的来源和产生来源：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 22222NOOHHCOCO、成分：成分： 金属及熔渣蒸气第一章 焊接化学冶金26第一章 焊接化学冶金27

9、二、氮与金属作用 来源：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。第一章 焊接化学冶金28(一一)氮在金属中的溶解氮在金属中的溶解 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 （二）氮对焊接质量的影响（二）氮对焊接质量的影响 1) 时效脆化2) 气孔 3) 有利一面 ：可作为合金元素加入钢中，一般指高合金钢 。第一章 焊接化学冶金29第一章 焊接化学冶金30（三）影响焊缝含氮量的因素及控制措施（三）

10、影响焊缝含氮量的因素及控制措施 1 1）、机械保护）、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 2）、焊接工艺规范影响）、焊接工艺规范影响 ：3 3）、焊丝成分的影响）、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d第一章 焊接化学冶金31三、氢对金属的作用三、氢对金属的作用 （一）、氢在金属中的溶解（一）、氢在金属中的溶解 1 1、来源：、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 第二类不形成稳定氢化物的金属 第一章 焊接化学冶金322 2、氢

11、的溶解机构、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 OHH第一章 焊接化学冶金333、的影响因素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 bairNTVTZ.0.MCCNFraie第一章 焊接化学冶金34（二）、焊缝金属中的氢及其扩散（二）、焊缝金属中的氢及其扩散 1. 1.存在形式存在形式 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

12、的边缘空隙中，结合成分子不能自由扩散。 总含氢量=扩散氢剩余氢第一章 焊接化学冶金35.氢在焊缝中分布氢在焊缝中分布 （1）氢沿长度方向的分布基本均匀但火口处含氢量较高。 （2）氢沿焊接接头横断面的分布 （3）母材与焊缝的匹配 第一章 焊接化学冶金36（三）、氢对焊接质量的影响（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)1)、氢脆、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第一章 焊接化学冶金372)2)、白点、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

13、迹，象鱼眼似的也称“鱼眼”. 产生原因：产生原因：白点是在塑性变形阶段产生的。“诱捕理论诱捕理论”解释：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。 第一章 焊接化学冶金383)3)、气孔、气孔 4) 4)、组织变化和显微斑点、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)5)、产

14、生冷裂纹、产生冷裂纹第一章 焊接化学冶金39（四）控制氢的措施（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 第一章 焊接化学冶金40四、氧对金属的作用四、氧对金属的作用 （一）氧在金属中的溶解（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（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 第一章 焊接化学冶金41（三）氧对焊

15、接质量的影响（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CO合金元素烧损4).工艺性能变差 （四）防止措施（四）防止措施 一防二脱 本节结束第一章 焊接化学冶金421-3 1-3 熔渣与金属的作用熔渣与金属的作用 熔渣：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、焊接熔渣（一）熔渣的作用、成分及分类（一）熔渣的作用、成分及分类 1.熔渣的作用熔渣的作用 1).机械保护作用 2).冶金处理作用 3).改善工艺性能 第一章 焊接化学冶金432.熔渣的成分和分类熔渣的成分和分类 1).熔渣成分熔渣成分：大体由氧化物、氯化物、氟化物、

16、硼酸盐类组成是多种化学组成的复杂体系。 2).熔渣分为三类熔渣分为三类 第一类 氧化物型 第二类 盐氧化物型 第三类 盐型 第一章 焊接化学冶金44（二）熔渣结构理论（二）熔渣结构理论 液态熔渣的结构有两种理论： 分子理论分子理论和离子理论离子理论 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。 第一章 焊接化学冶金451.分子理论：分子理论：1).液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成组成2).氧化物之间成盐反应服从质量作用定律氧化物之间成盐反应服从质量作用定律 )()()(22OSOCOSOCkiaia当

17、Tk自由氧化物浓度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 QOSOCOSOCiaia22第一章 焊接化学冶金463).只有自由氧化物才能与金属作用只有自由氧化物才能与金属作用)()(enneFOMMOFCOFOOFee)(4).各氧化物之间的化学亲和力可近似用生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成复合物时的热效应来衡量卡59002OSOFOSOFieie卡28400)(2222OSOCOSOCiaia第一章 焊接化学冶金475). .液态熔渣是理想的熔体液态熔渣是理想的熔体-服从理想溶液定律服从理想溶液定律 分子理论可简明的定性解释熔渣与金属之间的冶金反

18、应,但不能解释一些重要现象，如导电性、电解等。第一章 焊接化学冶金482.离子理论：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.OClF.eeaFFKC.2OSi2O44OSi693OSiOSi第一章 焊接化学冶金492).离子的分布，聚集和相互作用取决于它离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩的综合矩 综合矩综合矩=Z/r r=Z/r r=其子其子ZZ离子电荷（静电单位）离子电荷（静电单位）rr离子半径离子半径离子

19、综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大综合矩综合矩如如 综合矩最大综合矩最大cm810 rT4Si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2O44SiO第一章 焊接化学冶金50盐型简单结构均匀溶液，氧化型熔渣具有复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杂网状，结构的化学成分更不均匀的离子溶液，盐液，盐氧化物型比较复杂的化学成分微观氧化物型比较复杂的化学成分微观不均的离子溶液。不均的离子溶液。 2O2O3).3).液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子液态熔渣与金属之间相互作

20、用的过程是原子与离子交换电荷的过程交换电荷的过程离子理论离子理论分子理论分子理论由于离子交换电荷、运动、形成电流由于离子交换电荷、运动、形成电流.)(2 2)(24SiFeFeSi)(2 2)(2SiFeOFeSiO第一章 焊接化学冶金51（三）熔渣的性质与其结构的关系1.1.熔渣的碱度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 SiO2 TiO2 P2O52).碱性氧化物 K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO3).中性氧化物 Al2O3 Fe2O3 Cr2O3第一章 焊接化学冶金52根据分子理论碱度的定义为：B= (R 2O+RO)/ RO2R

21、 2O、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B11 碱 B11.3碱B1 1 酸 B1 1 中第一章 焊接化学冶金53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;B2 0 碱B2 0 酸B2=0 中第一章 焊接化学冶金54)(005. 0017. 0)(007. 0)(014. 0006. 0015. 0018. 0122322222ZrOTiOOAlSiOFeOMnOOKONaCaFMgOCaOB式中CaO、MgO、CaF2、SiO2 等以质量百分数

22、计B11 碱 B1 1 酸 B1 1 中第一章 焊接化学冶金552.熔渣的粘度熔渣的粘度(1)温度对粘度的影响长渣:T短渣:(2)熔渣成分对粘度的影响 CaFCaF2 2 CaO SiO2CaO SiO2第一章 焊接化学冶金563.3.熔渣的表面张力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:K2O Na2O CaO MgO BaO MnO FeO共价键:SiO2 TiO2 P2O5第一章 焊接化学冶金574.4.熔渣的熔点熔渣的熔点药皮熔点药皮熔点: :药皮熔化温度药皮熔化温度熔渣熔点熔渣熔点: :固态熔渣熔化温度固态熔渣熔化温度焊接钢的熔点在焊接钢的熔点在115

23、0-13501150-1350第一章 焊接化学冶金58二、活性熔渣对焊缝金属的氧化二、活性熔渣对焊缝金属的氧化（一）扩散氧化L=(FeO)/FeO TL饱和SiO2 lgL=4906/T -1.877饱和CaO lgL=5014/T -1.980第一章 焊接化学冶金59（二）置换氧化(SiO2) +2FeSi+2FeOT反应向右进行lgKSi=(FeO)2Si/(SiO2)=-13460/T+6.04(MnO)+Fe=Mn+ FeOlgKMn=(FeO)Mn/(MnO)=-6600/T+3.16第一章 焊接化学冶金60AF=SiO2+042B12(MnO)/100B1AF0.6 高活性 AF=

24、0.30.1低活性AF=0.6-0.3 活性能 AF 0.1惰性第一章 焊接化学冶金61三、焊缝金属的脱氧三、焊缝金属的脱氧（一）脱氧的目的和选择脱氧的原则（二）先期脱氧药皮反应区Fe2O3+Mn=MnO+2FeO CaCO3+Mn=CaO+CO+MnO第一章 焊接化学冶金62（三）沉淀脱氧1 Mn的脱氧Mn+FeO=Fe+(MnO)K=aMnO/aMn.aFeO=MnO.(MnO)/aMn.aFeO第一章 焊接化学冶金632 Si的脱氧Si+2FeO (SiO2) +2Fe3 Si/Mn联合脱氧第一章 焊接化学冶金64（四）扩散脱氧L=(FeO)/FeO TL第一章 焊接化学冶金65四、焊缝

25、金属中硫和磷的控制四、焊缝金属中硫和磷的控制（一）焊缝中硫的危害及控制（一）焊缝中硫的危害及控制1.硫的危害2.控制硫的措施（1）限制焊接材料中含硫量（2）用冶金方法脱硫第一章 焊接化学冶金66碱性焊条脱硫碱性焊条脱硫(CaO)FeS(CaS)(FeO)(MnO)FeS(MnS)(FeO)脱硫剂：碱性氧化物、锰脱硫Mn+Fes=(MnO)+FeLgK=8220/T-1.86 T K 有利于脱硫(MgO)FeS(MgS)(FeO)第一章 焊接化学冶金67（二）焊缝中磷的危害及控制（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）脱硫反应 a）.FeO将磷氧化

26、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第一章 焊接化学冶金68 1-4 1-4 合金过渡合金过渡一、合金过渡的目的及方式一、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.应用合金粉未第一章 焊接化学冶金69二、合金过渡过程的理论分析二、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

27、）在合金过渡过程中各阶段的作用Kb0.4 熔滴过渡为主 Kb0.4 熔池过渡为主第一章 焊接化学冶金70第一章 焊接化学冶金71（三）合金过渡时的物质平衡Md=M0-(Msl+Mxo)Md-过渡到熔敷的合金量;M0-原始加入量Msl-残留损失Mxo-氧化损失第一章 焊接化学冶金72三、合金过渡系数用及其影响因素三、合金过渡系数用及其影响因素（一）合金过渡系数（一）合金过渡系数KbCcoCcwCdCeCd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-在焊芯中的含量第一章 焊接化学冶金73（二）影响过渡系数的因素（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 第一章 焊接化学冶金74本章小结本章小结本章以手工电弧焊焊接低碳钢和低合金钢